Was ist eine Entnahme-Dampfturbine und wo wird sie eingesetzt?

Eine Entnahmedampfturbine erzeugt mechanische Leistung oder Strom und zweigt dabei einen Teil des Dampfstroms an einer oder mehreren Zwischenstufen ab. Der entnommene Dampf kann Wärme für einen industriellen Prozess, ein Fernwärmenetz oder Anlagen innerhalb des Kraftwerks selbst bereitstellen. Der in der Turbine verbleibende Dampf expandiert weiter und erzeugt zusätzliche Leistung.

Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass bei der Entnahme Dampf vor dem endgültigen Turbinenaustritt abgezweigt wird. Dadurch kann neben Strom auch nutzbare Wärme bereitgestellt werden. Zugleich verändert sich die Dampfmenge, die für die weitere Stromerzeugung in den nachgeschalteten Stufen zur Verfügung steht. Ob diese Anordnung vorteilhaft ist, hängt vor allem vom Dampfbedarf am Standort und dessen zeitlichen Schwankungen ab.

Wie funktioniert eine Entnahmedampfturbine?

Der Dampf tritt mit relativ hohem Druck und hoher Temperatur in die Turbine ein. Beim Durchströmen aufeinanderfolgender Schaufelreihen expandiert er und überträgt Energie auf die rotierende Welle. Diese kann einen Generator oder mechanische Anlagen wie einen Kompressor oder eine Pumpe antreiben.

An einer ausgewählten Zwischenstufe strömt ein Teil des Dampfes über einen Entnahmestutzen aus. Druck und Temperatur hängen vom Entnahmepunkt und den Betriebsbedingungen ab. Der verbleibende Dampf strömt weiter durch die nachfolgenden Stufen bis zum Turbinenaustritt.

Betrachten wir eine Anlage, die Strom und Mitteldruckdampf für einen Produktionsprozess benötigt. Statt den gesamten Kesseldampf durch die Turbine bis zum niedrigsten Druck zu leiten, kann die Anlage einen Teil davon bei einem für den Prozess geeigneten Zwischendruck abzweigen. Der entnommene Dampf gibt in Prozessanlagen Wärme ab. Das dabei entstehende Kondensat kann gesammelt und, sofern die Bedingungen dies zulassen, in das Kesselsystem zurückgeführt werden.

Durch die Dampfentnahme entsteht keine zusätzliche Energie. Dampf, der vor den letzten Turbinenstufen entnommen wird, kann dort nicht mehr die Leistung erzeugen, die er sonst erzeugt hätte. Der mögliche Vorteil besteht darin, die verbleibende Wärmeenergie des entnommenen Dampfes zu nutzen, statt sie als Abwärme zu behandeln.

Geregelte und ungeregelte Entnahme

Nicht jeder Entnahmepunkt arbeitet auf dieselbe Weise. Bei einergeregelten Entnahme regulieren Ventile und Turbinensteuerungen die Bedingungen am Entnahmepunkt, um bei wechselndem Bedarf einen vorgegebenen Dampfdruck aufrechtzuerhalten. Dies kann sinnvoll sein, wenn ein Prozess eine relativ stabile Druckversorgung benötigt. Der erreichbare Entnahmedurchfluss und Druck hängen weiterhin von der Turbinenauslegung und ihren Betriebsgrenzen ab.

Bei einerungeregelten Entnahme wird Dampf aus einer Zwischenstufe entnommen, ohne dass der Entnahmedruck eigens geregelt wird. Dieser Druck ändert sich mit der Turbinenlast und dem Dampfstrom. Eine ungeregelte Entnahme kann geeignet sein, wenn die angeschlossenen Anlagen solche Schwankungen tolerieren, etwa bei bestimmten Speisewasservorwärmungen.

