EP1854964A1 - Use of the steam turbine for primary frequency control in power generating plants - Google Patents

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EP1854964A1
EP1854964A1 EP06009701A EP06009701A EP1854964A1 EP 1854964 A1 EP1854964 A1 EP 1854964A1 EP 06009701 A EP06009701 A EP 06009701A EP 06009701 A EP06009701 A EP 06009701A EP 1854964 A1 EP1854964 A1 EP 1854964A1
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EP
European Patent Office
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pressure
turbomachine
boiler
steam
pressure part
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06009701A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Norbert Pieper
Rudolf Dr. Pötter
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/16—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type
    • F01K7/165—Controlling means specially adapted therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
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    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01K7/22—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type the turbines having inter-stage steam heating
    • F01K7/24—Control or safety means specially adapted therefor

Definitions

  • the invention relates to a method for the short-term increase in output of power generation plants, which have at least one boiler and at least one turbomachine, wherein the power generation plant is associated with at least one control element, and wherein the power generation plant has a high-pressure Umleitstation and a reheate.
  • Such power generation plants are known and are used for example for generating electrical energy.
  • the supplied thermal power of the boiler must be adjusted.
  • the thermal inertia of the boiler is compensated.
  • the thermal inertia of the boiler is compensated.
  • the increased pressure in the boiler in the design is taken into account. Due to the increased pressure, for example, the components or the individual components of the boiler in their dimension must be adjusted accordingly to withstand the excessive pressure.
  • the invention has for its object to improve a method for short-term increase in performance of power generation plants with simple means to the effect that the Efficiency is increased during normal operation of the power generation plant or the turbomachine.
  • the additional steam flow in the high-pressure diverter station is increased by water injection in the steam flow before the admixture with the high-pressure steam in the cold reheat line and is lowered in its temperature.
  • the high-pressure exhaust steam mixed with the additional steam flow expands in a medium-pressure or low-pressure part of the turbomachine, so that an additional power is made available.
  • the turbomachine is designed as a steam turbine.
  • the turbomachine preferably has a high-pressure part, a medium-pressure part and a low-pressure part, which are connected in succession.
  • the at least one control element is arranged as a control valve in a main steam line, which leads from the boiler to the turbomachine or to its high pressure part, and wherein a further control element is arranged as a control valve in a hot reheate line, the Turbomachine or leads to the medium-pressure part.
  • the inventive method for short-term performance increase of the power generation plant is applicable to both fossil-fired power plants as well as combined gas and steam turbine power plants, which have a reheat (ZÜ) and a high-pressure diverter (HDU).
  • the process of the invention utilizes the ability of the boiler to store thermal energy.
  • the control elements or the at least one control element as a control valve completely open.
  • the high-pressure bypass station (HDU) is opened according to load request. This is possible by means of known control devices.
  • the additional vapor stream which is discharged from the boiler, is in the high-pressure bypass station (HDU) on a, based on its temperature in the boiler, lower temperature level hosed or cooled and in the cold reheat line (kZÜ line) mixed into the Hoch Kunststoffabdampf.
  • HDU high-pressure bypass station
  • the additional vapor stream flows mixed with the Hochdruckabdampf over the reheater through the hot reheat line in the direction of the intermediate-pressure turbine and from here to the low-pressure turbine and provides by expansion on the one hand in the medium-pressure turbine and the low-pressure turbine, the required extra power available.
  • the boiler or the high-pressure steam drum is used as a thermal storage, which is now discharged from the normal state (with fully open control element and closed high pressure bypass (HDU)) out.
  • HDU high pressure bypass
  • Recharging raising the pressure level to nominal pressure
  • both types fin fuel fired plants and combined cycle gas turbine plants
  • the withdrawal from the boiler thus bridges the time until the increase in the supplied thermal power at the generator or on the turbomachine is effective.
  • the primary frequency control has the advantage that the steam turbine or turbomachine can be driven regularly in pure sliding pressure mode by the controlled use of the high-pressure bypass station (HDU).
  • HDU high-pressure bypass station
  • the lossy throttling required by the state of the art in modified sliding pressure operation by the control element or by the live steam control valves is completely eliminated. This means an efficiency gain.
  • the high pressure part of the boiler need not be designed for the increased pressures at modified sliding pressure.
  • Combined gas and steam turbine power plants have the same advantages as fossil-fueled steam power plants.
  • the steam turbine or turbomachine can take over the primary frequency control of the gas turbine without having to reduce the base load.
  • the inventive method is applicable both in a drum boiler (circulation boiler) and in principle in a continuous boiler.
  • Fig. 1 shows a power plant 1 as a schematic diagram of a fragmentary.
  • the power generation plant 1 has at least one boiler 2 and at least one turbomachine 3.
  • the boiler 2 shown by way of example in FIG. 1 is designed as a drum boiler (circulation boiler), but the boiler 2 can also be designed as a continuous boiler.
  • the power generation plant 1 is associated with at least one control element 4, wherein the power generation plant 1 has a high-pressure bypass station (HDU) 6 and a reheat (ZÜ) 7.
  • HDU high-pressure bypass station
  • ZÜ reheat
  • the boiler 2 shown in FIG. 1 is a fossil-fired boiler having a high-pressure economizer 8, a high-pressure steam drum 9 with evaporator and a high-pressure superheater 11.
  • the turbomachine 3 is designed as a steam turbine, which has a high-pressure part 12, a medium-pressure part 13 and a low-pressure part 14.
  • the low-pressure part 14 is designed as a double-flow turbine in the illustrated embodiment. This has two blades formed from blades and vanes, which are arranged in the axial direction seen left and right of an inflow.
  • the boiler 2 is connected via a main steam line 16 to the high-pressure part 12 of the turbomachine 3.
  • the control element 4 is arranged as a live steam control valve.
  • a high-speed fire valve 18 is arranged above the control element 4.
  • the flow medium or the steam flows in normal operation of the power generation plant 1 through the main steam line 16 and through the high pressure part 12 of the turbomachine 3 in a cold reheat line 19 (kZÜ line), via the reheater 7 of the boiler 2 in a hot reheat line 21 in the direction of Middle pressure part 13 of the turbomachine 3.
  • a further control element 4 as a control valve and in the flow direction (arrow 17) of the medium or the steam seen above arranged quick-closing valve 18 is provided.
  • the vapor or the medium expands in the middle pressure part 13 of the turbomachine 3 and passes from it via a connecting line 22 into the low-pressure part 14 of the turbomachine 3.
  • the Hochdruckumleitstation 6 is disposed between the main steam line 16 and the cold reheat line 19 and with a control element 23 to open or close.
  • the power generation plant 1 is shown as a combined gas and steam turbine power plant 26.
  • Their gas turbine plant 27 is connected upstream of the boiler 2 and has a compressor 28, a combustion chamber 29 and a turbine 31.
  • the boiler 2 which is designed in the embodiment shown in FIG. 2 as a waste heat boiler, as in the embodiment of FIG. 1, the high-pressure economizer 8, the high-pressure steam drum 9 with evaporator and the high-pressure superheater 11.
  • the boiler 2 is associated with a medium-pressure economizer 32, a medium-pressure steam drum 33 with evaporator and a medium-pressure superheater 34, which opens via a connecting line 36, starting from the medium-pressure superheater 34 in the cold reheat line 19.
  • FIG. 2 corresponds in principle to the embodiment of FIG. 1.
  • the inventive method for short-term performance increase is feasible.
  • the inventive method is therefore feasible in fossil-fired power plants (FIG. 1) as well as in combined gas and steam turbine power plants (FIG. 2), which have a reheaution 7 and a high-pressure diverter station 6, the method according to the invention being used as a drum boiler designed boiler 2 is considered, with it It should be noted that the method according to the invention is in principle also applicable to a continuous boiler.
  • the ability of the boiler 2 is used to store thermal energy.
  • the control elements 4 and the control valves are fully open.
  • the high-pressure bypass station (HDU) 6 is opened according to load request.
  • an additional vapor stream from the boiler 2 is removed (withdrawal), which is cooled or sprayed in the high pressure Umleitstation 6, based on the temperature prevailing in the boiler 2, lower temperature level or in the cold reheat line 19 the Hochscherabdampf admixed.
  • the additional steam flow bypasses the high-pressure part 12 of the turbomachine 3, by being supplied directly from the boiler 2 via the high-pressure bypass station 6 directly to the cold reheate pipe 19.
  • the Hochnikabdampf is that steam, which leaves the high-pressure part 12 of the turbomachine 3.
  • the high-pressure exhaust steam mixed with the additional steam flow is fed to the medium-pressure part 13 of the turbomachine and expands here.
  • the mixed with the Hoch horrabdampf additional vapor stream is supplied via the connecting line 22 to the low pressure part 14 of the turbomachine, and also expands.

