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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur schnellen Wirkleistungsänderung von Kraftwerksanlagen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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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.
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Hinsichtlich der Frequenzregelung in Stromnetzen unterscheidet man dabei im Wesentlichen zwischen einer Primär- und einer Sekundärregelung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 zeitaufwendigen 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 von 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.
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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 „Flexible Load Operation and Frequency Support for Steam Turbine Power Plants", Wichtmann et. Al, VGB PowerTech 7/2007 Seite 49–55 bekannt.
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So wird beispielsweise durch den Kondensatstau kurzfristig, schnell und temporär mehr Dampf im Niederdruck- bzw. Mitteldruck-Teil der Turbine zur Verfügung gestellt. Voraussetzung ist aber hier, dass der Dampferzeuger ausreichend weit unterhalb der maximalen Dampferzeugerleistung betrieben wird. Dann funktioniert das Verfahren wie folgt: Auf Anforderung wird die Kondensatregelstation angedrosselt, so dass der Kondensatmassenstrom durch die Niederdruck-Vorwärmstrecke entsprechend reduziert wird. Der Anzapfdampfmassenstrom der Niederdruck-Vorwärmer und des Entgasers wird dadurch, ggf. unterstützt durch zusätzliche Regelorgane in den Anzapfdampfleitungen, reduziert, wodurch mehr Dampf in der Turbine verbleibt und dadurch mehr Leistung erzeugt wird. Das Reduzieren des Kondensatmassenstroms ist erforderlich, damit sich die Wassertemperatur im Speisewasserbehälter nicht ändert und sich dadurch keine Rückwirkungen auf die Dampferzeugung ergeben. Der Kondensatstau dient dabei zur Kompensation der beim Dampferzeuger inhärenten Tot- und Verzugszeiten. Das zusätzliche Kondensat wird in den Hotwell des Kondensators eingespeichert. Aufgrund der beschränkten Volumina ist diese Kompensation aber auch nur auf wenige Minuten begrenzt. Daher muss parallel dazu die Feuerungsrate des Dampferzeugers entsprechend erhöht werden, um die gestiegene Leistungsanforderung längerfristig zu erfüllen und den Kondensatstau im Minutenbereich abzulösen. Da der Speisewasserbehälter nur mit einem reduzierten Kondensatmassenstrom bespeist wird, sinkt der Füllstand entsprechend ab. Mit steigender Dampferzeugerleistung kann die Androsselung der Kondensatregelstation wieder verringert werden bis schließlich ein stationärer Betriebszustand erreicht ist. Um den Ursprungszustand wiederherzustellen, muss das zwischenzeitlich in die Hotwells eingespeicherte Kondensat wieder zurück in den Speiswasserbehälter gefördert werden. Damit ist die durch den Kondensatstau zur Verfügung stellbare Mehrleistung durch die maximale Dampferzeugerleistung begrenzt, da der Dampferzeuger den Kondensatstau ja innerhalb weniger Minuten ablösen muss.
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Bei der speisewasserseitigen Umführung der Hochdruck-Vorwärmer bzw. der Androsselung der Anzapfdampfleitungen zu den Hochdruck-Vorwärmern kommt es zu hohen thermischen Belastungen der Vorwärmer. Da der Dampferzeuger in diesem Fall kälteres Speisewasser bekommt, muss hier die Kesselfeuerung entsprechend überdimensioniert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der eine kurzfristige, schnelle und temporäre Änderung, insbesondere eine Erhöhung der Wirkleistung einer Kraftwerksanlage auf einfachste Art und Weise und ohne die zuvor genannten Nachteile erreichbar ist.
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Diese Aufgabe wird mit der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit der entsprechenden Kraftwerksanlage nach Anspruch 7 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zusätzlich Energie in zumindest einem thermischen Speicher vorzuhalten und diese als alleinstehende oder aber auch als zusätzliche Maßnahme zu nutzen, um so die Wirkleistung der Kraftwerksanlage und damit die Verfügbarkeit von Sekundär- und/oder Primärregelreserven zu erhöhen.
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Verglichen mit einem Kondensatstau ist die erfindungsgemäße Sekundär- und/oder Primärregelung in Abhängigkeit von der Größe des thermischen Speichers wesentlich länger wirksam, da der Speisewasserbehälter weiterhin ausreichend mit warmem Kondensat versorgt wird und kein Kondensat eingespeichert werden muss. Deshalb kann auch Regelleistung oberhalb der maximalen Kesselleistung zur Verfügung gestellt werden.
