DE102012215569A1 - Method for fast active power change of fossil fuel-fired steam power plants, involves diverting vapor fraction from water-vapor-working cycle as process energy for carbon dioxide-separation unit - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen Wirkleistungsänderung von fossil befeuerten Dampfkraftwerksanlagen gemäß Anspruch 1, sowie eine entsprechend ausgebildete fossil befeuerte Dampfkraftwerksanlage gemäß Anspruch 4. The invention relates to a method for rapid change in active power of fossil-fired steam power plant according to
Bei Dampfkraftwerksanlagen kommen zur Stromerzeugung fossile Brennstoffe, wie beispielsweise Kohle zum Einsatz. Dabei wird die thermische Energie des durch die Verbrennung erzeugten Wasserdampfes in einer Dampfturbine in Bewegungsenergie umgesetzt und diese anschließend in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt und in das Stromnetz eingespeist. In steam power plants, fossil fuels, such as coal, are used to generate electricity. The thermal energy of the steam generated by the combustion is converted into kinetic energy in a steam turbine and then converted into electrical energy in a generator and fed into the power grid.
In einem deregulierten Strommarkt gewinnen ein flexibler Lastbetrieb und Einrichtungen zur Frequenzregelung für die an das Stromnetz angeschlossenen Kraftwerke immer mehr an Bedeutung. Hinzu kommt, dass mit dem Ausbau der regenerativen Energien, wie zum Beispiel der Windenergie, eine Verschärfung der Anforderungen an die Regelfähigkeit der unterschiedlichen Kraftwerkstypen zu erwarten ist. In a deregulated electricity market, flexible load operation and frequency control facilities are becoming more and more important for power plants connected to the grid. In addition, the expansion of renewable energies, such as wind energy, is expected to exacerbate the regulatory requirements of the different types of power plants.
Hinsichtlich der Frequenzregelung in Stromnetzen unterscheidet man dabei im Wesentlichen zwischen einer Primär- und einer Sekundärregelung. With regard to the frequency control in power grids, a distinction is essentially made between a primary and a secondary control.
Da elektrische Energie auf dem Weg vom Erzeuger zum Verbraucher nicht gespeichert werden kann, müssen im Stromnetz Stromerzeugung und Stromverbrauch in jedem Augenblick im Gleichgewicht stehen. Die Frequenz der elektrischen Energie ist dabei die integrierende Regelgröße und nimmt den Netzfrequenznennwert an, solange sich Stromerzeugung und Stromverbrauch im Gleichgewicht befinden. Die Drehzahlen der an einem Stromnetz angeschlossenen Kraftwerksgeneratoren sind mit dieser Netzfrequenz synchronisiert. Since electrical energy can not be stored on the way from the producer to the consumer, electricity generation and electricity consumption must be balanced at all times in the electricity grid. The frequency of the electrical energy is the integral control variable and assumes the mains frequency rating as long as power generation and power consumption are in balance. The speeds of the power plant generators connected to a power grid are synchronized with this grid frequency.
Kommt es zu einem bestimmten Zeitpunkt zu einem Erzeugungsdefizit im Stromnetz, so wird dieses Defizit zunächst durch die in den Schwungmassen der rotierenden Maschinen (Turbinen, Generatoren) enthaltene Energie gedeckt. Die Maschinen werden dadurch aber abgebremst, wodurch deren Drehzahl und damit die (Netz-)Frequenz weiter sinken. Wird diesem Absinken der Netzfrequenz nicht durch geeignete Leistungs- bzw. Frequenzregelung im Stromnetz entgegengewirkt, würde dies zum Netzzusammenbruch führen. If there is a generation deficit in the power grid at a specific time, this deficit is initially covered by the energy contained in the rotating masses of the rotating machinery (turbines, generators). As a result, the machines are slowed down, which further reduces their speed and thus the (mains) frequency. Failure to counteract this drop in grid frequency by appropriate power or frequency regulation in the grid would lead to grid collapse.
