[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kurzzeitigen Leistungssteigerung von Energieerzeugungsanlagen,
die zumindest einen Kessel und zumindest eine Strömungsmaschine aufweisen, wobei der
Energieerzeugungsanlage zumindest ein Regelelement zugeordnet ist, und wobei die Energieerzeugungsanlage
eine Hochdruck-Umleitstation und eine Zwischenüberhitzung aufweist.
[0002] Derartige Energieerzeugungsanlagen sind bekannt und werden beispielsweise zur Erzeugung
elektrischer Energie verwendet.
[0003] Innerhalb eines elektrischen Netzverbunds muss jederzeit sichergestellt sein, dass
die von den Verbrauchern abgenommene der in den Kraftwerken bzw. in den Energieerzeugungsanlagen
produzierten elektrischen Leistung entspricht. Als Puffer wirkt hier lediglich die
Netzfrequenz, die jedoch innerhalb sehr enger Grenzen gehalten werden muss. Auf zeitliche
Schwankungen im Verbrauch muss zeitnah auf der Seite der Kraftwerke reagiert werden.
Dieser Vorgang wird Frequenzregelung genannt. Dabei soll es auch möglich sein, ungewollte
Ausfälle ganzer Kraftwerke zu verkraften, ohne dass die Netzfrequenz unzulässig einbricht.
[0004] Die Anforderungen, die der Netzbetreiber an die einzelnen Kraftwerke bezüglich der
Frequenzregelung stellt, sind in Regelwerken zusammengestellt. Für Deutschland beispielsweise
gelten die auf dem GridCode basierenden Regelwerke "Kooperationsregeln für die deutschen
Netzbetreiber" von August 1998 und "Netz- und Systemregeln der deutschen Übertragungsnetzbetreiber"
von April 2000. Danach beträgt die aktivierbare Primärregelreserve für eine Erzeugungseinheit
mit mehr als 100 MW mindestens +/- 2 Prozent der Nennleistung und muss innerhalb von
30 Sekunden linear aktiviert werden können. Sie muss für 15 Minuten zur Verfügung
stehen.
[0005] Wegen der großen Kesselträgheit führt eine Änderung der zugeführten thermischen Leistung
zu einem verzögerten Ansprechen der Generatorleistung bzw. der Strömungsmaschine.
Die nach den Regelwerken geforderten Laständerungsgeschwindigkeiten lassen sich also
nur mit zusätzlichen Maßnahmen erfüllen.
[0006] Meist werden fossil befeuerte Kraftwerke, also z.B. mit Braun- oder Steinkohle gefeuerte
Kraftwerke, welche die Anforderungen bezüglich Primärfrequenzregelung einhalten müssen,
in einem so genannten modifizierten Gleitdruckbetrieb betrieben.
[0007] Im Normalbetrieb der Kraftwerke sind dabei die Regelelemente bzw. die Frischdampfstellventile
angedrosselt. Als Folge hiervon ist der Druck im Kessel und somit die in der Hochdruck-Dampftrommel
gespeicherte Energie erhöht. Die Hochdruck-Dampftrommel ist ein Bestandteil des Kessels.
[0008] Um nun die Leistung der fossilen Kraftwerke kurzfristig zu erhöhen, also bei schneller,
kurzfristiger Leistungssteigerung, öffnen die Stellventile weiter. Dadurch steigt
zunächst der Frischdampfmassenstrom und die erzeugte elektrische Leistung.
[0009] Mit der Entladung (Ausspeicherung) der thermischen Energie aus dem Kessel geht die
elektrische Leistung wieder zurück.
[0010] Um dauerhaft die erhöhte elektrische Leistung zu liefern, muss die zugeführte thermische
Leistung des Kessels angepasst werden. Somit wird mit der Androsselung (angedrosselte
Stellventile) im Normalbetrieb die thermische Trägheit des Kessels kompensiert.
