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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kohlekraftwerkes nach Anspruch 1 sowie eine Kohlekraftwerk nach Anspruch 5.
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Kohlekraftwerke sind bezüglich ihrer Mindestlast limitiert. Feuerungstechnisch bedingt kann die Last eines Kohlekraftwerkes auf etwa 35 bis 50 % abgesenkt werden.
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Limitierend ist hierbei die Kohlestaubfeuerung. Die Kohlebrenner müssen mit einer bestimmten Mindestlast betrieben werden, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten. Die technisch mögliche Mindestlast von Braunkohlekraftwerken beträgt heute zwischen 35 % und 50 % in der Regel ca. 40 %, d.h. ein Kraftwerk mit einer elektrischen Leistung von 1000 MW kann auf eine Mindestlast von ca. 400 MW heruntergefahren werden. Ein Betrieb unter diesem Schwellwert ist mit herkömmlichen Mitteln nicht möglich. Es besteht lediglich noch die Möglichkeit, das Kraftwerk komplett herunterzufahren.
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Zukünftige Anforderungen an konventionelle Kraftwerke erfordern allerdings eine weitere Absenkung der Mindestlast. Dies liegt daran, dass zunehmend Energie aus regenerativen Energiequellen, wie beispielsweise Solarenergie oder Windkraftenergie ins Netz eingespeist werden. Liegt eine hohe Einspeisung generativer Energien zu einem Zeitpunkt vor, bei dem ein geringer Verbrauch vorliegt, müssen die konventionellen Kraftwerke, insbesondere die Kohlekraftwerke, auf ein Minimum in ihrer Leistung reduziert werden.
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Da das Wiederanfahren eines einmal abgeschalteten Kohlekraftwerkes sehr teuer, aufwendig und langwierig ist, ist es wünschenswert, ein Kohlekraftwerk unter die Leistungsgrenze von etwa 40 % zu fahren, die derzeit nach dem Stand der Technik feuerungstechnisch vorgegeben ist. Hierbei ist anzumerken, dass die Turbine und der Generator, zusammen also der Turbosatz, durchaus geringere Leistungen bezüglich ihrer maximalen Nennleistung erzeugen können. Daher besteht im Stand der Technik Ansatz zur weiteren Reduktion von Kraftwerksleistung darin, ein Kohlekraftwerk mit zwei Dampferzeugern auszustatten, wobei ein Dampferzeuger bei Bedarf abgeschaltet werden kann und der verbleibende Dampferzeuger den Turbosatz in der Form antreibt, dass weniger als die bereits beziffernden 40 % der maximalen Kraftwerksleistung bereitgestellt werden. Ein Nachteil dieses Ansatzes besteht jedoch darin, dass einer der beiden Dampfkessel vollständig auskühlt und bei höherer geforderter Leistung aus dem Netz ebenfalls aufwendig wieder in Betrieb genommen werden muss.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerkes bzw. ein Kraftwerk bereitzustellen, das technisch und wirtschaftlich in der Lage ist, eine Leistung zu erzeugen, die unterhalb der nach dem Stand der Technik möglichen Minimalleistung eines Kraftwerkes liegt.
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Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Steuerung eines Kohlekraftwerkes nach Patentanspruch 1 sowie in einem Kohlekraftwerk nach Patentanspruch 5.
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Der Patentanspruch 1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Kohlekraftwerkes. Das Kohlekraftwerk weist dabei einen Dampferzeuger und einen Turbosatz auf, wobei der Turbosatz mindestens eine Dampfturbine und einen Generator umfasst, wobei die Anforderung darin besteht, eine Lastanforderung von weniger als 50 % der Maximalleistung des Dampferzeugers zu erzeugen. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Zufuhr von Kohle zu Kohlebrennern des Dampferzeugers unterbrochen wird und gleichzeitig Brenngas zu einem Brennraum des Dampferzeugers zugeführt und verbrannt wird. Das Brenngas stammt dabei aus einer luftbetriebenen Kohlevergasung.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Kohle, die üblicherweise in einer Kohlemühle zu Staub gemahlen wird und in den Brennraum eingeführt wird, in einem alternativen Verfahren, in der Regel vor Ort im Kraftwerk in einer Kohlevergasungsvorrichtung zu Brenngas umgewandelt wird. Nun wird das Brenngas in den Brennraum eingeführt, der üblicherweise mit Kohlestaub befeuert wird. Das Brenngas weist den Vorteil auf, dass auch bei niedrigerer Feuerungsleistung ein stabiler Verbrennungsprozess möglich ist und somit der Verbrennungsprozess im Dampferzeuger bzw. im Dampfkessel bei niedrigerer Leistung erhalten werden kann, wodurch die Leistung der Dampfturbine und somit des Generators, der durch die Dampfturbine angetrieben wird, reduziert wird.
