Die Leistung von Gasturbinen erklärt: Wärmeverbrauch, Leistung und Standortbedingungen

Die Nennleistung einer Gasturbine ist nur ein Ausgangspunkt für die Bewertung eines Projekts. Aussagekräftiger ist, wie viel Netto-Strom die Anlage unter den erforderlichen Standortbedingungen liefern kann, wie viel Brennstoff sie dafür verbraucht und ob sie diese Leistung über den erwarteten Betriebsbereich hinweg aufrechterhalten kann. Eine Maschine mit höherer Typenschildleistung kann an einem heißen Tag weniger nutzbare Leistung liefern als erwartet oder bei Teillast mehr Brennstoff verbrauchen.

Wärmeverbrauch, elektrische Leistung und Standortbedingungen müssen daher gemeinsam bewertet werden. Jede Kennzahl beruht auf festgelegten Systemgrenzen und Annahmen, die übereinstimmen müssen, bevor Angebote miteinander verglichen werden können.

Was der Wärmeverbrauch über den Brennstoffverbrauch aussagt

Der Wärmeverbrauch gibt an, wie viel Brennstoffenergie einer Anlage je erzeugter Einheit elektrischer Energie zugeführt wird. Er wird üblicherweise in kJ/kWh oder Btu/kWh angegeben. Ein niedrigerer Wärmeverbrauch bedeutet, dass unter den angegebenen Bedingungen weniger Brennstoffenergie benötigt wird, um dieselbe elektrische Leistung zu erzeugen.

Der Zusammenhang zwischen Wärmeverbrauch und Wirkungsgrad ist direkt, sofern beide auf derselben Energiebasis und Anlagenbegrenzung beruhen. Auf Basis von kJ/kWh entspricht der elektrische Wirkungsgrad 3.600 geteilt durch den Wärmeverbrauch. Diese Berechnung ist nur dann aussagekräftig, wenn sich die Kennzahlen auf denselben Brennstoffeintrag und denselben Messpunkt für die elektrische Leistung beziehen.

Zwei Unterscheidungen verändern den Vergleich häufig:

• Brutto- gegenüber Nettoleistung: Die Bruttoleistung wird an den Generatorklemmen gemessen. Bei der Nettoleistung wird der elektrische Eigenbedarf innerhalb der vereinbarten Anlagengrenze abgezogen. Ein Netto-Wärmeverbrauch ist normalerweise höher als ein Brutto-Wärmeverbrauch, da die kleinere Nettoleistung als Nenner verwendet wird.
• Unterer gegenüber oberem Heizwert: Der untere Heizwert (LHV) berücksichtigt nicht die rückgewinnbare Wärme, die bei der Kondensation von Wasser in den Verbrennungsprodukten entsteht; der obere Heizwert (HHV) schließt sie ein. Bei gleichem Brennstoffdurchsatz und gleicher elektrischer Leistung ist ein auf dem HHV basierender Wärmeverbrauch höher. Werden ein LHV-Wert und ein HHV-Wert ohne Umrechnung verglichen, kann ein Angebot effizienter erscheinen, als es tatsächlich ist.

Prüfen Sie außerdem, ob sich der angegebene Wert nur auf die Gasturbine oder auf die gesamte Anlage bezieht. In einem GuD-Kraftwerk wird die Abgaswärme der Turbine zur Erzeugung zusätzlicher Leistung genutzt. Daher ist der Wärmeverbrauch der Anlage nicht direkt mit dem einer GuD-freien Gasturbine im einfachen Kreislauf vergleichbar.

Die Nennleistung entspricht nicht zwangsläufig der Leistung am Standort

Hersteller veröffentlichen Leistungsdaten üblicherweise für festgelegte Referenzbedingungen. Diese Werte eignen sich für eine erste Vorauswahl, ersetzen jedoch keine standortspezifische Leistungsberechnung. Ansaugluftbedingungen, Druckverluste, Brennstoffeigenschaften und Betriebsgrenzen beeinflussen die am Projektstandort verfügbare Leistung.

Bei einer Verpflichtung zur Stromversorgung ist die erforderliche Leistung am Übergabepunkt zu definieren, nicht nur an den Generatorklemmen. Die Differenz kann den Eigenbedarf der Anlage, Transformatorverluste und weitere Lasten innerhalb der vereinbarten Systemgrenze umfassen. Im Angebot sollte angegeben sein, welche dieser Faktoren berücksichtigt werden und welche außerhalb der Berechnung liegen.