Solche Frequenzabweichungen werden zunächst durch die Primärregelung auf die an der Primärregelung beteiligten Kraftwerke im gesamten Stromnetz aufgeteilt. Diese stellen dafür eine sogenannte Primärregelreserve, also eine Leistungsreserve, zur Verfügung, welche von den beteiligten Kraftwerken automatisch an das Stromnetz abgegeben wird, um dadurch das Ungleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch innerhalb von Sekunden durch Regelung der Erzeugung auszugleichen. Die Primärregelung dient damit der Stabilisierung der Netzfrequenz bei möglichst kleiner Abweichung, jedoch auf einem von einem vorgegebenen Netzfrequenznennwert abweichenden Niveau. Such frequency deviations are first divided by the primary control on the power plants involved in the primary control throughout the power grid. These provide for a so-called primary control reserve, ie a power reserve available, which is automatically discharged from the power plants involved in the power grid, thereby to compensate for the imbalance between production and consumption within seconds by regulating the production. The primary control thus serves to stabilize the grid frequency with as small a deviation as possible, but at a level deviating from a predetermined nominal grid frequency value.
Die sich an die Primärregelung anschließende Sekundärregelung hat die Aufgabe, das Gleichgewicht zwischen den Stromerzeugern und -verbrauchern im Stromnetz wieder herzustellen und dadurch die Netzfrequenz wieder auf den vorgegebenen Netzfrequenznennwert, z. B. 50 Hz, zurückzuführen. Die an der Sekundärregelung beteiligten Kraftwerke stellen hierzu eine Sekundärregelreserve zur Verfügung, um die Netzfrequenz wieder auf den Netzfrequenznennwert zurückzuführen und das Gleichgewicht im Stromnetz wieder herzustellen. The adjoining the primary control secondary control has the task to restore the balance between the generators and consumers in the power grid and thus the network frequency back to the predetermined power frequency nominal value, z. B. 50 Hz, due. For this purpose, the power plants involved in the secondary control provide a secondary control reserve in order to return the grid frequency to the nominal grid frequency and restore the balance in the power grid.
Während die Anforderung an die Primärregelung und die Abgabe der Primärregelreserve in das Stromnetz automatisch durch die Regeleinrichtungen der an der Primärregelung beteiligten Kraftwerke erfolgt, wird die Sekundärregelung durch einen übergeordneten Netzregler im Stromnetz bei den an der Sekundärregelung beteiligten Kraftwerken angefordert. While the requirement for the primary control and the delivery of the primary control reserve to the power grid is automatic by the control equipment of the power plants involved in the primary control, the secondary control is requested by a higher power grid in the power grid of the power plants involved in the secondary control.
Es ist bekannt, dass eine, beispielsweise im Falle einer Frequenzregelung erforderliche, Wirkleistungssteigerung eines Kohlekraftwerks aus einem beliebigen Leistungspunkt heraus aber wesentlich länger dauert als beispielsweise bei Pumpspeicher- oder Gaskraftwerken, bei denen die Leistung bedarfsweise im Sekundenbereich abgerufen werden kann. Die Regelung der Feuerung bei kohlegefeuerten Kraftwerksblöcken führt nämlich erst nach einer Verzögerung im Minutenbereich zu einer Änderung der in die Stromnetze abgegeben Wirkleistung, so dass die damit erreichbaren Leistungsrampen eher moderat sind. Ein Grund für diese Leistungsträgheit bei Kohlekraftwerken ist die thermische Trägheit des Brennstoffs Kohle. Das heißt, eine Änderung der Kohlebefeuerung führt üblicherweise erst nach einer längeren Verzögerung im Minutenbereich zu einer Wirkleistungsänderung des Kohlekraftwerks, was in erster Linie an einem zeitaufwändigen Vorgang einer Kohlezufuhr und -zerkleinerung liegt. Leistungen und auch Leistungserhöhungen können so nur zeitverzögert in die entsprechenden Verteilnetze abgegeben werden. Dennoch können damit heute bereits Netzanschlussbedingungen der derzeit in Deutschland gültigen Transmission Codes (Mindestanforderung) mit beispielsweise einer geforderten Primärregelreserve von zwei Prozent Leistungssteigerung in 30 Sekunden, die dann für 15 Minuten zu halten ist, erfüllt werden. It is known that one, for example, in the case of a frequency control required, active power increase of a coal power plant out of any power point but takes much longer than, for example, pumped storage or gas power plants, where the power can be accessed as needed in seconds range. The control of the firing at coal-fired power plant blocks leads namely only after a delay in the minute range to a change in the output power into the power grids, so that the achievable performance ramps are rather moderate. One reason for this performance inertia in coal power plants is the thermal inertia of the fuel coal. That is, a change in coal firing usually leads to an active power change of the coal power plant only after a long delay in the minute range, which is primarily due to a time-consuming process of coal feed and comminution. Benefits and increases in output can only be released to the corresponding distribution grids with a time delay. Nevertheless, it is already possible today to meet the grid connection conditions of the transmission codes (minimum requirement) currently valid in Germany with, for example, a required primary control reserve of two percent power increase in 30 seconds, which must then be maintained for 15 minutes.