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Die Brenngasleistung wird dabei zweckmäßigerweise so eingestellt, dass sie zwischen 0 % und 50 % der maximalen thermischen Feuerleistung des Dampferzeugers beträgt. Dabei bedeutet 0 % der thermischen Leistung des Dampferzeugers, dass genau so viel Energie durch das Brenngas zur Verfügung gestellt wird, dass thermische Verluste des Dampferzeugers, also Wärmeverluste, die an die Umgebung abgegeben werden, kompensiert werden. Grundsätzlich ist es damit möglich, den Turbosatz auf so geringe Leistung zu fahren, dass auch gerade der Eigenbedarf des Kraftwerkes im sogenannten Standby-Betrieb gewährleistet ist. Die Temperatur des Dampferzeugers bleibt somit im Wesentlichen auf Betriebsbedingungen erhalten, so dass das Kraftwerk durch Wiedereinsetzung der Kohlestaubbefeuerung sehr schnell auf Normal- bzw. auf Maximalleistung hochgefahren werden kann, da der Dampfkessel nicht von Raumtemperatur wieder aufwändig mit Ölbrennern aufgeheizt werden muss.
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Ein weiterer vorteilhafter Gesichtspunkt der Erfindung besteht darin, für die Kohlevergasung Kohle zu verwenden, die eine Korngröße zwischen 0 mm und 100 mm aufweist. Dies ist mit einer üblichen Kohlevergasungsvorrichtung, wie beispielsweise eines Wirbelschichtvergasers möglich, was den Vorteil hat, dass Kohle nahezu im Rohzustand nach der Förderung aus dem Tagebau in die Kohlevergasungsvorrichtung eingebracht werden kann. Es kann auf einen aufwendigen Kohlemahlprozess, wie für die Befeuerung der Kohlestaubbrenner nötig ist, verzichtet werden.
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Grundsätzlich ist es auch zweckmäßig, die Kohlevergasung dann vorzunehmen, wenn das Kraftwerk in einem Normalzustand, also in Nennleistung betrieben wird, wobei das Brenngas, das aus der Kohlevergasung stammt, in einem Brenngasspeicher zwischengespeichert werden kann.
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Ferner kann es zweckmäßig sein, das Brenngas, das aus der Kohlevergasungsvorrichtung entnommen wird, einer Gasreinigungsvorrichtung zur Abtrennung von Spurgaskomponenten (vor allem Stickstoff-, Chlor- und Schwefelverbindungen) zuzuführen, wenn die Abgasreinigung des Kohlekraftwerkes, die grundsätzlich auf Leistungen des Kraftwerkes von 40 % und mehr ausgelegt ist, bei einer derart geringen Leistung des Kraftwerkes nicht ausreichend gut funktioniert.
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Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Kohlekraftwerk nach Patentanspruch 5, das einen Dampferzeuger und einen Turbosatz umfasst, wobei der Turbosatz wiederum eine Dampfturbine und einen Generator umfasst. Der Dampferzeuger weist dabei Kohlebrenner und Gasbrenner auf und das Kohlekraftwerk zeichnet sich dadurch aus, dass eine luftbetriebene Kohlevergasungsvorrichtung vorgesehen ist, die über eine Gasleitung mit den Gasbrennern des Dampferzeugers verbunden ist. Hierbei ist ein Betrieb des Gasbrenners bei einer Lastanforderung von weniger als 50 % der Maximalleistung der Feuerungsleistung des Dampferzeugers vorgesehen. Das beschriebene Kohlekraftwerk weist die analogen Vorteile auf, die auch das bereits beschriebene Verfahren zum Betreiben eines Kohlekraftwerkes umfasst.
