DE102013019437A1

DE102013019437A1 - Steam power plant with electric battery system to avoid the throttle losses at the turbine inlet valve and method for this purpose

Info

Publication number: DE102013019437A1
Application number: DE102013019437.7A
Authority: DE
Inventors: Matthias Eichelbrönner; Daniel Heiler; Wolfgang Kottnik
Original assignee: E Quadrat & Co Projekt- und Beratungs- KG GmbH; QUADRAT & CO PROJEKT und BERATUNGS KG E GmbH
Current assignee: Equadrat & Co Energy Experts Kg De GmbH
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2015-05-21

Abstract

Verfahren zur Regelung eines Dampfkraftwerks zur Vermeidung der Drosselverluste am Turbineneinlassventil (1), wobei das Dampfkraftwerk mit einem Batteriesystem (6, 7) im Anschluss an den Generator (12) an der Generatorableitung (8) betrieben wird und die Regelung durch folgende Verfahrensschritte erfolgt: – Betrieb des Dampfkraftwerks nicht in Volllast – Erfassen einer Frequenzabweichung im elektrischen Netz – Ermitteln einer Regelanforderung bei erfasster negativer Frequenzabweichung – Bereitstellung und Leistungsabgabe der Regelabweichung durch das Batteriesystem an das Stromnetz – Steigerung der Leistung des Dampfkraftwerks gemäß seines zulässigen Leistungsgradienten – Reduzierung der Leistungsabgabe (23) des Batteriesystem in dem Maße wie die Leistung des Dampfkraftwerks sich steigert – Bereitstellung einer aus Batteriesystem- und Kraftwerksleistung zusammengesetzten Leistungssteigerung (24) an das Stromnetz solange bis das Dampfkraftwerk alleine die Regelanforderung ausschließlich durch die gesteigerte Dampfkraftwerksleistung bereitstellen kann – Bereitstellung der Regelanforderung alleine durch das Dampfkraftwerk bis zur Kraftwerksvolllast solange bis die Regelleistungsanforderung aufgehoben wird.Method for controlling a steam power plant to avoid the throttle losses at the turbine inlet valve (1), wherein the steam power plant is operated with a battery system (6, 7) following the generator (12) at the generator lead (8) and the control is carried out by the following method steps: - Operation of the steam power plant not at full load - Detecting a frequency deviation in the electrical network - Determining a control request at detected negative frequency deviation - Supply and output of the deviation from the battery system to the power grid - Increase the capacity of the steam power plant according to its allowable power gradient - Reduction of power output (23 ) of the battery system to the extent that the capacity of the steam power plant increases - providing a composite of battery system and power plant performance increase (24) to the power grid until the steam power plant alone the Regelanforder can provide only by the increased steam power plant capacity - Provision of the control requirement alone by the steam power plant to the power plant full load until the control power requirement is canceled.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft ein Kraftwerk mit Dampfturbine, in dem Drosselverluste beim Regeln von Wasser-Dampfprozessen mit Hilfe eines elektrischen Batteriesystems vermieden werden sowie ein Verfahren hierzu.The invention relates to a power plant with a steam turbine in which throttling losses are avoided when controlling water-steam processes with the aid of an electric battery system and a method for this purpose.

Im Normalbetrieb eines Dampfkraftwerks oder eines Gas- und Dampfkraftswerks, sog. GuD-Kraftwerk mit Dampfturbine, wird durch Androsselung des Turbineneinlassventils oder der Turbineneinlassventile im Wasser-Dampf-Kreislauf im Dampferzeuger ein Dampfvorrat angelegt. Dieser Dampfvorrat wird im Bedarfsfalle zur schnellen Wirkleistungssteigerung herangezogen, wobei jedoch stets Drosselverluste an dem Turbineneinlassventil oder den Turbineneinlassventilen auftreten. Bei Eintreten des Regelenergiebedarfs wird die Drosselung des Turbineneinlassventils oder der Turbineneinlassventile ganz oder teilweise aufgehoben, wodurch eine schnelle Wirkleistungssteigerung der Dampfturbeine durch Ausfahren der Dampfreserven ermöglicht wird.In normal operation of a steam power plant or a gas and steam power plant, so-called combined cycle power plant with steam turbine, a steam supply is created by throttling the turbine inlet valve or the turbine inlet valves in the water-steam cycle in the steam generator. This steam supply is used in case of need for rapid active power increase, but always throttle losses occur at the turbine inlet valve or the turbine inlet valves. Upon the occurrence of the control energy demand, the throttling of the turbine inlet valve or the turbine inlet valves is completely or partially canceled, whereby a rapid increase in efficiency of the steam struts is made possible by extending the steam reserves.