Als ein Hauptnachteil dieses bekannten Verfahrens zur kurzfristigen Leistungssteigerung
ist anzusehen, dass im Normalbetrieb der gesamte Frischdampfmassenstrom über das Regelelement
bzw. das Frischdampfstellventil gedrosselt wird. Dies bedeutet aber selbstverständlich
eine Wirkungsgradeinbuße gegenüber ungedrosselten Ventilen. Außerdem ist der erhöhte
Druck im Kessel bei der Auslegung zu berücksichtigen. Durch den erhöhten Druck müssen
beispielsweise die Bauteile bzw. die einzelnen Bauelemente des Kessels in ihrer Dimension
entsprechend angepasst werden, um dem überhöhten Druck stand zu halten.
[0011] Ein Verfahren zur kurzzeitigen Leistungssteigerung ist aber auch bei Energieerzeugungsanlagen
der bekannten Bauart kombinierter Gas- und Dampfturbinenkraftwerke bekannt. Bei diesen
Anlagen wird häufig lediglich die Gasturbine für die Frequenzregelung vorgesehen.
Die zeitlichen Anforderungen der Netzbetreiber können jedoch nicht ohne weiteres erfüllt
werden, da die Laständerungsgeschwindigkeit von Gasturbinen limitiert ist.
[0012] Daher wird zunehmend versucht, auch die Dampfturbine zur raschen Primärfrequenzregelung
einzubinden. Hierzu wird bisher ein ähnliches Vorgehen wie bei fossil befeuerten Kesseln
durchgeführt, d. h. über ein Androsseln der Frischdampfstellventile wird die Hochdruck-Dampftrommel
auf ein deutlich höheres Druckniveau angehoben. Im Anforderungsfall führt die Druckanhebung
in der Hochdruck-Dampftrommel zu einem höheren Frischdampfmassenstrom und somit (zeitlich
begrenzt) zu der geforderten Mehrleistung.
[0013] Nachteiligerweise muss auch hier - wie bei fossil befeuerten Kraftwerken - die zugeführte
thermische Leistung des Kessels gesteigert werden, damit die Dampfturbine dauerhaft
eine höhere Leistung liefert.
[0014] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur kurzzeitigen Leistungssteigerung
von Energieerzeugungsanlagen mit einfachen Mitteln dahingehend zu verbessern, dass
der Wirkungsgrad im Normalbetrieb der Energieerzeugungsanlage bzw. der Strömungsmaschine
erhöht ist.
[0015] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur kurzzeitigen Leistungssteigerung
von Energieerzeugungsanlagen gelöst, die zumindest einen Kessel und zumindest eine
Strömungsmaschine aufweisen, wobei der Energieerzeugungsanlage zumindest ein Regelelement
zugeordnet ist, und wobei die Energieerzeugungsanlage eine Hochdruck-Umleitstation
und eine Zwischenüberhitzung aufweist, umfassend die Schritte:
Speichern von thermischer Energie in dem Kessel,
vollständiges Öffnen des zumindest einen Regelelementes im Normalbetrieb der Energieerzeugungsanlage,
Öffnen der Hochdruck-Umleitstation nach Lastanforderung um einen zusätzlichen Dampfstrom
aus dem Kessel zur Verfügung zu stellen,
Zumischen des zusätzlichen Dampfstroms zu einem Hochdruckabdampf der Strömungsmaschine
in einer kalten Zwischenüberhitzungsleitung, und
Zuleiten des mit dem zusätzlichen Dampfstrom vermischten Hochdruckabdampfs zur Strömungsmaschine.
[0016] Günstig im Sinne der Erfindung ist, wenn der zusätzliche Dampfstrom in der Hochdruck-Umleitstation
vor der Zumischung zum Hochdruckabdampf in der kalten Zwischenüberhitzungsleitung
durch Wassereinspritzung im Dampfstrom erhöht und in seiner Temperatur abgesenkt wird.
[0017] Zweckmäßig ist, wenn der mit dem zusätzlichen Dampfstrom vermischte Hochdruckabdampf
in einem Mitteldruck- bzw. Niederdruckteil der Strömungsmaschine expandiert, so dass
eine Mehrleistung zur Verfügung gestellt wird.