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Im Gegensatz zur Androsselung der Hochdruck-Turbinenregelventile kommt es bei der erfindungsgemäßen Sekundär- und/oder Primärregelung nicht zu einem ständigen Wirkungsgradverlust im Wasser-Dampf-Kreislauf, selbst wenn gerade keine Regelleistung angefordert wird.
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Dadurch, dass die in einem oder auch mehreren thermischen Speichern in einem Wärmeträgermedium wie z.B. einer Salzschmelze oder einem Thermoöl vorgehaltene Energie einem oder mehreren an geeigneter Stelle in der Niederdruck- und/oder Hochdruck-Vorwärmstrecke eingebauten Vorwärmer geregelt zugeführt wird, kann auf Anforderung kurzfristig und schnell zusätzliche Energie in den Wasser-Dampf-Kreislauf eingekoppelt und so die Wirkleistung der Kraftwerksanlage gezielt gesteigert werden.
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Durch die Verwendung eines thermischen Speichers mit zwei Behältern kann die Erzeugung (Beladen des Speichers) und Nutzung der zusätzlichen Energie für Regelzwecke (Entladen des Speichers) zeitlich entkoppelt werden. D.h. zu Niedriglastzeiten kann die nicht benötigte Energie des Kraftwerks in Form von z.B. Frischdampf verwendet werden, um im Speicher die zusätzliche Regelenergie für einen späteren Gebrauch einzuspeichern bzw. den genutzten Speicher wieder aufzufüllen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Für die vergütbare Sekundärregelreserve zählt in Deutschland die Mehrleistung, die nach 5 Minuten vom Kraftwerk erreicht wird. Auch dafür kann die durch die vorgeschlagene Maßnahme kurzfristig erzeugbare Mehrleistung genutzt werden. Die Verbesserung der Sekundär- und/oder Primärregelfähigkeit eines Kraftwerks schafft so einerseits einen Wettbewerbsvorteil für den Anbieter des Kraftwerks. Andererseits erhöht diese Maßnahme auch den Gewinn des Betreibers, der damit entsprechende Sekundär- und/oder Primärregelreserve als zusätzliche Netzdienstleistung anbieten und verkaufen kann. Zudem kann dadurch der Zugang zu Märkten mit entsprechend extremen Netzanschlussbedingungen verbessert/ermöglicht werden.
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Die Erfindung könnte dabei prinzipiell auch zur temporären Erzeugung von Spitzenlast dienen, um kurzzeitige Bedarfsspitzen mit Dampfkraftwerksanlagen abzudecken, die bereits Volllast fahren. Dies geschieht im Gegensatz zu anderen Überlegungen, welche die thermische Energie zunächst in Dampf umwandeln und diesen dann, ggf. in den Wasser-Dampf-Kreislauf einkoppeln, durch Einkopplung in die Vorwärmstrecke durch einen oder mehrere Mehrleistungs-Wärmetauscher. Dadurch entfallen zusätzliche Systeme zur Versorgung des zusätzlichen Dampferzeugers mit Wasser und Einbindung des erzeugten Dampfes in den Wasser-Dampf-Kreislauf.
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Die Erfindung soll nun anhand der nachfolgenden Figuren beispielhaft erläutert werden. Es zeigen:
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1 die erfindungsgemäße Einbindung eines thermischen Speichers in die Niederdruckvorwärmstrecke,
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2 die erfindungsgemäße Einbindung des thermischen Speichers in die Hochdruckvorwärmstrecke.