Stand der TechnikState of the art

Thermische Kraftwerke mit Dampfturbinen stellen seit Jahrzehnten und auch noch immer die Hauptsäule der deutschen Elektrizitätsversorgung dar. Auch wenn erwartungsgemäß bis zum Jahr 2030 rund 50% des Stroms aus erneuerbaren Energien kommen sollen, heißt das im Umkehrschluss, dass die anderen 50% noch weiterhin aus herkömmlichen Kraftwerken kommen müssen. Im Zusammenwirken aller Kraftwerke müssen die herkömmlichen Anlagen allerdings eine höhere Flexibilität in der Leistungsanpassung aufweisen, da auf sie immer mehr Regelenergie entfallen wird, die sich aus der Zunahme der vielen volatilen Anlagen erneuerbarer Energien ergibt. Regelenergie ist diejenige Energie, die zum Erreichen einer ausgeglichenen Leistungsbilanz im Stromnetz einer Regelzone benötigt wird. Sie wird im Wege der Primärregelung, Sekundärregelung und Minutenreserve abgerufen. Bisher war die Teilnahme konventioneller Kraftwerke an der Primärregelung schon gängige Praxis.Thermal power plants with steam turbines have been and still are the mainstay of German electricity supply for decades. Even if, as expected, around 50% of the electricity should come from renewable energies by the year 2030, this means that the other 50% will still be made of conventional energy Power plants must come. However, with the co-operation of all power plants, conventional systems must have greater flexibility in power matching as they will account for more and more control energy resulting from the increase in many volatile renewable energy installations. Control energy is the energy needed to achieve a balanced power balance in the grid of a control area. It is accessed by primary, secondary and minute reserves. So far, the participation of conventional power plants in the primary control has been common practice.

Um die Stabilität eines Verbundnetzes mit darin zusammenarbeitenden Kraftwerken zu gewährleisten, muss sich ein Teil der Kraftwerke aktiv an der Frequenzregelung, der sogenannten Primärregelung, beteiligen. Die Netzbetrieber sind verpflichtet, eine bestimmte zeitliche und bezüglich der angeforderten elektrischen Leistung stabile Wechselstromfrequenz, beispielsweise in Europa 50 Hz, zu garantieren. Dies bedeutet für Kraftwerke nach den derzeitigen Bestimmungen der Deutschen Verbundgesellschaft (DVG) und deren Transmission Code, dass die Wirkleistungs-Sekundenreserve eines Kraftwerkblocks so groß sein muss, dass seine elektrische Wirkleistung innerhalb von 30 Sekungen um 2 bis 5% bezogen auf die Volllast gesteigert werden kann und für mindestens 15 Minuten zur Verfügung steht. Insbesondere der zunehmende Anteil volatiler erneuerbarer Energien erhöht die dynamischen Anforderungen an die konventionellen Kraftwerke (siehe dazu: Kurth, M., und Greiner, F., Herausforderungen an die Kraftwerksleittechnik durch steigende dynamische Anforderungen an die Verfahrenstechnik, VGB PowerTech 08, 2008, Volume 88, S. 38 ff )In order to ensure the stability of a network with cooperating power plants, part of the power plants must actively participate in the frequency control, the so-called primary control. The Netzbetrieber are obliged to guarantee a certain temporal and with respect to the required electrical power stable AC frequency, for example, in Europe 50 Hz. This means for power plants according to the current regulations of the German Association of the German Association (DVG) and their Transmission Code that the effective power seconds reserve of a power plant block must be so large that its electrical active power within 30 seconds by 2 to 5% in relation to the full load increased can and is available for at least 15 minutes. In particular, the increasing share of volatile renewable energies increases the dynamic requirements of conventional power plants (see: Kurth, M., and Greiner, F., Challenges to Power Plant Control Technology Due to Increasing Dynamic Requirements for Process Engineering, VGB PowerTech 08, 2008, Volume 88, p. 38 ff )

Wegen der Trägheit der Dampferzeuger kann diese Forderung allein durch Steigerung oder auch Übersteuerung der Brennstoffzufuhr nicht erfüllt werden. Unter Primärregelung laufende Dampfkraftwerksblöcke werden daher üblicherweise im sogenannten modifizierten Gleitdruckbetrieb geregelt, wobei im Normalbetrieb durch Androsselung des Turbineneinlassventiles (1) oder der Turbineneinlassventile im Wasser-Dampf-Kreislauf (1) im Dampferzeuger (2) ein Dampfvorrat angelegt wird, der im Falle eines Frequenzeinbruchs im Verbundnetz durch Öffnen der Turbineneinlassventile zur schnellen Wirkleistungssteigerung herangezogen wird. Dieses Regelprinzip wird weltweit auf ähnliche Weise angewandt.Because of the inertia of the steam generator, this requirement can not be met solely by increasing or overriding the fuel supply. Under primary control running steam power plant blocks are therefore usually regulated in the so-called modified sliding pressure operation, wherein in normal operation by throttling the turbine inlet valve ( 1 ) or the turbine inlet valves in the water-steam cycle ( 1 ) in the steam generator ( 2 ) a steam supply is created, which is used in the event of a frequency collapse in the network by opening the turbine inlet valves for rapid increase in active power. This rule is applied in a similar way worldwide.

Aus der EP 1 301 690 B1 ist ein diesbezügliches Verfahren zur Primärregelung zu entnehmen, bei dem die Dampfturbine zur schnellen Bereitstellung von Reserveleistung derart betrieben wird, dass wenigstens eine Druckstufe des Dampfteils mit angedrosselter Ventilstellung gefahren wird, wodurch eine Frequenzstützungs-Leistungsreserve aufgebaut wird, die bei netzseitiger Unterfrequenz zur Frequenzstützung genutzt wird, indem die Androsselung des Turbineneinlassventils oder der Turbineneinlassventile nach Maßgabe der Frequenzunterschreitung reduziert wird.From the EP 1 301 690 B1 is derived in this respect a method for primary control, in which the steam turbine is operated for the rapid provision of reserve power such that at least one pressure stage of the steam part is driven with throttled valve position, whereby a frequency support power reserve is built, which is used at network side subfrequency for frequency support in that the throttling of the turbine inlet valve or of the turbine inlet valves is reduced in accordance with the frequency undershooting.