[0018] Zweckmäßigerweise ist die Strömungsmaschine als Dampfturbine ausgeführt.
[0019] Bevorzugterweise weist die Strömungsmaschine hierbei einen Hochdruckteil, einen Mitteldruckteil
und einen Niederdruckteil auf, die nacheinander geschaltet sind.
[0020] Vorteilhaft im Sinne der Erfindung ist, wenn das zumindest eine Regelelement als
Stellventil in einer Frischdampfleitung angeordnet ist, die ausgehend von dem Kessel
zur Strömungsmaschine bzw. zu deren Hochdruckteil führt, und wobei ein weiteres Regelelement
als Stellventil in einer heißen Zwischenüberhitzungsleitung angeordnet ist, die zur
Strömungsmaschine bzw. zu deren Mitteldruckteil führt.
[0021] Das erfindungsgemäße Verfahren zur kurzzeitigen Leistungssteigerung der Energieerzeugungsanlage
ist sowohl bei fossil befeuerten Kraftwerken als auch bei kombinierten Gas- und Dampfturbinenkraftwerken
anwendbar, die über eine Zwischenüberhitzung (ZÜ) und eine Hochdruck-Umleitstation
(HDU) verfügen.
[0022] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Fähigkeit des Kessels genutzt, thermische
Energie zu speichern. Allerdings sind im Unterschied zum bekannten Stand der Technik
die Regelelemente bzw. das zumindest eine Regelelement als Stellventil vollständig
geöffnet.
[0023] Zur kurzzeitigen Erhöhung der Turbinenleistung bzw. der Leistung der Strömungsmaschine,
die vorzugsweise als Dampfturbine ausgeführt ist, wird die Hochdruck-Umleitstation
(HDU) nach Lastanforderung geöffnet. Dies ist mittels bekannter Steuereinrichtungen
möglich.
[0024] Der zusätzliche Dampfstrom, welcher aus dem Kessel ausgespeichert wird, wird in der
Hochdruck-Umleitstation (HDU) auf ein, bezogen auf seine Temperatur im Kessel, niedrigeres
Temperaturniveau abgespritzt bzw. gekühlt und in der kalten Zwischenüberhitzungsleitung
(kZÜ-Leitung) dem Hochdruckabdampf zugemischt.
[0025] Über die kalte Zwischenüberhitzungsleitung strömt der zusätzliche Dampfstrom vermischt
mit dem Hochdruckabdampf über den Zwischenüberhitzer durch die heiße Zwischenüberhitzungsleitung
in Richtung zur Mitteldruckturbine und von hier aus zur Niederdruckturbine und stellt
durch Expansion zum einen in der Mitteldruckturbine und der Niederdruckturbine die
geforderte Mehrleistung zur Verfügung.
[0026] Vorteilhafterweise wird hierbei der Kessel bzw. die Hochdruck-Dampftrommel als thermischer
Speicher genutzt, welcher nun aus dem Normalzustand (bei voll geöffnetem Regelelement
und geschlossener Hochdruckumleitung (HDU)) heraus entladen wird.
[0027] Das Wiederaufladen (Anheben des Druckniveaus auf Nenndruck) erfolgt bei beiden Typen
(fossil befeuerte Anlagen und kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlagen) über eine
Erhöhung der zugeführten thermischen Kesselleistung.
[0028] Vorteilhafterweise überbrückt die Ausspeicherung aus dem Kessel somit die Zeit, bis
die Erhöhung der zugeführten thermischen Leistung am Generator bzw. an der Strömungsmaschine
wirksam wird.
