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Technischer Bereich der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein asymmetrisches Gemeinsteuerungsverfahren
für die primäre Frequenzregelung (PFR) in Kombikraftwerken,
welches die Vergrößerung der von den Turbinen
erzeugten Nutzleistung ermöglicht, ohne dabei die Rotationsenergiereserve
des Kombikraftwerks für die PFR zu beeinträchtigen.
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Stand der Technik
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Die
PFR ist eine von den Betreibern elektrischer Netze in den verschiedenen
Ländern vorausgesetzte Funktion und ist eines der Parameter
welche die Güte der Stromversorgung widerspiegeln.
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Um
am PFR-Prozess teilzunehmen müssen die Turbinen über
eine Rotationsenergiereserve verfügen. Diese Energie wird
in das betreffende Netz eingespeist, um etwaige aufgrund Bedarfsveränderungen
im Netz auftretende Frequenzabwandlungen wirksam auszugleichen.
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Das
als Rotationsenergiereserve für die primäre Frequenzregelung
bestimmte Energieanteil ist unterschiedlich und hängt von
den in einem bestimmten Zeitpunkt an das elektrische Netz gestellten
Qualitätsanforderungen ab
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Im
Fall der Gasturbinen die zu einem Kombikraftwerk gehören,
wird die Rotationsenergiereserve für die PFR dadurch gewonnen,
dass man die erzeugte Leistung in Bezug auf die Maximalleistung
die erzeugt werden kann, herabsetzt. D. h. also, dass die Gasturbinen
die Erzeugung eines gewissen Teils der Energie unterlassen um an
der primären Frequenzregelung teilzunehmen.
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Anfangs
konnten die Dampfturbinen von Kombikraftwerken keine beachtliche
zusätzliche Leistung (Minimalwerte zwischen 3 und 10% ihrer Leistungsfähigkeit)
schnell genug liefern (Einstellzeit zwischen 10 und 30 Sekunden)
um sich am primären Frequenzregelungs-Prozess zu beteiligen,
wobei die Qualität des kombinierten Stromversorgungsdienstes
nachließ.
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Dieses
Problem wurde gemäß des Grundsatzes der primären
Frequenzregelung gelöst, und zwar durch Gewinnung von Rotationsenergiereserve mittels
Energiespeicherung in Form von interner Energie des Dampfes in Rohrleitungen
und Domen der Wärmerückgewinnungskessel. Für
die wirksame Implementierung dieses Grundsatzes ist eine komplizierte
Kontrolle durchzuführen wie im Patent
USA 6,609,361 B2 beschrieben,
die durch Drosselung der Dampfeinlassventile der Dampfturbine erreicht
wird.
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Anders
als bei der Gasturbine reduziert die Dampfturbine nicht ihre erzeugte
Nutzleistung um über Rotationsenergiereserve für
die primäre Frequenzregelung zu verfügen, da ihre
stationäre Stromerzeugung eine direkte Funktion der in
den Abgasen der Gasturbine vorliegenden Energie ist.
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Seit
der Aufnahme des PFR-Prozesses in die Kombi-Dampfturbinen wird die
Frequenz symmetrisch und unabhängig sowohl von den Gasturbinen wie
auch von der Dampfturbine die den Zyklus bilden, reguliert Das heißt,
dass alle Turbinen das selbe Anteil an Rotationsenergiereserve für
die PFR haben und unabhängig daran teilnehmen.
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1 zeigt
das Ansprechverhalten der erzeugten Wirkleistung auf eine Sprungänderung
in der Bezugsfrequenz für ein aus zwei Gasturbinen und
einer Dampfturbine bestehendes Gas und Dampf-Kraftwerk, bei dem
alle Turbinen sich an der Frequenzregelung beteiligen wie vorher
beschrieben, aber ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahren.
Es wird ein Frequenz-Ausgangswert F vorausgesetzt der seinem Nominalwert
gleich ist, welcher später dann abfällt. Die Kurven
TG1 und TG2 stellen das Verhalten der jeweiligen Leistung der Gasturbinen
dar und die Kurve TV stellt das Verhalten der Leistung der Dampfturbine
dar. Die Dampfturbine erreicht ihre Endleistung in etwa gleicher
Zeit wie die Gasturbinen und hält diesen Zunahme während
der ganzen Zeit die die Aufzeichnung dauert, aufrecht. Die Kurve
kZ in 1 stellt das Leistungs-Ansprechverhalten des ganzen
kombinierten Zyklus gemeinsam dar.
