Optimierung der Leistung von Gasturbinen durch präzise Feuchtemessungen

Den Betrieb von Gasturbinen bei maximaler Leistung sicherzustellen, ist ein vorrangiges Ziel aller Anlagenbetreiber. In der gegenwärtigen Wirtschaftslage ist alles, was die Produktivität und damit den Gewinn steigert, klar zu begrüßen. Vom Standpunkt des Umweltschutzes aus ist es zudem wichtig, dass Turbinen so effizient wie möglich funktionieren und so wenig Emissionen wie möglich verursachen. Erfreulicherweise gibt es mehrere Möglichkeiten, die Leistung von Gasturbinen zu verbessern. Die Überwachung der Feuchte und Temperatur der in den Verbrennungseinlass einströmenden Luft ist einer der wichtigsten Aspekte, da sie sich direkt auf die Leistung, die Emissionen und die Betriebssicherheit der Turbine auswirkt.

Kühlere, dichtere Luft erhöht die Leistung und Effizienz

Im Hinblick auf die Effizienz einer Gasturbine ist der Einfluss dichterer Luft hinreichend bekannt: Dichtere Zuluft erhöht den Massendurchsatz, was folglich zu einer verbesserten Ausgangsleistung und Effizienz der Turbine führt. Die Luftdichte ist umgekehrt proportional zur Temperatur, d. h. mit steigender Temperatur verringert sich die Luftdichte und somit sinkt die Effizienz und Leistung einer Gasturbine.

Die Zuluftkühlung, insbesondere in warmen und heißen Umgebungen, wird üblicherweise verwendet, um den durch hohe Lufttemperatur verursachten Effizienzverlust auszugleichen. Schon eine geringe Senkung der Lufttemperatur kann zu einer deutlichen Leistungssteigerung führen.

Eine Reduzierung der Lufttemperatur um 1 °C kann die Leistung um bis zu 0,5 % steigern.

Es gibt verschiedene Techniken, die zum Kühlen der Zuluft verwendet werden. Eine übliche Lösung ist ein Nebler, ein System, das durch Düsen Wasser in den Luftstrom einsprüht und die Luft abkühlt, wenn die Wassertröpfchen verdampfen. Ein Nebeneffekt des Vernebelns ist eine erhöhte Luftfeuchte und die daraus resultierende Reduzierung der NOx-Emissionen aus dem Verbrennungsprozess. Neben der Zuluftkühlung unter warmen oder heißen Bedingungen kann die Feuchte aber auch ein entscheidender Faktor sein, um Vereisungen in kalten Klimazonen zu vermeiden. Wenn feuchte Luft kurz vor dem Gefrieren steht, sind Vereisungsschutzsysteme erforderlich, um den Kompressor vor Schäden zu schützen, die sich schnell bewegende Eispartikel verursachen würden.

Optimale Steuerung setzt genaue Feuchteinformationen voraus

Angesichts der hohen Luftgeschwindigkeit im Lufteinlasssystem muss verhindert werden, dass Wassertröpfchen und Eispartikel in den Kompressor und die Turbine gelangen, um kostspielige Schäden und Erosion zu vermeiden. In der Praxis bedeutet dies, dass die Luftfeuchte unter dem Sättigungsgrad gehalten werden muss. Mit anderen Worten, um Kondensation zu vermeiden, muss die Taupunkttemperatur der in das System eintretenden Luft unter den Luft- und Oberflächentemperaturen im System liegen. Das Steuerungssystem muss einen Sicherheitsspielraum haben, um Messunsicherheiten sowie Schwankungen und Unregelmäßigkeiten in den Eigenschaften der gemessenen Luft zu berücksichtigen. Aber je breiter der Spielraum ist, der aufgrund von Messunsicherheiten benötigt wird, desto größer ist das Effizienzpotential, das verloren geht. Hier zahlt sich eine zuverlässige Messung aus. Durch die genaue Messung des Taupunkts kann das Abkühlen und Vernebeln oder sogar das Erhitzen so nahe wie möglich an der Kondensations- oder Vereisungsgrenze innerhalb des Systems durchgeführt werden.

Verschiedene Möglichkeiten, Feuchte auszudrücken

Je nach Anwendung werden unterschiedliche Begriffe verwendet, um Feuchte auszudrücken. Dazu gehören zum Beispiel relative Feuchte, Taupunkttemperatur und Feuchttemperatur.