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Abstract

The method involves storing thermal energy in a drum boiler (2), and completely opening of a regulating unit in a normal operation of a power generation system (1). A high pressure-bypass station (6) is opened to provide steam flow to the boiler according to load requirement. The steam flow is added to a high pressure exhaust of a turbo machine (3) in a cold intermediate superheating conductor (19), where the turbo machine is designed as a steam turbine. The high pressure exhaust added with the steam flow is fed to the turbo machine.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kurzzeitigen Leistungssteigerung von Energieerzeugungsanlagen, die zumindest einen Kessel und zumindest eine Strömungsmaschine aufweisen, wobei der Energieerzeugungsanlage zumindest ein Regelelement zugeordnet ist, und wobei die Energieerzeugungsanlage eine Hochdruck-Umleitstation und eine Zwischenüberhitzung aufweist.The invention relates to a method for the short-term increase in output of power generation plants, which have at least one boiler and at least one turbomachine, wherein the power generation plant is associated with at least one control element, and wherein the power generation plant has a high-pressure Umleitstation and a reheate.

Derartige Energieerzeugungsanlagen sind bekannt und werden beispielsweise zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet.Such power generation plants are known and are used for example for generating electrical energy.

Innerhalb eines elektrischen Netzverbunds muss jederzeit sichergestellt sein, dass die von den Verbrauchern abgenommene der in den Kraftwerken bzw. in den Energieerzeugungsanlagen produzierten elektrischen Leistung entspricht. Als Puffer wirkt hier lediglich die Netzfrequenz, die jedoch innerhalb sehr enger Grenzen gehalten werden muss. Auf zeitliche Schwankungen im Verbrauch muss zeitnah auf der Seite der Kraftwerke reagiert werden. Dieser Vorgang wird Frequenzregelung genannt. Dabei soll es auch möglich sein, ungewollte Ausfälle ganzer Kraftwerke zu verkraften, ohne dass die Netzfrequenz unzulässig einbricht.Within an electrical network, it must be ensured at all times that the power consumed by consumers corresponds to the electrical power produced in the power plants or in the power generation plants. The only buffer that acts here is the network frequency, which, however, must be kept within very narrow limits. Timing fluctuations in consumption must be responded promptly on the side of the power plants. This process is called frequency control. It should also be possible to cope with unwanted failures of entire power plants, without the grid frequency breaking inadmissible.