Durch die Androsselung des Turbineneinlassventils oder der Turbineneinlassventile baut sich ein Staudruck vor der jeweiligen Druckstufe im Dampfturbinenteil auf, der in Form gespeicherter Reserveleistung nach Bedarf durch das Öffnen des Turbineneinlassventils oder der Turbineneinlassventile freigegeben werden kann, wobei der Betrag der Reserveleistung vom Grad der Androsselung abhängt. Wird die Androsselung aufgehoben, baut sich der Staudruck ab, wodurch die gespeicherte Reserveleistung in Form sogenannter Primärregelleistung durch die Dampfturbine zusätzlich abgegeben werden kann. Ein derartiger Betrieb der Dampfturbine ermöglicht zum einen eine höhere stationäre Blockleistung, zum anderen vermag die Dampfturbine praktisch ohne größere zeitliche Verzögerung, d. h. innerhalb weniger Sekunden, ihre Reserveleistung bereitzustellen, was letztlich zu einer gesamthaften verzögerungsfreien und größeren Primärregelleistung der Kraftwerksanlage führt.By throttling the turbine inlet valve or the turbine inlet valves builds up a back pressure before the respective pressure stage in the steam turbine part, which can be released in the form of stored reserve power as needed by opening the turbine inlet valve or the turbine inlet valves, the amount of reserve power depends on the degree of throttling. If the throttling is canceled, the back pressure decreases, whereby the stored reserve power in the form of so-called primary control power can be additionally discharged by the steam turbine. Such operation of the steam turbine allows for a higher steady state block performance, on the other hand, the steam turbine is able to provide almost no time delay, ie within a few seconds, their reserve power, which ultimately to a Gesamthaften delay-free and larger primary control power of the power plant leads.

Von Nachteil sind dabei jedoch die stetigen thermodynamisch bedingten Drosselverluste an dem Turbineneinlassventil (1) oder den Turbineneinlassventilen. Bei einem typischen 500 MW-Kraftwerk können diese Verluste über Hunderttausend Euro pro Jahr an Mehrkosten verursachen (siehe hierzu: Kallina, G., Kochenburger, A., Lausterer, G., Wirtschaftliche Ertüchtigung von Kraftwerken zur Netzfrequenzstützung durch gestufte Speichernutzung, VGB Kraftwerkstechnik Aufsatz Nr. 80, 2000, Heft 2, S. 38–42 )However, the disadvantage here is the steady thermodynamically induced throttle losses at the turbine inlet valve ( 1 ) or the turbine inlet valves. In a typical 500 MW power plant, these losses can cost more than a hundred thousand euros per year (see: Kallina, G., Kochenburger, A., Lausterer, G., Economical upgrading of power plants for grid frequency support by staggered memory usage, VGB Kraftwerkstechnik Article No. 80, 2000, No. 2, pp. 38-42 )

Offenlegung der ErfindungDisclosure of the invention

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese vorerwähnten Drosselverluste zu vermeiden und damit eine wesentliche Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Regelenergevorhaltung zu ermöglichen. Dies ist möglich, wenn anstelle der Drosselregelung das Kraftwerk mit Dampfturbine um eine elektrische Batterie erweitert wird.Object of the present invention is to avoid these aforementioned throttling losses and thus to allow a substantial improvement in the economics of Regelenergevorhaltung. This is possible if, instead of the throttle control, the power plant with steam turbine is extended by an electric battery.

Zum Ausgleich von Angebot aus volatilen Anlagen erneuerbarer Energien und Nachfrage werden derzeit schon Batterien im elektrischen Verteiletz installiert, um über eine zeitliche Verschiebung z. B. des bei Angebotsspitzen erzeugten Solarstroms von den Mittagsstunden in die Abendstunden einen Ausgleich zu schaffen. Weiter befinden sich größere Batteriesysteme in der Planung und im Bau was die zeitliche Verschiebung z. B. von Windenergie betrifft; diese Systeme zielen auf den Ausgleich von Angebot und Nachfrage im Stromnetz. Diese Batteriesysteme sind damit nicht mit den Regelsystemen eines Wasser-Dampfprozesses in einem Kraftwerk verbunden und können daher auch die Drosselverluste bei der Regelung von Wasser-Dampfprozessen im Kraftwerk nicht verhindern.To compensate for supply from volatile renewable energy sources and demand, batteries are already being installed in the electrical distribution network in order to prevent over-time changes. B. to create the supply peaks generated solar power from noon in the evening compensation. Next are larger battery systems in the planning and construction of the temporal shift z. B. of wind energy concerns; These systems are aimed at balancing supply and demand in the electricity grid. These battery systems are thus not connected to the control systems of a water-steam process in a power plant and therefore can not prevent the throttle losses in the regulation of water-steam processes in the power plant.

