Dimensionierung einer Dampfturbine und eines Niederdruckdampfnetzes

Abstract

Im Rahmen einer Energieeffizienzverbesserungsstudie im Stahlwerk Linz wird das Dampfnetz näher untersucht. Im Moment wird in der voestalpine Division Stahl (VAS) ein Dampfnetz mit 18 bar betrieben. Vor den Verbrauchern, die Dampf niedrigeren Drucks (5 bar, 0,2 bar) benötigen, befinden sich entsprechende Drosselstellen. In der Heizzentrale befindet sich eine Elin - Dampfturbine, die das Druckgefälle von 18 bar auf 0,2 bar abarbeitet, für die Verbraucher in der Heizzentrale. Die Elin - Dampfturbine besitzt allerdings nicht die Möglichkeit zur Abzapfung von 5 bar Dampf, weshalb dieser auch in der Heizzentrale durch Drosselung von 18 bar auf 5 bar "hergestellt" wird. Die Drosselungen stellen einen wesentlichen Exergieverlust dar.<br />Das Stahlwerk Linz ist das ganze Jahr ein netto Stromimporteur, daher besteht die Möglichkeit diese Energie besser zu nützen.<br />Für diese Verbesserung der Energienutzung wurden vier verschiedene Modelle erstellt:<br />Variante 0: Bei dieser Variante wird die aktuelle Elin - Dampfturbine durch eine neue Dampfturbine ersetzt. Bei dieser Variante ergibt sich die Verbesserung zur Aktuellen, aufgrund des besseren Wirkungsgrades der neuen Dampfturbine.<br />Variante 1: Hier fallen alle Drosselungen in der Heizzentrale weg, dies wird durch eine neue größere Dampfturbine mit Abzapfung erreicht, welche die alte Elin - Turbine ersetzt. Variante 2: Für die Variante 2 werden nicht nur die Drosselungen in der Heizzentrale ersetzt sondern, wird auch der Bereich des Kaltwalzwerks 2 und der Feuerverzinkung mit 5 bar Dampf, versorgt.<br />Für die Versorgung der neuen Abnehmer des 5 bar Dampfs werden teilweise neue größere Leitungen benötigt, weiters werden zwei neue Dampfturbinen mit Abzapfung bei 5 bar benötigt, wobei eine nur saisonal im Betrieb ist, aufgrund der starken Dampfmassenstrom - Schwankungen im Winter - Sommer Vergleich.<br />Variante 3: Bei dieser Variante wird zusätzlich zur Variante 2 auch der Bereich des Kaltwalzwerks 1 und der Bandbeize versorgt. Die Versorgung wird durch teilweise neue Dampfleitungen und, wie bei Variante 2, durch zwei neue Dampfturbinen mit Anzapfung versorgt, wobei nur eine der beiden in Dauerbetrieb ist, die andere wird nur bei Bedarf in Betrieb genommen.<br />Es wurden für all diese Varianten Dampfbilanzen erstellt, die als Grundlage für die Dimensionierung der Dampfturbinen dienten. Als nächster Schritt wurden die Leistungen berechnet woraus sich, mithilfe des Strompreises, der voraussichtliche Ertrag berechnen lies. Die Investitionskosten der einzelnen Varianten setzen sich zusammen aus:<br />Turbinen - Package neue Leitungen Inbetriebnahme Anschlüsse, Armaturen, Anbindung an das System.<br />Für die wirtschaftlichen Betrachtungen wurden zwei verschiedene Szenarien unterschieden:<br />Szenario 1: Die aktuelle Dampfturbine muss ersetzt werden.<br />Szenario 2: Die aktuell Dampfturbine muss nicht ersetzt werden Mithilfe der Kosten und des Ertrags wurden Break even Point-Analysen durchgeführt und die Rentabilität untersucht. Die Break even Point-Analyse und die Rentabilität lieferte dieselben Ergebnisse für die einzelnen Szenarien. Es hat sich gezeigt, dass vor allem das Szenario 1 zu bevorzugen ist, für die sich die Variante 1 als die Beste erwiesen hat. Für das Szenario 2 hat sich die Variante 3 als die zu bevorzugende erwiesen, weil diese den höchsten Ertrag bietet.<br />

The steam grid at Stahlwerk Linz is investigated in detail as part of an energy efficiency improvement study. At present a steam grid with 18 bar is operated in the voestalpine Steel Division (VAS).<br />Appropriate throttle valves are installed upline of the consumers which require steam at a lower pressure (5 bar, 0.2 bar). Installed in the central heating plant is an Elin - steam turbine which effects pressure reduction from 18 bar to 0.2 bar for the consumers in the central heating plant. It is not possible, however, to tap steam at 5 bar from the Elin - steam turbine, which is why the pressure is "restored" to 5 bar again after throttling from 18 bar. The throttle valves represent a major loss of energy.<br />Stahlwerk Linz is a net electricity importer over the whole year so that this energy could be used more efficiently.<br />Four different models were drawn up for this improvement in the energy utilisation:<br />Variant 0: In this variant, the existing Elin - steam turbine is replaced with a new steam turbine. With this variant the improvement compared with the existing situation derives from the higher efficiency of the new steam turbine.<br />Variant 1: Here all the throttles in the central heating plant are eliminated by installing a new and larger steam turbine with taps to replace the old Elin - turbine. Variant 2: For Variant 2 not only are the throttles in the central heating plant replaced, but the area of cold rolling mill 2 and the hot-dip galvanizing line are supplied with 5-bar steam. In some cases, new and larger lines will be required for the supply of the 5-bar steam to the new consumers; furthermore, two new steam turbines are required with taps at 5 bar, whereby only one is seasonally in operation due to the large fluctuations in steam mass flow between winter and summer.<br />Variant 3: With this variant and in addition to Variant 2, the area of cold rolling mill 1 and the coil coating are also supplied with 5-bar steam. The supply will be provided partly by new steam lines and, as with Variant 2, by two new steam turbines with taps, whereby only one of the two is continuously in operation while the other is only put into operation when required.<br />Steam balance sheets were drawn up for all these variants which served as the basis for the dimensioning of the steam turbines. In the next step, the outputs were calculated which, together with the electricity price, allowed the probable returns to be calculated. The investment costs for the individual variants consist of the following items:<br />Turbine package New pipelines Commissioning Connections, fittings, connection to the system For the profitability considerations, a distinction was made between two different scenarios:<br />Scenario 1: The existing steam turbine has to be replaced.<br />Scenario 2: The existing steam turbine does not have to be replaced.<br />On the basis of these costs and the return, break-even point analyses were carried out and the profitability was evaluated. The break-even point analysis and the profitability evaluation showed the same results for the individual scenarios. It was discovered that Scenario 1, in particular, is to be preferred, with Variant 1 proving to be the most suitable. For Scenario 2, Variant 3 proved to be most preferable as it offers the highest returns.