Auch der maßgebliche Betriebspunkt ist wichtig. Eine Anlage, die auf eine durchschnittliche Jahrestemperatur ausgelegt ist, kann bei Nachfragespitzen an heißeren Tagen zu wenig Leistung erbringen. Umgekehrt kann eine ausschließlich auf die extremsten Bedingungen ausgelegte Dimensionierung zu Anlagen führen, die einen Großteil ihrer Betriebszeit an einem ineffizienten Teillastpunkt laufen. Die Entscheidung hängt von der erforderlichen Leistung, den Folgen einer Unterdeckung und den erwarteten Betriebsstunden bei den jeweiligen Lasten ab.

Wie Standortbedingungen die Leistung von Gasturbinen beeinflussen

Umgebungstemperatur und Höhenlage

Mit steigender Ansauglufttemperatur nimmt die Luftdichte im Allgemeinen ab. Der Verdichter saugt bei gleichem Volumenstrom dann weniger Luftmasse an, wodurch die verfügbare Turbinenleistung in der Regel sinkt. Auch der Wärmeverbrauch kann sich verschlechtern, wobei das Ausmaß von der Maschine und ihrer Regelung abhängt. Große Höhen haben durch den niedrigeren atmosphärischen Druck einen ähnlichen Effekt: Weniger dichte Ansaugluft bedeutet im Allgemeinen einen geringeren Massenstrom und weniger verfügbare Leistung.

Bewerten Sie die Leistung anhand des Temperaturprofils am Standort und nicht anhand eines einzelnen nominalen Umgebungstemperaturwerts. Entscheidend sind häufig die Bedingungen, unter denen die Leistung vertraglich erforderlich ist, und jene, unter denen der größte Teil des Brennstoffs verbraucht wird. Diese Bedingungen können voneinander abweichen.

Druckverluste am Einlass und Abgasgegendruck

Luftfilter, Schalldämpfer, Kanäle und Einlasskühlsysteme verursachen Druckverluste, bevor die Luft den Verdichter erreicht. Auf der Abgasseite erhöhen Schalldämpfer, Kanäle und Wärmerückgewinnungsanlagen den Gegendruck. Beides kann die Leistung verringern und den Wärmeverbrauch beeinflussen.

Die Verluste sollten unter realistischen Betriebsbedingungen bewertet werden, einschließlich der Auswirkungen verschmutzter Filter und der vorgesehenen Abgasanordnung. Eine Leistungsberechnung, die von einem sauberen Einlass mit geringen Verlusten ausgeht, bildet den Betrieb nahe dem Wechselgrenzwert des Filters möglicherweise nicht ab. Ebenso kann nicht davon ausgegangen werden, dass eine Turbine, die mit einem einfachen Abgaskamin bewertet wurde, bei Anschluss an eine Wärmerückgewinnungsanlage dieselbe Leistung erbringt.

Luftfeuchtigkeit, Brennstoff und Kühlwasser

Die Luftfeuchtigkeit kann die Eigenschaften der Ansaugluft und die Leistung von Verdunstungskühlsystemen beeinflussen. Brennstoffzusammensetzung und Heizwert wirken sich auf Brennstoffdurchsatz, Verbrennungsverhalten und Emissionsregelung aus; Schwankungen können zudem die Betriebsgrenzen beeinflussen. Die in der Leistungsberechnung zugrunde gelegte Brennstoffspezifikation sollte die erwartete Versorgung abbilden, einschließlich des zulässigen Schwankungsbereichs und nicht nur einer nominalen Zusammensetzung.

Bei GuD-Projekten können Kühlwassertemperatur und -verfügbarkeit den Dampfkreislauf und damit die Gesamtleistung der Anlage beeinflussen. Eine alleinige Bewertung der Gasturbine erfasst diesen Effekt nicht.

Der Wirkungsgrad bei Volllast ist nur ein Teil der Betriebskosten

Ein Wärmeverbrauchswert bei Volllast ist hilfreich, wenn eine Anlage lange Zeit nahe ihrer Nennleistung betrieben wird. Bei Anlagen, die der Nachfrage folgen, kann die Teillastleistung jedoch stärker ins Gewicht fallen. Wenn sich die Leistung ändert, können Regelungseinstellungen und der Energiebedarf der Hilfssysteme den Netto-Wärmeverbrauch beeinflussen. Eine Anlage mit besseren Volllastwerten verbraucht daher nicht zwangsläufig über ein Jahr hinweg weniger Brennstoff.