Die vorliegende Erfindung differenziert sich von den bekannten Anwendungen derart, dass sie die Vermeidung der Drosselverluste bei der Regelung von Wasser-Dampfprozessen im Kraftwerk ermöglicht und nicht auf den Ausgleich von Angebot und Nachfrage von volatilen erneuerbaren Energien abzielt. Vielmehr richtet sich die Erfindung auf die Vermeidung von Drosselverlusten bei der Regelenergievorhaltung im Kraftwerk durch den Einsatz eines in den Kraftwerksprozess und seine Regelung eingebundenen Batteriesystems, das ursächlich keinen Bezug auf das Ziel einer Angebots- und Nachfrageregelung hat.The present invention differs from the known applications in that it makes it possible to avoid throttling losses in the regulation of water-steam processes in the power plant and does not aim at offsetting the supply and demand of volatile renewable energies. Rather, the invention is directed to the avoidance of throttle losses in the control energy inventory in the power plant by the use of an integrated into the power plant process and its regulation battery system, the cause has no relation to the goal of supply and demand regulation.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine aktivierbare Speichermöglichkeit, jedoch außerhalb des Wasser-Dampf-Kreislaufs. Es ist die in dieser Erfindung dargestellte Lösung mit Hilfe eines schnell reagierenden elektrischen Batteriesystems auf der Stromseite (3). Der Vorteil dieser elektrischen Lösung ist die Vermeidung der hohen Drosselverluste, die sich während der Androsselung des Turbineneinlassventils oder der Turbineneinlassventile ergeben, bei gleichzeitiger schnellerer Regeldynamik.The present invention is an activatable storage option, but outside the water-steam cycle. It is the solution presented in this invention by means of a fast-reacting electric battery system on the power side ( 3 ). The advantage of this electrical solution is the avoidance of the high throttle losses that result during the throttling of the turbine inlet valve or the turbine inlet valves, at the same time faster control dynamics.

Dieses alternative Verfahren besteht aus einem zwischen Generator und Netz parallel geschaltetem Batteriesystem, bestehend aus Batterie (6) und Wechselrichter (7), das mit der Generatorableitung (18) elektrisch verbunden ist (8). Der Wechselrichter (7) übernimmt dabei die Führung der Batterie (6) in Bezug auf Entladung und Ladung gemäß der Regelanforderung. Das Batterie-Wechselrichtersystem wird im Kraftwerk installiert und stellt mit dem Kraftwerk eine gesamtheitlich aufeinander abgestimmte und regelungstechnisch zusammenwirkende Anlage dar. Batteriesystem und Dampfprozess sind Elemente einer gemeinsamen Regelstrecke (9).This alternative method consists of a battery system connected in parallel between the generator and the network, consisting of a battery ( 6 ) and inverters ( 7 ) connected to the generator lead ( 18 ) is electrically connected ( 8th ). The inverter ( 7 ) takes over the leadership of the battery ( 6 ) with respect to unloading and loading in accordance with the regulatory requirement. The battery inverter system is installed in the power plant and, together with the power plant, represents an integrated, co-ordinated system. The battery system and the steam process are elements of a common controlled system ( 9 ).

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

In den Zeichnungen zeigen:In the drawings show:

1 eine schematische Darstellung des grundsätzlichen Prozesses eines Dampfkraftwerks als Blockschaltbild 1 a schematic representation of the basic process of a steam power plant as a block diagram

2 eine Darstellung der Enthalpieverluste im Enthalpie-Entropie-Diagramm (h,s-Diagramm) 2 a representation of the enthalpy losses in the enthalpy-entropy diagram (h, s-diagram)

3 eine schematische Darstellung des Dampfkraftwerkprozesses mit einem Batteriespeicher 3 a schematic representation of the steam power plant process with a battery storage

4a den Zeitraum des Regelvorgangs der Gesamtanlage 4a the period of the control process of the entire system

4b die resultierende Kraftwerksaußenwirkung, also die Leistungsabgabe ins Stromnetz 4b the resulting external power plant effect, ie the power output into the power grid

4c die Kraftwerksinnenverhältnisse, also die kombinierte Leistungsbereitstellung aus Dampfkraftprozess und Batteriespeicher 4c the internal power plant conditions, ie the combined power supply from the steam power process and battery storage

5a die resultierende Kraftwerksaußenwirkung, also die Leistungsabgabe ins Stromnetz 5a the resulting external power plant effect, ie the power output into the power grid

5b die Systemverluste im Kraftwerk und Batterie im Zusammenhang mit dem Regelvorgang 5b the system losses in the power plant and battery in connection with the control process

