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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Primärregelung
für ein
Netz, wobei einzelne Kraftwerksblöcke im modifizierten Gleitdruckbetrieb
(angedrosselten Turbineneinlassventile) und reinem Gleitdruckbetrieb
(voll geöffnete
Turbineneinlassventile) Primärregelenergie
in das Netz einspeisen.
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Zum störungsfreien Betrieb, aber auch
im Fall des Abweichens vom Normalbetrieb eines elektrischen Netzes
sind an die an das Netz angeschlossenen Kraftwerke bestimmte Anforderungen
zu stellen.
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Dies betrifft insbesondere die sogenannte Primärregelung
innerhalb des Netzes, nach der im Sekundenbereich durch die beteiligten
Kraftwerke im Falle einer Störung
(z. B. Leistungseinbruch und damit verbundener Frequenzeinbruch)
zur Herstellung des Normalbetriebs Leistungsreserven aufgebracht und
in das Netz eingespeist werden müssen.
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Die genauen Anforderungen werden
durch die DVG (Deutsche Verbundgesellschaft) geregelt und sind auch
unter dem Namen „Gridcode" bekannt. Danach
hat eine in das Netz einspeisende Erzeugereinheit mindestens 2 %
seiner Nennleistung für
die Primärregelung
in einer Zeitspanne von 30 s zusätzlich
zu aktivieren. Diese Leistungssteigerungen sind linear bereitzustellen.
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Es ist bekannt, die Einlassventile
einer Turbine in einer gedrosselten Stellung zu halten, um bei entsprechenden
Frequenzabweichungen durch sofortiges Öffnen der Einlassventile die
Dampfreserve des Dampferzeugers nutzen zu können, um der Frequenzabweichung
entgegenzuwirken. Ein wesentlicher Nachteil dieser Fahrweise ist
der enorme Wirkungsgradverlust durch die Drosselwirkung an den Einlassventilen.
Dieser fällt
um so höher
aus, je größer die
Nennleistung der Turbine ist.
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Eine weitere bekannt Möglichkeit,
Leistung in relativ kurzer Zeit zu mobilisieren, ist die Methode des
Kondensatstaus, meist in Kombination mit einem Anzapfdampfstopp.
Muss eine Frequenzabweichung korrigiert werden, wird der Kondensatstrom
unterbrochen sowie in den Anzapfleitungen der Turbine zu den Vorwärmern des
Kondensats vorhandene Klappen geschlossen. Der so nicht benötigte Dampf
für die
Vorwärmung
des Kondensats steht nunmehr einer Leistungserhöhung der Turbine zur Verfügung.
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Aus der
DE 197 50 125 A1 ist weiterhin
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Primärregelung eines Dampfkraftwerksblocks
bekannt.
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Danach werden die Energieinhalte
ausgewählter
Energiespeicher des Kraftwerksblocks sowie die zeitliche Änderung
der Energieinhalte fortwährend
ermittelt. Gegebenenfalls werden die Energiespeicher in ausgewählter Reihenfolge
aktiviert. So werden durch Änderung
des zwischen Kondensatbehälter
und Speisewasserbehälter
fließenden
Speisewasserstroms der Eigenbedarf des Kraftwerks geändert. Durch
Wassereinspritzung in den Hochdruck- und Zwischenüberhitzerbereich
wird zusätzlicher Dampf
bereitgestellt. Ebenfalls aufgeführt
wird die Möglichkeit,
durch Regelung des Kondensatstromes die Dampfentnahme der Vorwärmen aus
der Turbine zu beeinflussen.
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Die
DE
43 44 118 beschreibt ein Verfahren und eine Einrichtung
zur Steuerung und Regelung der Dampfkraftwerksleistung unter Einsatz
von Kondensatstopp. Es soll sichergestellt werden, dass eine schnell
aktivierbare Leistungsreserve zum Ausregeln eines Netzfrequenzeinbruchs
auch während
des Ausregelns einer rampenförmigen
Erhöhung
des Leistungssollwertes zur Verfügung
steht. Das Verfahren arbeitet mit einem gesteuerten und nachgeregeltem
Einsatz der sogenannten Turbinenstellreserve und der durch Kondensatstopp
einsetzbaren Energie zur Leistungserhöhung nur zur Primärfrequenzstützung. Dabei
wird durch Kondensatstopp nur ein unbedingt nötiger Teil der Leistung aufgebracht,
genau der, welcher nicht durch Auffahren der Turbinenregelventile
aufgebracht wird.
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Beide Schutzrechte beschreiben die
Primärregelleistungsbereitstellung
für nur
einen Kraftwerksblock.