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Die
beschriebene primäre Frequenzregelung in kombinierten Gas/Dampf-Kraftwerken
lässt keine maximale Ausnutzung der Energie-Speicherungsfähigkeit
des Systems in Form von interner Energie des Dampfes, zu. D. h.,
dass die Dampfturbine interne Rotationsenergie speichern kann um
sich während einer bestimmten Zeit in größerem
Ausmaß an der primären Frequenzregelung zu beteiligen,
ohne dabei die im kombinierten Arbeitsprozess erzeugten Wirkleistung
zu beeinträchtigen.
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Eine
maximale Nutzung der internen Energie des Dampfes der Dampfturbine
um in größerem Ausmaß als vom Netz gefordert
am PFR- Prozess teilzunehmen, würde eine Reduzierung der
Rotationsenergie-Reserve für die PFR der Gasturbinen erlauben; der
ganze kombinierte Gas und Dampf-Zyklus würde dabei über
die notwendige Rotationsenergie für die vom Netz geforderte
PFR verfügen und gleichzeitig mehr elektrische Energie
erzeugen.
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Im
jetzigen Stand der Technik verfügen die mit Turbinen verbundenen
Generatoren bekannter Struktur wie etwa Gas und Dampf-Kraftwerke
mit wenigstens einer Gasturbine und einer Dampfturbine nicht über
eine gemeinsame und asymmetrischen Kontrolle der primären
Frequenzregelung, d. h. dass jede Turbine unabhängig am
PFR-Prozess teilnimmt, wofür sie jeweils das gleiche Reserve-Energieanteil als
Rotationsenergie für die PFR bestimmt, ohne aber die Nutzung
der internen Energie des Dampfes der Dampfturbine zu maximieren.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In der Beschreibung benutzte Abkürzungen
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- AGS
- Asymmetrische Gemeinsteuerung
- BFr
- Bezugsfrequenz
- BuSES
- Berechnung und Steuerung
der Energiespeicherung
- DHD
- Druckabweichung vom
Hochdruckdampf
- DS
- Drucksensor
- DT
- Dampfturbine
- EDL
- Einstellung der Dampflast
- ELT
- Einstellung der Leistung
von der Dampfturbine
- EMZ
- Ermittlung des Maximalzustands
- EP
- Einstellposition
- Fx
- Charakteristische
Funktion des Dampfventils
- GT
- Gasturbine
- HBVDT
- Hochdruck-Bypassventil
der Dampfturbine
- kZ
- Kombinierter Zyklus
- LP
- Lastpolarisation
- LSA
- Logik der Standard-Regelabweichung
- PFR
- primäre Frequenzregelung
- PLW
- Polarisationslogik
für die Wirklast
- RVDT
- Regelventil der Dampfturbine
- ÜLA
- Überwachung
der Leistungsabweichungen
- ÜLLE
- Überwachungslogik
der Lasteinstellung
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Gegenüber
oben beschriebener Lage, ermöglicht das erfindungsgemäße
Verfahren in Kraftwerken mit kombinierten Zyklus die Teilnahme am PFR-Prozess
durch eine asymmetrische Gemeinsteuerung, bei der die Dampfturbine
mehr Rotations-Reserveenergie für die PFR als die Gasturbinen abgibt
und so die innere Energie des Dampfes in den Wärmerückgewinnungskesseln
maximal ausnutzt.
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Diese
Asymmetrie der Rotationsenergiereserve zur Telnahme an der PFR erlauben
eine Erhöhung der erzeugten Nutzleistung der jeweiligen
Gasturbinen des kombinierter Zyklus, da die Abnahme ihrer Rotationsenergiereserve
durch eine bessere Nutzung der Energiereserve der Dampfturbine ausgeglichen
wird. Diese Leistungserhöhung der Gasturbinen verursacht
auch eine Leistungserhöhung der Dampfturbine, und zwar
weil mit der Änderung der Ausgangsleistung der Gasturbinen
auch die in ihren Abgasen vorliegende Energie sich verändert,
wobei diese Veränderungen der Abgase sich schließlich
in Veränderungen der inneren Energie des Dampfes widerspiegeln.