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Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei handelt es sich um konkrete Ausgestaltungsformen, die rein exemplarisch keine Einschränkung des Schutzbereiches darstellen.
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Dabei zeigen:
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1 ein Kohlekraftwerk mit einer luftbetriebenen Kohlevergasungsvorrichtung,
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2 ein analoges Kohlekraftwerk nach 1 mit einer zusätzlichen Gasreinigung und
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3 eine zeitliche Darstellung der betriebenen Leistung eines Kohlekraftwerkes.
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Kohlekraftwerkes 2 gegeben. Das Kohlekraftwerk 2 umfasst als wesentliche Komponente zum einen einen Dampferzeuger 4 sowie einen Turbosatz 6. Der Dampferzeuger 4 umfasst zunächst einen Economizer 32 (auch Speisewasservorwärmer genannt), in dem das Wasser zur Dampferzeugung vorgewärmt wird. Des Weiteren umfasst der Dampferzeuger 4 einen Verdampfer 34, dem eine Trommel 36 (Druckbehälter) angeordnet ist, in dem Heißwasser bzw. Wasserdampf unter Druck gespeichert wird. Es folgt darauf ein Überhitzer 37, in dem der Sattdampf in Heißdampf bzw. Trockendampf übergeführt wird.
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Der hier erzeugte Heißdampf wird über ein Rohrleitungssystem zu einer Hochdruckturbine 8 geführt, die in diesem Ausführungsbeispiel aber auf einer gemeinsamen Welle 13 mit einer Mitteldruckturbine 9 und einer Niederdruckturbine 10 angeordnet ist. Die gemeinsame Welle 13, die über die genannten Turbinen 8 bis 10 angetrieben wird, treibt wiederum einen Generator 12 an, der zur Stromerzeugung und somit zur Netzversorgung dient. In einem Kondensator 40 der Turbinen 8 bis 10 wird der Dampf kondensiert und abgekühlt. Das so kondensierte Wasser wird über verschiedene Pumpen und Niederdruckvorwärmvorrichtungen, auf die nicht weiter eingegangen wird, wieder dem Economizer 32 zugeführt. Ferner ist in dieser Ausgestaltungsform ein Zwischenüberhitzer 38 vorgesehen, der den Dampf nach dem Durchlaufen durch die Hochdruckturbine 8 und vor dem Einströmen in die Mitteldruckturbine 9 ein weiteres Mal überhitzt.
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Ferner sind hier nicht dargestellte Kohlemühlen vorgesehen, wobei jeder Dampferzeuger eines Kohlekraftwerkes 2 typischerweise 16 Kohlebrenner aufweist, die von vier Kohlemühlen versorgt werden. Die Kohlemühlen zermahlen die Kohle, beispielsweise Braunkohle zu sehr feinem Staub, wobei die Korngröße unter 1 mm, insbesondere im Bereich unter 300 µm liegt. Durch diesen Kohlestaub, der durch die Kohlemühlen erzeugt wird, werden die Brenner des Dampferzeugers im Normalbetrieb des Kohlekraftwerkes 2 befeuert. Aufgrund der Feuchtigkeit des Kohlestaubs sowie weiterer verbrennungstechnischer Parameter, ist es kaum möglich, die Verbrennung des Kohlestaubes mit den Kohlebrennern unterhalb einer kritischen Minimalleistung ablaufen zu lassen. Diese kritische unterste Leistung für die Verbrennung von Kohlestaub limitiert auch somit indirekt die unterste Leistungsgrenze des Generators 12. Indirekt deshalb, da der Generator über die Turbinen angetrieben wird und die Turbinen wiederum durch den Dampf des Dampferzeugers gespeist werden. Der Dampferzeuger kann durch den limitierten Verbrennungsprozess eine Minimallast nicht unterschreiten, was dazu führt, dass Kraftwerke typischerweise minimal bis zu einem Bereich von 35 % bis 50 % ihrer maximalen Leistung betrieben werden können.
