Die Mikrogasturbine C 30 der Firma · PDF fileDie drei Folien links in der Navigationsleiste...

Studiengang Energie- und Umweltsystemtechnik

Johannes Schwab, Tobias Preuß

Die Mikrogasturbine Capstone C 30

LABOR FÜR ENERGIEVERFAHRENSTECHNIK

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Vorstellung der Mikrogasturbine Capstone C 30

Ziel: Dieses Programm soll es Studierenden ermöglichen, die Bauteile der Mikrogasturbine selbstständig kennenzulernen und die Funktionsweise zu verstehen.

Die drei Folien links in der Navigationsleiste zeigen Übersichten der Capstone C 30, auf denen einzelne Teilkomponenten beschriftet sind. Nach dem Starten der Präsentation sind diese anklickbar und verweisen auf die jeweilige Seite, auf der diese Komponenten detailliert erklärt sind.

Erklärung der Navigationsleiste:

Turbine außen

Unterbau, Ventile, Anschlüsse

Turbine Schnittdarstellung

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Überströmventil Generator/ Motor

Zündelektrode

Turbine

Injektor

Abgas

Abgas-wärmetauscher

Kühlung

Luftfilter Brennstoffversorgung

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Pilot-/Premix-ventilblock

SPV- Ventil mit Druck-/ Temp. -sensor

Zündtrafo

Gasfilter

Stecker für Steuerpanel Exit-

Drucksensor

Leistungs-elektronik (Rückseite)

Magnetventil

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Generator/ Motor

Turbine

Rekuperator

Verbrennungsluft

Brennraum

Brennstoffinjektor

Luftverdichter

Luftlager

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Schema MGT Prozess

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Brennraum


Luftströmung Primärzone

Sekundärzone

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Abgas Die µ-Turbine wird ausschließlich durch Luft gekühlt. Daher steckt fast die gesamte thermische Energie der µ-Turbine im ca. 300°C heißen Abgas.

Die thermische Energie wird in einem Plattenwärmetauscher genutzt um Brauchwasser in einem Pufferspeicher aufzuwärmen und damit den Rücklauf des Heiznetzes der Hochschule anzuheben.

Nach dem Wärmetauscher hat das Abgas eine Temperatur von 60°C und wird durch den Abgaskamin geleitet.

Das Abgas der Mikrogasturbine ist relativ sauber und kann daher direkt genutzt werden, z.B. zum Heizen eines Gewächshauses oder zur Trocknung. ( NOx < 2 ppm, O2 Gehalt > 18 Vol.-%)

Das Abgas besitzt eine thermische Energie auf hohem Temperaturniveau. Hiermit lässt sich Wasserdampf erzeugen oder auch eine Adsorptionskälteanlage betreiben.


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Abgaswärmetauscher

Der Abgasplattenwärmetauscher muss mit mind. 3 m³/h Abgas durchströmt werden. Die maximale Wasser-Vorlauftemperatur liegt bei 90°C. Wird diese Temperatur überschritten, oder der angegebene Volumenstrom nicht erreicht wird eine Störmeldung generiert und die Turbine automatisch heruntergefahren.

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Brennstoffinjektor

Je nach Brenngaszusammensetzung und Leistung arbeitet der Brennstoffinjektor mit einer Diffusionsflamme „Pilot – Mode“ Der zur Verbrennung notwendige Sauerstoff - wie auch alle anderen Luftanteile - diffundieren über den Flammenrand in die Flamme hinein. oder einer Vormischflamme „Premix – Mode“. Dem Brennstoff wird bereits vor dem Beginn einer chemischen Reaktion vor der Brenneröffnung Luft beigemischt.


