DE102016218763A1

DE102016218763A1 - Verfahren zur kurzfristigen Leistungsanpassung einer Dampfturbine eines Gas-und Dampfkraftwerks für die Primärregelung

Info

Publication number: DE102016218763A1
Application number: DE102016218763.5A
Authority: DE
Inventors: Zsuzsa Preitl; Frank Thomas; Bernd Weissenberger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2016-09-28
Publication date: 2018-03-29
Also published as: KR102234343B1; US20190271239A1; US11255224B2; WO2018059840A1; CN109790762A; EP3475539A1; CN109790762B; KR20190052133A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kurzfristigen Leistungsanpassung einer Dampfturbine eines Gas- und Dampfkraftwerks für die Primärregelung, umfassend die Schritte, Öffnen beziehungsweise Schließen eines angestauten Turbinenventils (31, 51) zumindest einer Druckstufe (1, 2, 3, 4) der Dampfturbine in Abhängigkeit von einer geforderten Leistungsänderung; Vergleich eines vorgegebenen Drucksollwerts (41) mit einer Druckmessung (32), die stromaufwärts vom angestauten Turbinenventil (31) den Druck des in die zumindest eine Druckstufe (1, 2, 3, 4) einströmenden Dampfmassenstroms misst; Öffnen beziehungsweise Schließen einer Zuführung (71, 81), zum Einbringen eines variablen Wasseranteils in den Dampfmassenstrom zumindest einer der Druckstufen (1, 2, 3, 4) sobald der Drucksollwert (41) unter- beziehungsweise überschritten wird, wobei der variable Wasseranteil solange in den Dampfmassenstrom eingebracht wird, bis ein angepasster Dampftemperatursollwert (49) erreicht ist, welcher sich aus der Differenz eines vorgegebenen Dampftemperaturgrundsollwertes (45) und dem Ausgangswert eines zumindest proportional wirkenden Reglers (48), der die Differenz aus Druckmessung (32) und Drucksollwert (41) auswertet und ausgleicht, bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kurzfristigen Leistungsanpassung einer Dampfturbine eines Gas- und Dampfkraftwerks für die Primärregelung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Von modernen Kraftwerken werden nicht nur hohe Wirkungsgrade gefordert, sondern auch eine möglichst flexible Betriebsweise. Hierzu gehört außer kurzen Anfahrzeiten und hohen Laständerungsgeschwindigkeiten auch die Möglichkeit, Frequenzstörungen im Netz auszugleichen. Um diese Anforderungen zu erfüllen, muss das Kraftwerk in der Lage sein, Mehrleistungen von beispielsweise fünf Prozent und mehr innerhalb weniger Sekunden zur Verfügung zu stellen und diese Mehrleistung dann für einen geforderten Mindestzeitraum von beispielsweise 15 Minuten zu gewährleisten.
Dies wird in einem gewöhnlichen Gas- und Dampfkraftwerk üblicherweise durch eine Lasterhöhung der Gasturbine realisiert. Unter gewissen Umständen kann es aber insbesondere im oberen Lastbereich besonders günstig sein, den gewünschten Leistungsanstieg nicht ausschließlich durch die Gasturbine, sondern auch durch eine adäquate Einbindung des die Dampfturbine speisenden Wasser-Dampfkreislaufs bereitzustellen. Daher werden in jüngerer Zeit wieder vermehrt Lösungen verfolgt, bei denen die Dampfturbine ebenfalls einen zusätzlichen Beitrag zur Frequenzstützung leisten kann und soll. Normalerweise kommen hier dann Verfahren zum Einsatz die einerseits in keinen zusätzlichen Investitionskosten münden (z.B. durch den Bedarf zusätzlicher Komponenten) und andererseits den gewöhnlichen Anlagenbetrieb nicht negativ beeinträchtigen (z.B. Wirkungsgradverlust im Stationärbetrieb).
In diesem Zusammenhang wurden in der jüngeren Vergangenheit Lösungen für Abhitzedampferzeuger entwickelt, die im Wesentlichen, die in den Metallmassen der Heizflächen gespeicherte thermische Energie geeignet nutzen. Dies erfolgt hauptsächlich durch schnelle Änderungen der Stellgrößen Speisewasser bzw. Einspritzwasser.
