DE102018100712A1 - Dampfkraftwerk und Verfahren zum Betreiben eines Dampfkraftwerks - Google Patents

Dampfkraftwerk und Verfahren zum Betreiben eines Dampfkraftwerks Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Dampfkraftwerk, wie Braun- oder Steinkohlekraftwerk, mit einem Wasser-Dampf-Kreislauf (1), einer an einen Generator (7) für die elektrische Energieerzeugung angeschlossenen Turbinenanordnung (4) und einem thermischen Energiespeicherteil (5), der eine ein Wärmespeichermedium enthaltende Wärmespeichereinheit (50), eine Wärmeeinkopplungseinrichtung (6) sowie eine an den Wasser-Dampf-Kreislauf (1) oder einen Rauchgaspfad angeschlossene Entladeeinrichtung (51) aufweist. Eine hohe Flexiblität wird dadurch erreicht, dass die Wärmeeinkopplungseinrichtung (60) eine elektrische Aufwärmvorrichtung (60) aufweist, welche über eine elektrische Energiezuführvorrichtung (61) mit von dem Generator (7) erzeugter elektrischer Energie unter Steuerung oder Regelung mittels einer Prozesssteuerung beaufschlagbar ist (Fig.1).

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Dampfkraftwerk, wie Braun- oder Steinkohlekraftwerk, mit einem Wasser-Dampf-Kreislauf, einer an einen Generator für die elektrische Energieerzeugung angeschlossenen Turbinenanordnung und einem thermischen Energiespeicherteil, der eine ein Wärmespeichermedium enthaltende Wärmespeichereinheit, eine Wärmeeinkopplungseinrichtung sowie eine an den Wasser-Dampf-Kreislauf oder einen Rauchgaspfad angeschlossene Entladeeinrichtung aufweist, und auf ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Dampfkraftwerks.
  • Ein Dampfkraftwerk und ein Verfahren dieser Art sind in der DE 10 2011 078 193 A1 angegeben. Bei diesem bekannten Dampfkraftwerk wird an einer Turbinenanordnung ein höherenergetischer Dampf angezapft und einem an der Turbinenanordnung angezapften niederenergetischen Dampf zugemischt. Das Dampfgemisch wird einem Vorwärmer, insbesondere einem Hochdruckvorwärmer des Dampfkraftwerks zur Erwärmung eines durch den Vorwärmer strömenden Speisewassers zugeführt. Durch die geregelte oder gesteuerte Zumischung des höherenergetischen Dampfs zu dem niederenergetischen Dampf soll eine schnelle Leistungsänderung bei dem Dampfkraftwerk bewirkt werden.
  • Bei einem in der WO 2013/000838 A2 vorgestellten weiteren Dampfkraftwerk und Verfahren zu dessen Betrieb werden zur schnellen oder temporären Leistungssteigerung Hilfsdampfverbraucher des Dampfkraftwerks beim An- oder Abfahren desselben mit Hilfsdampf aus einem Hilfsdampferzeuger versorgt. Bei einer Leistungsanforderung an das Dampfkraftwerk wird der Hilfsdampf in den Wasser-Dampf-Kreislauf des Dampfkraftwerks eingespeist, dadurch eine Turbine des Dampfkraftwerks mit zusätzlichem Dampf versorgt und die Leistung des Dampfkraftwerks sofort, schnell oder temporär gesteigert. In der DE 10 2012 215 569 A1 ist zur schnellen Wirkleistungsänderung von Dampfkraftwerksanlagen vorgeschlagen, im Wasser-Dampf-Arbeitskreislauf einen Dampfanteil als Prozessenergie für eine CO2-Abschalteeinrichtung abzuzweigen, wobei in der Abzweigung oder einer nachfolgenden Dampfentnahmeleitung eine einstellbare Armatur zur schnellen Erhöhung und Reduzierung des abgezweigten Dampfanteils vorgesehen ist.
  • Weitere Dampfkraftwerke und Verfahren zum Betreiben derselben sind in der DE 10 2011 078 205 A1 , der WO 2009/100881 A2 und der DE 10 2015 109 898 A1 gezeigt.