Standzeit bis zu 80 000h

Pilot

Premix

Air Mix Swirl Holes

C30 Injektor

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LABOR FÜR ENERGIEVERFAHRENSTECHNIK LABOR FÜR ENERGIEVERFAHRENSTECHNIK

1 Ventil geschlossen (Diffusionsflamme) 2 Ventil zur Hälfte geöffnet 3 Ventil fast vollständig offen 4 Ventil voll geöffnet (Vormischflamme)

Flammentypen

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Brennstoffinjektor


Luft

Luft Brennstoff

Pilot – Betrieb: Diffusionsflamme Sauerstoff diffundiert über den Flammenrand

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Brennstoffinjektor


Premixbetrieb: Vormischflamme Brennstoff und Luft vermischen sich vor der Verbrennung

Luft

Brennstoff

Brennstoff

Luft

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Zündelektrode

Die Zündelektrode zündet das Gas- Luftgemisch mittels eines Zündfunkens. Dieser besteht nur während des Zündvorgangs. Ist laut Flammenüberwachung die Zündung erfolgt, schaltet die Zündelektrode wieder ab. Die Flammenüberwachung erfolgt über die Abgastemperatur.

Anordnung der Injektoren im Brennraum

Position der Zündelektrode

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Zündtrafo

Der Zündtrafo erzeugt die benötigte Zündspannung, um das Gas- Luftgemisch in der in der Brennkammer zu entzünden.

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Verdicher- Turbine Der Rotor bzw. Permanentmagnet des Generators, das Verdichterrad und das Turbinenrad befinden sich auf einer Welle. Ab 25000 U/min beginnt das Verdichterrad so viel Druck aufzubauen, dass sich Luftpolster in den Lagern bilden. Durch den Einsatz von Luftlagern sind hohe Umdrehungen von bis zu 96 000 U/min möglich. Ein Luftlager ist wartungsfrei.

Permanentmagnet

Verdichterrad

Turbinenrad

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Kühlung

Die Turbine benötig keine Schmier- oder Kühlstoffe wie z.B. Kühlflüssigkeit oder Schmieröl. Sie verfügt über Luftlager, welche wartungsfrei sind. Die Kühlung erfolgt über die angesaugte Luft. Die Turbine besitzt ein elektronisches Getriebe in der keine beweglichen Teile verbaut sind. Die Turbine ist sehr wartungsarm.

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Generator/ Motor Der Generator wirkt beim Anfahrvorgang als Motor. Dieser beschleunigt die Turbine auf 25000 U/min um das Luftlager aufzubauen. Nach dem Zünden läuft die Turbine bei 45000 U/min bis eine Turbinen-austrittstemperatur von 650°C erreicht ist <Warm-Up>. Beim Herunterfahren wird die Turbine bei 45 000 U/min über den Motorantrieb bis auf eine Turbinenaustrittstemperatur von 133°C herabgekühlt <Cooldown>.

Technische Daten Generator/ Motor:

- Zweipoliger, permanenterregter Generator - Erzeugt Hochfrequenzen ( 500 Hz) - Luftgekühlt über die Verbrennungsluft - Drehzahlbereich bis 96 000 U/min - elektrische Leistung bis 30 KW

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Generator/ Motor Stator Permanentmagnet Rotor Turbine Verdichter

Pemanentmagnet zweipolig

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Power Converter Generator Output 3Φ 750 - 1600 Hz Variable Frequency AC

400 – 480 VAC GC 150 – 480 VAC SA

3Φ w/Neutral 50/60 Hz

AC to DC Converter

~ / =

TG

DC to AC Converter

= / ~

= 760 VDC

Power Board

DC Bus L1

L2

L3

N

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Brennstoffversorgung

Zurück

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Brennstoffregelung

Zurück

PR TR PR

Fuel Manifold

Premix Valve

Pilot Valve

Smart Proportional Valve (SPV)

Gaseous Fuel

Die Regelstrecke bis zur Brennkammer besteht aus vier Ventilen, die alle nach dem SPV-Ventil angeordnet sind: • 3 Pilotventile • 1 Premixventil Bei Leistungsänderung werden unterschiedliche Ventilansteuerprogramme gestartet.