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Die
DE 33 04 292 A1 beschreibt ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Ausregeln von Netzfrequenzeinbrüchen bei
einem gleitdruckbetriebenen Dampfkraftwerksblock. Dabei wird Primärregelleitung
mittels Kondensatstau und Anzapfdampfstopp erzeugt.
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Auch hier wird für die Erzeugung der Primärregelleistung
nur ein Kraftwerksblock herangezogen.
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Die
DE 41 35 803 A1 beinhaltet eine Einrichtung
zum Steuern einer Kraftwerksanlage aus einer Vielzahl von Kraftwerken
mittels eines verteilten Computersystems.
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Hierbei geht es um eine übergeordnete
Kraftwerkssteuerung in Abhängigkeit
der Lastsituation (Lastfolgebetrieb).
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Primärregelleistung ist nicht Inhalt
dieses Schutzrechts.
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Eine Verbrennungsmotorkraftwerks-Verbraucher-Kombination
beschreibt die
DE 44
47 078 A1 . Um die Erzeugungseinheiten immer im Nennleistungsbereich
betreiben zu können,
werden die einzelnen Kraftwerksmodule, die zu- und abschaltbar sind,
in Stufen grob geregelt.
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Die Feinanpassung erfolgt durch Regelung der
Leistungsaufnahme einzelner Verbraucher.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zum Ausgleich von Netzfrequenzeinbrüchen anzugeben, welches es
ermöglicht,
die Netzanforderungen der Deutschen Verbundgesellschaft einzuhalten,
wobei die Kraftwerksblöcke
mit minimalen Wirkungsgradverlusten betrieben werden.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass mehrere Kraftwerksblöcke eines Unternehmens als
Einheit zur Ausregelung von quasistationären Frequenzabweichungen von
+/- 200 mHz für das
Netz zusammengefasst aktiviert werden, wobei bei quasistationären Frequenzabweichungen
im Netz von + 40 bis – 40
mHz mit den durch Androsselung der Turbineneinlassventile betriebenen
Kraftwerksblöcke
die quasistationäre
Frequenzabweichung ausgeregelt wird, ab einer quasistationären Frequenzabweichung
im Netz von +/- 40 mHz bis +/- 200 mHz die Kraftwerksblöcke mit
reinem Gleitdruckbetrieb für
die Bereitstellung der Primärregelleistung eingesetzt
werden.
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Vorteilhafterweise wird die Leistung
beim Eingreifen der Primärregelung
in den mit reinem Gleitdruckbetrieb gefahrenen Kraftwerksblöcken allein
durch die Betriebsart Kondensatstau und/oder Anzapfdampfstopp bereitgestellt,
ohne für
die Primärregelung
zusätzlich
Leistung vorzuhalten.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass
die bei Eingreifen der Primärregelung
in den mit reinem Gleitdruck betriebenen Kraftwerksblöcken durch
die Betriebsart Kondensatstau und/oder Anzapfdampfstopp erbrachte
Primärregelleistung
nach anlagenbedingter Aufhebung der Betriebsart Kondensatstau und/oder
Anzapfdampfstopp durch frequenzabhängige Inbetriebnahme von ebenfalls
in das Netz elektrische Energie einspeisende Pumpspeicherturbinen eines
Pumpspeicherkraftwerkes erbracht wird, wobei mit der Inbetriebnahme
der Pumpspeicherturbinen eine anteilmäßig höhere Leistung bereitgestellt
wird, als zum Ausgleich der quasistationären Frequenzabweichung notwendigen
Leistung. Dieser höhere
Leistungsanteil wird zum Durchführen
eines Refillvorganges an den mit reinen Gleitdruck betriebenen Kraftwerksblöcken in
der Betriebsart Kondensatstau und/oder Anzapfdampfstopp verwendet.
Die Höhe des
Leistungsanteils zum Durchführen
des Refillvorganges wird so groß gewählt, dass
innerhalb von 15 min. nach Erreichen der Sollfrequenz im Netz die Leistung
der Primärregelung
aus den in der Betriebsart Kondensatstau und/oder Anzapfdampfstopp
betriebenen Kraftwerksblöcken
erneut bereitgestellt wird.