  • Im Zuge des zunehmenden Ausbaus erneuerbarer Energie kommt der Flexibilitätssteigerung konventionell betriebener Kraftwerkstypen, insbesondere Dampfkraftwerken wie Braun- oder Steinkohlekraftwerken, eine erhöhte Bedeutung zu.
  • Von solchen Anforderungen ausgehend, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Dampfkraftwerk, wie Braun- oder Steinkohlekraftwerk, sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb in der Weise auszugestalten, dass eine möglichst effiziente Flexibilitätssteigerung erreicht wird.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Dampfkraftwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass die Wärmeeinkopplungseinrichtung eine elektrische Aufwärmvorrichtung aufweist, welche über eine elektrische Energiezuführvorrichtung mit von dem Generator erzeugter elektrischer Energie unter Steuerung oder Regelung mittels einer Prozesssteuerung beaufschlagbar ist.
  • Hinsichtlich der Betriebsweise wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst, wobei vorgesehen ist, dass die dem thermischen Energiespeicherteil zugeführte Wärmeenergie mittels einer elektrischen Aufwärmvorrichtung erzeugt wird, wobei die der Aufwärmvorrichtung zugeführte elektrische Leistung der von dem Dampfkraftwerk erzeugten elektrischen Leistung entnommen wird.
  • Bei Untersuchungen der Erfinder hat sich als eine vielversprechende Lösung, die zunehmenden Flexibilitätsanforderungen für Braun- und Steinkohlekraftwerke zu erfüllen herausgestellt, dass dafür die Integration von thermischen Energiespeichern in den Kraftwerksprozess vorteilhaft ist. Diese ermöglichen durch die zeitliche Entkopplung von thermischer Energie und elektrisch erzeugter Arbeit an der Turbinenanordnung, d. h. an den in den Wasser-Dampf-Kreislauf eingebundenen Dampfturbinen, erhöhte Mindestlastabsenkungen und verbesserte Lastgradienten. Geeignete Integrationsorte zur Ein- und Auskopplung thermischer Energie in das und aus dem thermischen Speichersystem haben sich vorteilhaft im Wasser-Dampf-Kreislauf, aber auch im Rauchgaspfad des Dampferzeugers gefunden.
  • Dabei werden durch die Erweiterung des thermischen Speichersystems durch die elektrische Aufwärmvorrichtung, d. h. eine leistungsstarke elektrische Heizung, eine hohe Flexibilitätssteigerung bei Lastabsenkungen, insbesondere auch Mindestlastabsenkung, und Lasterhöhungen sowie Dynamik erreicht, wobei als weiterer Vorteil allenfalls geringe Integrationseffekte des thermischen Energiespeicherteils in den Kraftwerksprozess auftreten.
  • Dabei lassen sich durch die Ausgestaltung, dass die elektrische Aufwärmvorrichtung als Widerstandsheizvorrichtung oder als induktive Heizvorrichtung ausgebildet ist, leistungsstarke und effiziente Betriebsweisen mit hohen Wirkungsgraden erreichen.
  • Verschiedene vorteilhafte thermische Speichersysteme, die hohe Kapazitäts- und Leistungsanforderungen erfüllen, werden dadurch erhalten, dass der thermische Energiespeicherteil mit einem Ruths-Speicher, einem Feststoffspeicher oder einem Flüssigsalzspeicher versehen ist.