[0029] Bei fossil befeuerten Dampfkraftwerken hat die Primärfrequenzregelung durch die geregelte
Nutzung der Hochdruck-Umleitstation (HDU) den Vorteil, dass die Dampfturbine bzw.
die Strömungsmaschine regulär im reinen Gleitdruckbetrieb gefahren werden kann. Die
im modifizierten Gleitdruckbetrieb nach dem Stand der Technik erforderliche verlustbehaftete
Androsselung durch das Regelelement bzw. durch die Frischdampfstellventile entfällt
vollständig. Dies bedeutet einen Wirkungsgradgewinn. Außerdem braucht der Hochdruckteil
des Kessels nicht für die erhöhten Drücke bei modifiziertem Gleitdruck ausgelegt zu
werden.
[0030] Vorteilhafterweise sind weiterhin keine zusätzlichen Bauteile erforderlich.
[0031] Bei kombinierten Gas- und Dampfturbinenkraftwerken stellen sich die gleichen Vorteile
wie bei fossil befeuerten Dampfkraftwerken ein. Die Dampfturbine bzw. die Strömungsmaschine
kann die Primärfrequenzregelung von der Gasturbine übernehmen, ohne die Basislast
reduzieren zu müssen.
[0032] Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl bei einem Trommelkessel (Umlaufkessel)
als auch prinzipiell bei einem Durchlaufkessel anwendbar.
[0033] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und
der folgenden Figurenbeschreibung offenbart.
[0034] Es zeigen:
- Fig. 1
- eine Prinzipskizze einer fossil befeuerten Energieerzeugungsanlage, und
- Fig. 2
- eine Prinzipskizze einer kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage.
[0035] In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen
versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
[0036] Fig. 1 zeigt eine Energieerzeugungsanlage 1 als Prinzipskizze ausschnittsweise. Die
Energieerzeugungsanlage 1 weist zumindest einen Kessel 2 und zumindest eine Strömungsmaschine
3 auf. Der in Fig. 1 beispielhaft dargestellte Kessel 2 ist als Trommelkessel (Umlaufkessel)
ausgeführt, wobei der Kessel 2 aber auch als Durchlaufkessel ausgeführt sein kann.
[0037] Der Energieerzeugungsanlage 1 ist zumindest ein Regelelement 4 zugeordnet, wobei
die Energieerzeugungsanlage 1 eine Hochdruck-Umleitstation (HDU) 6 und eine Zwischenüberhitzung
(ZÜ) 7 aufweist.
[0038] Der in Fig. 1 dargestellte Kessel 2 ist ein fossil befeuerter Kessel, der einen Hochdruck-Economiser
8, eine Hochdruck-Dampftrommel 9 mit Verdampfer und einen Hochdruck-Überhitzer 11
aufweist.
[0039] Die Strömungsmaschine 3 ist als Dampfturbine ausgeführt, die einen Hochdruckteil
12, einen Mitteldruckteil 13 und einen Niederdruckteil 14 aufweist. Der Niederdruckteil
14 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als doppelflutige Turbine ausgeführt.
Diese weist zwei aus Lauf- und Leitschaufeln gebildete Schaufelgitter auf, die in
axial Richtung gesehen links und rechts eines Einströmbereiches angeordnet sind.
[0040] Der Kessel 2 ist über eine Frischdampfleitung 16 mit dem Hochdruckteil 12 der Strömungsmaschine
3 verbunden. In der Frischdampfleitung 16 ist das Regelelement 4 als Frischdampfstellventil
angeordnet.
[0041] In Strömungsrichtung (Pfeil 17) eines aus dem Kessel 2 in Richtung zur Strömungsmaschine
3 strömenden Mediums (Dampf) gesehen ist oberhalb des Regelelementes 4 ein Schnellschussventil
18 angeordnet. Das Strömungsmedium bzw. der Dampf strömt im Normalbetrieb der Energieerzeugungsanlage
1 durch die Frischdampfleitung 16 und durch den Hochdruckteil 12 der Strömungsmaschine
3 in eine kalte Zwischenüberhitzungsleitung 19 (kZÜ-Leitung), über den Zwischenüberhitzer
7 des Kessels 2 in eine heiße Zwischenüberhitzungsleitung 21 in Richtung zum Mitteldruckteil
13 der Strömungsmaschine 3. In der heißen Zwischenüberhitzungsleitung 21 ist ein weiteres
Regelelement 4 als Stellventil und ein in Strömungsrichtung (Pfeil 17) des Mediums
bzw. des Dampfes gesehen oberhalb angeordnetes Schnellschlussventil 18 vorgesehen.