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf die Funktion des in 1 dargestellten Dampfkraftwerksprozess, bestehend im Wesentlichen aus den Komponenten Dampferzeuger (2), Frischdampfleitung (17), Turbineneinlassventil(e) (1), Dampfturbine (11), Generator (12), Generatorableitung (18), Kondensator (13), Kondensatpumpe (14), Speisewasserbehälter (15), Speisewasserpumpe (16) sowie die Regelstrecke (10) zur Steuerung des Turbineneinlassventils oder der Turbineneinlassventile. Durch die Androsselung des Turbineneinlassventils (1) oder der Turbineneinlassventile entsteht ein Druckverlust, in 2 (Enthalpie (h) – Entropie (s) – Diagramm) dargestellt, in dem der Turbine zugeführten Dampf mit dem Betrag p1–p2 (3). Damit verschiebt sich die Entspannungslinie (4) des Dampfes, der im Hochdruckteil der Turbine z. B. bis zum Zwischenüberhitzungsdruck p_zü entspannt wird, in der Turbine gemäß h,s-Diagramm nach rechts, so dass das umsetzbare Enthalpiegefälle sich um den Betrag hE1–hE2 (5) vermindert. In 2 ist dieser Zusammenhang grafisch dargestellt.The invention relates to the function of in 1 illustrated steam power plant process, consisting essentially of the components steam generator ( 2 ), Main steam line ( 17 ), Turbine inlet valve (s) ( 1 ), Steam turbine ( 11 ), Generator ( 12 ), Generator derivation ( 18 ), Capacitor ( 13 ), Condensate pump ( 14 ), Feedwater tank ( 15 ), Feedwater pump ( 16 ) as well as the controlled system ( 10 ) for controlling the turbine inlet valve or the turbine inlet valves. By throttling the turbine inlet valve ( 1 ) or the turbine inlet valves creates a pressure loss, in 2 (Enthalpy (h) - entropy (s) - diagram) in which the turbine supplied steam with the amount p1-p2 ( 3 ). This shifts the relaxation line ( 4 ) of the steam, which in the high pressure part of the turbine z. B. is relaxed to the _{reheating pressure} p _zü , in the turbine according to h, s diagram to the right, so that the convertible Enthalpie falls by the amount hE1-hE2 ( 5 ) decreased. In 2 this relationship is shown graphically.

Während der Zeit (27a), über die die Regelbereitschaft durch Androsselung des Turbineneineinlassventils oder der Turbineneinlassventile vorgehalten wird (4c), entsteht bei einem Dampfmassenstrom ṁ_D der Arbeitsverlust ṁ_D·Δh_verlust. Dieser Verlust hängt ab von der gewählten Fahrweise und ist anlagenabhängig.During the time ( 27a ), via which the control readiness is maintained by throttling the turbine inlet valve or the turbine inlet valves ( 4c ), Produced at a steam mass flow m _D work loss ṁ _D · .DELTA.h _loss. This loss depends on the chosen driving style and is system dependent.

Bei der Vorhaltung einer Regelbereitschaft durch Drosselung entsteht in einem Dampfkraftwerksprozess ein permanenter Energieverlust (31) (5b). Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, diese Verlustquelle zu vermeiden und zu umgehen. Hierzu wird ein zusätzlicher Batteriespeicher nach dem Generator (12) angeordnet. Dies zeigt die 3. Die Regelbereitschaft des Kraftwerks wird dadurch ohne ständigen Drosselenergieverlust vorgehalten.When maintaining a readiness to regulate by throttling, a permanent energy loss occurs in a steam power plant process ( 31 ) ( 5b ). The object of the present invention is to avoid and circumvent this loss source. For this purpose, an additional battery storage after the generator ( 12 ) arranged. This shows the 3 , The regular readiness of the power plant is thus kept without constant Drosselelenergieverlust.

Bei angeforderter Regelleistung reagiert das Kraftwerk nun sofort durch Leistungsabgabe mit Hilfe der Batterieausspeicherung (23) (4c) und kann im Hintergrund seine thermische und elektrische Leistung (24) auf Volllast gemäß seiner zulässigen Gradienten (z. B. 1 bis 10%/min der Nennleistung) hochfahren und dabei gleitend die Batterie ablösen. Nach Ende des Regelfalles lädt das Kraftwerk die Batterie wieder auf (26a) und geht erneut in den Regelbereitschaftsmodus. Der energetische Vorteil der Alternativlösung aus der Kombination von Kraftwerk und Batterie besteht aus dem vermiedenen Drosselenergieverlust vermindert um die Be- und Entladeverluste (33) und (34) (5b) der Batterie und stellt somit eine energetische wie auch wirtschaftliche Verbesserung dar. Kraftwerk und Batterie sind somit zu einer neuen Gesamteinheit kombiniert und werden als diese Einheit mit ihrer resultierenden verbesserten Regelcharakteristik vom Netz wahrgenommen, wie dies 4b zeigt.When requested control power, the power plant now reacts immediately by power output using the battery backup ( 23 ) ( 4c ) and can in the background its thermal and electrical power ( 24 ) at full load according to its allowable gradients (eg 1 to 10% / min of rated power), sliding off the battery. After the end of the rule, the power station recharges the battery ( 26a ) and returns to regular standby mode. The energetic advantage of the alternative solution from the combination of power plant and battery consists of the avoided throttle energy loss reduced by the loading and unloading losses ( 33 ) and ( 34 ) ( 5b The power plant and battery are thus combined into a new overall unit and are perceived as this unit with its resulting improved control characteristics of the network, as this 4b shows.

In 4a, 4b und 4c sind diese Vorgänge über der Zeitachse (30) dargestellt. Der hier beschriebene Regelvorgang erstreckt sich über die Dauer des Frequenzregelvorgangs (19).In 4a . 4b and 4c are these events over the time axis ( 30 ). The control procedure described here covers the duration of the frequency control process ( 19 ).