  • Vorteilhafte Integrationsorte, die bei der Einkopplung der thermischen Energie in das thermische Speichersystems eine hohe Mindestlastabsenkung und gleichzeitig bei der Auskopplung der thermischen Energie aus dem Speichersystem eine vergleichbare Leistungserhöhung des Dampfkraftwerks ermöglichen, ergeben sich dadurch, dass die Entladeeinrichtung in einem Dampferzeugerabschnitt, insbesondere an einem Hochdruckvorwärmer, oder in einem Speisewasserteil, insbesondere an einem Niederdruckvorwärmer, angeschlossen ist. Diese Integrationsorte des Speichersystems erlauben mit einem hohen Wirkungsgrad sowohl eine effiziente Reduktion als auch Erhöhung der von dem Dampfkraftwerk für äußere Verbraucher bereitgestellten elektrischen Leistung und somit erhebliche Flexibilitätssteigerungen zur Lastabsenkung beziehungsweise Lasterhöhung. Zudem erlauben die genannten Integrationsorte eine rückkopplungsarme Einbindung des thermischen Speichersystems in den komplexen Kraftwerksprozess und ergeben somit keine beziehungsweise vernachlässigbare Einflüsse auf die betrieblichen Einsatzgrenzen zentraler Kraftwerkskomponenten, wie Dampfkessel, Turbinen und dergleichen. Die Integrationsorte ergeben Lösungen, die zu lediglich relativ geringen Verschiebungen der Betriebsbedingungen (z. B. Druck, Temperatur) im Kraftwerksprozess führen, somit eine erweiterte betriebliche Verfügbarkeit sichern, und gleichzeitig hohe Flexibilitätssteigerungen erreichen lassen.
  • Entsprechende Vorteile ergeben sich bei dem Verfahren dadurch, dass die Wärmeenergie bei dem Entladevorgang in einem Dampferzeugungsabschnitt, insbesondere in einem Hochdruckvorwärmer, und in einem Speisewasserteil, insbesondere einem Niederdruckvorwärmer, des Wasser-Dampf-Kreislaufs zugeführt wird.
  • Weitere Vorteile beim Betreiben des Dampfkraftwerks bestehen darin, dass durch den Entladevorgang eine gegenüber einer Normallast zusätzliche elektrische Leistung abgegeben wird, indem durch die Entladung der Wärmeenergie in den Wasser-Dampf-Kreislauf ein erhöhter Dampfmassenstrom durch eine Reduktion des Anzapfdampfmassenstroms und damit in einer in diesem befindlichen Turbinenanordnung ein erhöhter Volumenstrom erzeugt wird.
  • Zu einer vorteilhaften Betriebsweise tragen ferner die Maßnahmen bei, dass die Beladevorgänge und die Entladevorgänge von einer Prozesssteuerung in Abhängigkeit von vorgegebenen und/oder vorgebbaren Prozessparametern gesteuert oder geregelt werden, wobei übergeordnete Steuer- oder Regelgrößen einbeziehbar sind.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
    • 1 zeigt ein Prozessschema eines Wasser-Dampf-Kreislaufs eines Dampfkraftwerks mit einem eingebundenen thermischen Speichersystem.
  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Wasser-Dampf-Kreislauf 1 eines Dampfkraftwerks, wie insbesondere eines Braun- oder Steinkohlkraftwerks, mit darin angeordneten wesentlichen Prozesskomponenten. Mit dem Wasser-Dampf-Kreislauf 1 ist dabei ein thermisches Energiespeichersystem mit einem thermischen Energiespeicherteil 5 verbunden. Als wesentliche Prozessabschnitte umfasst der Wasser-Dampf-Kreislauf 1, wie üblich, einen Speisewasserteil 2, einen diesem im Prozessablauf folgenden Dampferzeugerabschnitt 3 und eine mit erzeugtem Dampf betriebene Turbinenanordnung 4 zum Antrieb eines Generators 7 für die elektrische Energieerzeugung.
  • Der Speisewasserteil 2 ist eingangsseitig mit einem an die Ausgangsseite der Turbinenanordnung 4 angeschlossenen Kondensator 21 versehen und weist im weiteren Verlauf eine Kondensatpumpe 22 sowie Niederdruckvorwärmer 23, einen Speisewasserbehälter 20 und eine Speisewasserpumpe 24 zum Bereitstellen des Speisewassers für den Dampferzeugerabschnitt 3 auf.