Über weitergehende theoretische Untersuchungen hat sich nun herausgestellt, dass durch die Nutzung des oben genannten thermischen Speichers zwar ein vergleichsweise großes Sekundenreservepotenzial besteht, dieses aber nur relativ zeitverzögert bzw. träge abgerufen werden kann. Hinsichtlich der Primarregelreserve, bei der per Definition auf schnelle Änderungen der Netzfrequenz reagiert werden muss, sind solche Maßnahmen aber nicht vollständig geeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur kurzfristigen Leistungsanpassung einer Dampfturbine eines Gas- und Dampfkraftwerks für die Primärregelung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur kurzfristigen Leistungsanpassung einer Dampfturbine eines Gas- und Dampfkraftwerks für die Primärregelung umfasst dabei folgende Schritte:

– Öffnen beziehungsweise Schließen eines angestauten Turbinenventils, zumindest einer Druckstufe der Dampfturbine, in Abhängigkeit von einer geforderten Leistungsänderung,
– Vergleich eines vorgegebenen Drucksollwerts mit einer Druckmessung, die stromaufwärts vom angestauten Turbinenventil den Druck des in die zumindest eine Druckstufe einströmenden Dampfmassenstroms misst,
– Öffnen beziehungsweise Schließen einer Zuführung zum Einbringen eines variablen Wasseranteils in den Dampfmassenstrom zumindest einer der Druckstufen sobald der Drucksollwert unter- beziehungsweise überschritten wird,
– wobei der variable Wasseranteil solange in den Dampfmassenstrom eingebracht wird, bis ein angepasster Dampftemperatursollwert erreicht ist, der sich aus der Differenz eines vorgegebenen Dampftemperaturgrundsollwertes und dem Ausgangswert eines zumindest proportional wirkenden Reglers, welcher die Differenz aus Druckmessung und Drucksollwert auswertet und ausgleicht, bestimmt. Der zumindest proportional wirkende Regler kann dabei zum Beispiel ein P-, PID- oder vorteilhafterweise ein PI-Regler sein.

Gerade bei der Anforderung von zusätzlicher Leistung für die Primärregelung wird somit eine schnelle Maßnahme, nämlich das Öffnen eines angedrosselten Turbinenventils mit einer lange wirkenden Maßnahme, nämlich der Erhöhung der Einspritzmenge bzw. des Speisewassermassenstroms kombiniert. Hier erfolgt also eine Kombination aus Leistungsregelung für schnelle Leistungsanpassung und Druckstützung während der Leistungsanpassung. Dazu muss zumindest ein Turbinenventil ausreichend angedrosselt sein. Wird nun zusätzliche Leistung benötigt, kann unter diesen Umständen durch Öffnen des zumindest einen angedrosselten Turbinenventils über eine Druckentladung ein erhöhter Massenstrom durch die Dampfturbine zur Verfügung gestellt werden. Es ist allgemein bekannt, dass dies relativ zügig geschieht, und sich diese Maßnahme somit bestens für die Schnelligkeitsanforderungen hinsichtlich Primarregelreserve eignet. Es ist aber auch bekannt, dass bei akzeptablen Androsselgraden der Turbinenventile diese Maßnahme sehr stark zeitlich limitiert ist. Und genau hier setzt nun die vorliegende Erfindung an. Bei entsprechender Anforderung an zusätzlicher Leistung wird die eine Maßnahme, nämlich das Öffnen des zumindest einen angedrosselten Turbinenventils mit einer weiteren Maßnahme, nämlich der Erhöhung der Einspritzungen bzw. des Speisewassermassenstroms, kombiniert. Das Öffnen des zumindest einen Turbinenventils sorgt hier für die schnelle und das Erhöhen der Einspritzungen bzw. der Speisewassermenge für eine lang anhaltende Leistungssteigerung der Dampfturbine, was insbesondere im Falle der Primarregelreserve erwünscht ist.