Die Anforderungen, die der Netzbetreiber an die einzelnen Kraftwerke bezüglich der Frequenzregelung stellt, sind in Regelwerken zusammengestellt. Für Deutschland beispielsweise gelten die auf dem GridCode basierenden Regelwerke "Kooperationsregeln für die deutschen Netzbetreiber" von August 1998 und "Netz- und Systemregeln der deutschen Übertragungsnetzbetreiber" von April 2000. Danach beträgt die aktivierbare Primärregelreserve für eine Erzeugungseinheit mit mehr als 100 MW mindestens +/- 2 Prozent der Nennleistung und muss innerhalb von 30 Sekunden linear aktiviert werden können. Sie muss für 15 Minuten zur Verfügung stehen.The requirements that the grid operator places on the individual power plants with regard to the frequency control are compiled in regulations. For Germany, for example, the rules based on the GridCode "Cooperation rules for the German network operators" of August 1998 and "Network and system rules of the German transmission system operators" of April 2000 apply. Thereafter, the activatable primary control reserve for a generating unit with more than 100 MW at least +/- 2 percent of the rated power and must be linearly activated within 30 seconds. It must be available for 15 minutes.

Wegen der großen Kesselträgheit führt eine Änderung der zugeführten thermischen Leistung zu einem verzögerten Ansprechen der Generatorleistung bzw. der Strömungsmaschine. Die nach den Regelwerken geforderten Laständerungsgeschwindigkeiten lassen sich also nur mit zusätzlichen Maßnahmen erfüllen.Due to the large boiler inertia, a change in the supplied thermal power leads to a delayed response of the generator power or the turbomachine. The required according to the regulations load change speeds can therefore be met only with additional measures.

Meist werden fossil befeuerte Kraftwerke, also z.B. mit Braun- oder Steinkohle gefeuerte Kraftwerke, welche die Anforderungen bezüglich Primärfrequenzregelung einhalten müssen, in einem so genannten modifizierten Gleitdruckbetrieb betrieben.Most fossil fueled power plants, e.g. brown coal or hard coal fired power plants that must meet the requirements for primary frequency control, operated in a so-called modified sliding pressure operation.

Im Normalbetrieb der Kraftwerke sind dabei die Regelelemente bzw. die Frischdampfstellventile angedrosselt. Als Folge hiervon ist der Druck im Kessel und somit die in der Hochdruck-Dampftrommel gespeicherte Energie erhöht. Die Hochdruck-Dampftrommel ist ein Bestandteil des Kessels.In normal operation of the power plants while the control elements or the live steam control valves are throttled. As a result, the pressure in the boiler and thus the energy stored in the high pressure steam drum is increased. The high-pressure steam drum is part of the boiler.

Um nun die Leistung der fossilen Kraftwerke kurzfristig zu erhöhen, also bei schneller, kurzfristiger Leistungssteigerung, öffnen die Stellventile weiter. Dadurch steigt zunächst der Frischdampfmassenstrom und die erzeugte elektrische Leistung.To increase the power of the fossil power plants in the short term, ie with faster, short-term performance increase, open the control valves on. This initially increases the main steam mass flow and the electrical power generated.

Mit der Entladung (Ausspeicherung) der thermischen Energie aus dem Kessel geht die elektrische Leistung wieder zurück.With the discharge (discharge) of the thermal energy from the boiler, the electrical power goes back again.

Um dauerhaft die erhöhte elektrische Leistung zu liefern, muss die zugeführte thermische Leistung des Kessels angepasst werden. Somit wird mit der Androsselung (angedrosselte Stellventile) im Normalbetrieb die thermische Trägheit des Kessels kompensiert.
Als ein Hauptnachteil dieses bekannten Verfahrens zur kurzfristigen Leistungssteigerung ist anzusehen, dass im Normalbetrieb der gesamte Frischdampfmassenstrom über das Regelelement bzw. das Frischdampfstellventil gedrosselt wird. Dies bedeutet aber selbstverständlich eine Wirkungsgradeinbuße gegenüber ungedrosselten Ventilen. Außerdem ist der erhöhte Druck im Kessel bei der Auslegung zu berücksichtigen. Durch den erhöhten Druck müssen beispielsweise die Bauteile bzw. die einzelnen Bauelemente des Kessels in ihrer Dimension entsprechend angepasst werden, um dem überhöhten Druck stand zu halten.In order to provide the increased electrical power permanently, the supplied thermal power of the boiler must be adjusted. Thus, with the throttling (throttled control valves) in normal operation, the thermal inertia of the boiler is compensated.
As a major disadvantage of this known method for short-term performance increase is to be considered that in normal operation the entire live steam mass flow is throttled via the control element or the live steam control valve. Of course, this means a loss of efficiency compared to unthrottled valves. In addition, the increased pressure in the boiler in the design is taken into account. Due to the increased pressure, for example, the components or the individual components of the boiler in their dimension must be adjusted accordingly to withstand the excessive pressure.

Ein Verfahren zur kurzzeitigen Leistungssteigerung ist aber auch bei Energieerzeugungsanlagen der bekannten Bauart kombinierter Gas- und Dampfturbinenkraftwerke bekannt. Bei diesen Anlagen wird häufig lediglich die Gasturbine für die Frequenzregelung vorgesehen. Die zeitlichen Anforderungen der Netzbetreiber können jedoch nicht ohne weiteres erfüllt werden, da die Laständerungsgeschwindigkeit von Gasturbinen limitiert ist.However, a method for short-term performance increase is also known in power generation plants of the known type combined gas and steam turbine power plants. In these systems, often only the gas turbine for frequency control is provided. However, the time requirements of the network operators can not be readily met, since the load change speed of gas turbines is limited.

Daher wird zunehmend versucht, auch die Dampfturbine zur raschen Primärfrequenzregelung einzubinden. Hierzu wird bisher ein ähnliches Vorgehen wie bei fossil befeuerten Kesseln durchgeführt, d. h. über ein Androsseln der Frischdampfstellventile wird die Hochdruck-Dampftrommel auf ein deutlich höheres Druckniveau angehoben. Im Anforderungsfall führt die Druckanhebung in der Hochdruck-Dampftrommel zu einem höheren Frischdampfmassenstrom und somit (zeitlich begrenzt) zu der geforderten Mehrleistung.Therefore, an increasing attempt is also being made to integrate the steam turbine for rapid primary frequency control. For this purpose, a similar procedure has been carried out as in fossil-fired boilers, d. H. By throttling the live steam control valves, the high pressure steam drum is raised to a much higher pressure level. If required, the pressure increase in the high-pressure steam drum leads to a higher live steam mass flow and thus (limited in time) to the required extra power.

Nachteiligerweise muss auch hier - wie bei fossil befeuerten Kraftwerken - die zugeführte thermische Leistung des Kessels gesteigert werden, damit die Dampfturbine dauerhaft eine höhere Leistung liefert.Disadvantageously, here too - as in fossil-fired power plants - the supplied thermal power of the boiler must be increased so that the steam turbine permanently delivers a higher performance.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur kurzzeitigen Leistungssteigerung von Energieerzeugungsanlagen mit einfachen Mitteln dahingehend zu verbessern, dass der Wirkungsgrad im Normalbetrieb der Energieerzeugungsanlage bzw. der Strömungsmaschine erhöht ist.The invention has for its object to improve a method for short-term increase in performance of power generation plants with simple means to the effect that the Efficiency is increased during normal operation of the power generation plant or the turbomachine.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur kurzzeitigen Leistungssteigerung von Energieerzeugungsanlagen gelöst, die zumindest einen Kessel und zumindest eine Strömungsmaschine aufweisen, wobei der Energieerzeugungsanlage zumindest ein Regelelement zugeordnet ist, und wobei die Energieerzeugungsanlage eine Hochdruck-Umleitstation und eine Zwischenüberhitzung aufweist, umfassend die Schritte:

  • Speichern von thermischer Energie in dem Kessel,
  • vollständiges Öffnen des zumindest einen Regelelementes im Normalbetrieb der Energieerzeugungsanlage,
  • Öffnen der Hochdruck-Umleitstation nach Lastanforderung um einen zusätzlichen Dampfstrom aus dem Kessel zur Verfügung zu stellen,
  • Zumischen des zusätzlichen Dampfstroms zu einem Hochdruckabdampf der Strömungsmaschine in einer kalten Zwischenüberhitzungsleitung, und
  • Zuleiten des mit dem zusätzlichen Dampfstrom vermischten Hochdruckabdampfs zur Strömungsmaschine.
According to the invention, the object is achieved by a method for the short-term increase in output of power generation plants, which have at least one boiler and at least one turbomachine, wherein the power generation plant is assigned at least one control element, and wherein the power generation plant has a high-pressure bypass station and a reheate, comprising the steps:
  • Storing thermal energy in the boiler,
  • complete opening of the at least one control element during normal operation of the power generation plant,
  • Opening the high-pressure diverter station according to the load requirement in order to provide an additional steam flow from the boiler,
  • Admixing the additional vapor stream to a high pressure exhaust steam of the turbomachine in a cold reheat line, and
  • Supplying the mixed with the additional steam flow Hochdruckabdampfs to the turbomachine.

Günstig im Sinne der Erfindung ist, wenn der zusätzliche Dampfstrom in der Hochdruck-Umleitstation vor der Zumischung zum Hochdruckabdampf in der kalten Zwischenüberhitzungsleitung durch Wassereinspritzung im Dampfstrom erhöht und in seiner Temperatur abgesenkt wird.In the context of the invention, it is advantageous if the additional steam flow in the high-pressure diverter station is increased by water injection in the steam flow before the admixture with the high-pressure steam in the cold reheat line and is lowered in its temperature.

Zweckmäßig ist, wenn der mit dem zusätzlichen Dampfstrom vermischte Hochdruckabdampf in einem Mitteldruck- bzw. Niederdruckteil der Strömungsmaschine expandiert, so dass eine Mehrleistung zur Verfügung gestellt wird.It is expedient if the high-pressure exhaust steam mixed with the additional steam flow expands in a medium-pressure or low-pressure part of the turbomachine, so that an additional power is made available.

Zweckmäßigerweise ist die Strömungsmaschine als Dampfturbine ausgeführt.Conveniently, the turbomachine is designed as a steam turbine.

Bevorzugterweise weist die Strömungsmaschine hierbei einen Hochdruckteil, einen Mitteldruckteil und einen Niederdruckteil auf, die nacheinander geschaltet sind.In this case, the turbomachine preferably has a high-pressure part, a medium-pressure part and a low-pressure part, which are connected in succession.

Vorteilhaft im Sinne der Erfindung ist, wenn das zumindest eine Regelelement als Stellventil in einer Frischdampfleitung angeordnet ist, die ausgehend von dem Kessel zur Strömungsmaschine bzw. zu deren Hochdruckteil führt, und wobei ein weiteres Regelelement als Stellventil in einer heißen Zwischenüberhitzungsleitung angeordnet ist, die zur Strömungsmaschine bzw. zu deren Mitteldruckteil führt.Advantageous in the context of the invention is when the at least one control element is arranged as a control valve in a main steam line, which leads from the boiler to the turbomachine or to its high pressure part, and wherein a further control element is arranged as a control valve in a hot reheate line, the Turbomachine or leads to the medium-pressure part.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur kurzzeitigen Leistungssteigerung der Energieerzeugungsanlage ist sowohl bei fossil befeuerten Kraftwerken als auch bei kombinierten Gas- und Dampfturbinenkraftwerken anwendbar, die über eine Zwischenüberhitzung (ZÜ) und eine Hochdruck-Umleitstation (HDU) verfügen.The inventive method for short-term performance increase of the power generation plant is applicable to both fossil-fired power plants as well as combined gas and steam turbine power plants, which have a reheat (ZÜ) and a high-pressure diverter (HDU).

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Fähigkeit des Kessels genutzt, thermische Energie zu speichern. Allerdings sind im Unterschied zum bekannten Stand der Technik die Regelelemente bzw. das zumindest eine Regelelement als Stellventil vollständig geöffnet.The process of the invention utilizes the ability of the boiler to store thermal energy. However, in contrast to the known prior art, the control elements or the at least one control element as a control valve completely open.

Zur kurzzeitigen Erhöhung der Turbinenleistung bzw. der Leistung der Strömungsmaschine, die vorzugsweise als Dampfturbine ausgeführt ist, wird die Hochdruck-Umleitstation (HDU) nach Lastanforderung geöffnet. Dies ist mittels bekannter Steuereinrichtungen möglich.For a short-term increase in the turbine power or the power of the turbomachine, which is preferably designed as a steam turbine, the high-pressure bypass station (HDU) is opened according to load request. This is possible by means of known control devices.

Der zusätzliche Dampfstrom, welcher aus dem Kessel ausgespeichert wird, wird in der Hochdruck-Umleitstation (HDU) auf ein, bezogen auf seine Temperatur im Kessel, niedrigeres Temperaturniveau abgespritzt bzw. gekühlt und in der kalten Zwischenüberhitzungsleitung (kZÜ-Leitung) dem Hochdruckabdampf zugemischt.The additional vapor stream, which is discharged from the boiler, is in the high-pressure bypass station (HDU) on a, based on its temperature in the boiler, lower temperature level hosed or cooled and in the cold reheat line (kZÜ line) mixed into the Hochdruckabdampf.

Über die kalte Zwischenüberhitzungsleitung strömt der zusätzliche Dampfstrom vermischt mit dem Hochdruckabdampf über den Zwischenüberhitzer durch die heiße Zwischenüberhitzungsleitung in Richtung zur Mitteldruckturbine und von hier aus zur Niederdruckturbine und stellt durch Expansion zum einen in der Mitteldruckturbine und der Niederdruckturbine die geforderte Mehrleistung zur Verfügung.Via the cold reheat line, the additional vapor stream flows mixed with the Hochdruckabdampf over the reheater through the hot reheat line in the direction of the intermediate-pressure turbine and from here to the low-pressure turbine and provides by expansion on the one hand in the medium-pressure turbine and the low-pressure turbine, the required extra power available.

Vorteilhafterweise wird hierbei der Kessel bzw. die Hochdruck-Dampftrommel als thermischer Speicher genutzt, welcher nun aus dem Normalzustand (bei voll geöffnetem Regelelement und geschlossener Hochdruckumleitung (HDU)) heraus entladen wird.Advantageously, in this case the boiler or the high-pressure steam drum is used as a thermal storage, which is now discharged from the normal state (with fully open control element and closed high pressure bypass (HDU)) out.

Das Wiederaufladen (Anheben des Druckniveaus auf Nenndruck) erfolgt bei beiden Typen (fossil befeuerte Anlagen und kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlagen) über eine Erhöhung der zugeführten thermischen Kesselleistung.Recharging (raising the pressure level to nominal pressure) occurs in both types (fossil fuel fired plants and combined cycle gas turbine plants) by increasing the thermal boiler power supplied.

Vorteilhafterweise überbrückt die Ausspeicherung aus dem Kessel somit die Zeit, bis die Erhöhung der zugeführten thermischen Leistung am Generator bzw. an der Strömungsmaschine wirksam wird.Advantageously, the withdrawal from the boiler thus bridges the time until the increase in the supplied thermal power at the generator or on the turbomachine is effective.

Bei fossil befeuerten Dampfkraftwerken hat die Primärfrequenzregelung durch die geregelte Nutzung der Hochdruck-Umleitstation (HDU) den Vorteil, dass die Dampfturbine bzw. die Strömungsmaschine regulär im reinen Gleitdruckbetrieb gefahren werden kann. Die im modifizierten Gleitdruckbetrieb nach dem Stand der Technik erforderliche verlustbehaftete Androsselung durch das Regelelement bzw. durch die Frischdampfstellventile entfällt vollständig. Dies bedeutet einen Wirkungsgradgewinn. Außerdem braucht der Hochdruckteil des Kessels nicht für die erhöhten Drücke bei modifiziertem Gleitdruck ausgelegt zu werden.For fossil-fueled steam power plants, the primary frequency control has the advantage that the steam turbine or turbomachine can be driven regularly in pure sliding pressure mode by the controlled use of the high-pressure bypass station (HDU). The lossy throttling required by the state of the art in modified sliding pressure operation by the control element or by the live steam control valves is completely eliminated. This means an efficiency gain. In addition, the high pressure part of the boiler need not be designed for the increased pressures at modified sliding pressure.

Vorteilhafterweise sind weiterhin keine zusätzlichen Bauteile erforderlich.Advantageously, further no additional components are required.

Bei kombinierten Gas- und Dampfturbinenkraftwerken stellen sich die gleichen Vorteile wie bei fossil befeuerten Dampfkraftwerken ein. Die Dampfturbine bzw. die Strömungsmaschine kann die Primärfrequenzregelung von der Gasturbine übernehmen, ohne die Basislast reduzieren zu müssen.Combined gas and steam turbine power plants have the same advantages as fossil-fueled steam power plants. The steam turbine or turbomachine can take over the primary frequency control of the gas turbine without having to reduce the base load.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl bei einem Trommelkessel (Umlaufkessel) als auch prinzipiell bei einem Durchlaufkessel anwendbar.The inventive method is applicable both in a drum boiler (circulation boiler) and in principle in a continuous boiler.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart.Further advantageous embodiments of the invention are disclosed in the subclaims and the following description of the figures.

Es zeigen:

Fig. 1
eine Prinzipskizze einer fossil befeuerten Energieerzeugungsanlage, und
Fig. 2
eine Prinzipskizze einer kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage.
Show it:
Fig. 1
a schematic diagram of a fossil-fired power generation plant, and
Fig. 2
a schematic diagram of a combined gas and steam turbine plant.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.In the different figures, the same parts are always provided with the same reference numerals, so that these are usually described only once.

Fig. 1 zeigt eine Energieerzeugungsanlage 1 als Prinzipskizze ausschnittsweise. Die Energieerzeugungsanlage 1 weist zumindest einen Kessel 2 und zumindest eine Strömungsmaschine 3 auf. Der in Fig. 1 beispielhaft dargestellte Kessel 2 ist als Trommelkessel (Umlaufkessel) ausgeführt, wobei der Kessel 2 aber auch als Durchlaufkessel ausgeführt sein kann.Fig. 1 shows a power plant 1 as a schematic diagram of a fragmentary. The power generation plant 1 has at least one boiler 2 and at least one turbomachine 3. The boiler 2 shown by way of example in FIG. 1 is designed as a drum boiler (circulation boiler), but the boiler 2 can also be designed as a continuous boiler.

Der Energieerzeugungsanlage 1 ist zumindest ein Regelelement 4 zugeordnet, wobei die Energieerzeugungsanlage 1 eine Hochdruck-Umleitstation (HDU) 6 und eine Zwischenüberhitzung (ZÜ) 7 aufweist.The power generation plant 1 is associated with at least one control element 4, wherein the power generation plant 1 has a high-pressure bypass station (HDU) 6 and a reheat (ZÜ) 7.

Der in Fig. 1 dargestellte Kessel 2 ist ein fossil befeuerter Kessel, der einen Hochdruck-Economiser 8, eine Hochdruck-Dampftrommel 9 mit Verdampfer und einen Hochdruck-Überhitzer 11 aufweist.The boiler 2 shown in FIG. 1 is a fossil-fired boiler having a high-pressure economizer 8, a high-pressure steam drum 9 with evaporator and a high-pressure superheater 11.

Die Strömungsmaschine 3 ist als Dampfturbine ausgeführt, die einen Hochdruckteil 12, einen Mitteldruckteil 13 und einen Niederdruckteil 14 aufweist. Der Niederdruckteil 14 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als doppelflutige Turbine ausgeführt. Diese weist zwei aus Lauf- und Leitschaufeln gebildete Schaufelgitter auf, die in axial Richtung gesehen links und rechts eines Einströmbereiches angeordnet sind.The turbomachine 3 is designed as a steam turbine, which has a high-pressure part 12, a medium-pressure part 13 and a low-pressure part 14. The low-pressure part 14 is designed as a double-flow turbine in the illustrated embodiment. This has two blades formed from blades and vanes, which are arranged in the axial direction seen left and right of an inflow.

Der Kessel 2 ist über eine Frischdampfleitung 16 mit dem Hochdruckteil 12 der Strömungsmaschine 3 verbunden. In der Frischdampfleitung 16 ist das Regelelement 4 als Frischdampfstellventil angeordnet.The boiler 2 is connected via a main steam line 16 to the high-pressure part 12 of the turbomachine 3. In the main steam line 16, the control element 4 is arranged as a live steam control valve.

In Strömungsrichtung (Pfeil 17) eines aus dem Kessel 2 in Richtung zur Strömungsmaschine 3 strömenden Mediums (Dampf) gesehen ist oberhalb des Regelelementes 4 ein Schnellschussventil 18 angeordnet. Das Strömungsmedium bzw. der Dampf strömt im Normalbetrieb der Energieerzeugungsanlage 1 durch die Frischdampfleitung 16 und durch den Hochdruckteil 12 der Strömungsmaschine 3 in eine kalte Zwischenüberhitzungsleitung 19 (kZÜ-Leitung), über den Zwischenüberhitzer 7 des Kessels 2 in eine heiße Zwischenüberhitzungsleitung 21 in Richtung zum Mitteldruckteil 13 der Strömungsmaschine 3. In der heißen Zwischenüberhitzungsleitung 21 ist ein weiteres Regelelement 4 als Stellventil und ein in Strömungsrichtung (Pfeil 17) des Mediums bzw. des Dampfes gesehen oberhalb angeordnetes Schnellschlussventil 18 vorgesehen.As seen in the flow direction (arrow 17) of a medium (vapor) flowing out of the boiler 2 in the direction of the turbomachine 3, a high-speed fire valve 18 is arranged above the control element 4. The flow medium or the steam flows in normal operation of the power generation plant 1 through the main steam line 16 and through the high pressure part 12 of the turbomachine 3 in a cold reheat line 19 (kZÜ line), via the reheater 7 of the boiler 2 in a hot reheat line 21 in the direction of Middle pressure part 13 of the turbomachine 3. In the hot reheat line 21 is a further control element 4 as a control valve and in the flow direction (arrow 17) of the medium or the steam seen above arranged quick-closing valve 18 is provided.

Der Dampf bzw. das Medium entspannt sich in dem Mitteldruckteil 13 der Strömungsmaschine 3 und gelangt von diesem über eine Verbindungsleitung 22 in den Niederdruckteil 14 der Strömungsmaschine 3.The vapor or the medium expands in the middle pressure part 13 of the turbomachine 3 and passes from it via a connecting line 22 into the low-pressure part 14 of the turbomachine 3.

Die Hochdruckumleitstation 6 ist zwischen der Frischdampfleitung 16 und der kalten Zwischenüberhitzungsleitung 19 angeordnet und mit einem Regelelement 23 zu öffnen bzw. zu schließen.The Hochdruckumleitstation 6 is disposed between the main steam line 16 and the cold reheat line 19 and with a control element 23 to open or close.

In Fig. 2 ist die Energieerzeugungsanlage 1 als kombiniertes Gas- und Dampfturbinenkraftwerk 26 dargestellt. Deren Gasturbinenanlage 27 ist dem Kessel 2 vorgeschaltet und weist einen Verdichter 28, eine Brennkammer 29 und eine Turbine 31 auf.In Fig. 2, the power generation plant 1 is shown as a combined gas and steam turbine power plant 26. Their gas turbine plant 27 is connected upstream of the boiler 2 and has a compressor 28, a combustion chamber 29 and a turbine 31.

Der Kessel 2, der in dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel als Abhitzekessel ausgeführt ist, weist wie bei dem Ausführungsbeispiel zu Fig. 1 den Hochdruck-Economiser 8, die Hochdruck-Dampftrommel 9 mit Verdampfer und den Hochdruck-Überhitzer 11 auf. Zusätzlich ist dem Kessel 2 ein Mitteldruck-Economiser 32, eine Mitteldruck-Dampftrommel 33 mit Verdampfer und ein Mitteldruck-Überhitzer 34 zugeordnet, die über eine Verbindungsleitung 36 ausgehend vom Mitteldruck-Überhitzer 34 in der kalten Zwischenüberhitzungsleitung 19 mündet.The boiler 2, which is designed in the embodiment shown in FIG. 2 as a waste heat boiler, as in the embodiment of FIG. 1, the high-pressure economizer 8, the high-pressure steam drum 9 with evaporator and the high-pressure superheater 11. In addition, the boiler 2 is associated with a medium-pressure economizer 32, a medium-pressure steam drum 33 with evaporator and a medium-pressure superheater 34, which opens via a connecting line 36, starting from the medium-pressure superheater 34 in the cold reheat line 19.

Ansonsten entspricht das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 prinzipiell dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1.Otherwise, the embodiment of FIG. 2 corresponds in principle to the embodiment of FIG. 1.

Bei den in Fig. 1 und 2 dargestellten unterschiedlichen Energieerzeugungsanlagen 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren zur kurzzeitigen Leistungssteigerung durchführbar. Das erfindungsgemäße Verfahren ist also bei fossil befeuerten Kraftwerken (Fig. 1) als auch bei kombinierten Gas- und Dampfturbinenkraftwerken (Fig. 2), die über eine Zwischenüberhitzung 7 und eine Hochdruck-Umleitstation 6 verfügen durchführbar, wobei das erfindungsgemäße Verfahren an einem als Trommelkessel ausgestalteten Kessel 2 betrachtet wird, wobei darauf hinzuweisen ist, dass das erfindungsgemäße Verfahren prinzipiell auch bei einem Durchlaufkessel anwendbar ist.In the illustrated in Fig. 1 and 2 different power generation plants 1, the inventive method for short-term performance increase is feasible. The inventive method is therefore feasible in fossil-fired power plants (FIG. 1) as well as in combined gas and steam turbine power plants (FIG. 2), which have a reheaution 7 and a high-pressure diverter station 6, the method according to the invention being used as a drum boiler designed boiler 2 is considered, with it It should be noted that the method according to the invention is in principle also applicable to a continuous boiler.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Fähigkeit des Kessels 2 genutzt, thermische Energie zu speichern. Jedoch sind im Normalbetrieb die Regelelemente 4 bzw. die Stellventile vollständig geöffnet. Zur kurzzeitigen Leistungssteigerung der Turbinenleistung wird die Hochdruck-Umleitstation (HDU) 6 nach Lastanforderung geöffnet. Hierdurch wird ein zusätzlicher Dampfstrom aus dem Kessel 2 entnommen (Ausspeicherung), der in der Hochdruck-Umleitstation 6 auf ein, bezogen auf die in dem Kessel 2 herrschende Temperatur, niedrigeres Temperaturniveau abgekühlt bzw. abgespritzt wird, und in der kalten Zwischenüberhitzungsleitung 19 dem Hochdruckabdampf zugemischt. Der zusätzliche Dampfstrom umgeht den Hochdruckteil 12 der Strömungsmaschine 3, indem dieser aus dem Kessel 2 über die Hochdruck-Umleitstation 6 quasi direkt der kalten Zwischenüberhitzungsleitung 19 zugeführt wird.In the method according to the invention, the ability of the boiler 2 is used to store thermal energy. However, in normal operation, the control elements 4 and the control valves are fully open. For short-term performance increase of the turbine power, the high-pressure bypass station (HDU) 6 is opened according to load request. As a result, an additional vapor stream from the boiler 2 is removed (withdrawal), which is cooled or sprayed in the high pressure Umleitstation 6, based on the temperature prevailing in the boiler 2, lower temperature level or in the cold reheat line 19 the Hochdruckabdampf admixed. The additional steam flow bypasses the high-pressure part 12 of the turbomachine 3, by being supplied directly from the boiler 2 via the high-pressure bypass station 6 directly to the cold reheate pipe 19.

Der Hochdruckabdampf ist derjenige Dampf, welche den Hochdruckteil 12 der Strömungsmaschine 3 verlässt.The Hochdruckabdampf is that steam, which leaves the high-pressure part 12 of the turbomachine 3.

Über den Zwischenüberhitzer 7 bzw. die heiße Zwischenüberhitzungsleitung 21 wird der mit dem zusätzlichen Dampfstrom vermischte Hochdruckabdampf dem Mitteldruckteil 13 der Strömungsmaschine zugeführt und expandiert hier.Via the reheater 7 or the hot reheat line 21, the high-pressure exhaust steam mixed with the additional steam flow is fed to the medium-pressure part 13 of the turbomachine and expands here.

Anschließend wird der mit dem Hochdruckabdampf vermischte zusätzliche Dampfstrom über die Verbindungsleitung 22 dem Niederdruckteil 14 der Strömungsmaschine zugeführt, und expandiert ebenfalls.Subsequently, the mixed with the Hochdruckabdampf additional vapor stream is supplied via the connecting line 22 to the low pressure part 14 of the turbomachine, and also expands.

Damit wird die geforderte Mehrleistung kurzfristig zur Verfügung gestellt, wobei jeweils die Strömungsmaschine 3 bzw. die Dampfturbine zur primären Frequenzregelung genutzt wird.Thus, the required extra power is made available at short notice, in each case the turbomachine 3 and the steam turbine is used for primary frequency control.

Hinzuweisen ist hierbei auf den Umstand, dass die Mehrleitung lediglich eine kurzzeitige Leistungssteigerung bewirkt. Die Ausspeicherung aus dem Kessel 2 überbrückt somit die Zeit, bis die Erhöhung der zugeführten thermischen Leistung am Generator wirksam wirkt. Der Generator ist in den beiden Figuren 1 und 2 nicht dargestellt.It should be pointed out here that the multiple line only causes a short-term increase in performance. The Discharge from the boiler 2 thus bridges the time until the increase in the supplied thermal power acts effectively on the generator. The generator is not shown in the two figures 1 and 2.

Claims (6)

Verfahren zur kurzzeitigen Leistungssteigerung von Energieerzeugungsanlagen (1), die zumindest einen Kessel (2) und eine Strömungsmaschine (3) aufweisen,
wobei der Energieerzeugungsanlage (1) zumindest ein Regelelement (4) zugeordnet ist, und
wobei die Energieerzeugungsanlage (1) eine Hochdruck-Umleitstation (6) und eine Zwischenüberhitzung (7) aufweist, umfassend die Schritte - Speichern von thermischer Energie in dem Kessel (2), - vollständiges Öffnen des zumindest einen Regelementes (4) im Normalbetrieb der Energieerzeugungsanlage (1), - Öffnen der Hochdruck-Umleitstation (6) nach Lastanforderung, um einen zusätzlichen Dampfstrom aus dem Kessel (2) zur Verfügung zu stellen, - Zumischen des zusätzlichen Dampfstroms zu einem Hochdruckabdampf der Strömungsmaschine (3) in einer kalten Zwischenüberhitzungsleitung (19), und - Zuleiten des mit dem zusätzlichen Dampfstrom vermischten Hochdruckabdampfs zur Strömungsmaschine (3). Method for the short-term increase in output of power generation plants (1), which have at least one boiler (2) and one turbomachine (3),
wherein the power generation plant (1) is associated with at least one control element (4), and
wherein the power plant (1) comprises a high pressure bypass station (6) and a reheat (7) comprising the steps Storing thermal energy in the boiler (2), complete opening of the at least one control element (4) during normal operation of the power generation plant (1), Opening the high-pressure diverter station (6) according to the load requirement, in order to provide an additional steam flow from the boiler (2), Admixing the additional steam flow to a high pressure exhaust steam of the turbomachine (3) in a cold reheat line (19), and - Supply of mixed with the additional steam flow Hochdruckabdampfs to the flow machine (3). Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zusätzliche Dampfstrom vor der Zumischung zum Hochdruckabdampf in der kalten Zwischenüberhitzungsleitung (19) durch Wassereinspritzung im Dampfstrom erhöht und in seiner Temperatur abgesenkt wird.Method according to claim 1,
characterized in that
the additional vapor stream is increased by the water injection in the vapor stream before being added to the Hochdruckabdampf in the cold reheat line (19) and lowered in its temperature. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der mit dem zusätzlichen Dampfstrom vermischte Hochdruckabdampf in einem Mitteldruckteil (13) bzw. einem Niederdruckteil (14) der Strömungsmaschine (3) expandiert,
so dass eine Mehrleistung kurzfristig zur Verfügung gestellt wird.Method according to claim 1 or 2,
characterized in that
the high-pressure exhaust steam mixed with the additional steam flow expands in a medium-pressure part (13) or a low-pressure part (14) of the turbomachine (3),
so that more power is provided at short notice. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Strömungsmaschine (3) als Dampfturbine ausgeführt ist.Method according to one of the preceding claims,
characterized in that
the turbomachine (3) is designed as a steam turbine. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Strömungsmaschine (3) einen Hochdruckteil (12), einen Mitteldruckteil (13) und einen Niederdruckteil (14) aufweist, die nacheinander geschaltet sind.Method according to one of the preceding claims,
characterized in that
the turbomachine (3) has a high-pressure part (12), a medium-pressure part (13) and a low-pressure part (14), which are connected in succession. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das zumindest eine Regelelement (4) als Stellventil in einer Frischdampfleitung (16) angeordnet ist, die ausgehend von dem Kessel (2) zur Strömungsmaschine (3) bzw. zu deren Hochdruckteil (12) führt, und
wobei ein zweites Regelelement (4) als Stellventil in einer heißen Zwischenüberhitzungsleitung (21) angeordnet ist, die ausgehend von dem Zwischenüberhitzer (7) zur Strömungsmaschine (3) bzw. zu deren Mitteldruckteil (13) führt.Method according to one of the preceding claims,
characterized in that
the at least one control element (4) is arranged as a control valve in a main steam line (16), which leads from the boiler (2) to the turbomachine (3) or to its high-pressure part (12), and
wherein a second control element (4) is arranged as a control valve in a hot reheatee line (21), which leads starting from the reheater (7) to the turbomachine (3) or to the intermediate pressure part (13).
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