Will man aber die für die Sekundär- und/oder Primärregelung notwendigen schnellen Leistungsänderungen bereitstellen, sind schnell wirkende Zusatzmaßnahmen erforderlich. Beispiele für solche Maßnahmen zur Verbesserung der Anlagendynamik, wie zum Beispiel die Drosselung der Hochdruck-Turbinenregelventile, eine Überlasteinleitung zur Hochdruckteilturbine, der Kondensatstau, die speisewasserseitige Umgehung der Hochdruck-Vorwärmer oder auch die Androsselung der Anzapfdampfleitungen zu den Hochdruck-Vorwärmern sind bereits aus
Kraftwerksanlagen, insbesondere fossil befeuerte Dampfkraftwerksanlagen, unterliegen zunehmend gesetzlichen Regelungen zur Luftreinhaltung. So werden zunehmend CO2-Abscheideeinrichtungen in diese Kraftwerksanlagen integriert. Die Komponenten der CO2-Abscheideeinrichtung, wie beispielsweise Absorber, Desorber und Kompressoren, benötigen für den Abscheideprozess Energie. Dazu wird, wie beispielsweise in der
Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren und eine Dampfkraftwerksanlage bereitzustellen, mit der unter Ausnutzung einer integrierten CO2-Abscheideeinrichtung eine kurzfristige, schnelle und temporäre Erhöhung aber auch Verringerung der Wirkleistung der fossil befeuerten Dampfkraftwerksanlage auf einfachste Art und Weise erreichbar ist. The object of the invention is now to provide a method and a steam power plant, with the use of an integrated CO2 capture device a short-term, fast and temporary increase but also reduction of the active power of the fossil-fired steam power plant can be achieved in the simplest way.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie der Dampfkraftwerksanlage nach Anspruch 4 gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. This object is achieved by the method having the features of
Durch den Einbau und die Regelung eines Ventils als zusätzliches Regelorgan in den Dampfentnahmezweig kann ein festgelegter Dampfanteil aus dem Dampfkreislauf, der zur Versorgung der CO2-Abscheideeinrichtung bereitstellt wird, auf Anforderung schnell reduziert oder erhöht werden, so dass dem Dampfkreislauf zur Wirkleistungserhöhung oder auch Reduzierung kurzfristig mehr bzw. weniger Dampfanteil zur Verfügung steht. Die im Dampfkreislauf bewirkte Änderung des die Turbine durchströmenden Dampfmassenstroms führt zu einer entsprechend schnellen und gezielten Wirkleistungsänderung, die für die Frequenzregelung, insbesondere für die Sekundär- und/oder Primärregelung eingesetzt werden kann. So kann insbesondere eine schnelle Wirkleistungssteigerung im Bereich von 2–5% der Nennleistung erreicht werden. By installing and controlling a valve as an additional control element in the Dampfentnahmezweig a fixed proportion of steam from the steam cycle, which is provided to supply the CO2 separation device can be quickly reduced or increased on request, so that the steam cycle to increase the active power or reduction in the short term more or less steam is available. The effect in the steam cycle change in the turbine flowing through the steam mass flow leads to a correspondingly fast and targeted active power change, which can be used for frequency control, in particular for secondary and / or primary control. In particular, a fast increase in active power in the range of 2-5% of the rated power can be achieved.
Diese Wirkleistungssteigerung hat zweckmäßigerweise in einem Zeitbereich von 5–600 s für die Sekundärregelung und bevorzugt im Bereich von 5–30 s für die Primärregelung zu erfolgen. Eine weitere darüber hinausgehende Leistungssteigerung kann während eines weiteren Zeitraumes im Bereich von wenigstens 5–50 min, insbesondere während eines Zeitraumes von 5–30 min, als weitere Leistungsreserve gehalten werden. This active power increase is expediently carried out in a time range of 5-600 s for the secondary control and preferably in the range of 5-30 s for the primary control. A further increase in performance can be maintained as a further power reserve for a further period in the range of at least 5-50 min, in particular for a period of 5-30 min.