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Von der bisher üblichen Verfahrensweise, alle
Kraftwerksblöcke
eines Unternehmens jeweils mit der Methode der gedrosselten Turbineneinlassventile
für die
kurzzeitige Leistungsbereitstellung und für die weitere Leistungsanforderung
den Kondensatstau/Anzapfdampfstopp einzusetzen, ist es erfindungsgemäß vorteilhaft,
die Kraftwerksblöcke
eines Unternehmens mit geringerem Arbeitsvermögen generell bei der Primärregelung
im Bereich der Frequenzabweichung im Netz von + 40 bis – 40 mHz
einzusetzen, die Kraftwerksblöcke
mit höherem
Arbeitsvermögen
erst bei Frequenzabweichungen im Netz von +/-40 bis +/- 200 mHz für die Primärleistungsregelung zum Einsatz
zu bringen.
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Der damit verbundene Vorteil ist
um so höher,
je mehr Kraftwerksblöcke
mit hohem Arbeitsvermögen
von der Fahrweise mit angedrosselten Turbineneinlassventilen befreit
werden können.
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Die Primärregelung wird an diesen Blöcken nunmehr
ausschließlich über den
Kondensatstau/Anzapfdampfstopp realisiert, was zu keinen Wirkungsgradverlusten,
wie sie durch die Androsselung der Turbineneinlassventile gegeben
sind, führt.
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Bei Abfall der Frequenz zwischen – 40 bis – 200 mHz
ist es erforderlich, den aktivierten Kondensatstau und Anzapfdampfstopp
auslegungsbedingt nach einer Zeit t2 – t1 von ca. 6 bis 8 min. aufzuheben und diese
erbrachte Primärregelleistung
durch eine Erhöhung
der Dampfkesselleistung, des an der Primärregelung beteiligten Blockes,
zu kompensieren. Damit die obere Kannlast des Blockes nicht überschritten
bzw. erreicht wird, was automatisch zu einer ungewollten Leistungsabsenkung
führen
würde,
ist es erforderlich, eine um den Primärregelleistungsbetrag reduzierte
Leistung des Blockes zum oberen Arbeitspunkt des Blockes einzustellen.
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Für
die Kesselregelung bedeutet dies, gleichzeitig eine Übersteuerung
der Feuerungswärmeleistung
vorzugeben, damit der äquivalente
Primärregelleistungsbetrag
aus der Betriebsart Kondensatstopp und/oder Anzapfdampfstau nach
t2 – t1 von ca. 6 bis 8 min. kompensiert werden
kann.
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Die Nachteile der o. g. bisherigen
Verfahrensweise bestanden in
– einer ständigen Leistungsvorhaltung
für die
Primärregelleistung,
– Inanspruchnahme
in wenigen Fällen
(geringe Arbeitsausnutzung),
– einer Übersteuerung der Feuerungswärmeleistung mit
einer hohen Beanspruchung des Dampfkessels sowie
– dem Ansprechen
der Kannlast bei nicht ausreichender Vorhaltung der Dampfkesselleistung,
das zur Nichterfüllung
der Anforderungen des Gridcodes führt.
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Entsprechend dem Unteranspruch 3
wird eine erlöswirksame
Nutzung der Vorhalteleistung für Primärregelleistung
an den Blöcken
mit aktiviertem Kondensatstau und Anzapfdampfstopp mittels einer gestaffelten
frequenzabhängigen
Inbetriebnahme von Pumpspeicherturbinen erreicht. Damit wird die realisierte
frequenzabhängige Übersteuerung
der Brennstoffwärmeleistung
in der Betriebsart Kondensatstau und Anzapfdampfstopp vermieden
und der fahrbare obere Arbeitspunkt der Kraftwerksblöcke um den
Betrag der Vorhalteleistung für
Primärregelleistung
erhöht.
Dies führt
zu einer höheren
elektrischen Leistungs- und Arbeitsausnutzung.
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An einem Ausführungsbeispiel soll nachfolgend
die Erfindung näher
erläutert
werden. Dabei zeigen die
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1 – eine schematische
Darstellung des idealisierten Verlaufs der Primärregelleistungsbereitstellung
bei – 200
mHz Netzfrequenzabfall
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2 – eine schematische
Darstellung des Verlaufs der Netzfrequenz
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3 – eine schematische
Darstellung der Schaltungsanordnung der aus Kraftwerken gebildeten
Funktionseinheiten Ein Unternehmen, welches elektrische Energie
bereitstellt und in ein Netz einspeist, hat verschiedene Kraftwerksblöcke (Kohlekraftwerke,
Pumpspeicher-Kraftwerke)
zur Verfügung.
Diese werden zu Funktionseinheiten zusammengefasst.