[0042] Der Dampf bzw. das Medium entspannt sich in dem Mitteldruckteil 13 der Strömungsmaschine
3 und gelangt von diesem über eine Verbindungsleitung 22 in den Niederdruckteil 14
der Strömungsmaschine 3.
[0043] Die Hochdruckumleitstation 6 ist zwischen der Frischdampfleitung 16 und der kalten
Zwischenüberhitzungsleitung 19 angeordnet und mit einem Regelelement 23 zu öffnen
bzw. zu schließen.
[0044] In Fig. 2 ist die Energieerzeugungsanlage 1 als kombiniertes Gas- und Dampfturbinenkraftwerk
26 dargestellt. Deren Gasturbinenanlage 27 ist dem Kessel 2 vorgeschaltet und weist
einen Verdichter 28, eine Brennkammer 29 und eine Turbine 31 auf.
[0045] Der Kessel 2, der in dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel als Abhitzekessel
ausgeführt ist, weist wie bei dem Ausführungsbeispiel zu Fig. 1 den Hochdruck-Economiser
8, die Hochdruck-Dampftrommel 9 mit Verdampfer und den Hochdruck-Überhitzer 11 auf.
Zusätzlich ist dem Kessel 2 ein Mitteldruck-Economiser 32, eine Mitteldruck-Dampftrommel
33 mit Verdampfer und ein Mitteldruck-Überhitzer 34 zugeordnet, die über eine Verbindungsleitung
36 ausgehend vom Mitteldruck-Überhitzer 34 in der kalten Zwischenüberhitzungsleitung
19 mündet.
[0046] Ansonsten entspricht das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 prinzipiell dem Ausführungsbeispiel
der Fig. 1.
[0047] Bei den in Fig. 1 und 2 dargestellten unterschiedlichen Energieerzeugungsanlagen
1 ist das erfindungsgemäße Verfahren zur kurzzeitigen Leistungssteigerung durchführbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist also bei fossil befeuerten Kraftwerken (Fig. 1)
als auch bei kombinierten Gas- und Dampfturbinenkraftwerken (Fig. 2), die über eine
Zwischenüberhitzung 7 und eine Hochdruck-Umleitstation 6 verfügen durchführbar, wobei
das erfindungsgemäße Verfahren an einem als Trommelkessel ausgestalteten Kessel 2
betrachtet wird, wobei darauf hinzuweisen ist, dass das erfindungsgemäße Verfahren
prinzipiell auch bei einem Durchlaufkessel anwendbar ist.
[0048] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Fähigkeit des Kessels 2 genutzt, thermische
Energie zu speichern. Jedoch sind im Normalbetrieb die Regelelemente 4 bzw. die Stellventile
vollständig geöffnet. Zur kurzzeitigen Leistungssteigerung der Turbinenleistung wird
die Hochdruck-Umleitstation (HDU) 6 nach Lastanforderung geöffnet. Hierdurch wird
ein zusätzlicher Dampfstrom aus dem Kessel 2 entnommen (Ausspeicherung), der in der
Hochdruck-Umleitstation 6 auf ein, bezogen auf die in dem Kessel 2 herrschende Temperatur,
niedrigeres Temperaturniveau abgekühlt bzw. abgespritzt wird, und in der kalten Zwischenüberhitzungsleitung
19 dem Hochdruckabdampf zugemischt. Der zusätzliche Dampfstrom umgeht den Hochdruckteil
12 der Strömungsmaschine 3, indem dieser aus dem Kessel 2 über die Hochdruck-Umleitstation
6 quasi direkt der kalten Zwischenüberhitzungsleitung 19 zugeführt wird.