Im Fall der Regelanforderung würde binnen weniger Zehntelsekunden zunächst durch Entladung der Batterie (6) eine Leistungssteigerung des Kraftwerks (4c) (24) erfolgen und Regelenergie ins Netzgeliefert werden. Gleichzeitig wird die Leistung des Dampferzeugers (2) gemäß maximal zulässigem Lastgradienten gesteigert (X %/min der Kraftwerks-Volllast je nach Kraftwerkskennlinie) und dabei die Leistungsabgabe (23) aus der Batterie (6) kontinuierlich zurückgefahren.In the case of the rule request, within a few tenths of a second, the battery would first be discharged ( 6 ) a power increase of the power plant ( 4c ) ( 24 ) and control energy are supplied to the network. At the same time the power of the steam generator ( 2 ) in accordance with the maximum permissible load gradient (X% / min of the power plant full load depending on the power plant characteristic curve) and thereby the power output ( 23 ) from the battery ( 6 ) continuously reduced.

Resultierend ergibt sich daraus, wie in 4b dargestellt, dass die Leistung des Dampferzeugers und damit des gesamten Kraftwerks bei einer gegenüber der Volllast reduzierten Leistung (4a) (20) gefahren wird und die Regelleistung von von diesem Regelbereitschaftszustand (27) bis zum Erreichen der vollen Kraftwerksleistung von dem Batteriesystem übernommen wird. In der regeltechnischen Kombination beider Systeme ist das Turbineneinlassventil (1) oder sind die Turbineneinlassventile stets voll geöffnet und der ansonsten notwendige Drosselverlust (5b) (31) wird vermieden und der Systemwirkungsgrad erhöht.As a result, as in 4b shown that the power of the steam generator and thus of the entire power plant at a reduced power compared to the full load ( 4a ) ( 20 ) and the control power of this rule readiness state ( 27 ) is taken over by the battery system until full power plant output is reached. In the control technology combination of both systems, the turbine inlet valve ( 1 ) or are the turbine inlet valves always fully open and the otherwise necessary throttle loss ( 5b ) ( 31 ) is avoided and the system efficiency is increased.

Die elektrischen Parameter moderner Batterien (z. B. Natrium Schwefel, Lithium-Ion, Redox-Flow Technologien) bieten sehr hohe Lastgradienten und schnelle Reaktionszeiten bei hoher Leistung (z. B. Einheitsgröße 1 MW elektrische Leistung und ≥ 0,5 MWh Kapazität), um den Anforderungen gemäß DVG zu entsprechen. Zudem ist z. B. bei Redox-Flow Batterien die Erhaltungsladung vernachlässigbar.The electrical parameters of modern batteries (eg sodium sulfur, lithium-ion, redox-flow technologies) offer very high load gradients and fast response times at high power (eg, one-size, 1 MW electrical power and ≥ 0.5 MWh capacity) to meet the requirements of DVG. In addition, z. B. in redox flow batteries, the trickle charge negligible.

In den 4a, 4b und 4c sind die Zusammenhänge gegenübergestellt, die das dynamische Zusammenwirken zwischen Dauer des Frequenzregelvorgangs, den Regelanforderungen der DVG sowie dem regelungstechnischen Zusammenwirken von Kraftwerk und Batterie bei der Frequenzstützung beschreiben:
Die Ausgangssituation ist der stationäre Betriebszustand mit gedrosselter Leistungsabgabe (20) eines Dampfkraftwerks (4b und 4c).

1. Die Kraftwerksleistung ist mit weniger als 100% der Kraftwerksnennleistung (21) ausgefahren. Die im Kraftwerk installierte Batterie (6) hat einen hohen Ladezustand (22).
2. Bei auftretender negativer Frequenzabweichung im elektrischen Netz, mit dem das Kraftwerk über die Generatorableitung (18) verbunden ist, ab der eine Regelungsaktivierung erfolgen muss (49,8 Hz) oder ein alternativer Regelbedarf vorliegt, beginnt eine sofortige Leistungsabgabe (23) der Batterie (6), während gleichzeitig das Kraftwerk gemäß seinem zulässigen Leistungsgradienten (X %/min der Volllast je nach Kraftwerkskennlinie) seine Leistung (24) steigert. In demselben Maße, wie dies erfolgt, wird die Leistungsabgabe (23) der Batterie gleichzeitig reduziert, so dass aus dem Kraftwerk als Gesamtanlage dem Netz bereits nach etwa 0,1 sec eine Leistungssteigerung zwischen dem Zustand während der Regelbereitschaft (27) und der vollen Nennleistung (21) des Kraftwerks zur Verfügung steht. In diesem Übergangszustand wird dem Netz eine aus Batterie- und Kraftwerksleistung zusammengesetzte Leistungssteigerung (24) (4c und 5a) bereitgestellt, die anfangs ausschließlich aus der Leistungsabgabe der Batterie (23) besteht und am Ende der Dauer des kombinierten Regelvorgangs aus Dampfkraftprozess und Batterie (28) nur noch aus gesteigerter Kraftwerksleistung gemäß dem Differenzbetrag zwischen reduzierter Kraftwerksleistung (20) und Volllast (21) des Kraftwerks besteht.
3. Nach Erreichen der Kraftwerksvolllast (21) fährt das Kraftwerk solange diese Leistungsabgabe bis die Regelleistungsanforderung aufgehoben wird, z. B. durch aktivierte Minutenreserve oder sonstige bereit gestellte Leistung im Netz. Dann erfolgt über die Dauer des Wiederaufladevorgangs (26) der Wiederaufladevorgang (26a) der Batterie durch das Kraftwerk. Die Batterie geht in eine neue Regelbereitschaftsphase (25), erreicht wieder ihren Ausgangsladezustand (22) und das Kraftwerk liefert an das Netz wieder eine gegenüber der Kraftwerksvoll last reduzierte Leistung (36).
4. Nach erreichter Vollaufladung der Batterie (22) hat die Gesamtanlage wieder den Ausgangszustand der Regelbereitschaft hergestellt.