Das verursacht entsprechende Variationen in der Ausgangsleistung
der Dampfturbine, und zwar in derselben Richtung wie die Gasturbinen.
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Zusammenfassend,
besteht der Grundsatz des erfindungsgemäßen Verfahren
in einer Maximierung der Nutzung der inneren Energie des Dampfes als
Rotationsenergiereserve. Das führt zu einer größeren
Leistungserzeugung des kombinierten Zyklus, ohne Beeinträchtigung
der gesamten Rotationsenergiereserve für die primäre
Frequenzregelung
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
das verhalten auf die von den Turbinen eines kombinierten Zyklus
(eine DT y zwei GT) erzeugte Leistung, für eine Teilnahme
an der PFR, bei einer sprunghaften Änderung der Bezugsfrequenz
(z. B. 10% der PFR).
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2 zeigt
das Ansprechverhalten der bei Vollast-Teilnahme an einem kombinierten
Zyklus erzeugten Leistung der DT mit einer kleinen Öffnung des
Hochdruck-Bypassventils.
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3 zeigt
das Ansprechverhalten der erzeugten Leistung der Turbinen eines
kombinierten Zyklus (eine DT und zwei GT) für eine Teilnahme
an der PFR bei einer sprunghaften Änderung der Bezugsfrequenz
mit asymmetrischer Gemeinsteuerung (z. B. 10% der PFR).
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4 zeigt
ein grundsätzliches Blockdiagramm der asymmetrischen Gemeinsteuerung
der PFR.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER
ERFINDUNG
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Arbeitsgrundlagen
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Um
primäre Frequenzregelung durch erfindungsgemäße
asymmetrischen Gemeinsteuerung der PFR zu liefern muss das jeweilige
Stromerzeugungswerk mit kombinierten Zyklus folgende Bedingungen
erfüllen:
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Erstens,
muss die Dampfturbine des kombinierten Zyklus sich an der primären
Frequenzregelung beteiligen können, und zwar aufgrund Rotations-Energiespeicherung
durch Drosselung der Regelventile, z. B. unter Anwendung des Verfahrens des
Patents
USA 6,609,361
B2 .
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Zweitens,
muss der Abhitzkessel und dementsprechend die Dampfturbine des kombinierten
Zyklus, mit drei verschiedenen Dampfdrücken arbeiten (Dampfhochdruck,
Dampfmitteldruck und Dampfniederdruck) und über ein Regulier-Bypassventil
einen By-pass aufweisen, vom Hochdruck-Dampfkreislaufes zum Mitteldruck-Kreislaufes.
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Um
eine asymmetrische Gemeinsteuerung der PFR des kombinierten Zyklus
zu erzielen ohne dabei dafür bestimmte Rotations-Energie
zu verlieren, muss die Dampfturbine über zusätzliche
Rotationsenergiereserve verfügen um den in den Gasturbinen
des kombinierten Zyklus vorgefallenen Defizit auszugleichen, wenn
die Gasturbinen die erzeugte Nutzleistung erhöhen und gleichzeitig
ihre Rotationsenergiereserve mindern
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Die
Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
in der Benutzung der im Hochdruck-Dampfskreislauf vorliegenden Rotationsenergie
um bei einem Netz-Energiebedarf, während den für
die Teilnahme an der PFR notwendigen Einstellzeiten, schnellstens
zusätzliche Energie für die PFR in der Dampfturbine
zur Verfügung zu stellen und so zu erlauben, dass die Gasturbinen
ihre Rotationsenergiereserve herabsetzen und dementsprechend die erzeugte
Nutzleistung im ganzen kombinierten Zyklus erhöhen. Die
PFR kann so gemeinsam im ganzen kombinierten Zyklus erfolgen, wobei
die Verteilung der Rotationsenergiereserve asymmetrisch ist.