  • In dem Dampferzeugerabschnitt 3 sind, im Prozessschema weiter folgend, Hochdruckvorwärmer 30, ein Vorwärmer 31, ein Verdampfer 32 und ein Überhitzer 33 angeordnet, um Hochdruckdampf für die Turbinenanordnung 4 zu erzeugen.
  • Die Turbinenanordnung 4 umfasst bezüglich des Prozessablaufs eingangsseitig eine Hochdruckturbine 40, eine anschließende Mitteldruckturbine 41 und eine ausgangsseitige Niederdruckturbine 42. Zwischen der Hochdruckturbine 40 und der Mitteldruckturbine 41 ist ein Zwischenüberhitzer 43 für den Prozessdampf angeordnet. Die Turbinenanordnung 4, die konstruktiv unterschiedlich ausgestaltet und mit verschiedenen Anzapfstellen versehen sein kann, wie an sich bekannt, wird durch den sie durchsetzenden Dampfmassenstrom rotierend angetrieben, um über den Generator 7 den von dem Dampfkraftwerk bereitzustellenden elektrischen Strom beziehungsweise die elektrische Leistung zu erzeugen und damit über ein Stromnetz angeschlossene Verbraucher zu versorgen.
  • Wie eingangs ausgeführt, muss dabei das Dampfkraftwerk flexibel auf unterschiedliche Leistungsanforderungen reagieren können, wobei der an sich relativ träge Prozess der Dampferzeugung hohen Flexibilitätsanforderungen entgegensteht.
  • Zur Flexibilitätssteigerung ist bei der erfindungsgemäßen Ausführung der thermische Energiespeicherteil 5 mit einer Wärmespeichereinheit 50 versehen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Wärmespeichereinheit 50 ausgangsseitig über eine Entladeeinrichtung 51 mit dem Wasser-Dampf-Kreislauf 1 vorliegend im Bereich des Dampferzeugerabschnitts 3, und zwar an den Hochdruckvorwärmern 30, über einen Wärmetauscher angeschlossen. Die Wärmespeichereinheit 50 besitzt eine hohe Wärmespeicherkapazität und ist vorteilhaft z. B. mit einem Feststoffspeicher (Regenerator), Flüssigsalzspeicher oder einem Ruths-Speicher versehen.
  • Alternative Integrationsorte beziehungsweise Anordnungsmöglichkeiten für den thermischen Energiespeicherteil 5 bestehen in einer Entladung der Wärmeenergie in den Speisewasserteil 2, insbesondere den Niederdruckvorwärmern 23, in andere Stellen des Dampferzeugerabschnitts 3, oder auch in den (in der 1 nicht gezeigten) Rauchgaspfad sowie auch in Kombinationen dieser Integrationsorte. Die hierfür notwendigen thermischen Spezifikationen können durch eine geeignete Auslegung und Steuerung des thermischen Energiespeicherteils 5 erfüllt werden.
  • Eine erfindungswesentliche Ausgestaltung des Dampfkraftwerks besteht in einer besonderen Ausbildung der Wärmeeinkopplungseinrichtung 6 des thermischen Energiespeicherteils 5. Die Wärmeeinkopplungseinrichtung 6 weist gemäß 1 eine über eine elektrische Energiezuführung 61 mit elektrischer Energie versorgte Aufwärmvorrichtung 60 auf, mittels deren der Wärmespeichereinheit 50 Wärmeenergie zugeführt wird. Vorteilhaft wird dafür ein konduktives elektrisches Verfahren auf der Basis einer Widerstandserwärmung oder ein induktives elektrisches Verfahren angewandt. Die elektrische Wärmeenergiezuführung 61 wird dabei von der von dem Dampfkraftwerk erzeugten elektrischen Leistung gespeist, um die Wärmespeichereinheit 50 mit Wärmeenergie zu beladen. Die der elektrischen Aufwärmvorrichtung 60 zugeführte elektrische Leistung kann dabei mittels einer Prozesssteuerung gesteuert oder geregelt werden. Die Steuerung oder Regelung der ausgangsseitig an dem Generator 7 abgenommenen elektrischen Leistung kann beispielsweise in Abhängigkeit von in dem Kraftwerk vorgegebenen oder vorgebbaren Prozessparametern und/oder in Abhängigkeit von Steuer- oder Regelgrößen einer übergeordneten Netzwerksteuerung erfolgen.