Fordern Sie eine Leistungskurve für den vorgesehenen Lastbereich an und verknüpfen Sie diese mit den erwarteten Betriebsstunden bei den jeweiligen Lastpunkten. Berücksichtigen Sie Anfahrvorgänge, Abschaltungen und Zeiten mit Mindestlast, sofern sie für Brennstoffverbrauch und Verfügbarkeit relevant sind. So erhalten Sie eine aussagekräftigere Brennstoffverbrauchsschätzung, als wenn ein einzelner Wärmeverbrauchswert mit der Jahreserzeugung multipliziert wird.

Die Einlasskühlung bietet einen ähnlichen Zielkonflikt. Sie kann bei hohen Temperaturen einen Teil der Leistung zurückgewinnen, indem sie die Verdichtereintrittstemperatur senkt. Dabei sind jedoch Anlagenkosten, Eigenverbrauch, Druckverluste und bei manchen Systemen auch der Wasserverbrauch zu berücksichtigen. Ihr Nutzen hängt davon ab, wie oft bei hohen Temperaturen zusätzliche Leistung benötigt wird und ob die zusätzliche Nettoleistung die Kosten rechtfertigt.

Leistungs- und Prüfgrenzen vor dem Angebotsvergleich festlegen

Eine fundierte technische Bewertung beginnt mit einheitlichen Bedingungen für alle Bieter. Fordern Sie garantierte Leistung und garantierten Wärmeverbrauch unter den definierten Standortbedingungen sowie Kurven an, die die Leistungsänderungen in Abhängigkeit von Temperatur und Last zeigen. Im Angebot sollten die folgenden Punkte ausdrücklich angegeben werden:

• Der elektrische Messpunkt, die berücksichtigten Eigenbedarfe und die Brutto- oder Nettobasis.
• Die Brennstoffzusammensetzung, die Heizwertbasis und die erwarteten Brennstoffversorgungsbedingungen.
• Umgebungstemperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit sowie die angenommenen Einlass- und Abgasverluste.
• Die Anlagenkonfiguration einschließlich etwaiger Wärmerückgewinnung, Einlasskühlung oder Emissionsminderungstechnik.
• Der Betriebszustand für jede Kennzahl, etwa Last, Anlagenkonfiguration und relevante Kühlbedingungen.
• Das Verfahren für die Leistungsprüfung, die Messinstrumente, Korrekturverfahren, Messunsicherheit und den Umgang mit Abweichungen von den Prüfbedingungen.

Die anzuwendenden Prüfstandards und vertraglichen Anforderungen sollten in der Anfrage einheitlich festgelegt und vereinbart werden, bevor die Garantien abschließend formuliert werden. Korrekturkurven sind besonders wichtig, wenn die Prüfung nicht unter exakt den Garantiebedingungen durchgeführt werden kann: Sie legen fest, wie die Messergebnisse auf die vereinbarte Basis umgerechnet werden.

Bei einem vollständigen Kraftwerk wirken sich diese Systemgrenzen auch auf die Schnittstellen zwischen den Ausrüstungslieferanten und den für Planung, Bau und Inbetriebnahme verantwortlichen Parteien aus. SINO-QNP bietetEPC-Dienstleistungen für Kraftwerksprojekte an, einschließlich Engineering, Hilfssystemen und Inbetriebnahme. Bei einem solchen Leistungsumfang besteht der nächste sinnvolle Schritt darin, die Annahmen zur Turbinenleistung mit dem tatsächlichen Anlagenlayout abzustimmen und festzulegen, wer für die einzelnen Verluste und Eigenbedarfe verantwortlich ist.

Das überzeugendste Angebot ist nicht einfach das mit dem niedrigsten angegebenen Wärmeverbrauch oder der höchsten Nennleistung. Es ist das Angebot, das die erforderliche Nettoleistung unter den maßgeblichen Standortbedingungen erbringt, ein plausibles Brennstoffverbrauchsprofil für den vorgesehenen Betrieb bereitstellt und die Leistung so definiert, dass sie geprüft werden kann.