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Um
in einer Dampfturbine zusätzliche Energie während
einem bestimmten Zeitraum zu schaffen wird ein Teil der Energie
des Hochdruckdampfes im Mitteldruck-Kreislauf der Turbine durch
geringfügige Öffnung des Hochdruck-Bypassventils
der Dampfturbine benutzt, wobei ein Teil des im Hochdruck-Dom des
Abhitzkessels erzeugten Dampf zur Mitteldruckphase der Turbine strömt
und dabei zu einer vorübergehenden Erhöhung der
erzeugten Leistung der Dampfturbine führt. Die Energiespeicherung
erfolgt also weil die Anlage sich unter einem höheren Dampfdruck
befindet als ihr für diesen Lastzustand im Normalbetrieb
der Turbine zusteht.
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2 zeigt
das Leistungsverhalten der Dampfturbine bei einer kleinen Öffnung
des Hochdruckbypassventils wenn die Turbine unter Volllast am kombinierten
Zyklus teilnimmt. Das Bild zeigt einen schnellen Zuwachs der Ausgangsleistung
der Dampfturbine, wobei die Einstellzeit nur wenige Sekunden beträgt
und diese Leistung für mehrere Minuten unverändert
bleibt.
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Diese
vorübergehende Zunahme der Ausgangsleistung der Dampfturbine
durch maximale Nutzung der inneren Energie des Hochdruckdampfes,
ohne das zusätzliche äußere Energie notwendig ist,
kann als Rotationsenergiereserve für die Teilnahme an der
primären Frequenzregelung benutzt werden.
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Um
die von der Dampfturbine durch Bypass-Umleitung des Hochdruckdampfes
in den Mitteldruckkreislauf erzeugte zusätzliche Leistung
und dementsprechend die Rotationsnutzreserve für die PFR
mit dem Verfahren der Erfindung zu bestimmen, sind praktische Versuche
vorzunehmen um den Wert empirisch zu bestimmen. Für diese
Versuche sind erstens die Turbinen mit Grundlast zu fahren, mit 100%
offenen Dampfeinlassventilen in der Betriebsart des gleitenden Drucks
und die Hochdruck-Bypassventile sind verhältnismäßig
wenig zu öffnen. Dieser Versuch ergibt die zusätzlich
erzeugte Leistung, die Einstellzeit und die Verweilzeit. Der Versuch ist
für verschiedene Umweltbedingungen zu wiederholen und von
diesen ist die kleinste zusätzliche Leistung zu nehmen.
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Ein
weiteres zu ermittelndes Parameter ist die maximale Öffnung
des Hochdruck-Bypassventils für die Erzeugung zusätzlicher
Leistung in der Dampfturbine um den Bedarf an Rotationsenergiereserve
für die PFR zu decken ohne dass der Druck im Dampf-Hochdruckkreislauf
während der Zeit in der der Bypass aufgrund der PFR offen
ist, unter die für die Anlage zulässigen Werte
abfällt. Dieser Öffnungsprozentsatz ist auch auf
Basis empirischer Versuche zu ermitteln.
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Der
durch die Ableitung von einem Teil des Dampfes in den Mitteldruck-Kreislauf
hervorgerufene Druckabfall im Hochdruck-Kreislauf ist ein sehr wichtiges
Parameter das berücksichtigt werden muss: wenn nichts unternommen
wird könnte der Kreislauf längere Zeit einen niedrigeren
Druck aufweisen. Um diese Wirkung auszugleichen führt das
erfindungsgemäße Verfahren eine sogenannte Wirklastpolarisationsfunktion
ein, um den Energieauflade-Prozess im Hochdruck-Kreislauf zu beschleunigen.
Ist die für die PFR geforderte Energieabgabe kleiner als
die Grundlast, unterbricht die Regelung den Ausgleich zwischen den
von den Gasturbinen und der Dampfturbine erzeugten Leistungen und
führt eine geeignete Lastpolarisation-Einstellposition
für jede Turbine ein. Für die Dampfturbine hat
die Polarisation einen negativen Wert, für die Gasturbinen
einen positiven Wert. Nimmt man die Polarisationswerte als Kontrollausgänge,
entwickelt der Block eine Art Dampfdruckregelung. Diese Wirkung
hört auf sobald der Dampfdruck den ursprünglichen
Wert erreicht hat.
