Gasturbinenkraftwerk

Das Gasturbinenkraftwerk zur reinen Stromerzeugung besteht meist aus einer mit Erdgas betriebenen Gasturbine, die über ein Getriebe und einen Generator elektrische Energie erzeugt, sowie einem Kamin, über den die Abgase abgeleitet werden.

Eine Nutzung der thermischen Energie des Abgases erfolgt hierbei nicht.

Anlagen dieser Art werden häufig zur reinen Abdeckung von Bezugsspitzen in großen elektrischen Netzen eingesetzt. Diese Anlagen sind dann schnell- und kaltstartfähig ausgeführt.

Für den elektrischen Wirkungsgrad des Gasturbinenkraftwerks gilt vereinfacht betrachtet:

Der elektrische Eigenbedarf einer Gasturbine ist am Allgemeinen gering und kann je nach Art der Betrachtung vernachlässigt werden.

Gasturbine als Joule-Prozess

Die Gasturbine ist ein offenes, stationär durchströmtes System. Der offene oder geschlossene Joule-Prozess dient als thermodynamischer Vergleichsprozess für einfache Gasturbinenanlagen. Er besteht aus einem adiabaten reversiblen Verdichter, einer isobaren Brennkammer, einer adiabten reversiblen Turbine und einer isobaren Wärmeabfuhr.

Die folgende Abbildung zeigt das Prozessschaubild des geschlossenen Joule-Prozess für Luft als ideales Gas, bei dem die Brennkammer sowie die Frischluftzufuhr und die Abgasabfuhr als Wärmetauscher dargestellt sind:

In oben gezeigter Abbildung gilt:

  • qzu      zugeführte Wärme
  • qab      abgeführte Wärme
  • wv      Verdichterarbeit
  • wt      technisch nutzbare Arbeit

Die folgende Abbildung zeigt das p-v-Diagramm und das T-s-Diagramm des geschlossenen Joule-Prozess, die Indizes „s“ stellen hierbei den idealen Prozess dar:

Luftansaugung

Für die Luftansaugung ist bei realen Anlagen stets der Druckverlust über das Ansaugfiltersystem zu berücksichtigen. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen mit hoher Luftfeuchte muss ein Anti-Icing-System berücksichtigt werden.

Zusätzlich kann die Luftansaugung über ein Kühlsystem verfügen, um bei hohen Umgebungstemperaturen durch eine Abkühlung der Luft den Luftmassenstrom zu erhöhen und somit den Wirkungsgrad zu verbessern.

Verdichter

Im Verdichter der Gasturbine wird die ein konstanter Massenstrom an Luft vom Zustand 1 auf den Zustand 2s isentrop komprimiert, Druck und Temperatur der Luft steigen dabei an, das spezifische Volumen verringert sich. Dem Verdichter wird die Arbeit wv zugeführt. Bei realen Prozessen wird stets nur der dargestellt Zustand 2 erreicht.

Brennkammer

In der Brennkammer der Gasturbine wird die Luft von Zustand 2 zu 3 isobar erwärmt. Hierbei wird Brennstoff qzu zugeführt und verfeuert. Durch den zugeführten Brennstoff erhöht sich der Massenstrom im Allgemeinen nur gering. Auch der geringe Druckverlust der Brennkammer kann oft vernachlässigt werden.

Leistungsturbine

In der eigentlichen Gasturbine wird die Luft vom Zustand 3 zum Zustand 4 isentrop entspannt und gibt dabei Arbeit ab. Die Arbeit wird zu einem größeren Teil zum Antrieb des Verdichters wv verwendet, die nutzbare Arbeit wt steht an der Welle zum Antrieb eines Generators, meist über ein Getriebe zur Verfügung.

Abgasaustritt

Die isobare Wärmeabfuhr qab des Joule-Prozesses stellt beim realen Gasturbinenprozess die Abgasableitung am Zustand 4  in die Umgebung  dar.

Hierbei ist ebenfalls der vorherrschende Druck an der Turbine zu verwenden. Kaminzuges oder Druckverluste durch einen Abhitzedampferzeuger sind zu berücksichtigen.

Berechnungen zur Gasturbine

Der geschlossene Joule-Prozess kann näherungsweise betrachtet werden mit:

  • Arbeitsmedium Luft (ohne Betrachtung der Verbrennungsprodukte)
  • Luft als ideales Gas
  • Der Verbrennungsprozess wird als Wärmeübertragung aus einer externen Quelle angesehen
  • Das Abgas und die Luftansaugung werden durch eine Wärmeübertragung zu einer externen Senke betrachtet
  • Konstante spezifische Wärmekapazitäten bei 298,15 K = 25,0°C

Mit diesen Annahmen können die meisten Berechnungen näherungsweise durchgeführt werden.

Druckverhältnis der Kompression

Das Druckverhältnis der Kompression ist definiert als:

Isentrope Verdichteraustrittstemperatur

Die Austrittstemperatur am idealen Verdichter berechnet sich mit der folgenden Formel:

Isentroper Verdichterwirkungsgrad

Der isentrope Verdichterwirkungsgrad ist definiert als:

Für ideales Gas mit cp = konst. gilt weiterhin: