DE19621926C2 - Verfahren zum Anfahren einer Kombi-Kraftwerksanlage bei Netzausfall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfahren einer als Einwellenanlage oder als Mehrwellenanlage ausgebildeten Kombi-Kraftwerksanlage bei Netzausfall mit einer Gasturbine mit einem zugeordneten ersten Generator und mit einer Anfahr­ vorrichtung, mit einer Dampfturbine mit einem einen Abhitzekessel, einen Entgaser und eine Vorwärmstrecke aufweisenden Wasserdampfkreislauf zur Verdampfung von Speisewasser für die Dampfturbine und abhängig von der jeweiligen Kombi- Kraftwerksanlage mit einem zugeordneten zweiten Generator sowie mit Hilfseinrich­ tungen, wie zum Beispiel Vorwärmer für Kondensat, Zusatzfeuerung für den Abhit­ zekessel sowie mit einem Kühlsystem, Kondensator und Pumpen und mit einer Notstromversorgungseinrichtung.

Bei Kombi-Kraftwerksanlagen sind sowohl sogenannte Einwellenanlagen mit einem einzigen, von einer Gasturbine und einer Dampfturbine über eine gemeinsame Rotorwelle beaufschlagten Generator bekannt als auch Mehrwellenanlagen, bei denen der Gasturbine und der Dampfturbine jeweils Generatoren zugeordnet sind, die jeweils nur mit der betreffenden Kraftmaschine mechanisch verbunden sind.

Es ist allgemein bekannt, daß das Starten einer Gasturbine einen Fremdantrieb für deren Rotor erfordert, welcher den Rotor über die Zünddrehzahl hinaus beschleu­ nigt. Ein solcher Fremd- oder Hilfsantrieb kann entweder über schaltbare bezie­ hungsweise lösbare Kupplungen mit dem Gasturbinenrotor gekoppelt sein oder aber mit diesem starr verbunden sein.

Für größere Gasturbinen, zum Beispiel P < 20 MW, ist es ferner bekannt, einen der Gasturbine als Generator zugeordneten Synchrongenerator für den Anfahrvorgang heranzuziehen und hierbei im sogenannten Motorbetrieb zu betreiben. Hierbei er­ folgt die Speisung des Generators aus dem Netz, an welches die Kombi- Kraftwerksanlage angeschlossen ist.

Bei Ausfall des Netzes steht diese Energiequelle jedoch nicht zur Verfügung, so daß für derartige Betriebssituationen in herkömmlichen Kombikraftwerken generell eine sogenannte "Black Start"-Einrichtung vorgesehen ist, die als "Black Start"- Diesel mit zugehörigem Generator oder als Black Start-Gasturbine mit zugehörigem Generator oder als "Black Start"-Dampfturbine mit zugehörigem Generator sowie Kondensator und Hilfskessel ausgebildet sind. Hierbei sind die vorgenannten Ag­ gregate komplett jeweils mit einer Starteinrichtung, Brennstoffbevorratung, mit ei­ nem Kühlsystem, elektrischer Installation sowie Leittechnik zu versehen und in se­ paraten Bauwerken unterzubringen. Darüber hinaus müssen diese Einrichtung wie­ derkehrend auf ihre technische Funktion geprüft werden, um so sicher zu stellen, daß im Bedarfsfall das Anfahren gewährleistet ist.

Ohne näher auf die Einzelheiten dieser "Black Start"-Einrichtungen einzugehen, ist es offensichtlich, daß aus diesen zusätzlich erforderlichen Einrichtungen sowohl hinsichtlich der Infrastruktur der Kombikraftwerksanlage als auch bezüglich deren Handhabung ein erheblicher Aufwand resultiert, der sowohl kostenmäßig als auch wartungsmäßig zu Buche schlägt und demgemäß den Gesamtaufwand für ein Kombikraftwerk beträchtlich erhöht, da das Anfahren von Kombikraftwerken bei Netzausfall nicht mit den sonst üblichen Verfahrensweisen, das heißt bei vorhan­ dener Netzversorgung, möglich ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Ver­ fahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dessen Anwendung das Anfah­ ren eines Kombikraftwerks bei Netzausfall einfacher, das heißt mit einem geringe­ ren Aufwand, durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserun­ gen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist für Mehrwellenanlagen das neue Verfahren durch die nach­ folgend aufgeführten Schritte beziehungsweise Einzelmaßnahmen gekennzeichnet.

• 1. Zunächst wird die Notstromversorgungseinrichtung in Betrieb genommen.
• 2. Mit dem hiermit erzeugten elektrischen Strom werden die Frischluftversorgung, die Brennstoffversorgung und die Zusatzfeuerung des Abhitzekessels sowie die Kühlsysteme und die Pumpen gespeist.
• 3. Das Speisewasser wird im Abhitzekessel zur Verdampfung gebracht und über­ hitzt.
• 4. Mit dem leicht überhitzten Dampf wird die Dampfturbine beaufschlagt.
• 5. Bei Erreichen der vorgegebenen Drehzahl der Dampfturbine wird der Dampftur­ binengenerator zugeschaltet und übernimmt die Stromversorgung der Anfahr­ vorrichtung der Gasturbine.
• 6. Die Anfahrvorrichtung beaufschlagt die Gasturbine, bis deren Drehzahl oberhalb ihrer Zünddrehzahl liegt.
• 7. Nun erfolgt die Synchronisierung der Gasturbinendrehzahl mit der Dampfturbi­ nendrehzahldas heißt des von der Gasturbine beaufschlagten Generators mit dem der Dampfturbine zugeordneten Generator, wobei
• 8. die Dampfturbine anschließend mit den bei einem Normalstart üblichen Lastgra­ dienten weiter betrieben wird.

Für Einwellenanlagen gelten die folgenden Verfahrensschritte:

• 1. Zunächst wird die Notstromversorgungseinrichtung in Betrieb genommen.
• 2. Mit dem hiermit erzeugten elektrischen Strom werden die Frischluftversorgung, die Brennstoffversorgung und die Zusatzfeuerung des Abhitzekessels sowie die Kühlsysteme und die Pumpen gespeist.
• 3. Das Speisewasser wird im Abhitzekessel zur Verdampfung gebracht und über­ hitzt.
• 4. Mit dem leicht überhitzten Dampf wird die Dampfturbine beaufschlagt.
• 5. Der gemeinsame Rotorstrang wird auf eine Drehzahl oberhalb der Zünddrehzahl der Gasturbine beschleunigt.
• 6. Kurz vor Erreichen der Nenndrehzahl erfolgt die Synchronisierung des von der Gasturbine, der Dampfturbine und dem zugeordneten Generator gebildeten Tur­ bosatzes.
• 7. Die Dampfturbine wird anschließend mit den bei einem Normalstart üblichen Lastgradienten weiter betrieben.

Mit Hilfe dieser acht- beziehungsweise siebenstufigen Anfahrprozedur, bei welcher auf Komponenten zurückgegriffen wird, welche für den bestimmungsgemäßen Be­ trieb der Kombikraftwerksanlage ohnehin zum überwiegenden Teil vorhanden und erforderlich sind, kann auf die zuvor beschriebene "Black Start"-Einrichtung ver­ zichtet werden. Dieser Vorteil schlägt sich sowohl auf der technischen Seite durch verriingerten Wartungs- und Steuerungs- beziehungsweise Regelungsaufwand für die Black Start-Einrichtung nieder, als auch auf der betriebswirtschaftlichen Seite infolge geringeren Wartungsaufwandes und geringerer Investitionsaufwendungen.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, daß während der Beschleunigung der Gasturbine die Zusatzfeuerung des Abhitzekes­ sels gedrosselt wird.

Ferner kann es gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung des Verfahrens zweckmäßig sein, daß nach Erreichen der Nenndrehzahl der Gasturbine die Zu­ satzfeuerung des Abhitzekessels ausgeschaltet wird.

Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Überhitzung des verdampften Speisewassers bei minimalem Druck und bei mi­ nimaler Frischdampftemperatur erfolgt. Dies hat den Vorteil, daß hierdurch die An­ fahrprozedur zeitlich beschleunigt ablaufen kann und darüber hinaus auch ein ge­ ringerer Bedarf an Brennstoff für die Zusatzfeuerung des Abhitzekessels resultiert.

Im Sinne einer Zeit und Energie sparenden Verfahrensweise kann darüber hinaus vorgesehen sein, daß die Dampfturbine mit dem erzeugten Dampf nur zum Teil be­ aufschlagt wird.

Dementsprechend erweist es sich in Weiterbildung der Erfindung als vorteilhaft, daß der Betrieb der Dampfturbine bei einer niedrigeren Drehzahl als die Nenndreh­ zahl erfolgt.

Gemäß der Erfindung wird bei Mehrwellenanlagen, wie zuvor bereits erläutert, die für den Normalbetrieb vorgesehene Anfahrvorrichtung auch für den Anfahrbetrieb bei Netzausfall in der vorbeschriebenen Weise eingesetzt. Dabei kann es vorteil­ haft sein, daß hierfür, das heißt zum Anfahren der Gasturbine, deren Generator im Motorbetrieb benutzt wird.

Diese und weitere in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispie­ les erläuterten Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Anhand eines in der schematischen Zeichnung dargestellten in der schematischen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels sollen die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrie­ ben werden.

Das neue Verfahren geht aus von einer herkömmlichen als Mehrwellenanlage aus­ gebildeten Kombikraftwerksanlage 10 mit einem Gasturbinenteil 12 und einem Dampfturbinenteil 14.

Der Gasturbinenteil 12 ist in bekannter Weise mit einem Verdichter 16, einer Brennkammer 18, einer hiervon beaufschlagten Gasturbine 20 und einem daran gekoppelten Generator 22, vorzugsweise Synchrongenerator, versehen. Ferner kann eine Anfahrvorrichtung 23 vorgesehen sein, wenn nicht der Generator 22 hierzu benutzt wird, indem er als Motor betrieben wird.

Das Abgas der Gasturbine 20 dient zur Beheizung eines zum Dampfturbinenteil 14 gehörigen Abhitzekessels 24, in welchem aus dem wenigstens einen Vorwärmer 25 und einen Entgaser 27 aufweisenden Wasserdampfkreislauf 26 zugeführtes Spei­ sewasser verdampft und überhitzt wird. Der so erzeugte Dampf beaufschlagt eine Dampfturbine 28, die ebenfalls mit einem Generator 30, insbesondere Synchroge­ nerator, gekoppelt ist. Der aus der Dampfturbine 28 austretende Dampf wird übli­ cherweise einem Wärmetauscher 32, zum Beispiel zur Versorgung eines Fernwär­ menetzes oder zur Bereitstellung von Prozeßwärme, zugeführt und anschließend in einem Kondensator 34 kondensiert und dem Wasserdampfkreislauf 26 wieder zu­ geführt.

Ferner kann zur Leistungssteigerung der Anlage am Abhitzekessel 24 eine Zusatz­ befeuerung 36 mit einer Zusatzbrennstoffzufuhr 37 vorgesehen sein. Zusätzlich kann eine Frischluftzufuhr 38 installiert kann, um bei Ausfall der Gasturbine 20 die Beheizung des Abhitzekessels 24 sicherzustellen.

Der Start der Kombikraftwerksanlage 10 erfolgt üblicherweise, indem die aus einem nicht näher dargestellten Verbundnetz gespeiste Startvorrichtung 23 oder der hier­ für im Motorbetrieb verwendete Generator 22, ebenfalls aus dem Verbundnetz ge­ speist, die Gasturbine 20 auf eine Drehzahl < Zünddrehzahl beschleunigt, worauf­ hin die Zündung erfolgt und die Gasturbine 20 mit Nenndrehzahl weiter betrieben wird. Das hierbei erzeugte Abgas beheizt, wie vorstehend beschrieben, den Abhit­ zekessel 24 des Dampfturbinenteils 14.

Im Falle eines Netzausfalles erfolgt bislang die Startprozedur in gleicher Weise, wobei die Stromversorgung der Startvorrichtung 23 beziehungsweise des Genera­ tors 22 nicht aus dem Netz gespeist wird, sondern durch eine hier ebenfalls nicht näher dargestellte sogenannte Black Start-Einrichtung, welche als Notstromaggre­ gat in der erforderlichen Größe zusätzlich vorzusehen ist.

An dieser Stelle bedient sich die Erfindung der ohnehin für den bestimmungsge­ mäßen Betrieb der Kombikraftwerksanlage vorhandenen Einrichtungen, wobei ent­ gegen der allgemein verbreiteten Lehre zunächst der Dampfturbinenteil in Betrieb gesetzt wird, um Strom für die Versorgung der Startvorrichtung 22, 23 für die Gasturbine 20 zu erzeugen.

Bei Einwellenanlagen erfolgt zunächst die Beheizung des Abhitzekessels 24 mit Hilfe der Zusatzbefeuerung 36, um Dampf zum Betrieb der Dampfturbine 28 zu er­ zeugen. Die Dampfturbine 28 wird hierbei auf eine Drehzahl beschleunigt, die über der Zünddrehzahl der Gasturbine 20 liegt, wobei aufgrund der erwähnten Koppe­ lung der Gasturbine 20 diese gemeinsam mit der Dampfturbine 28 beschleunigt wird.

Je nach Bedarf kann das der Erfindung zugrundeliegende Kombikraftwerk anstelle einer Kondensationsturbine auch eine Gegendruckdampfturbine aufweisen, bei welcher der Dampf noch zur Bereitstellung von Fernwärme zu Heizzwecken oder von Prozeßwärme herangezogen wird.

Im Falle eines sogenannten "Black Starts", das heißt bei Netzausfall, wird mit Hilfe der vorhandenen Notstromversorgung des Kraftwerkes die Zusatzbefeuerung 36 des Abhitzekessels 24, das heißt die Zusatzbrennstoffzufuhr 37 und die Frischluft­ zufuhr 38, in Betrieb genommen. Auch der Leitstand des Kraftwerks und die übri­ gen Komponenten wie Lüfter, Pumpen etc. werden aus der Notstromversorgung mit elektrischer Energie versorgt, nicht aber die Startvorrichtung 22, 23 für die Gastur­ bine 20, da deren Leistungsbedarf die Leistung der betriebsmäßigen Notstromver­ sorgung bei weitem übersteigt.

Mit der von der Zusatzbefeuerung 36 im Abhitzekessel 24 bereitgestellten Wärme wird das Speisewasser aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf 24 in Dampf überführt, welcher die Dampfturbine 28 beaufschlagt.

Um die Anfahrzeit zu minimieren, kann vorgesehen sein, daß die Dampfturbine 28 nur teilweise beaufschlagt wird, woraus ein geringerer Dampfverbrauch resultiert. Ferner kann bei einer Mehrwellenanlage die Dampfturbine 28 auch mit einer nied­ rigeren Anfahrdrehzahl als der Nenndrehzahl betrieben werden. Nach Erreichen der vorgegebenen Anfahrdrehzahl wird der zugeordnete Generator 30 zugeschal­ tet, und der hierbei erzeugte elektrische Strom wird der Anfahrvorrichtung 23 der Gasturbine 20 beziehungsweise dem als Motor genutzten, der Gasturbine zuge­ ordneten ersten Generator 22 zugeleitet. Je nach Zustand der Gesamtanlage kann ferner vorgesehen sein, während des Anfahrens die Drehzahl der Dampfturbine 28 zu steigern.

Während die Anfahrvorrichtung 22, 23 die Gasturbine 20 beaufschlagt und auf eine Drehzahl oberhalb der Zünddrehzahl beschleunigt, kann bereits die Zusatzfeue­ rung 36 gedrosselt und nach Erreichen der Nenndrehzahl der Gasturbine völlig ab­ geschaltet werden. Gleichzeitig erfolgt dann die Umschaltung des Gasturbinen- Generators 22 vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb.

Nach der Synchronisierung der Generatordrehzahl wird die Gasturbine 20 dann mit der Nenndrehzahl entsprechend dem Normalbetrieb weiter betrieben. Der bereits zum Teil erwärmte Wasser-Dampf-Kreislauf 26 kann nun mit den herkömmlichen Anfahrparametern, das heißt mit den entsprechend dem Anfahren bei Netzversor­ gung üblichen Lastgradienten, weiter betrieben werden.

Der große Vorteil des neuen Verfahrens besteht darin, daß eine sonst erforderliche "Black Start"-Einrichtung entfallen kann, daß demgemäß die hierfür erforderlichen Gebäude, Leitungen und Komponenten einschließlich der Lufttechnik aber auch deren Wartung und Überwachung entfallen und somit ein geringerer Platzbedarf resultiert. Ferner kann auch die sonst zum Anfahren erforderliche Netzeinspeisung entfallen.

Claims (7)

1. Verfahren zum Anfahren einer als Einwellen- oder als Mehrwellenanlage ausgebildeten Kombi-Kraftwerksanlage (10) bei Netzausfall mit einer Gasturbine (20) mit einem zugeordneten ersten Generator (22) und mit einer Anfahrvorrichtung (23), mit einer Dampfturbine (28) mit einem einen Abhitzekessel (24), eine Vor­ wärmstrecke (25) und einen Entgaser (27) aufweisenden Wasserdampfkreislauf (26) zur Verdampfung von Speisewasser für die Dampfturbine (28) und mit einem zugeordneten zweiten Generator (30) sowie mit Hilfseinrichtungen, wie zum Bei­ spiel Vorwärmer (27) für Kondensat, Zusatzfeuerung (36) für den Abhitzekessel (24) mit Einrichtungen zur Frischluftversorgung (38) und zur Brennstoffversorgung (37) sowie mit Hilfssystemen, einem Kondensator (34) und Pumpen und mit einer Notstromversorgungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. zunächst die Notstromversorgungseinrichtung in Betrieb genommen wird, daß
• 2. mit dem hiermit erzeugten elektrischen Strom die Frischluftversorgung, die Brennstoffversorgung (37) und die Zusatzfeuerung (36) des Abhitzekessels (24) sowie die Hilfssysteme und die Pumpen gespeist werden, daß
• 3. das Speisewasser im Abhitzekessel (24) zur Verdampfung gebracht und über­ hitzt wird, daß
• 4. mit dem leicht überhitzten Dampf die Dampfturbine (28) beaufschlagt wird, daß
• 5. bei Erreichen der vorgegebenen Drehzahl der Dampfturbine (28) der Dampfturbi­ nengenerator (30) zugeschaltet wird und bei einer Mehrvellenanlage die Stromver­ sorgung der Anfahrvorrichtung (22, 23) der Gasturbine (20) übernimmt, daß
• 6. bei einer Mehrwellenanlage die Anfahrvorrichtung (22, 23) die Gasturbine (20) beaufschlagt, bis deren Drehzahl oberhalb ihrer Zünddrehzahl liegt oder bei einer Einwellenanlage die Dampfturbine (28) den gemeinsamen Rotorstrang auf eine oberhalb der Zünddrehzahl der Gasturbine (20) liegende Drehzahl beschleunigt, daß
• 7. bei einer Mehrwellenanlage die Synchronisierung des Gasturbinengenerators (22) mit dem Dampfturbinengenerator (30) erfolgt oder bei einer Einwellenanlage kurz vor Erreichen der Nenndrehzahl die Synchronisierung des von der Gasturbine (20), der Dampfturbine (28) und dem zugewandten Generator gebildeten Turbosat­ zes erfolgt und daß
• 8. die Dampfturbine (28) anschließend mit den bei einem Normalstart üblichen Lastgradienten weiter betrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Beschleunigung der Gasturbine (20) die Zusatzfeuerung (36) des Abhitzekessels (24) gedrosselt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen der Nenndrehzahl der Gasturbine (20) die Zusatzfeuerung (36) des Ab­ hitzekessels (24) ausgeschaltet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Überhitzung des verdampften Speisewassers bei minimalem Druck und bei minimaler Frischdampftemperatur erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Dampfturbine (28) mit dem erzeugten Dampf nur zum Teil beaufschlagt wird.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Betrieb der Dampfturbine (28) bei einer niedrigeren Drehzahl als die Nenndrehzahl erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß zum Anfahren der Gasturbine (20) deren Generator (22) im Motorbetrieb benutzt wird.