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Überströmventil

Bei einer erheblichen Störung wird durch die Turbinensteuerung ein Not-Aus Signal ausgelöst. Die Tubine fährt, ohne vorheriges Herabkühlen, so schnell wie möglich herunter <Warmdown>. Dabei öffnet sich das Überströmventil wodurch der Brennkammerdruck auf Atmosphärendruck enspannt wird. Das Überströmventil öffnet sich stoßweise.

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Pilot-/Premix Ventilblock

Drei Pilotventile und ein Premixventil versorgen die Injektoren mit Brenngas.

Der Heizwert des Brenngases und die geforderte elektrische Leistung der µ-Turbine entscheidet über die Steuer – und Regelungssoftware welche Ventile geöffnet und geschlossen werden.

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Regelung

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SPV- Ventil

Das SPV- Ventil ist ein stetig regelbares Proportionalventil (Smart Proportional Valve). Es besitzt eingansseitig einen Brenngasdruck- und Temperatursensor. Die Brenngasqualität und elektrische Leistung der µ-Turbine entscheidet über die Steuer – und Regelungssoftware wie weit das Ventil geöffnet wird.

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Brenngasverdichter Je nach Brenngasqualität benötigt die µ-Turbine einen sehr konstanten Brenngasdruck zwischen 3,45 - 5,52 bar.

Der Kompressor sollte mindestes einen Vordruck von 6 bar aufbringen um mithilfe eines Druckminderers diesen konstanten Brenngasdruck einstellen zu können.

Das Verdichten des Brenngases erfolgt mit einem 2- stufigem Kolben- Membranverdichter mit einer Leistungsaufnahme von ca. 2 kW.

Der Kolbenverdichter läuft in Abhängigkeit der zu fördernden Brenngasmenge drehzahlgeregelt.

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Steuerung Brenngasverdichter

Der Brenngasverdichter läuft über einen Frequenzumformer drehzahlgeregelt. Die Frequenz des Brenngasverdichters wird durch einen Drucksensor nach dem Verdichter fest vorgegeben, somit wird nur so viel Brenngas verdichtet, wie die Turbine benötigt. (Steuerung, s. Bild, Frequenzumformer)

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Brenngas - Druckminderer

Je nach Brenngasqualität wird am Druckminderer ein konstanter Brenngas-vordruck manuell eingestellt. Der Druckminderer begrenzt und dämpft den pulsierenden Gasdruck vom Kolben-Membranverdichter zur Turbine.

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Steuerpanel

Die µ-Turbine kann neben dem PC und der Steuersoftware auch direkt über das Steuerpanel bedient werden. Das Panel wird an den Stecker, der sich im Unterbau des Turbinengehäuses befindet, gesteckt. Hier können zusätzliche Daten, insbesondere zur Fehleranalyse, ausgelesen werden.

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Elektronisches Getriebe

Das elektronische Getriebe wandelt mithilfe leistungselektronischer Komponenten den hochfrequenten Wechselstrom des Generators (500 Hz) erst in Gleichspannung und anschließend in 50 Hz Wechselstrom um. Dieser kann direkt in das örtliche Stromnetz eingespeist werden.

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Verbrennungsluft

Die Verbrennungsluft wird durch das radiale Luftverdichterrad der µ-Turbine angesaugt. Der Volumenstrom ist proportional der Luftverdichter- bzw. Turbinendrehzahl. Umgebungsluft strömt von außen über den Luftkanal und dem Luftfilter zum Luftverdichter. Durch den hohen Luftmassendurchsatz der µ-Turbine von bis zu 1100 kg/h ist die Turbinenleistung stark von der Luftdichte und somit der Außentemperatur, dem Umgebungsdruck und der relativen Luftfeuchtigkeit abhängig.

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Rekuperator

Der Rekuperator ist wie ein Platten-wärmetauscher aufgebaut. Auf der primären Seite strömt verdichtete Verbrennungsluft und auf der sekundären Seite im Gegenstromprinzip das entspannte Abgas der Turbine. Im Rekuperator wird die Verbrennungsluft von ca. 200°C auf 500°C vorgewärmt und das Abgas von 600°C auf ca. 300°C abgekühlt.

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