Praktisch umsetzbar wird die Erfindung, indem die zusätzlich angefragte Leistung durch Öffnen zumindest eines Turbinenventils, zum Beispiel in Form einer Art Leistungsregelung der Dampfturbine bereitgestellt wird. Hierdurch reduziert sich allerdings unmittelbar der Dampfdruck der entsprechenden Druckstufe (der Speicher „entleert“ sich). Indem aber nun durch Erhöhung der Einspritzmenge bzw. der Speisewassermenge auch der thermische Energiespeicher „angezapft“ wird, kann dem Abfall des Dampfdrucks effizient entgegengewirkt werden. Steigt hingegen im umgekehrten Fall der Dampfdruck beim Schließen des Turbinenventils an (das Ventil schließt bei geringerer Leistungsanforderung des Netzes), so kann durch die Reduzierung der Einspritzmengen bzw. des Speisewassermassenstroms der Druckerhöhung ebenfalls effektiv entgegengewirkt werden. Der Dampfspeicher wirkt somit als Pufferglied für die in den Metallmassen gespeicherte thermische Energie, so dass trotz ihres trägen Verhaltens bei der Freisetzung diese gespeicherte Energie bei der Primärregelreserve über den Umweg des „schnellen“ Dampfspeichers eingesetzt werden kann.
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn das Öffnen beziehungsweise Schließen am Turbinenventil der Mitteldruckstufe der Dampfturbine erfolgt. Hierdurch kann zusätzlich der Dampfspeicher in der Trommel der Mitteldruckstufe genutzt werden. Es hat sich gezeigt, dass die Androsselung der Mitteldruckstufe im Gegensatz zu einer Androsselung der Hochdruckstufe hinsichtlich möglicher Schwingungsneigung wesentlich unempfindlicher ist.
Vorzugsweise wird diese Androsselung der Mitteldruckstufe dadurch ergänzt, dass das Zuführen eines variablen Wasseranteils in den in die Hochdruckstufe der Dampfturbine einströmenden Dampfmassenstrom erfolgt. Bei einer solchen Kombination von Druckstützung auf Seiten der Hochdruckstufe und einer Leistungsregelung ausschließlich auf Seiten der Mitteldruckstufe sind variierende Leistungsabgaben der Dampfturbine über unterschiedliche Öffnungsgrade des Turbinenventils der Mitteldruckstufe und die damit verknüpften Änderungen der Einspritz- bzw. Speisewassermenge in der Hochdruckstufe zur Druckstützung der Mitteldruckstufe nicht mehr unmittelbar miteinander gekoppelt, was sich weiter stabilisierend auswirkt.
Eine besonders hohe Flexibilität wird dann erreicht, wenn das Einbringen eines variablen Wasseranteils und das Öffnen beziehungsweise Schließen von Turbinenventilen in mehreren der Druckstufen der Dampfturbine erfolgt. Letztendlich wird aber von Fall zu Fall zu entscheiden sein, welche Kombinationsmöglichkeiten für welches Änderungsprofil am sinnvollsten sind. Für jede Kraftwerksanlage ist individuell vor dem Hintergrund der Netz- und Kundenanforderungen sowie vorhandener Designreserven festzulegen, welche Druckstufe inwieweit anzudrosseln und zu kühlen ist.
Weitere bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand einer Figur beispielhaft erläutert werden. Die Figur zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Gas- und Dampfkraftwerks mit einer Hochdruckstufe 1, einer Mitteldruckstufe 2, sowie zwei Niederdruckstufen 3 und 4 einer Dampfturbine. Alle Stufen 1 bis 4 sind hier über eine Rotorachse miteinander verbunden.