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Wenn
die Forderung an Rotationsenergiereserve nicht sehr große
Ansprüche stellt genügt es im Allgemeinen wenn
durch Steuerung der Dampfeinlassventile mit den Rotationsenergiereserven
der Gasturbinen und der Dampfturbine gearbeitet wird, ohne dabei
den Hochdruck-By-pass zu benutzen. Überschreitet der Bedarf
an Rotationsenergiereserve für die PFR einen gewissen Schwellenwert
der für die Einstellung zu bestimmen ist, öffnet
sich der By-pass bei einem durch die Versuche festgelegten fixen Standarteinstellungswert
und die Steuerung wird weiter von den Dampfeinlassventilen der Dampfturbine übernommen.
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Kommt
ein zeitlich längerer Frequenzabfall vor, der die Leistungsfähigkeit
der im Hochdruck-Kreislauf gespeicherten Rotationsenergiereserve überschreitet,
wird der Frequenzabfall durch Wassereinspritzung in die Kompressoren
der Gasturbinen ausgeglichen, wobei deren Nennleistung während
der Störungsdauer überschritten werden kann. Solche
Fälle sind Ausnahmefälle, da in den Stromnetzen
die Spitzenwerte an Rotationsenergiereserve für primäre
Frequenzregelung nicht länger als eine Minute dauern. Deshalb
kann diese Regelung nur für wenige Minuten im Laufe eines
Jahres gefordert werden.
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3 zeigt
das Verhalten eines aus zwei Gasturbinen und einer Dampfturbine
bestehenden kombinierten Zyklus der mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren asymmetrischer Gemeinsteuerung der PFR gefahren wird wenn
eine zeitlich längeren Frequenzabfall vorkommt. Für
diese 3 wurden dieselben Werte wie für 1 benutzt,
sodass das Verhalten desselben kombinierten Zyklus nach Implementierung
des erfindungsgemäßen Verfahren verglichen werden
kann. Die Linie F stellt die simulierte Frequenz/Zeit-Kurve dar.
Es wird ein Frequenzausganswert angenommen der seinem Sollwert gleich ist
und später abfällt. Die Kurven TG1 y TG2 stellen das
Verhalten der jeweiligen Leistungen der Gasturbinen dar. Die Kurve
TV stellt das Verhalten der Leistung der Dampfturbine und die Kurve
des kZ, die Leistung des gesamten kombinierten Zyklus dar.
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Wird
das erfindungsgemäße Verfahren angewandt bemerkt
man erstens, dass die Leistung der Gasturbinen sich erhöht
und gleichzeitig das Leistungsvermögen an Rotationsenergiereserve
für die PFR abfällt. Diese Erhöhung der
Gasturbinenleistung verursacht eine Zunahme der erzeugten Leistung
der Dampfturbine, da ja diese Leistung eine Funktion der in den
Abgasen der Gasturbinen verfügbaren Energie ist, womit
schließlich eine Erhöhung der erzeugten Leistung
im gesamten kombinierten Zyklus erreicht wird.
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Zweitens
ist im Fall eines simulierten sprungartigen Frequenzabfalls zu bemerken,
dass sowohl die Gasturbinen wie auch die Dampfturbine ihre erzeugte
Leistung erhöhen und die Rotationsenergiereserve abgeben,
aber die Gasturbinen tun es bis sie ihren Sollwert erreichen. In
diesem Moment öffnet das Hochdruck-Bypassventil BP und
bewirkt, dass die Leistung der Dampfturbine weiter zumimt und die durch
die Gasturbinen nicht abgegebene Leistung, ausgleicht. Dauert der
Frequenzabfall länger, schließt das Hochdruck-Bypassventil,
da sämtliche Rotationsenergiereserve des Hochdrucksystems aufgebraucht
ist. Zu diesem Zeitpunkt wird die Wassereinspritzung in die Luftverdichter
der Gasturbinen vorgenommen, um den Bedarf an Rotationsenergie für
die primäre Frequenzregelung auszugleichen. Hierfür
wird die Waschvorrichtung der Luftverdichter der Gasturbinen benutzt.
Deshalb ist keine neue Einrichtung notwendig zum Einspritzen von
Wasser in diese Verdichter.
