Der Dampfturbinenprozess

1. Grundlagen

In einem Dampfturbinenprozess wird Wasser durch eine Pumpe auf ein hohes Druckniveau gebracht (1 - 2). Anschließend wird es erwärmt und verdampft (2 - 3). Dieser Hochdruckwasserdampf kann anschließend in einer Dampfturbine entspannt werden (3 - 4), wodurch dessen potentielle Energie in kinetische Energie einer rotierenden Welle umgewandelt wird. Zur Erzeugung von elektrischer Leistung wird die mechanische Energie in einem Generator umgewandelt. Der Niederdruckwasserdampf, der aus der Turbine austritt, wird nun in einem Kondensator vollständig verflüssigt (4 - 1). Dazu ist ein Kühlkreislauf notwendig, der dem Wasserdampf die Wärmeenergie entzieht. Anschließend erfolgt eine Druckerhöhung in der Pumpe und der Kreislauf beginnt erneut.

Abbildung 1: Schema eines Dampfturbinenprozesses

Der in jedem Kreisprozess theoretisch maximal erreichbare Wirkungsgrad (Carnot - Wirkungsgrad) lässt sich aus dem Verhältnis der höchsten und niedrigsten Temperatur des Prozesses berechnen:

η = 1 - ^T_U/_TO

Der Wirkungsgrad ist folglich umso höher, je größer das Temperaturgefälle zwischen T_O (obere Systemtemperatur) und T_U (untere Systemtemperatur) ist. Aus diesem Grund sollte auch das Wasser nach der Turbine so weit wie möglich abgekühlt werden. Dieser theoretische Wirkungsgrad wird aber in der Realität nicht erreicht und dient nur als Obergrenze. Ein weiterer Grund für die notwendige Abkühlung des nach der Dampfturbine austretenden Niederdruckwasserdampfes, was oft mit dem Bau aufwendiger Kühltürme und der ungenutzten Wärmeabgabe an die Umgebung verbunden ist, ist die Notwendigkeit, dass die vorhandene Pumpe nur flüssige Medien auf einen höheren Druck bringen kann. Für gasförmige Medien wäre ein Verdichter notwendig, welcher einen Großteil der erzeugten mechanischen Energie wieder verbrauchen würde.

2. Besonderheiten

Durch verschiedene Zusatzkomponenten kann eine Wirkungsgradsteigerung des Kreisprozesses erreicht werden. Mögliche Varianten sind u.a. der Einsatz von:

• Vorwärmetauschern, welche unter Nutzung von Prozessdampf direkt aus der Turbine oder durch Wärme aus anderen Quellen das Speisewasser vorwärmen, bevor es in den Verdampfer gelangt.
• Rekuperatorwärmetauschern, die den Kühlkreislauf entlasten, indem sie dem Wasserdampf nach dem Entspannen Wärme entziehen und diese auf das nach der Pumpe verdichtete Wasser übertragen.
• Zwischenüberhitzer, durch die der schon teilweise entspannte Dampf wieder auf ein höheres Druckniveau angehoben wird, wodurch zusätzliche Expansionsenergie freigesetzt wird.
• Allgemein durch die Steigerung des Frischdampfdruckes und der Temp-eratur
• Absenkung des Gegendruckes der Turbine

3. Betrieb

Grundlegend sollten Dampfturbinenprozesse stationär und mit einer hohen Volllaststundenanzahl betrieben werden. Dies hat technologische Gründe, die auf den Auslegungspunkt der Turbine zurückzuführen sind. Kann dieser Betriebsauslegungspunkt nicht erreicht werden, sind starke Wirkungsgradverluste unvermeidlich.

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