Wärmerückgewinnungs-Dampferzeuger (HRSG) erklärt

Was ist ein Wärmerückgewinnungs-Dampferzeuger (HRSG)?

Ein Wärmerückgewinnungs-Dampferzeuger, allgemein als HRSG abgekürzt, ist ein spezialisiertes Gerät zur Rückgewinnung von Wärme aus heißen Gasen. Diese heißen Gase stammen oft von einer Gasturbine als Abgas (Rauchgase) oder einem industriellen Prozess, der viel Wärme erzeugt. Die zurückgewonnene Wärme wird genutzt, um Wasser zu erhitzen und Dampf zu erzeugen, der für die Stromerzeugung oder andere industrielle Prozesse verwendet werden kann.

Wärmerückgewinnungs-Dampferzeuger

Warum brauchen wir Wärmerückgewinnungs-Dampferzeuger?

Effizienz und Nachhaltigkeit

Ein Hauptgrund für den Einsatz eines HRSG ist die Steigerung der Effizienz eines Systems. Durch die Rückgewinnung von Abwärme aus einem Verbrennungsprozess reduzieren wir die Menge der verlorenen Wärme und erhöhen die Gesamteffizienz des Systems. Eine höhere Anlageneffizienz führt zu reduzierten Betriebskosten und einer geringeren Umweltbelastung.

Kosteneinsparungen

Obwohl die anfängliche Investition in einen HRSG hoch sein kann, machen die langfristigen Effizienzgewinne die Investition kosteneffektiv. Über die Lebensdauer des HRSG (möglicherweise >20 Jahre) amortisiert er sich vielfach. Die hohe Zuverlässigkeit eines HRSG sorgt auch für eine hohe Betriebszeit, was eine gute Kapitalrendite sicherstellt.

Flexibilität

HRSGs können in verschiedene industrielle Prozesse integriert werden und bieten Flexibilität in der Anwendung. Ob für die Stromerzeugung, Fernwärme oder andere industrielle Anwendungen, ein HRSG kann die Systemeffizienz erheblich steigern, indem es Wärme zurückgewinnt, die sonst verloren wäre.

HRSG-Anwendungen

Ein HRSG wird typischerweise nach einer Gasturbine (Verbrennungsturbine) oder einem anderen Verbrennungsprozess innerhalb eines Kraftwerks installiert. Zum Beispiel nutzt ein Kombikraftwerk (CCPP) eine Gasturbine und einen in Serie installierten HRSG. Innerhalb eines CCPP wird eine Gasturbine zur Stromerzeugung verwendet, während ihre Abgase an den HRSG abgegeben werden, der zur Dampferzeugung genutzt wird. In diesem Setup werden Gasturbinen typischerweise mit Erdgas betrieben, obwohl es möglich ist, viele andere Brennstoffarten zu verwenden.

Dampf aus dem HRSG wird dann verwendet, um eine Dampfturbine anzutreiben, die ebenfalls Strom erzeugt. In industriellen Umgebungen können HRSGs auch dort gefunden werden, wo Abwärme zur Dampferzeugung zurückgewonnen werden muss, wie in Raffinerien oder Chemiewerken.

Teile eines Kombikraftwerks

Was sind die Hauptbestandteile eines HRSG?

Trotz der Größe der meisten HRSGs haben sie relativ wenige Hauptbestandteile und Systeme. Ein typischer HRSG verfügt über ein Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruck-Dampfsystem. Jedes System hat eine zugehörige Dampftrommel, einen Economiser, einen Verdampfer und einen Überhitzer. Der Durchfluss durch den HRSG erfolgt vom Economiser zur Dampftrommel, zum Verdampfer und dann zum Überhitzer.

Dieser Durchfluss erfolgt zuerst im Niederdruck (LP), dann im Mitteldruck (IP) und schließlich im Hochdruck (HP)-Dampfsystem. Jedes Dampfsystem hat auch eine entsprechende Dampfturbine, d.h. Hochdruck-Dampfturbine, Mitteldruck-Dampfturbine und Niederdruck-Dampfturbine.