  • Somit wird eine Lastabsenkung des Dampfkraftwerks bei einer Zuführung von elektrischer Leistung zu der elektrischen Aufwärmvorrichtung 60 beziehungsweise einer Zuführung von Wärmeenergie mit dem thermischen Energiespeicherteil 5, d. h. während einer Beladungsphase, erreicht, indem die in dem Dampfkraftwerk erzeugte elektrische Energie zur elektrischen Beheizung der Wärmespeichereinheit 50 beziehungsweise des thermischen Energiespeichers benutzt wird. Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Dampferzeugung in dem Dampferzeugerabschnitt 3 weiter betrieben werden kann und eine hohe Mindestlastreduktion der von dem Dampfkraftwerk in das angeschlossene Stromnetz eingespeisten Leistung (bis auf eine Leistung von 0 W) möglich ist. Dadurch wird eine sehr hohe Flexibilität des Dampfkraftwerks erreicht und ein Herunterfahren der trägen Dampferzeugereinrichtung verhindert und somit auch ein aufwändiges Hochfahren des Dampferzeugungsprozesses, wie bei einem Warm- beziehungsweise Kaltstart.
  • Während einer Entladung der Wärmespeichereinheit 50 über die Entladeeinrichtung 51 in den Wasser-Dampf-Kreislauf 1 beziehungsweise den Rauchgaspfad, vorliegend also in die Hochdruckvorwärmer 30, wird die in der Wärmespeichereinheit 50 konservierte thermische Energie genutzt, um über den betreffenden Wärmeübertrager eine Hochdruck-Vorwärmung des Speisewassers zu bewirken. Die Einkopplung der Wärme zur Hochdruck-Vorwärmung erlaubt so während der Entladephase eine Reduktion einer Anzapfdampfmenge an den Dampfturbinen der Turbinenanordnung 4 und somit eine höhere elektrische Leistung durch einen höheren Dampfmassenstrom.
  • Das erfindungsgemäße Integrationskonzept ermöglicht somit in Dampfkraftwerken, insbesondere Kohlekraftwerken, eine hochflexible Reduktion der ausgangsseitigen elektrischen Last beziehungsweise abgegebenen elektrischen Leistung, die je nach Auslegung beziehungsweise Ansteuerung der elektrischen Aufwärmvorrichtung 60 eine Mindestlastabsenkung des Dampfkraftwerks bis auf 0 W erlaubt. Durch die elektrische Zuheizung wird auf eine aufwändige verfahrenstechnische Einbindung des Speichersystems in den Wasser-Dampf-Kreislauf 1 und auf ein Herunterfahren des Dampferzeugers verzichtet, wodurch sich einerseits keine negativen Integrationseffekte ergeben und andererseits Warm- und Kaltstarts vermeiden lassen. Eine zusätzlich (durch das Aufwärmen mittels des thermischen Energiespeicherteils 5) erzeugte elektrische Leistung wird hierbei durch höhere Massenströme an den Dampfturbinen erreicht, da auf eine Entnahme von Anzapfdampf zur Vorwärmung des Speisewassers im Hochdruckvorwärmer verzichtet werden kann.
  • Die erfindungsgemäße Ausführung ermöglicht zudem hohe Wirkungsgrade. Die während der Beladung elektrisch erzeugte Wärme lässt sich beispielsweise mit dem genannten konduktiven Verfahren durch Widerstandserwärmung mit sehr hohem Wirkungsgrad (> 95 %) erreichen. Zudem wird die während der Entladung erzeugte zusätzliche elektrische Leistung durch erhöhte Dampfmassenströme in den Dampfturbinen erreicht, die bei hohen isentropen Wirkungsgraden (näherungsweise 90 %) arbeiten und somit eine effiziente Verstromung erzielen, wobei gegebenenfalls lediglich effizienzreduzierende Effekte durch einen höheren Volumenstrom in den Dampfturbinen zu berücksichtigen sind.