Eine Turbine kann mehr als einen Entnahmepunkt haben und Dampf auf unterschiedlichen Druckstufen bereitstellen. Jeder zusätzliche Anschluss muss jedoch in die Gesamt-Dampfbilanz und das Regelungssystem passen. Es darf nicht davon ausgegangen werden, dass an jedem Entnahmepunkt ein unabhängig geregelter Druck bereitgestellt werden kann.

Entnahme-Kondensations- und Entnahme-Gegendruckturbinen

Die Entnahme beschreibt, an welcher Stelle Dampf aus der Turbine abgezweigt wird. Sie legt für sich genommen nicht fest, was mit dem verbleibenden Dampf geschieht. Zwei gängige Anordnungen unterscheiden sich durch ihre Bedingungen am endgültigen Austritt.

Bei einerEntnahme-Kondensationsturbine strömt der verbleibende Dampf durch Niederdruckstufen und anschließend in einen Kondensator. Unter normalen Kondensationsbedingungen arbeitet der Kondensator unterhalb des Atmosphärendrucks. Dadurch ist eine stärkere Expansion und somit eine höhere Stromerzeugung aus dem nicht entnommenen Dampf möglich. Zur Abfuhr der Wärme aus dem Kondensator ist ein Kühlsystem erforderlich.

Bei einerEntnahme-Gegendruckturbine tritt der verbleibende Dampf mit einem Druck oberhalb des Atmosphärendrucks für Heiz- oder Prozesszwecke aus, anstatt in einen Vakuumkondensator geleitet zu werden. Sie kann daher sowohl am Zwischenentnahmepunkt als auch am Turbinenaustritt Dampf bereitstellen. Die Stromerzeugung ist eng an die Dampfmenge gekoppelt, die die angeschlossenen Wärmeverbraucher abnehmen können, sofern das übergeordnete System keinen anderen geeigneten Dampfverbraucher bietet.

Diese Kategorien sind bei der Prüfung von Anlagenbeschreibungen hilfreich. So umfasst die Produktreihe Dampfturbinen sowohl Entnahme-Kondensations- als auch Entnahme-Gegendruckkonfigurationen. Dieser Unterschied ist wichtig, da eine Anlage mit Niederdruck-Prozessdampf am Austritt eine andere Dampfsystemanordnung erfordert als eine Anlage, die auf einen Kondensator ausgelegt ist.

Wo wird entnommener Dampf eingesetzt?

Die bekannteste Anwendung ist dieKraft-Wärme-Kopplung, bei der dasselbe Dampfsystem sowohl die Stromerzeugung als auch die Bereitstellung nutzbarer Wärme unterstützt. Entnahme wird auch in Kraftwerken eingesetzt, selbst wenn kein Dampf an einen externen Industrieprozess geliefert wird.

• Zellstoff- und Papierindustrie: Dampf kann für Aufgaben wie die Trocknung und andere Prozessheizungen eingesetzt werden, während die Turbine Strom liefert. Der erforderliche Entnahmedruck hängt vom Dampfnetz und den Betriebsbedingungen des Werks ab.
• Chemie- und Raffinerieanlagen: Mitteldruckdampf kann für Heiz- und andere Prozessanforderungen genutzt werden. Möglicherweise werden mehrere Druckstufen benötigt, weshalb die Dampfversorgung am Standort für die Turbinenauslegung wichtig ist.
• Lebensmittel- und Getränkeproduktion: Entnommener Dampf kann für Heiz-, Koch-, Trocknungs- oder Reinigungsprozesse eingesetzt werden, sofern ein geeignetes Dampfsystem vorhanden ist. Bei jeder Anwendung müssen Anforderungen an die Dampfqualität und die Trennung vom Produkt berücksichtigt werden.
• Fernwärme: Entnommener Dampf kann in Wärmetauschern Wasser erhitzen, das anschließend an Gebäude verteilt wird. Der Wärmebedarf ändert sich je nach Wetter und Jahreszeit und wirkt sich dadurch sowohl auf den Entnahmedurchfluss als auch auf die Stromerzeugung aus.
• Stromerzeugungsanlagen: Aus Zwischenstufen entnommener Dampf kann Kesselspeisewasser vor dessen Rückführung in den Dampferzeuger erwärmen. Diese regenerative Vorwärmung verbessert die thermodynamische Leistung des Dampfkreislaufs, verringert jedoch die für nachfolgende Turbinenstufen verfügbare Dampfmenge.
• Biomasse-, Abfallverwertungs- und Abwärmesysteme: Wenn diese Quellen geeigneten Dampf erzeugen, kann eine Entnahme neben der Stromerzeugung auch einen Wärmeverbraucher versorgen. Der Nutzen der Anordnung hängt davon ab, wie zuverlässig und zeitlich abgestimmt sowohl die Dampfquelle als auch der Wärmebedarf sind.

