Dampfturbinenkondensator erklärt
Dampfturbinenkondensatoren werden in thermischen Kraftwerken eingesetzt, um Dampf in Kondensat (Wasser) zu kondensieren. Dieser Artikel bietet einen Überblick über Dampfturbinenkondensatoren, ihre verschiedenen Designs, Komponenten und Funktionsweise.
Oberflächenkondensator
Hinweis – „Dampfturbinenkondensatoren“ werden auch manchmal „Oberflächenkondensatoren“ genannt, jedoch sind Oberflächenkondensatoren tatsächlich nur eine spezifische Art von Dampfturbinenkondensator.
Was ist ein Dampfturbinenkondensator?
Dampfturbinenkondensatoren werden in thermischen Kraftwerken eingesetzt, um Dampf in Kondensat (Wasser) umzuwandeln. Eine Niederdruckdampfturbine ist direkt mit ihrem zugehörigen Kondensator verbunden, wobei ein flexibles Gelenk die Dampfturbine mit dem Kondensator verbindet. Niederdruckabgas Dampf wird direkt von einer Niederdruckturbine in ihren zugehörigen Kondensator geleitet.
Dampfkondensator im orangefarbenen Kasten hervorgehoben
Hinweis – das flexible Gelenk ist erforderlich, um die thermische Ausdehnung der Teile beim Aufheizen und Abkühlen auszugleichen; ohne das Gelenk könnten Risse und Lecks auftreten.
Warum werden Dampfturbinenkondensatoren benötigt?
- Effizienz – das Kühlen von Niederdruckdampf führt zu einer Druckreduzierung im System. Der Differenzdruck (DP) im System ist ein direkter Indikator für die Effizienz, daher zeigt ein größerer DP ein effizienteres System an, d.h. je größer der Druckunterschied zwischen dem Dampfdruck des Kessels und dem Kondensatordruck, desto höher die Systemeffizienz.
- Wasserwiederverwendung – die Umwandlung des Niederdruckdampfs zurück in Wasser ermöglicht die Wiederverwendung des Wassers; dies senkt die Betriebskosten, da weniger Vorbehandlung erforderlich ist. Wasser kann auch leicht in den Entgaser (Vorbehandlungsgerät) zurückgeführt werden, was bei Niederdruckdampf nicht möglich wäre, da dieser große Rohrleitungen und einen größeren Druckunterschied erfordern würde.
- Entgasung – Kondensatoren entfernen Gase wie Sauerstoff und CO2 aus dem System, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Korrosion in den Speisewasser- und Dampfsystemen verringert wird.
- Sammelpunkt – Kondensatoren dienen als primärer Sammelpunkt für andere Dampfabzugssysteme und Kondensatabläufe.
Hinweis – Wasser, das behandelt wurde, aber noch nicht in den Kessel gelangt ist, wird als „Speisewasser“ bezeichnet. Wasser, das sich im Kessel befindet, wird als „Kesselwasser“ bezeichnet. Dampf, der wieder zu Wasser kondensiert ist, wird als „Kondensat“ bezeichnet. Kondensat wird nach der Behandlung zu Speisewasser.
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Teile des Dampfturbinenkondensators
Die Hauptkomponenten eines Dampfturbinenkondensators sind unten aufgeführt.
Teile des Oberflächenkondensators
Niederdruckdampfeinlass
Niederdruckdampf von der Niederdruckdampfturbine wird in den Kondensator geleitet. Der Kondensator wird unter Vakuum gehalten, um einen niedrigen Gegendruck für den Turbinenabgas zu bieten, was die Gesamteffizienz der Anlage erhöht.
Gehäuse
Das Gehäuse beherbergt die inneren Teile des Kondensators, einschließlich der Rohrstützplatten, Rohrböden, Rohre, Heißbrunnen (unterer Teil des Kondensators) und Absaugrohre; es wird normalerweise aus schweren Stahlplatten gefertigt, die zu einem Stück verschweißt sind. Die Rohre sind vom Gehäuse entfernt, um dem Dampf den Zugang zu allen Teilen der Rohre zu ermöglichen, was die Effizienz des Kondensators erhöht und die Wahrscheinlichkeit einer Überhitzung verringert.
Rohrbündel
Rohre, die durch den Kondensator verlaufen, werden zu einem „Bündel“ zusammengebaut; diese sind an Rohrböden montiert. Turbulatoren werden oft in den Rohren installiert, um turbulente Strömung zu fördern, was die Wärmeübertragungsfähigkeit der Rohre und damit die Gesamteffizienz des Kondensators erhöht.
Rohr mit installiertem Turbulator
Rohrböden
Rohrböden sind an den gegenüberliegenden Enden der Rohrbündel montiert; sie halten die Rohre in Position und verleihen den Rohren mechanische Festigkeit. Jedes Rohr wird in seinen zugehörigen Rohrboden gerollt und erweitert.
Absaugrohre
Absaugdampf tritt durch diese Rohre in den Kondensator ein. Abgasdampf von den Kesselspeisewasserpumpen wird ebenfalls in den Kondensator geleitet.