  • Zudem erlaubt die hohe Dynamik der Elektrobeheizung, wie auch der Wärmeeinkopplung in das Speisewasser, eine Bereitstellung von Regelenergien und somit deutliche Flexibilitätssteigerungen von Kohlekraftwerken.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011078193 A1 [0002]
    • WO 2013/000838 A2 [0003]
    • DE 102012215569 A1 [0003]
    • DE 102011078205 A1 [0004]
    • WO 2009/100881 A2 [0004]
    • DE 102015109898 A1 [0004]

Claims (8)

  1. Dampfkraftwerk, wie Braun- oder Steinkohlekraftwerk, mit einem Wasser-Dampf-Kreislauf (1), einer an einen Generator (7) für die elektrische Energieerzeugung angeschlossenen Turbinenanordnung (4) und einem thermischen Energiespeicherteil (5), der eine ein Wärmespeichermedium enthaltende Wärmespeichereinheit (50), eine Wärmeeinkopplungseinrichtung (6) sowie eine an den Wasser-Dampf-Kreislauf (1) oder einen Rauchgaspfad angeschlossene Entladeeinrichtung (51) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeinkopplungseinrichtung (60) eine elektrische Aufwärmvorrichtung (60) aufweist, welche über eine elektrische Energiezuführvorrichtung (61) mit von dem Generator (7) erzeugter elektrischer Energie unter Steuerung oder Regelung mittels einer Prozesssteuerung beaufschlagbar ist.
  2. Dampfkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Aufwärmvorrichtung (60) als Widerstandsheizvorrichtung oder als induktive Heizvorrichtung ausgebildet ist.
  3. Dampfkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Energiespeicherteil (5) mit einem Ruths-Speicher, einem Feststoffspeicher oder einem Flüssigsalzspeicher versehen ist.
  4. Dampfkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladeeinrichtung (51) in einem Dampferzeugerabschnitt (3), insbesondere an einem Hochdruckvorwärmer (30), oder in einem Speisewasserteil (2), insbesondere an einem Niederdruckvorwärmer (23), angeschlossen ist.
  5. Verfahren zum Betreiben eines Dampfkraftwerks, insbesondere eines Braun- oder Steinkohlekraftwerks, bei dem einem thermischen Energiespeicherteil (5) in Phasen einer angeforderten elektrischen Lastabsenkung Wärmeenergie in einem Beladevorgang zugeführt und in Phasen einer elektrischen Lasterhöhung Wärmeenergie in einem Entladevorgang entnommen und einem Wasser-Dampf-Kreislauf (1) oder einem Rauchgaspfad zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die dem thermischen Energiespeicherteil (5) zugeführte Wärmeenergie mittels einer elektrischen Aufwärmvorrichtung (60) erzeugt wird, wobei die der Aufwärmvorrichtung (60) zugeführte elektrische Leistung der von dem Dampfkraftwerk (1) erzeugten elektrischen Leistung entnommen wird.
  6. Verfahren nah Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie bei dem Entladevorgang in einem Dampferzeugungsabschnitt (3), insbesondere einem Hochdruckvorwärmer (30), oder in einem Speisewasserteil (2), insbesondere einem Niederdruckvorwärmer (23), des Wasser-Dampf-Kreislaufs (1) zugeführt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Entladevorgang eine gegenüber einer Normallast zusätzliche elektrische Leistung abgegeben wird, indem durch die Entladung der Wärmeenergie in den Wasser-Dampf-Kreislauf (1) ein erhöhter Dampfmassenstrom und damit in einer in diesem befindlichen Turbinenanordnung (4) ein erhöhter Volumenstrom erzeugt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beladevorgänge und die Entladevorgänge von einer Prozesssteuerung in Abhängigkeit von vorgegebenen und/oder vorgebbaren Prozessparametern gesteuert oder geregelt werden, wobei übergeordnete Steuer- oder Regelgrößen einbeziehbar sind.
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