KW – 11/2016

Schriftliche Prüfung aus VO Kraftwerke am 23.11.2016

Name/Vorname: __________________/___________ Matr.-Nr./Knz.:___________/______

1. Dampfkraftwerk (25 Punkte) Tabelle und Diagramm

Ein Dampfkraftwerk soll grob ausgelegt werden. Die Dampfturbine ist zweiteilig. Nach durch-

laufen der ersten Turbine wird der Dampf in einem Zwischenüberhitzer in seiner Temperatur

angehoben. Die Speisewasserpumpe sitzt auf der gemeinsamen Welle und die von ihr ver-

richtete Arbeit ist in diesem Beispiel bei allen Rechengängen zu berücksichtigen.

Gegeben sind die folgenden Daten:

Eintrittstemperatur des Frischdampfes in die Turbine 1: 650°C bei 100 bar.

Austrittsdruck nach Turbine 1: 15 bar.

Austrittsdruck nach Turbine 2: 0,1 bar

Druckverluste in den Rohr- und Wärmetauschsystemen sind zu vernachlässigen.

a. (3) Zeichnen Sie ein Ersatzschaltbild des Dampfkreisprozesses und beschriften Sie

die thermodynamisch relevanten Punkte.

b. (3) Skizzieren Sie das T,s-Diagramm mit dem Kreisprozess und entsprechender

Nummerierung aus a).

c. (3) Wie hoch ist die Temperatur nach dem Zwischenüberhitzer mindestens um ein

x von 0,90 nicht zu unterschreiten?

d. (5) Aus Sicherheitsgründen wird die Temperatur nach dem Zwischenüberhitzer auf

500°C festgelegt. Welche Dampftemperaturen stellen sich am Austritt der beiden

Turbinenteile ein und welches x ergibt sich nach der ND-Turbine?

e. (3) Berechnen Sie die spezifische Arbeit zur Verdichtung durch die Speisewasser-

pumpe.

f. (3) Wie groß ist die spezifische Arbeit des Zwischenüberhitzers?

g. (2) Wie groß ist das Arbeitsverhältnis?

h. (3) Zeichnen Sie in das gegebene h-s Diagramm den Arbeitsprozess ein, soweit er im

Wertebereich des vorgegebenen Diagramms liegt.

KW – 11/2016 2. Gasturbine (25 Punkte)

Eine offene Gasturbine arbeitet mit Luft nach dem Joule-Prozess. Das 𝑝𝑣-Diagramm der Gas-

turbine ist in der unteren Abbildung mit den Werten zu den wichtigsten Punkten gegeben:

Für Luft gilt weiters: cp = 1,015 kJ/(kg∙K); κLuft = 1,4 ; R = 0,287 kJ/(kg∙K)

a. (3) Zeichnen Sie das Ersatzschaltbild eines offenen Gasturbinen-Prozess und be-

schriften Sie die Symbole und die thermodynamisch relevanten Punkte.

b. (6) Wie hoch sind die Temperaturen T2 und T4 (maximale Prozesstemperatur und An-

saugtemperatur)?

c. (4) Wie hoch sind die Temperaturen T3 und T1 (nach dem Verdichter und nach der

Turbine)

d. (2) Wie groß ist die spezifische Verdichterarbeit Wt41/m, die dem Verdichter bei kei-

nerlei Verlusten zugeführt werden muss?

e. (2) Wie groß ist die spezifische Turbinenarbeit Wt23/m?

f. (2) Wie groß ist die spezifische Nutzarbeit?

g. (3) Wie groß sind der thermische Wirkungsgrad und das Arbeitsverhältnis?

h. (3) Wie hoch ist der Gasdurchsatz in kg/s durch die Turbine wenn 200MW elektri-

scher Leistung erzeugt werden sollen? Der Generatorwirkungsgrad beträgt 98%.