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Zur Unterschreitung dieser minimalen, durch die Kohlestaubbefeuerung gegebenen Leistungsgrenze des Kohlekraftwerkes 2 wird die Zufuhr des Kohlestaubes durch die Kohlemühlen unterbrochen und die Kohlestaubbefeuerung im Dampferzeuger 4 eingestellt. Gleichzeitig oder kurz zuvor wird ein Brenngas 14 in hier ebenfalls nicht dargestellte Gasbrenner des Dampferzeugers 4 eingespeist, wobei die Gasfeuerung so ausgestaltet ist, dass die gewünschte, vom Netz geforderte Last des Kohlekraftwerks 2 aufrechterhalten wird bzw. die Leistungsabgabe an das Netz eingestellt wird.
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Grundsätzlich kann für das Brenngas 14 eine Vielzahl von brennbaren Gasen, wie beispielsweise Erdgas, verwendet werden, was jedoch ökonomisch sehr unvorteilhaft ist. Erdgas ist extrem teuer, das Senken des Leistungsniveaus des Kraftwerkes unter den Minimalwert wäre somit ebenfalls nicht wirtschaftlich. Aus diesem Grund ist in dem dargestellten Kohlekraftwerk 2 eine Kohlevergasungsvorrichtung 18 in Form eines Vergasers 19, der vorteilhaft als Wirbelschicht- oder Festbettvergaser ausgestaltet ist, vorgesehen. In diesem Vergaser 19 wird selbst aufrechterhaltend eine chemische Reaktion zur Vergasung von Kohle durchgeführt. Ein typisches Reaktionsschema ist anhand der folgenden Gleichungen exemplarisch und nicht exakt stöchiometrisch dargestellt. C + 1/2O2 → CO (exotherm) Gleichung 1 C + H2O → H2+ CO (endotherm) Gleichung 2
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Prinzipiell wird somit Kohlenstoff aus der Kohle mit Sauerstoff aus Luft sowie Wasser, das in Form von Feuchtigkeit ohnehin in der Kohle enthalten ist, umgesetzt. Die Gleichung 1 verläuft dabei exotherm und die Gleichung 2 endotherm. Die beiden Gleichungssysteme laufen parallel ab. Es kann durch den Anteil von Sauerstoff in dem Reaktionssystem also durch die Regelung der Luftzufuhr die Gleichung 1 beeinflusst werden, wodurch indirekt wiederum die gesamte Temperatur des Reaktionssystems im Vergaser 19 eingestellt werden kann. Dabei kann es sich um einen Wirbelschichtvergaser oder einen Festbettvergaser handeln. Die Temperatur des Vergasers 19 soll zwischen 600°C und 950°C liegen.
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Das Brenngas, das im Wesentlichen H2, Wasserdampf, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid sowie einen höheren Anteil an Stickstoff, der aus der Luft hinzukommt, enthält, wird über eine Gasleitung 14‘ zu den Gasbrennern des Dampferzeugers 4 gegeben. Das Brenngas 14 wird in den Gasbrennern verbrannt, wodurch der Dampferzeuger 4 bei einer Feuerungsleistung gehalten werden kann, die unterhalb der Leistung liegt, die durch die Kohleverfeuerung in Kohlebrennern erzeugt wird. In 2 ist eine analoge schematische Darstellung des Kohlekraftwerkes 2 gegeben, sie enthält jedoch eine zusätzliche Gasreinigung 30 des Brenngases 14, bevor es in den Dampferzeuger 4 eingeführt wird. Nach der Vergasung im Wirbelschichtvergaser 19 befinden sich in der Regel unvorteilhafte Gaskomponenten, wie beispielsweise H2S, COS, HCl, NH3 und Teere sowie Staub im Brenngas 14. Zur Abtrennung dieser Komponenten soll eine einfache Gasreinigung erfolgen. Diese kann z.B. als Wasserquench ausgeführt sein. Zudem sind andere technische Lösungen wie Gaswäschen oder Adsorptionsreaktoren möglich. Das Brenngas kann zudem vor dem Verbrennen, vor oder nach dem Reinigungsprozess gekühlt werden. Das gereinigte Brenngas 14 besteht dann hauptsächlich aus den Hauptkomponenten CO, CO2, H2, H2O und N2. Dieses Gas wird dann im Dampferzeuger verfeuert. Durch die vorherige Abtrennung von Schwefel-Chlor- und Stickstoffverbindungen entstehen bei der Verbrennung nur geringe Schadgase wie SOx- und NOx-Verbindungen. Es ist daher möglich, eine konventionelle Abgasreinigung nach dem Dampferzeuger 4 außer Betrieb zu nehmen. Dies kann sehr vorteilhaft sein, wenn die Abgasreinigung bei der angestrebten Mindestlast nicht mehr im Stande ist, Verunreinigung abzutrennen, da sie auf größere Volumenströme dimensioniert wird. Weiterhin kann die Gasreinigung mit einer Abkühlung des Gases verbunden sein (dies ist z.B. beim Wasserquench der Fall), was die Brennerauslegung bzw. den Brennerbetrieb für die Gasbrenner im Dampferzeuger erleichtert.