In the 4a . 4b and 4c the correlations are described, which describe the dynamic interaction between duration of the frequency control process, the control requirements of the DVG and the control-technical interaction of power plant and battery in the frequency support:
The initial situation is the stationary operating state with throttled power output ( 20 ) of a steam power plant ( 4b and 4c ).

1. The power plant capacity is less than 100% of the power plant rated power ( 21 ) extended. The battery installed in the power plant ( 6 ) has a high state of charge ( 22 ).
2. If there is a negative frequency deviation in the electrical network, which the power plant uses via the generator lead ( 18 ), from which a control activation must occur (49.8 Hz) or an alternative control requirement is present, an immediate power output ( 23 ) of the battery ( 6 ), while at the same time the power plant is operating according to its allowable power gradient (X% of full load, depending on the power plant 24 ) increases. To the same extent as this is done, the power output ( 23 ) of the battery at the same time reduced, so that from the power plant as a total system the power already after about 0.1 sec an increase in performance between the state during the rule readiness ( 27 ) and the full rated output ( 21 ) of the power plant is available. In this transitional state, the network will benefit from a combination of battery and power plant performance ( 24 ) ( 4c and 5a ), initially based solely on the power output of the battery ( 23 ) and at the end of the duration of the combined control process, the steam power process and the battery ( 28 ) only from increased power plant capacity according to the difference between reduced power plant output ( 20 ) and full load ( 21 ) of the power plant.
3. After reaching full capacity ( 21 ) drives the power plant as long as this power output until the control power requirement is canceled, z. B. by activated minute reserve or other provided power in the network. Then, over the duration of the recharging process ( 26 ) the recharging process ( 26a ) of the battery through the power plant. The battery goes into a new readiness phase ( 25 ), again reaches its initial state of charge ( 22 ) and the power plant returns to the grid again a reduced power compared to the power plant ( 36 ).
4. After full charge of the battery ( 22 ), the entire system has restored the initial state of readiness for regulation.

5a stellt die Kraftwerksaußenwirkung (21) den kraftwerksinternen Regelabläufen (5b) gegenüber und 5b hebt die Bereiche der vermiedenen Drosselverluste (31) und der Lade- und Endladeverluste (33) und (34) hervor: 5a represents the external power plant effect ( 21 ) the internal plant control processes ( 5b ) opposite and 5b raises the areas of avoided throttle losses ( 31 ) and the loading and unloading losses ( 33 ) and ( 34 ):

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: TurbineneinlassventilTurbine inlet valve
22: Dampferzeugersteam generator
33: Druckdifferenz der DrosselungPressure difference of the throttling
44: Dampfentspannungslinie in h,s-DiagrammSteam release line in h, s diagram
55: Enthalpieverlustenthalpy
66: Batteriebattery
77: Wechselrichterinverter
88th: Anschlussleitung an GeneratorableitungConnecting cable to generator output
99: Regelstrecke des Gesamtsystems Dampfkraftwerk mit BatteriespeicherControlled system of the entire system Steam power plant with battery storage
1010: Regelstrecke für Turbineneintrittsventil (Drosselventil)Controlled system for turbine inlet valve (throttle valve)
1111: Dampfturbinesteam turbine
1212: Generatorgenerator
1313: Kondensatorcapacitor
1414: Kondensatpumpecondensate pump
1515: SpeisewasserbehälterFeedwater tank
1616: SpeisewasserpumpeFeedwater pump
1717: FrischdampfleitungSteam line
1818: Generatorableitunggenerator output
1919: Dauer des FrequenzregelvorgangsDuration of the frequency control process
2020: Reduzierte Leistungsabgabe Kraftwerk ins Netz im Zustand der RegelbereitschaftReduced power plant output into the grid in a state of readiness for regulation
2121: Volllast des KraftwerksFull load of the power plant
21a21a: Leistungsabgabe des Kraftwerks ins Netz während Frequenzregelvorgang (= resultierende Kraftwerksleistung nach außen)Power output of the power plant into the grid during frequency control process (= resulting power output to the outside)
2222: Batterieladezustand bei RegelbereitschaftBattery charge state when ready for regulation
2323: Leistungsabgabe der BatteriePower output of the battery
2424: Leistungssteigerung des Kraftwerks als Gesamtsystem Dampfkraftprozess plus BatterieleistungPerformance increase of the power plant as a total system steam power plus battery power
2525: Beginn des Zustandes der erneuten RegelbereitschaftBeginning of the state of readiness to regain control
2626: Dauer des Wiederaufladevorgangs der BatterieDuration of recharge of the battery
26a26a: Wiederaufladevorgang der BatterieRecharging the battery
2727: Ausgangszustand der RegelbereitschaftInitial state of readiness for control
27a27a: Zeitraum der Regelbereitschaft vor RegelbeginnPeriod of regular readiness before the beginning of the rule
2828: Dauer des kombinierten Regelvorgangs aus Dampfkraftprozess und BatterieDuration of combined control process from steam power process and battery
2929: Leistungsachsepower axis
3030: Zeitachsetimeline
3131: Drosselverluste des Dampfkraftwerksprozesses ohne BatterieThrottling losses of the steam power plant process without battery
3232: Erhaltungsladung BatterieTrickle charge battery
3333: Ausspeicherverluste BatterieDischarge losses battery
3434: Einspeicherverluste BatterieAccumulation losses battery
3535: Nennleistung (Volllast) des KraftwerksRated power (full load) of the power plant
3636: Reduzierte Kraftwerksleistung nach Ende des RegelvorgangsReduced power plant output after the end of the control process