[0049] Der Hochdruckabdampf ist derjenige Dampf, welche den Hochdruckteil 12 der Strömungsmaschine
3 verlässt.
[0050] Über den Zwischenüberhitzer 7 bzw. die heiße Zwischenüberhitzungsleitung 21 wird
der mit dem zusätzlichen Dampfstrom vermischte Hochdruckabdampf dem Mitteldruckteil
13 der Strömungsmaschine zugeführt und expandiert hier.
[0051] Anschließend wird der mit dem Hochdruckabdampf vermischte zusätzliche Dampfstrom
über die Verbindungsleitung 22 dem Niederdruckteil 14 der Strömungsmaschine zugeführt,
und expandiert ebenfalls.
[0052] Damit wird die geforderte Mehrleistung kurzfristig zur Verfügung gestellt, wobei
jeweils die Strömungsmaschine 3 bzw. die Dampfturbine zur primären Frequenzregelung
genutzt wird.
[0053] Hinzuweisen ist hierbei auf den Umstand, dass die Mehrleitung lediglich eine kurzzeitige
Leistungssteigerung bewirkt. Die Ausspeicherung aus dem Kessel 2 überbrückt somit
die Zeit, bis die Erhöhung der zugeführten thermischen Leistung am Generator wirksam
wirkt. Der Generator ist in den beiden Figuren 1 und 2 nicht dargestellt.
1. Verfahren zur kurzzeitigen Leistungssteigerung von Energieerzeugungsanlagen (1), die
zumindest einen Kessel (2) und eine Strömungsmaschine (3) aufweisen,
wobei der Energieerzeugungsanlage (1) zumindest ein Regelelement (4) zugeordnet ist,
und
wobei die Energieerzeugungsanlage (1) eine Hochdruck-Umleitstation (6) und eine Zwischenüberhitzung
(7) aufweist, umfassend die Schritte
- Speichern von thermischer Energie in dem Kessel (2),
- vollständiges Öffnen des zumindest einen Regelementes (4) im Normalbetrieb der Energieerzeugungsanlage
(1),
- Öffnen der Hochdruck-Umleitstation (6) nach Lastanforderung, um einen zusätzlichen
Dampfstrom aus dem Kessel (2) zur Verfügung zu stellen,
- Zumischen des zusätzlichen Dampfstroms zu einem Hochdruckabdampf der Strömungsmaschine
(3) in einer kalten Zwischenüberhitzungsleitung (19), und
- Zuleiten des mit dem zusätzlichen Dampfstrom vermischten Hochdruckabdampfs zur Strömungsmaschine
(3).
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zusätzliche Dampfstrom vor der Zumischung zum Hochdruckabdampf in der kalten Zwischenüberhitzungsleitung
(19) durch Wassereinspritzung im Dampfstrom erhöht und in seiner Temperatur abgesenkt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der mit dem zusätzlichen Dampfstrom vermischte Hochdruckabdampf in einem Mitteldruckteil
(13) bzw. einem Niederdruckteil (14) der Strömungsmaschine (3) expandiert,
so dass eine Mehrleistung kurzfristig zur Verfügung gestellt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Strömungsmaschine (3) als Dampfturbine ausgeführt ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Strömungsmaschine (3) einen Hochdruckteil (12), einen Mitteldruckteil (13) und
einen Niederdruckteil (14) aufweist, die nacheinander geschaltet sind.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das zumindest eine Regelelement (4) als Stellventil in einer Frischdampfleitung (16)
angeordnet ist, die ausgehend von dem Kessel (2) zur Strömungsmaschine (3) bzw. zu
deren Hochdruckteil (12) führt, und
wobei ein zweites Regelelement (4) als Stellventil in einer heißen Zwischenüberhitzungsleitung
(21) angeordnet ist, die ausgehend von dem Zwischenüberhitzer (7) zur Strömungsmaschine
(3) bzw. zu deren Mitteldruckteil (13) führt.