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Die Kohlevergasungsvorrichtung 18, in diesem Beispiel der Vergaser 19 wird nur betrieben, wenn das Kohlekraftwerk 2 unterhalb der heute möglichen Mindestlast betrieben werden soll. Das Abfahren auf diese Mindestlast und die Laststeigerung auf Volllast ist in 3 schematisch anhand eines Diagrammes, auf dem in der X-Achse 21 die Zeit auftragen ist und auf der Y-Achse 23 die Leistung schematisch aufgetragen ist, veranschaulicht. Dabei zeigt die obere Kurve 22 die Leistung des Kohlefeuers, die parallel zur Kraftwerksleistung 11 verläuft. An dem Punkt 24 erfolgt eine Reduktion der Kraftwerksleistung 11 auf eine Minimallast. Im selben Zeitpunkt wird die Kohlefeuerung 22 auf 0 heruntergefahren. Gleichzeitig erfolgt ein Anstieg der Leistung des Vergasers 19, was anhand der Brenngasleistungskurve 20 dargestellt ist. Die Brenngasleistung 20 steigt an und die Kraftwerksleistung 11 wird nach dem Zeitpunkt 24 auf ihren Minimalwert herabgesenkt, der durch die Brenngasleistung 20 bestimmt wird. Im Punkt 26 wird das Kohlekraftwerk 2 bei Bedarf wieder auf Volllast hochgefahren, die Kohlefeuerung wird wieder aktiviert, was sehr schnell von statten gehen kann. Auch die Kraftwerksleistung wird mit einer minimalen Verzögerung jedoch vergleichsweise zügig wieder auf ihren Maximalwert hochgefahren. Gleichzeitig wird die Leistung des Brenngases 20 wieder auf 0 reduziert.
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Durch die Anwendung von Brenngas, das, wie beschrieben, durch eine luftbetriebene Kohlevergasung erfolgt, kann die Leistung des Kohlekraftwerkes 2 auf sehr geringe Werte, die zwischen 0 und 40 % der Maximalkraftwerksleistung liegen, reduziert werden. Dies hat zusätzlich noch den Vorteil, dass der Dampferzeuger 4 und der Turbosatz 6 weiterhin auf Betriebstemperatur gehalten werden können, so dass eine schnelle Lasterhöhung möglich ist. Ferner werden Materialermüdungen gerade im Dampferzeuger 4 und im Turbosatz 6 und im Generator 12 durch hohe Temperaturschwankungen, die bei Außerbetriebsetzung des Kraftwerkes anfallen, vermieden. Durch die geringe Mindestlast des Kraftwerkes, beispielsweise an Wochenenden, kann auch der Tagebau, der stark an den Kraftwerksbetrieb gekoppelt ist, in einer gewissen Mindestlast weiter betrieben werden. Der Weiterbetrieb des Kraftwerks ermöglicht daher auch einen kontinuierlichen Weiterbetrieb des Tagebaus. Die beschriebene Vergasung von Kohle insbesondere mit einem Vergaser 19 hat zum einen gegenüber den Brennstoffen Öl und Erdgas erhebliche Kostenvorteile bei den verwendeten Ressourcen, zudem fallen hierfür nur sehr geringe Investitionskosten an, die auch technisch bei Kraftwerken, die sich in Betrieb befinden, umsetzbar sind. Es handelt sich somit um geeignete Nachrüstlösungen.