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Die mit
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- – DR
bezeichneten Funktionseinheiten beteiligen sich an der Primärregelleistungsbereitstellung mittels
Androsselung der Turbineneinlassventile,
- – KA
bezeichneten Funktionseinheiten beteiligen sich an der Primärregelleistungsbereitstellung mittels
Kondensatstau/Anzapfdampfstopp,
- – PS
bezeichneten Funktionseinheiten beteiligen sich an der Primärregelleistungsbereitstellung durch
Leistung aus einem oder mehreren Pumpspeicherwerken.
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Die Betriebsarten der Funktionseinheiten (Kraftwerksblöcke) DR
(1) bis DR (n); KA (1) bis KA (m) und PS (1) bis PS (p) sind gemäß 3 geschaltet, so dass sie
sich an der Netzfrequenzregelung (Primärregelung) beteiligen.
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Die Variablen n, m und p bezeichnen
dabei eine Anzahl der jeweiligen Funktionseinheiten. Dabei arbeiten
die Funktionseinheiten DR (1) bis DR (n) mit einer eingesenkten
Leistung, welche dem Äquivalent von – 40 mHz
entspricht. Dies geschieht bei den Kohlekraftwerken durch entsprechende
Androsselung der Turbineneinlassventile.
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Die Funktionseinheiten KA (1) bis
KA (m), also Kohlekraftwerke, welche im reinen Gleitdruckbetrieb
gefahren werden, arbeiten im Nennleistungsbereich ohne Leistungsvorbehalt,
aber mit einem wirksamen Frequenzregelanteil von – 40 mHz
bis – 200 mHz
und einem aktivierbaren Leistungsanteil durch die Betriebsart Kondensatstau
und/oder Anzapfdampfstopp, welcher dem Äquivalent von – 40 mHz bis – 200 mHz
entspricht.
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Die Funktionseinheiten PS (1) bis
PS (p) befinden sich in Summe mit einer Vorhalteleistung in frequenz-
und zeitabhängiger
Reservestellung, welcher dem aktivierbaren Leistungsanteil der Funktionseinheiten
KA (1) bis KA (m), also dem Äquivalent von – 40 mHz
bis – 200
mHz, entspricht.
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Aufgrund einer Störung kommt es zum Zeitpunkt
t0 = 0 s zu einer sprungförmigen Netzfrequenzeinsenkung
von 200 mHz (1).
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Die Funktionseinheiten DR (1) bis
DR (n), KA (1) bis KA (m) und PS (1) bis PS (p) werden als Einheit
zur Ausregelung diese quasistationären Frequenzabweichung zusammengefasst
aktiviert, wobei bei Frequenzabweichungen im Netz von 0 bis – 40 mHz
mit den durch Androsselung der Turbineneinlassventile betriebenen
Kraftwerksblöcke
DR (1) bis DR (n) die quasistationäre Frequenzabweichung ausgeregelt
wird, ab einer quasistationären
Frequenzabweichung im Netz von – 40
mHz bis – 200 mHz
die Kraftwerksblöcke
KA (1) bis KA (m) mit reinem Gleitdruck für die Primärregelleistungsbereitstellung
eingesetzt werden.
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Die Regelungen der Funktionseinheiten
DR (1) bis DR (n) reagieren derart, dass durch Aufhebung der Androsselung
der Turbineneinlassventile und Nutzung des Speichervermögens des
Wasser-Dampf-Systems bis zum Wirksamwerden des vergrößerten virtuellen
Dampfstromes durch von den Regelungen veranlasste Erhöhung der
Feuerleistung des betreffenden Kohlekraftwerksblöcke im Zeitintervall t
5 – t
0 eine Leistungssumme
von äquivalenter Leistung für – 40 mHz
gemäß der dynamischen
Anforderung des Gridcodes aktiviert wird (Kurve 1 in
2).
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Die Leistung bei Inanspruchnahme
der Primärregelung
in den mit reinem Gleitdruckbetrieb gefahrenen Kraftwerksblöcken wird
durch die Betriebsart Kondensatstau und/oder Anzapfdampfstopp, ohne
für die
Primärregelleistungsbereitstellung
Leistung zusätzlich
vorzuhalten, bereitgestellt.
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D. h., die Regelungen der Funktionseinheiten
KA (1) bis KA (m) reagieren derart, dass durch Einleiten der Betriebsart
Kondensatstopp und/oder Anzapfstau ohne Erhöhung der Feuerleistung im Zeitintervall
t
2 – t
0 eine Leistungssumme
von äquivalenter Leistung für – 40 mHz
bis – 200
mHz gemäß der dynamischen
Anforderung des Gridcodes aktiviert wird (Kurve 2 in
2).