Durch die Erfindung lässt sich so in vorteilhafter Art und Weise sehr einfach und ohne große konstruktive Änderungen das dynamische Anlageverhalten und die Frequenzregelung bei einem fossil befeuerten Dampfkraftwerk, insbesondere bei einem Kohlekraftwerk mit integrierter CO2-Abscheidevorrichtung, verbessern. Erfindungsgemäß wird dabei die Trägheit des CO2-Abscheideprozesses ausgenutzt. Bei der Primärregelung handelt es sich um einen Prozess, der stochastische Schwankungen der Netzfrequenz um einen Mittelwert herum ausregelt. Eine Verringerung der Dampfversorgung der CO2-Abscheideeinrichtung führt zwar zu einer Verschlechterung der Abscheiderate und umgekehrt. Aufgrund des stochastischen Verhaltens bleibt die erzielbare Abscheiderate aber trotz einsetzender Primärregelung im Mittel unverändert. Führt eine Leistungssteigerung im Rahmen der Sekundärregelung zwischenzeitlich zu einer signifikanten Verschlechterung der Abscheiderate, so lässt sich dies im längerfristigen Mittel durch eine nachfolgende langsame Erhöhung der Dampfversorgung wieder kompensieren. Bei kleinen Änderungen sind die Auswirkungen aufgrund der Trägheit des Abscheideprozesses aber zu vernachlässigen, so dass die Wechselwirkung zwischen kurzfristigen schnellen Wirkleistungssteigerungen der Dampfkraftanlage und dem integrierten CO2-Abscheideprozess sehr gering und damit weitgehend zu vernachlässigen sind. With the invention, the dynamic system behavior and the frequency control in a fossil-fired steam power plant, in particular in a coal-fired power plant with integrated CO2 separation device, can be improved in an advantageous manner very simply and without major structural changes. According to the invention, the inertia of the CO2 deposition process is utilized. Primary control is a process that corrects for stochastic fluctuations in the grid frequency around an average. Although a reduction in the steam supply of the CO2 separation device leads to a deterioration of the deposition rate and vice versa. Due to the stochastic behavior, the achievable deposition rate remains unchanged despite the onset of primary control. If a performance increase in the context of secondary regulation leads in the meantime to a significant deterioration of the separation rate, this can be compensated in the longer term by a subsequent slow increase of the steam supply. With small changes, the effects are negligible due to the inertia of the deposition process, so that the interaction between short-term rapid increases in active power of the steam power plant and the integrated CO2 capture process are very low and thus largely negligible.
Gerade in Kombination mit den bekannten Maßnahmen zur Beschleunigung von Wirkleistungsänderungen im Rahmen der Frequenz- bzw. Primär- und/oder der Sekundärregelung bei einem Dampfkraftwerk, insbesondere bei einem Kohlekraftwerk, lässt sich so durch die vorliegende Erfindung der Frequenz- bzw. Primär- und/oder Sekundärregelungsbereich weiter vergrößern. Especially in combination with the known measures for the acceleration of active power changes in the context of the frequency or primary and / or secondary control in a steam power plant, especially in a coal power plant, can be so by the present invention, the frequency or primary and / or or secondary control range.
Die Erfindung soll nun anhand einer sehr schematischen Darstellung eines Wasser-Dampf-Arbeitskreislaufs einer Dampfkraftanlage beispielhaft erläutert werden. Im Wasser-Dampf-Arbeitskreislauf
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass im Falle, dass kurzfristig eine Wirkleistungserhöhung der Dampfkraftwerksanlage notwendig ist, der abgezweigte Dampfanteil über eine einstellbare Armatur
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- „Flexible Load Operation and Frequency Support for Steam Turbine Power Plants“, Wichtmann et. Al, VGB PowerTech 7/2007 Seite 49–55 [0011] "Flexible Load Operation and Frequency Support for Steam Turbine Power Plants", Wichtmann et. Al, VGB PowerTech 7/2007 page 49-55 [0011]
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