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Beschreibung des Verfahrens
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Um
das erfindungsgemäße Verfahren anwenden zu können
müssen als erstes, sowohl die Gasturbinen wie auch die
Dampfturbine des Gas und Dampf-Kombikraftwerkes gemeinsam an der
primären Frequenzregelung teilnehmen und mit Volllast arbeiten.
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Dann
muss das Personal die asymmetrische Gemeinsteuerung der PFR einschalten.
Ist die asymmetrische PFR Gemeinsteuerung aktiviert, erhöht sich
die Leistungseinstellung der Gasturbinen, wobei ihre Rotationsenergiereserve
abfällt. Die Kontrolle dieses Abfalls der Rotationsenergiereserve
beruht auf den Ergebnissen der empirischen Versuche bezüglich
der von der Dampfturbine mit einer bestimmten Öffnung des
Dampfhochdruck-Bypassventils erzeugten zusätzlichen Leistung.
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Zweitens
ermöglicht die asymmetrische Gemeinsteuerung eine weitere
Steuerung des Hochdruck-Bypassventils, sodass bei Bedarf sich eine
bestimmte Öffnung des Ventils einstellt und eine Zunahme
der erzeugten Leistung in der Dampfturbine herbeigeführt
wird, um den Defizit an Rotationsenergie in den Gasturbinen beim
primären Frequenzregelungsprozess auszugleichen.
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Hat
die Leistung der Gasturbinen ihre neue Leistungseinstellposition
erreicht, wird sie mit der höchstmöglichen Leistung
verglichen und so die neue Rotationsenergiereserve errechnet, deren
Prozentsatz kleiner ist als der zu diesem Zeitpunkt vom Stromnetz
verlangte.
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Dieser
Abfall der Rotationsenergiereserve in den Gasturbinen wird von der
Dampfturbine ausgeglichen. Das wird durch Erhöhung der Rotationsenergiereserve
der Dampfturbine für die PFR verwirklicht. Die Reserve
wird als Funktion des Stromnetzbedarfs und des Fehlbetrags in den
Gasturbinen errechnet. Diese größere Rotationsenergiemenge
kann bei Bedarf über die Öffnung des Hochdruck-Bypassventils in
das Netz eingespeist werden und erhöht während einen
gewissen Zeitraum – wie schon beschrieben – die
Ausgangsleistung der Dampfturbine. Diese Rotationsreserve für
den gesamten kombinierten Gas-und-Dampf-Zyklus berücksichtigt
strikt den vom Netzbetreiber festgelegten Netzbedarf an Rotationsenergiereserve
für PFR.
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Die
erfindungsgemäße asymmetrische Gemeinsteuerung
der PFR, ist eine Weiterentwicklung der PFR-Steuerung der Dampfturbine
des kombinierten Zyklus der Patentschrift
USA 6,609,361 B2 , in welcher
alle Einzelheiten davon zu finden sind, da bei Gasturbinen das erfindungsgemäße
Verfahren ausschließlich die Einstellung der Leistung der
Gasturbinen erhöht und gleichzeitig die Rotationsenergiereserve
abbaut, ohne dabei die Form der Frequenzregelung zu ändern.
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4 zeigt
ein grundsätzliches Blockdiagramm der Steuerung. Anschließend
werden die einzelnen Blöcke beschrieben.
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Mit
dem Einschalten der erfindungsgemäßen asymmetrischen
Gemeinsteuerung der PFR (Block 1), aktiviert sich die Öffnungssteuerung
des Hochdruck-Bypassventils, um mit der asymmetrischen Gemeinsteuerung
der PFR zu arbeiten (Block 15) und gleichzeitig erhöht
sich über Block 8 die Einstellung (EP) der Wirkleistung
der Gasturbinen, wobei sich ein Abfall der Teilnahme an der PFR
einstellt. Allerdings wird dieser Abfall mit einer Zunahme des Beitrages
der Dampfturbine an der PFR über die Steuerung S4 ausgeglichen.