KW – 11/2016 3. Abgasstrom eines gasbefeuerten Dampfkraftwerkes (25 Punkte)

Ein mit Erdgas betriebenes Dampfkraftwerk weist im Abgasstrom folgende Masseanteile der

einzelnen Komponenten auf:

�̇�𝐶𝑂2 = 53,50 𝑘𝑔/𝑠 𝑐𝑝 = 1,058𝑘𝐽/𝑘𝑔𝐾

�̇�𝐻2𝑂 = 43,77 𝑘𝑔/𝑠 𝑐𝑝 = 2.073𝑘𝐽/𝑘𝑔𝐾

�̇�𝑂2 = 54,47 𝑘𝑔/𝑠 𝑐𝑝 = 1,015𝑘𝐽/𝑘𝑔𝐾

�̇�𝑁2 = 435,44 𝑘𝑔/𝑠 𝑐𝑝 = 1,096𝑘𝐽/𝑘𝑔𝐾

Hinweise:

Molmassen (alle in kg/kmol): C: 12; H: 1; O: 16; N: 14

Avogadro: Vm = 22,4136 Liter pro mol bei Normalbedingungen

Heizwert-Erdgas: Hi,V = 35800 kJ/m³

Luft: ~21%V O2; ~79%V N2

(4) Wie groß ist der Sauerstoffvolumenstrom �̇�𝑶𝟐 [𝑚3/𝑠], welcher der Verbrennung a.

zugeführt wird?

b. (4) Mit welcher Luftüberschusszahl 𝝀 wird der Kessel betrieben?

c. (7) Wie groß ist der Brennstoffvolumenstrom �̇�𝑪𝑯𝟒 [𝑚3/𝑠]?

d. (4) Wie groß ist die thermische Kesselleistung 𝑷𝒕𝒉 in [𝑀𝑊]?

e. (3) Welche Verbrennungstemperatur stellt sich ein, wenn die Umgebungstemperatur

30°C beträgt?

f. (3) Wie ändert sich die Verbrennungstemperatur, wenn die Luftüberschusszahl auf

λ = 2,4 erhöht wird?

KW – 11/2016 4. Eigenbedarfsnetz eines Kraftwerks (25 Punkte)

Gegeben ist folgendes vereinfacht dargestelltes Eigenbedarfssystem eines Kraftwerkes.

Trafo T1 und T2: SN = 40 MVA ; uk= 14%

Speisewasserpumpe: PFWP = 4 MW (mechanische Wellenleistung im Normalbetrieb)

Motor: UN = 6 kV; η= 0,95 ; cos ϕ = 0,88; IA/Ir= 5,1

Beim Anlauf: cos ϕA= 0,17

Weitere Lasten: SrEB = 5 MVA; cos ϕEB= 0,91; I‘‘

KEB= 4 kA

(5) Bestimmen Sie die Scheinleistung und den Nennstrom des Antriebsmotors für die a.

Kesselspeisepumpe. Berücksichtigen Sie dabei, dass der Motor aus Gründen der Re-

dundanz auf die doppelte Wellenleistung ausgelegt ist.

(4) Bestimmen Sie den Anlaufstrom des Antriebsmotors bei Nennbedingungen und b.

damit den Kurschlussstrombeitrag.

(6) Schätzen Sie den Gesamtkurzschlussstrom für einen dreipoligen Kurzschluss an c.

der Sammelschiene BBA ab, wenn entweder aus dem Haupt- oder aus dem Reserve-

netz gespeist wird. Nehmen sie dazu an, dass die Kurzschlussleistung des Haupt- bzw.

Reservenetzes unendlich groß ist.

(5) Berechnen Sie die Resistanz und die Reaktanz des anlaufenden Motors. d.

e. (5) Schätzen Sie den Spannungseinbruch an der Sammelschiene BBA ab, wenn alle

anderen Lasten abgeschaltet sind und der Motor für die Kesselspeispumpe anläuft.

Vor Zuschaltung des Motors wird dabei die Spannung an der Sammelschiene BBA

über den Stufensteller des speisenden Trafos auf 110% geregelt. Vernachlässigen Sie

dazu den resistiven Anteil der Trafoimpedanz.

UN = 6 kV

KW - 2016 Name/Vorname: ____________________/____________ Matr.-Nr./Knz.:_________/______

Diagramm für Beispiel 1

Mollier-Diagramm

T:\Lehre und Prüfungen\370.026 Kraftwerke\Prüfung\Homepage\2016_11_23_Angabe_KW.pdfT:\Lehre und Prüfungen\370.026 Kraftwerke\Prüfung\Homepage\2016_11_23_Mollier.pdf