Wie sich in dynamischen Simulationen gezeigt hat, kann es von besonderem Vorteil sein, das Turbinenventil 31 für die Mitteldruckstufe 2 anzudrosseln. Zum einen kann hier eine nicht näher dargestellte Mitteldrucktrommel als zusätzlicher Dampfspeicher genutzt werden und zum anderen hat sich bei einer hochdruckseitigen Androsselung gezeigt, dass durch das damit verbundene Zusammenspiel aus einer veränderten Öffnungsstellung des Hochdruck-Turbinenventils 51 und einem veränderten Hochdruck-Dampfmassenstrom als Resultat der veränderten Hochdruck-Speisewasser- und Hochdruck-Einspritzmenge, die Hochdruckstufe sich hinsichtlich Schwingungsneigungen wesentlich empfindlicher verhält. Dagegen wirkt sich bei einer ausschließlichen Androsselung der Mitteldruckstufe 2 über unterschiedliche Öffnungsgrade des Turbinenventils 31 der Mitteldruckstufe und einer über die Regelung 100 mittelbar damit verknüpfte Änderungen der Einspritz- und Speisewassermenge der Hochdruckstufe 1 insgesamt stabilisierend aus, da beide Maßnahmen nicht auf die gleiche Druckstufe wirken und somit nicht mehr unmittelbar miteinander gekoppelt sind. Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Leistungsregelung über die Stellung eines Turbinenventils mit einer Druckregelung über die Erhöhung bzw. Reduzierung der Einspritzmenge zu kombinieren. Damit existieren quasi zwei Regelkreise. Das heißt, die Druckregelung erfolgt nicht mehr über das Turbinenventil sondern nur über die Veränderung der Einspritzung. Selbstverständlich müssen auch hier Grenzen eingehalten werden, das heißt, die Dampftemperatur kann nicht über ein bestimmtes Maß reduziert oder erhöht werden, beziehungsweise kann bei geschlossener Einspritzung diese nicht weiter zugefahren werden, etc..
Das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt darüber hinaus, dass verschiedene Kombinationen denkbar sind. So erfolgt in der hier gezeigten Ausführung die Leistungsregelung über die Komponenten 21, 46, 47, 42, 33 und das Turbinenventil 31 der Zuführung zur Mitteldruckstufe, während über die Druckregelung zur Stabilisierung hauptsächlich über die Komponenten 32, 41, 48, 45, 49, 100, 110, 72, 71 und die Einspritzung 73, welcher vorzugsweise noch eine hier nicht näher dargestellte Hochdrucküberhitzerheizfläche nachgeschaltet ist, in der Zuführung zur Hochdruckstufe erfolgt. Zudem kann es wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel dargestellt, vorteilhaft sein, wenn die Regeleinrichtung 100 nicht nur die Einspritzmenge für die Hochdruckstufe 1, sondern gleichzeitig die Einspritzmenge für die Mitteldruckstufe 2 selbst über die Komponenten 120, 81, 82 und die Einspritzung 83, welcher auch vorzugsweise eine hier nicht näher dargestellte Zwischenüberhitzerheizfläche nachgeschaltet ist, druckstabilisierend regelt. Dies hat den Vorteil, dass neben der Nutzung der in den Metallmassen der Hochdruckstufe 1 gespeicherten thermischen Energie, auch die in einem solchen Zwischenüberhitzerheizsystem gespeicherte thermische Energie zur Druckstützung herangezogen werden kann. Unter diesen Umständen kann entweder bei gleicher Bauteilbelastung der Hochdruckstufe über einen längeren Zeitraum eine Primärregelreserve bereitgestellt werden, beziehungsweise bei gleicher Zeitdauer der Primärregelreserve die Änderung der Dampftemperatur der Hochdruckstufe reduziert werden, was in einer Reduzierung der Bauteilbelastung der Hochdruckstufe resultiert. Auch könnte natürlich mit eigenen Vor – bzw. Nachteilen behaftet, die Leistungsregelung über eines der anderen Turbinenventile realisiert werden, unabhängig davon, welche Einspritzung zur Druckstabilisierung verwendet wird.
Die Leistungsreglung erfolgt über das Turbinenventil 31 der Mitteldruckstufe 2. Dazu wird am Rotor über eine Messeinrichtung 21 die aktuelle Leistungsabgabe der Dampfturbine ermittelt und mit einem zugehörigen Leistungs-Sollwert, der sich in Abhängigkeit der geforderten Primärregelreserve immer wieder neu einstellen kann, verglichen. Im Fall einer Differenz zwischen beiden Werten – was einer „geforderten Leistungsänderung“ entspricht – findet dann eine zielgerichtete Anpassung der Öffnungsstellung des Turbinenventils 31 statt, und zwar so, dass am Ende Soll- und Istwert wieder identisch sind. Die Druckregelung erfolgt im Wesentlichen durch veränderte Einbringung eines variablen Wasseranteils in den Dampfmassenstrom für die Hochdruckstufe 1 mittels der Einspritzkühlung 73, welche vorteilhafterweise als Zwischeneinspritzeinrichtung einer hier nicht näher dargestellten Hochdruck-Überhitzerheizfläche realisiert ist. Optional ist hier ergänzend eine zusätzliche veränderte Einbringung eines variablen Wasseranteils in den Dampfmassenstrom für die Mitteldruckstufe 2 mittels der Einspritzkühlung 83 vorgesehen, welche auch vorteilhafterweise als Zwischeneinspritzeinrichtung einer hier nicht näher dargestellten Zwischenüberhitzerheizfläche realisiert ist. Dazu wird ein vorgegebener Drucksollwert 41 mit einer Druckmessung 32 des Dampfmassenstroms verglichen.