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Die Leistungsbereitstellung wird
dabei durch die Erhöhung
des Dampfdurchsatzes durch die Turbine aufgrund der Unterbrechung
des Anzapfmassenstromes zur Kondensatvorwärmung (Anzapfdampfstopp) sowie
der Nutzung des Energieeinhaltes des Speisewasserbehälters (Kondensatstau) zeitbegrenzt
(Kurve 3 in 2).
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Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Merkmal
wird nach anlagenbedingter Aufhebung der Betriebsart Kondensatstau
und/oder Anzapfdampfstopp zum Zeitpunkt t2 durch
eine frequenzabhängige
Inbetriebnahme von ebenfalls in das Netz elektrische Energie einspeisende
Pumpspeicherturbinen eines Pumpspeicherkraftwerkes Leistung erbracht (Kurve
3 in 2). Weiterhin wird
mit der Inbetriebnahme der Pumpspeicherturbinen im Zeitintervall
t6 – t3 eine anteilmäßig höhere Leistung bereitgestellt
als zum Ausgleich der quasistationären Frequenzabweichung notwendigen
Leistung, wobei der höhere
Leistungsanteil zum Durchführen
eines Refillvorganges an den mit reinem Gleitdruckbetrieb gefahrenen Kraftwerksblöcken in
der Betriebsart Kondensatstau und/oder Anzapfdampfstopp verwendet
wird. Das Verfahren ist auch dadurch gekennzeichnet, dass der höhere Leistungsanteil
zum Durchführen
des Refillvorganges so groß gewählt wird,
dass im Zeitintervall t6 – t5 kleiner/gleich 15 min. nach Erreichen der
Sollfrequenz im Netz die Primärregelleistung
aus den mit Kondensatstau und/oder Anzapfdampfstopp betriebenen
Kraftwerksblöcken
erneut bereitgestellt wird.
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Deshalb arbeiten die Regelungen der
Funktionseinheiten KA(1) bis KA(m) derart, dass nach einer definierten
Zeit t2 ab Einleitung der Betriebsart Kondensatstopp
und/oder Anzapfstau eine Deaktivierung dieser Maßnahme erfolgt und die Leistung
bis zum Zeitpunkt t3 auf den Ausgangswert
zurückgeführt wird
(Kurve 2 in 2).
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Der danach erforderliche und automatisch eingeleitete
Refillprozess der Funktionseinheiten KA(1) bis KA(m) zum Wiederaufladen
des Energieinhaltes des Speisewasserbehälters auf den Ausgangszustand
ohne Erhöhung
der Feuerleistung führt
ab dem Zeitpunkt t
3 zu einer Leistungsreduktion
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Durch die frequenzabhängige Steuerung
der Funktionseinheiten PS (1) bis PS (p) wird zum definierten Zeitpunkt
t
2 nach Eintritt der netzseitigen Störung Pumpspeicherleistung
derart aktiviert, dass äquivalent
zur Leistungsreduktion der Funktionseinheiten KA (1) bis KA (m)
durch die Rücknahme
der Betriebsart Kondensatstopp und /oder Anzapfstau zum Zeitpunkt
t
2
eine Leistungserhöhung von äquivalent – 40mHz
bis – 200
mHz erfolgt, zuzüglich
einer anteilsmäßig höheren Leistung,
der ab dem Zeitpunkt t
3 dem Betrag der Leistungsreduktion
der Funktionseinheiten KA(1) bis KA(m) durch Einleitung des Refillprozesses
entspricht:
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Die Funktionseinheiten KA (1) bis
KA (m) werden in Kombination mit den Funktionseinheiten PS (1) bis
PS (p) den Anforderungen des Gridcodes gerecht.
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Es bedeuten:
t0 Zeitpunkt
des sprungförmigen
Frequenzabfalls
t1 – t0 Zeitintervall
der Primärregelleistungsaktivierung
t2 – t0 technisch mögliches Zeitintervall für die Leistungsbereitstellung
durch Kondensatstau/Anzapfdampfstopp gemäß Forderung des Gridcodes
t2 Zeitpunkt der Rücknahme der Leistungsbereitstellung
durch Kondensatstau/Anzapfdampfstopp sowie Beginn der Leistungsaktivierung
durch die Funktionseinheiten PS
t3 Beginn
des Refillprozesses t4 Beginn der frequenzabhängigen Reduzierung
der aktivierten Primärregelleistung
t5 Ende der frequenzabhängigen Reduzierung der aktivierten
Primärregelleistung
t6 – t3 Zeitintervall der Leistungsbereitstellung
der Funktionseinheiten PS für
den Refillprozess
t6 Ende des Refillprozesses