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In 1 dargestellt ist ein typischer Wasser-Dampf-Kreislauf eines Kraftwerks mit Kessel B, Turbine T, Generator G und weiteren üblichen Komponenten wie beispielsweise Vorwärmer V. Erfindungsgemäß ist dieser Wasser-Dampf-Kreislauf nun um eine Vorrichtung zur schnellen Wirkleistungsänderung von Kraftwerksanlagen erweitert. Diese Vorrichtung weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen thermischen Speicher mit zwei Behältern 10 und 11 zum Speichern von Energie, einen Vorwärmer 50 im Wasser-Dampf-Arbeitskreislauf der Kraftwerksanlage, eine Pumpe 40 zur geregelten Zufuhr des im thermischen Speicher 10 gespeicherten heißem Wärmeträgermediums in den Vorwärmer 50, sowie eine Pumpe 30 und einen Wärmetauscher 20 auf. Über diesen Wärmetauscher kann das Wärmeträgermedium, wie beispielsweise ein Thermoöl oder eine Salzschmelze, aus dem Behälter 11 mit dem kalten thermischen Speichermedium mittels eines über ein Stellorgan 21 geregelt zugeführten Dampfes aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf wieder erhitzt und dem Behälter 10 mit dem heißen thermischen Speichermedium zugeführt werden. Das erhitzte Wärmeträgermedium kann dann je nach Bedarf über die Pumpe 40 mit dem Stellorgan 61 geregelt dem Vorwärmer 50 zugeführt werden. Der Vorwärmer 50 ist dabei bei der in 1 dargestellten Ausführungsform in der Niederdruckvorwärmstrecke des Wasser-Dampf-Arbeitskreislaufes angeordnet. Die in 2 dargestellte Ausführungsform enthält identische erfindungsgemäße Merkmale, bis auf den Unterschied, dass der Vorwämer 50 hier in der Hochdruckvorwärmstrecke des Wasser-Dampf-Arbeitskreislaufes angeordnet ist.
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Mit beiden erfindungsgemäßen Vorrichtungen lassen sich die Wirkleistung der Kraftwerksanlage und damit deren Verfügbarkeit für die Sekundär- und/oder Primärregelreserven erhöhen. Dies geschieht durch Entladen des thermischen Speichers 10 wie folgt: Mittels der Pumpe 40 (mit oder ohne dem Stellorgan 61) wird aus einem heißen Speicherbehälter 10 das Wärmeträgermedium mit einer Temperatur von typischerweise 400–500°C geregelt entnommen und durch den Vorwärmer 50 gefördert. Im Vorwärmer 50 wird dabei Energie vom Wärmeträgermedium an das Wasser im Wasser-Dampf-Arbeitskreislauf abgegeben und anschließend wieder im kalten Speicherbehälter 11 mit entsprechend niedrigerer Temperatur von typischerweise 200–300°C zwischengespeichert. In dem Maße wie diese zusätzliche Energie in den Wasser-Dampf-Arbeitskreislauf eingekoppelt wird, können die Anzapfdampfmassenströme zu anderen Niederdruck-Vorwärmern V bzw. Hochdruck-Vorwärmern V durch entsprechende Regelorgane (Steuereinheit 60 und regelbare Pumpe 40 und /oder Ventil 61 bzw. ggf. vorhandene Stellorgane 62–65 in den Anzapfdampfleitungen) reduziert werden. Dadurch verbleibt mehr Dampf in der Turbine was letztendlich zu einer Leistungserhöhung führt. Die dadurch bewirkte rasche Änderung der Generatorleistung kann für Sekundär- und/oder Primärregelung genutzt werden. Die Wiederauffüllung des thermischen Speichers kann dabei zeitlich entkoppelt durch Nutzung von Frischdampf erfolgen. Der entnommene und kondensierte Frischdampf muss dabei an geeigneter Stelle des Wasser-Dampf-Kreislaufs wieder eingekoppelt werden, wobei es dabei unerheblich ist, ob der Dampferzeuger bereits bei maximaler Leistung betrieben wird oder nicht.
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Durch Einbindung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bereich der Niederdruck-Vorwärmstrecke halten sich die thermischen Belastungen für die Vorwärmer in vertretbaren Grenzen. Bei Einbindung im Bereich der Hochdruck-Vorwärmstrecke lassen sich die thermischen Belastungen für alle Vorwärmer dadurch begrenzen, dass der Hochdruck-Mehrleistungs-Vorwärmer zwischen dem niedrigsten und dem höchsten Hochdruck-Vorwärmer eingebaut wird. Im Gegensatz zu Maßnahmen wie die speisewasserseitige Umführung der Hochdruck-Vorwärmer bzw. die Androsselung der Anzapfdampfleitungen zu den Hochdruck-Vorwärmern wird mit der vorliegenden Erfindung aber die thermische Belastung reduziert und ein Absinken der Speisewasserendtemperatur verhindert. Dadurch muss die Kesselfeuerung nicht überdimensioniert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Flexible Load Operation and Frequency Support for Steam Turbine Power Plants“, Wichtmann et. Al, VGB PowerTech 7/2007 Seite 49–55 [0010]