Die Druckmessung 32 erfolgt hier stromaufwärts vom angestauten Turbinenventil 31. Sobald der Drucksollwert 41 unter- beziehungsweise überschritten wird, erfolgt das Öffnen beziehungsweise Schließen der Zuführungen 71 und 81 über entsprechende Ansteuerungen 72 und 82, so dass ein veränderter Wasseranteil den Einspritzkühlungen 73 und 83 zugeführt wird. Dieser variable Wasseranteil wird solange in den Dampfmassenstrom eingebracht, bis ein angepasster Dampftemperatursollwert 49 erreicht ist. Dieser bestimmt sich im vorliegenden Beispiel aus der Differenz eines vorgegebenen Dampftemperaturgrundsollwertes 45 und dem Ausgangswert eines proportional-integral(PI-) wirkenden Reglers 48, der die Differenz aus Druckmessung 32 und Drucksollwert 41 auswertet und ausgleicht. In der anschließenden Regeleinrichtung 100 wird dieser zeitlich variable Dampftemperatursollwert 49 als veränderliche Eingangsgröße für die Dampftemperaturregelungseinrichtung 100 vorgegeben und verwendet. Anstelle des PI-Reglers 48 könnte genauso ein einfacher P-Regler oder auch ein PID-Regler oder auch ein anderer, gleichwertig wirkender Regler zum Einsatz kommen, wobei sich im vorliegenden Beispiel der PI-Regler als vorteilhaft erwiesen hat.

Claims

Verfahren zur kurzfristigen Leistungsanpassung einer Dampfturbine eines Gas- und Dampfkraftwerks für die Primärregelung, umfassend die Schritte: – Öffnen beziehungsweise Schließen eines angestauten Turbinenventils (31, 51), zumindest einer Druckstufe (1, 2, 3, 4) der Dampfturbine, in Abhängigkeit von einer geforderten Leistungsänderung, – Vergleich eines vorgegebenen Drucksollwerts (41) mit einer Druckmessung (32), die stromaufwärts vom angestauten Turbinenventil (31, 51) den Druck des in die zumindest eine Druckstufe (1, 2, 3, 4) einströmenden Dampfmassenstroms misst, – Öffnen beziehungsweise Schließen einer Zuführung (71, 81) zum Einbringen eines variablen Wasseranteils in den Dampfmassenstrom zumindest einer der Druckstufen (1, 2, 3, 4) sobald der Drucksollwert (41) unter- beziehungsweise überschritten wird, – wobei der variable Wasseranteil solange in den Dampfmassenstrom eingebracht wird, bis ein angepasster Dampftemperatursollwert (49) erreicht ist, welcher sich aus der Differenz eines vorgegebenen Dampftemperaturgrundsollwertes (45) und dem Ausgangswert eines zumindest proportional wirkenden Reglers (48), der die Differenz aus Druckmessung (32) und Drucksollwert (41) auswertet und ausgleicht, bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung eines variablen Wasseranteils in den Dampfmassenstrom mittels einer Einspritzkühlung (73, 83) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung eines variablen Wasseranteils in den Dampfmassenstrom mittels einer Veränderung des in einen der Dampfturbine vorgeschalteten Dampferzeugers einströmenden Speisewassermassenstroms erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen beziehungsweise Schließen am Turbinenventil (31) der Mitteldruckstufe (2) der Dampfturbine erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführen eines variablen Wasseranteils in den, in die Hochdruckstufe (1) der Dampfturbine, einströmenden Dampfmassenstrom erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen eines variablen Wasseranteils und das Öffnen beziehungsweise Schließen am Turbinenventil in mehreren der Druckstufen (1, 2, 3, 4) der Dampfturbine erfolgt.