Wasserkästen
Kühlwasser tritt über die Wasserkästen in einen Kondensator ein und verlässt ihn; diese sind an den gegenüberliegenden Enden des Kondensators installiert. Ein Ende des Kondensators bildet den Einlass, während das andere den Auslass (Abgabe) bildet. Abhängig von der Größe der Einheit kann ein Kondensator einen oder mehrere Einlässe und Abgaben haben, obwohl mehr als zwei ungewöhnlich sind. Wasserkästen sollten eine schützende korrosionsbeständige Auskleidung haben, die alle wasserberührten Oberflächen abdeckt.
Hinweis – es ist wichtig, dass die Wasserkästen bei Betrieb vollständig mit Kühlwasser gefüllt bleiben, da ein Versäumnis dies zu tun zu lokaler Überhitzung der Rohre führen könnte.
Düse
Die große Form einer Wasserkastendüse ist so gestaltet, dass die Wassergeschwindigkeiten niedrig bleiben.
Heißbrunnen
Der Heißbrunnen bildet den unteren Teil des Kondensators. Kondensierter Dampf bildet Kondensat, das sich im Heißbrunnen sammelt und durch Rohrleitungen am Boden des Heißbrunnens abgegeben wird.
Kondensatabsaugpumpe
Kondensat wird über eine Kondensatabsaugpumpe abgegeben. Da Kondensat ein viel kleineres Volumen als Dampf hat (ein Verhältnis von 1600:1), ist das Abflussrohr viel kleiner als der Haupteinlass des Kondensators.
Instrumentierung
Sonden sind an mehreren Stellen des Kondensators zur Überwachung angebracht. Jede Sonde zeichnet Betriebsdaten in Bezug auf Durchfluss, Druck, Füllstand und Temperatur auf. Alle Daten werden dann in Echtzeit an ein Überwachungssystem gesendet. Alarme und Abschaltungen werden basierend auf den von den installierten Sonden empfangenen Daten ausgelöst.
Niederdruckspeisewassererhitzer
Große Kraftwerke installieren oft Niederdruckspeisewassererhitzer im Hals des Kondensators; die beiden Hauptgründe dafür sind Platz und Kosten.
- Platz – ein Speisewassererhitzer benötigt viel Platz, dieser Platz erhöht die Baukosten des Gebäudes, was nicht erwünscht ist.
- Kosten – die Installation des Speisewassererhitzers im Hals des Kondensators reduziert die Länge der benötigten Absaugdampfrohre, was die Anzahl der benötigten Aufhänger, Gelenke, Ventile usw. reduziert; dadurch entstehen Kosten- und Platzersparnisse, indem der LP-Speisewassererhitzer im Kondensator platziert wird.
Wie funktionieren Dampfturbinenkondensatoren?
Niederdruckabgasdampf überträgt seine Wärme (thermische Energie) auf ein Kühlmedium, wodurch er abkühlt (Temperaturabnahme) und kondensiert, während die Temperatur des Kühlmediums steigt. Der Hauptzweck eines Dampfkondensators besteht darin, den Abgasdampf zu kühlen und ihn in einen flüssigen Zustand zu überführen.
Wärmesenken sind erforderlich, um die thermische Energie vom Abgasdampf an die Umgebung zu übertragen. Eine typische Wärmesenke kann ein See, Fluss oder Ozean sein. Wenn kein großes Gewässer als Wärmesenke zur Verfügung steht, werden Kühltürme verwendet, und das Kühlwasser wird rezirkuliert; luftgekühlte Kondensatoren können ebenfalls verwendet werden, obwohl dies bei großen Kraftwerken aufgrund ihrer hohen Kühlkapazitätsanforderungen selten ist.
In diesem Beispiel nehmen wir an, dass ein natürlicher Zugkühlturm als Wärmesenke verwendet wird. Der Kühlturm ist verantwortlich für die Ableitung der Wärme vom Dampfturbinenabgas. Kühlwasser aus dem Becken des Kühlturms wird zu den Kondensatoren geleitet, wo es durch die Rohre fließt. Wenn Abgasdampf in den Kondensator eintritt, umgibt er die wassergefüllten Rohre.
Querschnitt eines natürlichen Zugkühlturms
Während sich der Dampf über die Außenseite der Rohre bewegt, wird er durch das Wasser in ihnen gekühlt, was zu seiner Kondensation führt. Das Kühlwasser (innerhalb der Rohre) absorbiert die Wärme des Dampfes, was dazu führt, dass seine Temperatur entsprechend steigt. Das erhitzte Kühlwasser wird dann zurück zum Kühlturm geleitet, wo es durch Verdunstungskühlung abgekühlt wird, bevor der Prozess wiederholt wird.
Wasser- und luftgekühlte Kondensatoren
Das Funktionsprinzip eines Dampfturbinenkondensators beinhaltet den Wärmeaustausch vom Niederdruckdampfturbinenabgas zu einem separaten Kühlmedium, typischerweise Wasser oder Luft.