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1301690 B1 [0006]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Kurth, M., and Greiner, F., Challenges to Power Plant Control by Increasing Dynamic Requirements for Process Engineering, VGB PowerTech 08, 2008, Volume 88, p. 38 et seq. [0004]
Kallina, G., Kochburger, A., Lausterer, G., Economic Efficiency of Power Plants for Grid Frequency Support by Staged Memory Utilization, VGB Kraftwerkstechnik Article No. 80, 2000, No. 2, pp. 38-42 [0008]

Claims

Steam power plant for electricity generation consisting of a steam generator ( 2 ), a steam turbine (T), a generator (G) and a capacitor (K) characterized in that after the generator (G) at the generator lead ( 8th ) a battery system ( 6 ) with an inverter ( 7 ) is arranged to increase in the case of the need for a rapid increase in active power in less than 30 seconds, the electric active power of the steam power plant by about 2-5% based on the full load and thereby throttling the steam generated at the turbine inlet valve and the application of a steam supply in Steam generator is eliminated.

Method for controlling a steam power plant to avoid throttle losses at the turbine inlet valve ( 1 ), characterized in that the steam power plant with a battery system ( 6 . 7 ) following the generator ( 12 ) at the generator lead ( 8th ) is operated and the control is carried out by the following process steps: - Operation of the steam power plant not at full load - Detecting a frequency deviation in the electrical network - Determining a control request at detected negative frequency deviation - Provision and output of the deviation by the battery system to the mains - Increasing the performance of Steam power plant according to its allowable power gradient - reduction of power output ( 23 ) of the battery system as the power of the steam power plant increases - providing a power increase composed of battery system and power plant output ( 24 ) to the power grid until the steam power plant alone can provide the control request exclusively by the increased steam power plant performance - Provision of the control request alone by the steam power plant to the power plant full load until the control power requirement is canceled.

A method according to claim 2, characterized in that the steam power plant after reaching the power plant full load ( 21 ) as long as the control request (power delivery) provides until the control power requirement is canceled and then recharges the battery system.

A method according to claim 2 or 3, characterized in that the steam power plant is operated at full load.

Method for controlling a steam power plant to avoid throttle losses at the turbine inlet valve ( 1 ), characterized in that the steam power plant with a battery system ( 6 . 7 ) following the generator ( 12 ) at the generator lead ( 8th ) and the control is carried out by the following process steps: - Operation of the steam power plant not at full load - Detecting a frequency deviation in the electrical network - Determining a primary control target power at detected negative frequency deviation - Provision and power delivery of the deviation by the battery system to the mains - Increase of the capacity of the steam power plant according to its permissible power gradient - reduction of power output ( 23 ) of the battery system as the power of the steam power plant increases - providing a power increase composed of battery system and power plant output ( 24 ) to the power grid until the steam power plant alone can provide the primary control target power solely by the increased steam power plant output - providing the primary control target power alone by the steam power plant until the power plant full load until the primary control target power request is canceled.

A method according to claim 5, characterized in that the steam power plant after reaching the power plant full load ( 21 ) as long as the primary control target power (power output) provides until the primary control target power request is canceled and then recharges the battery system.

A method according to claim 5 or 6, characterized in that the steam power plant is operated at full load.

Method according to one of claims 2 to 7, characterized in that the energy supply by the battery system ( 6 . 7 ) the rule response or the primary rule response at a control power request or a primary control target power request faster so one second, preferably faster than 0.1 second, can be provided.

Method according to one of claims 2 to 8, characterized in that the battery system ( 6 . 7 ) is arranged remotely and is connected to the steam power plant by telecontrol.

Method according to one of claims 2 to 9, characterized in that the control method for controlling an ORC power plant, ie an organic Rankin cycle power plant, and to avoid the throttle losses at the turbine inlet valve ( 1 ) is used.

Method according to one of claims 2 to 10, characterized in that the control method for controlling a combined gas and steam power plant and to avoid the throttle losses at the turbine inlet valve ( 1 ) or the turbine inlet valves of steam turbines in the steam cycle is used.

Method according to one of claims 2 to 11, characterized in that the control method is also used to stabilize the electrical rated power of steam power plants, in order for fuel with uneven calorific value, the consequent peak power fluctuations of the steam generator ( 2 ) in the range of minutes, preferably in the 15-minute average, to be evened out or evened out.