und ihre Bedeutung für die Optimierung von Wirkungsgrad und Emissionen
Aufgrund ihrer besonderen Leistungen im Spitzenlastbereich haben sich Gasturbinen als entscheidende und zuverlässige Komponenten in zahlreichen industriellen Anwendungen bewährt. Besonders häufig werden Gasturbinen in der Strom- und Wärmewirtschaft eingesetzt sowie in der Öl- und Gasindustrie. In der industriellen Energieversorgung sorgen Gasturbinen für die Abdeckung von Bedarfsspitzen und die Produktion von Heizwärme. Häufige Einsatzbereiche sind Gasturbinenwerke, Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) und Blockheizkraftwerke (BHKW). Eine besonders hohe Energieeffizienz erzielt die Kombination von Gas- und Dampfturbinen. In der Öl- und Gasindustrie sind Gasturbinen als mechanische Antriebe von Pumpen, Verdichtern und Generatoren bei der Förderung und Verarbeitung der Rohstoffe im Einsatz. Gasturbinen werden mit flüssigen und gasförmigen Kraftstoffen wie Erdgas, Benzin, Diesel, Heizöl oder Erdöl betrieben. Um den brennstoff- und abgasintensiven Prozess auf höchste Effizienz zu optimieren, kommt es auf das komplexe Zusammenspiel zwischen den Abgasparametern und den Einstellungen des Verbrennungsprozesses in der Gasturbine an – die Basis für eine optimale Leistung. Für den Servicetechniker ist es wichtig, die Funktionsweise des Verbrennungsprozesses und den Einfluss der einzelnen Messgrößen auf die Leistung und den Schadstoffausstoß von Gasturbinen zu verstehen.
Gasturbinen sind Verbrennungskraftmaschinen die aus drei Komponenten bestehen: einem vorgeschalteten Verdichter, der zentralen Brennkammer und der eigentlichen Turbine. Je nach Anwendung und Einsatzgebiet unterscheiden sich Bauart, Leistung und Größe von Gasturbinen. Doch das Wirkungsprinzip ist stets dasselbe und beruht auf dem thermodynamischen Kreisprozess nach James Prescott Joule („Joule-Prozess“). Dabei wird über die Beschaufelung einer oder mehrerer Verdichterstufen Luft komprimiert, die sich anschließend in der Brennkammer mit einem gasförmigen oder flüssigen Treibstoff mischt, entzündet und verbrennt.
Aus dieser Mischung von komprimierter Luft und dem Verbrennungsgas entsteht ein Heißgas, das Temperaturen von über +1.000°C erreichen kann und in den nachgeschalteten Turbinenteil entweicht und dort entspannt: Thermische Energie wandelt sich in mechanische Energie um. In der Entspannungsturbine expandiert das energiereiche, heiße Abgas annähernd auf Umgebungsdruck und verringert dabei seine Geschwindigkeit. Während des Expansionsvorgangs gibt das Abgas Leistung an die Turbine ab. Zum Antrieb des Verdichters (Luftansaugung) werden ca. 2/3 dieser Leistung benötigt. Ein direkt gekoppelter Generator wandelt die mechanische in elektrische Energie um. Auf der Niederdruckseite steht noch etwa 1/3 der Nutzleistung für eine zweite Welle zur Verfügung, zum Beispiel zum Antrieb eines Generators, Rotors, Kompressors oder Pumpenantriebs, bevor das heiße Abgas in einen nachgeschalteten Abhitzekessel zur Heizwärmeerzeugung geleitet wird.
Die Konzentration der freigesetzten Abgase liefert wichtige Hinweise auf die Effizienz der Verbrennung und wie sie gesteigert werden kann. CO- und NOx-Werte geben Aufschluss über den aktuellen Zustand der Anlage und die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte. Die Luftzufuhr zwischen rich und lean und die korrelierende Brennkammertemperatur beeinflussen das Emissionsverhalten der Gasturbine.
Bei Emissionsmessungen an Gasturbinen besteht die Herausforderung darin, sowohl bei sehr niedrigen als auch hohen Gaskonzentrationen präzise zu messen. Optimal eingestellte Gasturbinen stoßen bei richtigem Betriebspunkt nur geringfügige CO- und NOx-Werte aus (<10 ppm). Dennoch können hohe Gaskonzentrationen auftreten, wenn die Anlage zum Beispiel zu Testzwecken angefahren wird. Auch die Absenkung der NO2-Emissionen sowie die Vermeidung von Druckverlust in der Brennkammer sind wichtige Faktoren für den effizienten Betrieb der Gasturbine.
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