Der Economiser, der Verdampfer und der Überhitzer sind aus Rohren konstruiert, um eine große Kontaktfläche mit den Abgasen zu haben; dies bedeutet, dass sie auch eine große Wärmeübertragungskapazität haben. Es ist am besten, diese Hauptbestandteile als Wärmetauscher zu betrachten, da dies ihre Hauptfunktion ist. Jeder dieser drei Teile fungiert als Wärmetauscher, um Dampf (Verdampfer und Überhitzer) oder ein Wasser-Dampf-Gemisch (Economiser) zu erzeugen.

Teile eines Wärmerückgewinnungs-Dampferzeugers

Die vier Hauptkomponenten eines HRSG sind unten aufgeführt.

• Economiser – Speisewasser wird zuerst an den Boden des Economisers geleitet. Der Economiser erwärmt das Speisewasser vor. Kesselwasser wird vom Economiser in die zugehörige System-Dampftrommel abgegeben. Das Vorwärmen des Speisewassers erhöht die Effizienz des Systems, indem sichergestellt wird, dass das Wasser, das in die Dampftrommel eintritt, bereits warm ist (kein Risiko eines thermischen Schocks).

• Dampftrommel – Kesselwasser vom Economiser wird in seine jeweilige Dampftrommel abgegeben. Die Dampftrommel trennt Dampf und Wasser. Dampf steigt an die Spitze der Dampftrommel und wird zum Überhitzer geleitet. Wasser wird vom Boden der Dampftrommel zum Verdampfer abgegeben. Kesselwasser wird im Verdampfer rezirkuliert, bis es zu Dampf wird.

• Verdampfer – wo die Dampferzeugung stattfindet. Wasser fließt durch Rohre, die von heißen Abgasen erhitzt werden. Das Wasser nimmt Wärme von den Rohren auf, während es durch den Verdampfer fließt, und dies führt dazu, dass es seinen Phasenzustand zu Dampf ändert. Nicht alles Wasser ändert seinen Zustand zu Dampf, daher ist es ein Dampf-Wasser-Gemisch (nasser Dampf), das vom Verdampfer zur Dampftrommel abgegeben wird. Das Wasser, das nicht in den Zustand Dampf übergegangen ist, wird erneut durch den Verdampfer rezirkuliert.

• Überhitzer – nimmt den im Verdampfer erzeugten Dampf und erhöht dessen Temperatur (und Energie) noch weiter, um sicherzustellen, dass er sich im optimalen Zustand für die Dampfturbine oder den industriellen Verbraucher befindet. Überhitzer fügen dem Dampf fühlbare Wärme hinzu, sie fügen keine latente Wärme hinzu, da es in diesem Stadium keinen Phasenwechsel gibt (kein Wechsel von Wasser zu Dampf).

Wie funktioniert ein Wärmerückgewinnungs-Dampferzeuger?

Um zu verstehen, wie ein HRSG funktioniert, ist es am besten, das untenstehende Diagramm zu studieren.

HRSG-Flussweg

Beachten Sie, dass Wasser am kältesten Teil des HRSG (am weitesten von der Wärmequelle entfernt) eintritt und allmählich erhitzt wird, während es sich zur Wärmequelle hin bewegt. Beachten Sie auch, dass es ein Standardflussmuster gibt, das mit dem Economiser beginnt, dann die Dampftrommel, den Verdampfer, erneut die Dampftrommel, den Überhitzer und schließlich zu den Dampfturbinen führt. Wenn der HRSG ein HP-, IP- und LP-Dampfsystem hat, ist der Flussweg derselbe, da jedes System seinen eigenen Economiser, Verdampfer und Überhitzer hat.

Das HRSG-Funktionsprinzip wird unten zusammengefasst.

1.    Wärmerückgewinnung – Abgase von einer Gasturbine oder einer anderen Wärmequelle, typischerweise bei Temperaturen von 900°F bis 1.100°F (482°C bis 593°C), werden in den HRSG geleitet.