Relative Feuchte (rF) ist das Verhältnis des Partialdrucks des Wasserdampfes zu seinem Sättigungsdruck bei einer bestimmten Temperatur. Die relative Feuchte wird als Prozentsatz ausgedrückt und im Allgemeinen zur Beschreibung der Luftfeuchte verwendet. Der Nachteil der Verwendung von relativer Feuchte besteht darin, dass sie stark von der Temperatur abhängt. Wenn beispielsweise die relative Feuchte 85 % und die Temperatur 20 °C beträgt, ändert eine Abnahme der Lufttemperatur von nur 2 °C die relative Feuchte auf 96 %. Wenn relative Feuchte zur Messung der Luftfeuchte in einem Turbineneinlass verwendet wird, muss diese Abhängigkeit berücksichtigt werden, da sich die Lufttemperatur im Lufteinlasssystem auch ohne Kühlung oder Erwärmung ändert. Der Haupteffekt ist die Kühlung aufgrund der Beschleunigung der Luft an der Kompressorglockenöffnung, die einen Temperaturabfall von mehreren Grad Celsius verursachen kann. Aufgrund dieses Kühlungseffekts besteht auch bei Umgebungstemperaturen über 0 °C die Gefahr der Eisbildung.

Taupunkttemperatur (Td) ist die Temperatur, bei der Luft beim Abkühlen auf konstanten Druck vollständig mit Wasserdampf gesättigt wird, was zur Bildung von flüssigem Wasser führt, das als Kondensation bezeichnet wird. Bei 100 % rF entspricht die Umgebungstemperatur der Taupunkttemperatur. Wenn die Taupunkttemperatur jedoch niedriger als die Umgebungstemperatur ist, wird die Luft trockener und es besteht daher ein geringeres Risiko der Bildung von Kondenswasser. Zwei Hauptvorteile der Verwendung von Td sind, dass sie nicht temperaturabhängig ist und direkt den Spielraum für Kondensationsbedingungen bietet.

Feuchttemperatur (Tw) ist die Temperatur, die von einem in eine feuchte Hülle gewickelten Thermometer angezeigt wird. Die Feuchttemperatur und die Umgebungstemperatur können zur Berechnung der relativen Feuchte oder des Taupunkts verwendet werden. Tw ist eine herkömmliche Methode zur Bestimmung der Feuchte. Sie wurde jedoch weitgehend durch direkte Messungen ersetzt, da die Genauigkeit der Tw-Methode begrenzt ist und ihre Verwendung und Wartung einige Kenntnisse erfordert. Alle oben genannten Feuchteparameter sind druckabhängig, aber für Lufteinlassanwendungen sind typische Druckabfälle so gering, dass sie keinen signifikanten Effekt haben. Beispielsweise bewirkt eine Druckreduzierung von 20 mbar bei 20 °C und 1 013 mbar eine Verringerung der rF um 1,7 % oder der Td um 0,3 °C.

Faktoren, die die Genauigkeit beeinflussen

Es gibt viele Faktoren, die die Genauigkeit der Feuchtemessung beeinflussen – die grundlegende Sensortechnologie ist die offensichtlichste. Es wurde jedoch nachgewiesen, dass Dünnfilm-Polymersensoren die wichtigsten Anforderungen bei der Überwachung der Zuluft erfüllen: Genauigkeit, Robustheit, Langzeitstabilität und geringer Wartungsaufwand. Da die Luft im Einlass möglicherweise sehr nahe an der Sättigung liegt und möglicherweise sogar Kondenswasser bildet, muss der Sensor auch unter diesen Bedingungen exakt funktionieren. Eine Herausforderung für einen Feuchtesensor in kondensierender Luft besteht darin, dass bei Nässe des Sensors die Messungen weiterhin gesättigte Bedingungen anzeigen, bis der Sensor trocknet – obwohl die Luft selbst nicht mehr gesättigt ist. Um dieses Problem zu lösen, hat Vaisala die patentierten beheizten Sonden entwickelt. Dies stellt sicher, dass die Temperatur der Sonde über der Umgebungslufttemperatur gehalten wird, um Kondensation am Sensor selbst zu vermeiden. Je nach System und genauer Einbaulage können auch direkte Wasserspritzer den Feuchtesensor benetzen. Um dies zu verhindern, ist spezielles Montagezubehör erhältlich.

In Kraftwerken und verschmutzten Umgebungen kann die Zuluft Verunreinigungen enthalten, die die Langzeitgenauigkeit des Sensors beeinträchtigen können. Um diese Herausforderung zu bewältigen, können fortschrittliche Sensoren mit einer chemischen Reinigungsfunktion konfiguriert werden, die das Sensorelement automatisch durch Verdampfen möglicher Verunreinigungen reinigt.