Dem vom Betreiber der Anlage an den Block 2 (% RPF) zugeleiteten PRF-Prozentsatz
kommt nun ein zusätzlicher Prozentsatz dazu, aufgrund des
geringeren Beitrages für PFR der Gasturbinen in Block 18,
also wenn nun das erfindungsgemäße Verfahren eingeschaltet
wird, wird von Block 19 auf Block 18 umgeschaltet
als Summand der Steuerung S4. Der Ausgang von S4 tritt in Block 5 (LSA
der DT) und in Block 16 (BuSES) ein. Alls Ausgang hat Kontrollblock 5 ein
Kontrollsignal der PFR, das die notwendige Menge an Energiereserve
der Dampfturbine bestimmt um die Frequenzabweichungen des Netzes
auszugleichen. Hierfür wird eine über Block 4 vom
Betreiber der Anlage eingesetzte Bezugsfrequenz sowie die aktuelle Netzfrequenz
von Block 3, das für den PFR-Prozess vorgesehene
Tote Band, die Regelabweichung (oder droop) und der aus Kontrollblock
S4 resultierende PFR Prozentsatz (der den vom Betreiber der Anlage über
Block 2 vorbestimmten Prozentsatz beachtet) und der notwendige
zusätzliche Beitrag für die PFR aus Block 18 berücksichtigt.
Kontrollblock 6 (Überwachungslogik der Lasteinstellung),
stellt jederzeit die geeignete Leistungseinstellung der Dampfturbine ein,
da es wie bekannt in den kombinierten Gas und Dampf-Kraftwerken
nicht möglich ist die genaue verfügbarer Leistung
vorauszusagen, was natürlich die PFR unstabil gestalten
würde. Das kommt deshalb vor, weil in einem Kombikraftwerk
die Dampfturbine, je nach der aktuellen Beschaffenheit der Gasturbinen,
so viel elektrischen Strom wie möglich erzeugen muss. Wenn
notwendig, berichtigt und aktualisiert deshalb dieser besondere
Block die Leistungseinstellung der Dampfturbine. Dieser Block arbeitet wenn
das Anforderungssignal von PFR in Block 9 = 0 ist, wobei
Block 6 den aktuellen Wert der Ausgangsleistung der Dampfturbine übernimmt.
Kontrollblock 16 (BuSES) hält immer, durch Drosselung
der Einlass-Regelventile der Dampfturbine (RVDT), die geeignete
Leistung für die Frequenzregulierung gespeichert, da sichergestellt
werden muss, dass die Dampfturbine bei Bedarf die notwendige maximale Last
abgeben kann. Kontrollfunktion S1 addiert den Ausgang von Block 5 (LSA)
und von Block 6 (Überwachungslogik der Lasteinstellung),
was die vom Netzt für die Dampfturbine angeforderte Leistung
bei einer bestimmten Frequenzabweichung ergibt. Anderseits vergleicht
Kontrollfunktion S2 die vom Netz angeforderte Leistung (Ausgang
von S1) mit der aktuellen Wirkleistung der Dampfturbine von Block 7.
In den bekannten Verfahren für PFR, würde der
Ausgang von S2 der Eingang zu einem PI-Regler 14 sein,
der die Endstellung des Regelventils der Dampfturbine überwacht.
Bei dieser Erfindung hingegen, tritt der Ausgang von S2 in Kontrolle
S5 ein, die außerdem ein Signal von Block 13 (EMZ
in den Gasturbinen) (erforderliche Leistung für den Ausgleich des
Fehlbetrages in den Gasturbinen) empfängt sowie auch ein
Signal von Block 11 (negative Polarisierung der Dampfturbine
die für die Aufladung des Hochdrucksystems benutzt wird),
wie anschließend beschrieben. Das Ausgangssignal von S5
ist der Eingang zum PI-Regler 14, der dann im Kontrollpunkt
S3 zum Ausgangsbezugswert von Block 16 (BuSES) addiert
wird und über eine charakteristische Funktion des Dampfventils
Fx den notwendigen Einstellungswert für das Regelventil
der Dampfturbine RVDT für jede Bedingung ergibt.