2.    Economiser-Vorwärmung – Speisewasser wird im Economiser vorgewärmt. Dieser Prozess erhöht die Wassertemperatur nahe an den Siedepunkt, um es für den Verdampfer vorzubereiten.

3.    Dampftrommel – Wasser aus dem Economiser wird zur Dampftrommel geleitet, oft auch durch einen Entgaser. Gesättigter Dampf wird aus den Dampftrommeln abgegeben.

4.    Verdampfer-Dampferzeugung – vorgewärmtes Wasser fließt durch die Verdampferrohre und wird von den heißen Abgasen erhitzt. Der Wärmeaustausch führt dazu, dass das Wasser kocht und seinen Zustand zu Dampf ändert. Die Temperatur im Verdampfer kann je nach Systemdruck zwischen 250°F und 600°F (121°C bis 315°C) liegen.

5.    Überhitzung – der im Verdampfer erzeugte Dampf wird zum Überhitzer geleitet. Dampf im Überhitzer wird heißeren Abgasen ausgesetzt, da er näher an der Wärmequelle liegt. Der Überhitzer kann die Dampftemperatur auf bis zu 1.022°F (550°C) erhöhen, was für eine typische Hochdruckturbine eines Kraftwerks erforderlich ist. Dampfturbinen benötigen überhitzten Dampf wegen seines hohen Energiegehalts und des reduzierten Feuchtigkeitsgehalts (trockener überhitzter Dampf wird an eine Dampfturbine geliefert).

Die Energiemenge, die der Dampf enthält, entspricht der Energiemenge, die die Dampfturbine extrahieren kann, und folglich der Menge an elektrischer Energie, die ihr Generator erzeugen kann.

6.    Dampfturbinen-Stromerzeugung – trockener überhitzter Dampf wird vom HRSG zu einer oder mehreren Dampfturbinen abgegeben. Die Dampfturbine wandelt die Wärmeenergie des Dampfes in mechanische Energie um und überträgt diese an einen Generator (beide sind auf einer gemeinsamen Welle installiert).

Der Generator wandelt die mechanische Energie in elektrische Energie (Elektrizität) um.

7.    Abgasabgabe – nachdem die Abgase den größten Teil ihrer Wärmeenergie an die Wasser- und Dampfsysteme abgegeben haben, werden sie bei einer Temperatur zwischen 250°F und 300°F (121°C bis 149°C) in die Atmosphäre abgegeben. Es ist wichtig, dass der heiße Gasstrom keine zu niedrige Temperatur hat, da sonst Kondensation im Schornstein auftreten könnte und eine korrosive Umgebung entsteht.

Gut zu wissen – ein 'Schornstein' ist ähnlich wie ein 'Kamin', obwohl 'Schornstein' der häufiger verwendete Begriff in der Technik ist.

Mehrdruck- und Einzeldruck-HRSGs

Wenn ein HRSG auf einem einzigen Druckniveau arbeitet, hat er eine einzige Dampftrommel, eine einzige Economiser-Sektion, eine einzige Verdampfer-Sektion und eine einzige Überhitzer-Sektion. Wenn ein HRSG auf mehreren Druckniveaus arbeitet, d.h. LP-, IP- und HP-Druckniveaus, hat er auch mehrere Dampftrommeln, Economiser, Verdampfer und Überhitzer. Ein HRSG-System, das auf einem einzigen Druckniveau arbeitet, wird als Einzeldruck-HRSG bezeichnet. Ein HRSG-System, das auf mehreren Druckniveaus arbeitet, wird als Mehrdruck-HRSG bezeichnet. Kraftwerke verwenden Mehrdruck-HRSGs, während Einzeldruck-HRSGs eher für andere industrielle Anwendungen verwendet werden.

Vertikale HRSGs und horizontale HRSGs

Es ist möglich, Wärmerückgewinnungs-Dampferzeuger basierend auf ihrer Ausrichtung zu klassifizieren:

• Vertikaler Typ HRSG - Abgase strömen vertikal über horizontale Rohre.

• Horizontaler Typ HRSG - Abgase strömen horizontal über vertikale Rohre.