Hinweis – siehe unseren Artikel über latente und fühlbare Wärme, um Wärme und ihre verschiedenen Eigenschaften zu verstehen.
Wassergesteuerter Kondensator
Im Fall eines wassergesteuerten Kondensators fließt Kühlwasser durch Rohre innerhalb des Kondensators. Abgasdampf fließt um diese Rohre und kondensiert zu Wasser, während er gekühlt wird. Diese Art von Kondensator ist aufgrund der großen Kontaktfläche zwischen den Rohren und dem Dampf sehr effizient im Wärmeaustausch. Der kondensierte Dampf, jetzt in Form von Kondensat, wird am Boden des Kondensators gesammelt und zurück zum Entgaser und dann zum Kessel (normalerweise ein Wasserrohrkessel) gepumpt. Das erhitzte Kühlwasser wird mit einem Kühlturm gekühlt, wenn kein See, Fluss oder Ozean verfügbar ist (es gibt verschiedene Arten von Wärmesenken).
Luftgekühlter Kondensator
In luftgekühlten Kondensatoren wird die Kühlung durch Luft erreicht, die über Lamellenrohre strömt, durch die der Abgasdampf fließt. Luftgekühlte Kondensatoren werden in Gebieten eingesetzt, in denen Wasserressourcen begrenzt sind. Allerdings sind luftgekühlte Kondensatoren im Allgemeinen weniger effizient als wassergesteuerte Typen aufgrund ihrer geringeren Wärmeübertragungsrate (dies liegt daran, dass Luft eine geringere Dichte als Wasser hat und daher nicht so effizient kühlen kann).
Oberflächen- und luftgekühlte Kondensatoren
Es gibt mehrere Haupttypen von Dampfturbinenkondensatoren und es ist wichtig, direkte und indirekte Kühlung zu diskutieren, um ihr Design zu verstehen.
Oberflächenkondensatoren – dies sind die häufigsten Arten von Kondensatoren; sie sind im Wesentlichen große Rohrbündelwärmetauscher. Sie kühlen indirekt den Dampf, d.h. der Dampf kommt nicht direkt mit dem Kühlwasser in Kontakt.
Luftgekühlte Kondensatoren – diese werden verwendet, wenn keine leicht verfügbare Wasserquelle vorhanden ist. Es gibt zwei Haupttypen von luftgekühlten Kondensatoren:
- Direkt wirkend – Abgasdampf fließt durch Rohre mit daran geschweißten Wärmetauscherlamellen. Elektrische Ventilatoren blasen Luft über die Rohre und Lamellen, was den Dampf kühlt und ihn kondensieren lässt.
Direkt luftgekühlter Kondensator
- Indirekt wirkend – Turbinenabgasdampf wird durch einen Kühlwasserkreislauf innerhalb eines herkömmlichen Oberflächenkondensators kondensiert. Das Kühlwasser gibt dann die Wärme über einen luftgekühlten Kondensator an die Atmosphäre ab.
Indirekt luftgekühlter Kondensator
Faktoren, die die Leistung des Kondensators beeinflussen
Umgebung
Die Temperatur des Kühlwassers wird von der Umgebung beeinflusst. In kälteren Klimazonen hat das Kühlwasser beispielsweise eine niedrigere Temperatur. Kälteres Wasser verbessert die Gesamteffizienz des Kondensators, sollte jedoch nicht so kalt sein, dass es den Kondensator thermisch schockt oder gefriert. Wenn das Kühlwasser zu heiß ist, verringert sich seine Wärmeübertragungsfähigkeit und Kühlkapazität.
Wasserqualität
Die Art des verwendeten Wassers (Süßwasser oder Salzwasser) kann die Leistung eines Kondensators beeinflussen. Salzwasser, das korrosiv ist, erfordert, dass der Kondensator aus korrosionsbeständigen Materialien besteht. Alle Arten von Wasserquellen erfordern eine Art von Filterung vor der Verwendung.
Hinweis – „Süßwasser“ wird manchmal „Süßwasser“ genannt. Süßwasser wird auch als „Süßwasser“ oder „Süßwasser“ geschrieben, aber alle Schreibweisen bedeuten dasselbe.
Verschmutzung
Ablagerungen (Kalk usw.), die sich innerhalb der Rohre oder auf den äußeren Oberflächen der Rohre ansammeln, können ihre Wärmeübertragungsrate verringern, was zu einer entsprechenden Verringerung der Kühlkapazität des Kondensators führt.
Zusätzliche Quellen
https://en.wikipedia.org/wiki/Surface_condenser
https://engineering.fandom.com/wiki/Condenser_(steam_turbine)
https://www.powerplantandcalculations.com/2020/05/steam-condenservacuum-and-calculations.html
https://learnmech.com/steam-condenser-types-function-diagram-advantages
https://www.nuclear-power.net/nuclear-power-plant/turbine-generator-power-conversion-system/what-is-steam-turbine-description-and-characteristics/condensing-steam-turbine