Nicht jede Anlage muss für diese Anwendungen eine Entnahme nutzen. Eine Anlage ohne sinnvolle Verwendung für Mitteldruckdampf hat möglicherweise wenig Grund, Dampf aus der Turbine abzuzweigen. Umgekehrt kann es für einen Standort mit erheblichem Wärmebedarf sinnvoll sein, eine Entnahme als Teil des gesamten Dampf- und Stromsystems in Betracht zu ziehen.

Wovon hängt ab, ob eine Entnahme geeignet ist?

Dampfdruck und -temperatur sind entscheidend für die Turbinenauslegung. Der Wärmeverbraucher muss Dampf unter Bedingungen erhalten, die er nutzen kann. Dabei sind Druckverluste in Rohrleitungen und Regelungseinrichtungen zu berücksichtigen. Wird ein Entnahmepunkt allein deshalb ausgewählt, weil er an einer Turbine verfügbar ist, kann der Prozess mit zu niedrigem Druck oder unnötig hochwertigem Dampf versorgt werden.

Wärme- und Strombedarf müssen gemeinsam betrachtet werden. Steigt der Prozessdampfbedarf, kann mehr Dampf entnommen werden, sodass weniger für die Stromerzeugung in nachgeschalteten Stufen verbleibt. Sinkt der Wärmebedarf, muss das System den veränderten Durchfluss bewältigen können. Eine Entnahme-Kondensationseinheit kann innerhalb ihrer Auslegungsgrenzen weiterhin geeigneten Dampf zum Kondensator leiten. Bei einer Gegendruckanordnung muss für den Austrittsdampf eine geeignete Verwendung oder eine andere Lösung vorgesehen sein.

Betriebliche Schwankungen sind ebenso wichtig wie der Auslegungspunkt. Produktionspläne, saisonaler Heizbedarf, Kesselleistung und Generatorbedarf können sich ändern. Mindest- und Höchstwerte des Entnahmedurchflusses, der Regelbereich des Drucks, die Belastungsgrenzen der Turbine und die Anfahrbedingungen helfen zu beurteilen, ob die Anordnung den Standort auch bei solchen Änderungen versorgen kann.

Kondensat- und Kühlkonzepte beeinflussen das gesamte System. Die Rückgewinnung von sauberem Kondensat kann den Bedarf an Ergänzungswasser senken und Wärme einsparen. Die Rückführung hängt jedoch von den Prozessbedingungen und möglichen Verunreinigungen ab. Eine Kondensationsturbine benötigt außerdem ein geeignetes Kühl- und Kondensatführungssystem. Diese Anforderungen sollten zusammen mit dem Potenzial für eine höhere Stromerzeugung berücksichtigt werden.

Eine Entnahmeturbine ist daher am besten als Möglichkeit zu verstehen, die Energie des Dampfes auf die Stromerzeugung und eine oder mehrere nutzbringende Wärmeanwendungen zu verteilen. Ihre Eignung hängt nicht allein von der Turbine ab, sondern auch von den Drücken, Durchflussmengen, Betriebsabläufen und angeschlossenen Anlagen des gesamten Dampfsystems.