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Mit
Kontrollblock 13 (EMZ) kann ermittelt werden ob die Gasturbinen
aufgrund eines Frequenzabfalls im Netz nahe ihrem höchsten
Leistungswert sind, d. h. der maximalen Leistungsreserve die sie
für die PFR beitragen können, gemäß dem Abweichungswert
zwischen dem angeforderten Leistungswert für das System
und dem von Block 12 angegebenen Höchstwert der
Gasturbine. Zu bemerken ist, dass das erfindungsgemäße
Verfahren die Rotationsleistung der Gasturbinen mindert um die erzeugte
Nettoleistung des kombinierten Zyklus zu steigern. Dementsprechend,
wenn die Rotationsenergie der Gasturbinen abfällt, um die
erzeugte Nettoleistung des kombinierter Zyklus zu steigern, gibt Block 13 ein
Signal an die Steuerung der Öffnung des Hochdruck-Bypassventils
von Block 15 (HBVDT) ab, womit das Ventil öffnet
um die Rotationsenergie des gesamten kombinierten Zyklus die nicht
von den Gasturbinen abgegeben wird ausgeglichen wird. Das von Block 13 abgegebene
Signal bewirkt eine vorbestimmte Öffnung der Hochdruck-Bypassventile,
was eine Zunahme der Ausgangsleistung der Dampfturbine bewirkt.
Gleichzeitig gehen die Abweichungen der Gasturbinen, die in diesem
Moment einen positiven Leistungswert haben müssen, zum
Lastregler der Dampfturbine über die Funktion S5, womit
eine gemeinsame Steuerung der Leistung am Ausgang des kombinierten
Zyklus erreicht wird. Die angeforderte Leistung für die
PFR die nicht von den Gasturbinen zur Verfügung gestellt
werden kann wird in diesem Fall von der Dampfturbine geliefert.
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Bei
Bedarf des Hochdrucksystems wird Kontrollblock 11 (PLW)
für die Aufladung des Hochdrucksystems mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren benutzt. Wird die Öffnung der Hochdruck-Bypassventile angefordert,
tritt ein Druckabfall des Hochdruckdampfes ein, der vom Drucksensor
DS detektiert wird. Wenn nichts unternommen wird, kann der Hochdruckkreislauf über
längere Zeit in diesem Zustand verbleiben. Die Aufgabe
dieses Kontrollblocks 11 ist den Leistungsaufladungsprozess
zu beschleunigen. Ist aufgrund der durch Block 17 (DHD)
durchgeführte Berechnung die von der PFR angeforderte Ausgangsleistung
niedriger als Vollastleistung, unterbricht Kontrolle 11 das
Gleichgewicht zwischen den Ausgangsleistungen und führt
eine geeignete Lastpolarisationseinstellung in jede Turbine ein
mit Abgabe eines Signals für positive Polarisierung an
die Gasturbinen (Block 10) und ein Signal für
negative Polarisierung an die Dampfturbine. Mit den Polarisationswerten
als Ausgangswerte von Kontrolle 11, entwickelt der Block
eine Art Dampfdruckregelung. Diese Maßnahme stoppt wenn
der Dampfdruck seinen ursprünglichen Wert erreicht hat.
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Außerdem
führt das erfindungsgemäße Verfahren
eine weitere Steuerung ein, und zwar für den Fall, dass
der Frequenzabfall länger dauert als die Zeit welche die
Dampfturbine mit im Hochdruck-Kreislauf gespeicherter Leistung decken
kann, berechnet als Funktion der Zeit in der die Gasturbinen auf
Höchstleistung eingestellt sind (Block 13). Diese
Steuerung ermöglicht das die Gasturbinen zusätzliche
Leistung abgeben durch Wassereinspritzung (Block 20) in
den Eingang ihrer Luftverdichter, was eine Steigerung der Leistung
der Dampfturbine herbeiführt, welche den Fehlbetrag an
Rotationsenergie für die PFR in den Gasturbinen ausgleicht.
Diese Steuerung spricht nur ausnahmsweise an, da die maximalen Anforderungen
an Rotationsenergiereserve für die Steuerung der PFR meistens
sehr kurz sind. Dauert dieser Zustand länger, stehen andere äußere
Steuerungen zur Verfügung die der Stabilisierung der Frequenz
beitragen können, wie z. B. die sekundäre Frequenzregelung
oder die Lastabschaltung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6609361
B2 [0007, 0022, 0042]