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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Betreiben eines Kohlekraftwerks.
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Größere konventionelle Kohlekraftwerke werden vorwiegend für die Erzeugung von Grundlaststrom entwickelt und betrieben. Wegen einer zunehmenden Erzeugung von elektrischer Energie aus regenerativen Energiequellen, welche nur zeitlich begrenzt zur Verfügung stehen sowie wegen eines zunehmend ungleichmäßigen Energieverbrauchs über den Tagesgang wird zunehmend die Flexibilisierung der Stromerzeugung gefordert. Daraus folgt, dass die kurzfristige Bereitstellung von Strom wünschenswert ist, der auf konventioneller Art und Weise in konventionellen Kraftwerken erzeugt wurde. Solche konventionellen Kohlekraftwerke umfassen verhältnismäßig große Kesseleinheiten, die eine kurzfristige Leistungsänderung nur bedingt ermöglichen. Das Wiederanfahren eines konventionellen Kraftwerksblocks kann unter Umstände mehrere Stunden bis Tage in Anspruch nehmen, insbesondere wegen der temperaturbedingten Änderungen der heißgehenden Bauteile des Kraftwerks.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks mit wenigstens einem mit fossilen Brennstoffen befeuerten Kessel, insbesondere ein Verfahren zum Betreiben eines Kohlekraftwerks im Hinblick auf die kurzfristige Verfügbarkeit des Kraftwerks im Sinne einer Inbetriebnahme bzw. eines Wiederanfahrens des Kessels zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks mit wenigstens einem Dampferzeuger, insbesondere mit wenigstens einem mit fossilen Brennstoffen befeuerten Kessel, mit einem Wasser-Dampf-Kreislauf sowie mit wenigstens einer Dampfturbine, wobei der Dampferzeuger bedarfsweise intermittierend betrieben wird, wobei während eines Stillstands des Dampferzeugers eine Temperierung des Dampferzeugers unter Nutzung der Abwärme eines gekoppelten Prozesses zur Energiegewinnung erfolgt. Intermittierend im Sinne der Erfindung bedeutet das zeitweise Abschalten bzw. das anschließende Wiederanfahren des Kraftwerkskessels in Abhängigkeit des aktuellen Strombedarfs.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine vollständige Abkühlung des Kessels und der warmgehenden Teile eines Kraftwerks nicht zuzulassen, so dass auf diese Art und Weise ein Anfahren bzw. eine Wiederinbetriebnahme des Kessels in kürzester Zeit möglich ist. Durch eine Temperierung der warmgehenden Teile eines Kraftwerkskessels beispielsweise auf eine Temperatur von etwa 250°C lässt sich beispielsweise ein konventionell befeuerter Kraftwerkskessel in kürzester Zeit wieder anfahren.
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Bei einer besonders bevorzugten Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung wird die Abwärme eines gekoppelten Prozesses zur Gewinnung mechanischer Energie genutzt. Beispielsweise kann die Abwärme wenigstens eines Motors/einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Gasmotors genutzt werden. Gasmotoren können ähnlich wie Gasturbinen nachträglich in Kohlekraftwerken zur Wirkungsgranderhöhung installiert werden, dabei wird die im heißen Abgas enthaltene Energie erfindungsgemäß entweder zur Vorwärmung von Medien, beispielsweise Speisewasser oder direkt im Kessel genutzt.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Abwärme wenigstens einer Gasturbine genutzt werden.
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Gasmotoren besitzen einen verhältnismäßig hohen elektrischen Wirkungsgrad von mehr als 40 % bei Grundlast. Der Teillastwirkungsgrad ist über einen großen Lastbereich nahezu dem Grundlastwirkungsgrad. Darüber hinaus ermöglichen Gasmotoren eine konstante Leistungsabgabe über einen großen Umgebungstemperaturbereich. Schließlich wird zum Betrieb eines Gasmotors nur ein verhältnismäßig niedriger Erdgasversorgungsdruck benötigt. Die mechanische Energie der Gasmotoren kann beispielsweise zur Deckung des elektrischen Eigenbedarfs des Kraftwerks verwendet werden.
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Die Abwärme wenigstens eines Gasmotors kann beispielsweise unmittelbar in den Brennraum des Kessels eingeleitet werden, beispielsweise durch unmittelbarer Einleitung des Abgases in den Kessel.
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Zusätzlich oder alternativ kann der Wasser-Dampf-Kreislauf, insbesondere das Kesselspeisewasser, mit der Abwärme wenigstens eines Gasmotors über wenigstens einen Wärmetauscher beheizt werden, wobei diese Abwärme sowohl während der Stillstandszeiten des Kessels als auch während des Betriebs des Kessels nutzbar ist.
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Die Abwärme großer Gasmotoren fällt etwa zur Hälfte auf dem Temperaturniveau zwischen 400°C und 80°C über das Abgas und etwa zur Hälfte zwischen einem Temperaturniveau von 100°C und 35°C an. Diese Abwärme kann in einem konventionellen Kraftwerksprozess über nahezu das gesamte Temperaturniveau nutzbar gemacht werden, auf dem sie jeweils anfällt.
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Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass Abgas eines Gasmotors unmittelbar in den Dampferzeuger einzuleiten, wobei bei dieser Variante bei Stillstand des Dampferzeugers vorzugsweise der Austritts-Strömungsquerschnitt und/oder die Strömungsgeschwindigkeit durch den Dampferzeuger gedrosselt wird, um die Verweilzeit des Abgases im Dampferzeuger zu erhöhen.
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Zweckmäßigerweise findet das Verfahren gemäß der Erfindung beim Betrieb eines Kohlekraftwerks, beispielsweise eines mit Braunkohle gefeuerten Kessels Anwendung.
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Durch die Kombination von Gasmotor und Kohlekessel ist es sowohl unter Betriebs- als auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten möglich, den Kessel während der Schwachlastbetriebszeiten abzuschalten. Im Schwachlastbetrieb, d. h. in der Regel am Wochenende und in der Nacht kann der Gasmotor thermisch oder stromgeführt betrieben werden. Die Hauptaufgabe besteht darin, den Kessel und den damit verbundenen Wasser-Dampf-Kreislauf mit der Mindestmenge an thermischer Energie zu versorgen, um ein zügiges Anfahren der Anlage zu gewähren. Dabei wird einerseits über das Abgas die Gasmotorabwärme bis zu einer Temperatur von 400°C unmittelbar in den Kessel eingeleitet. Mit der Niedertemperaturwärme des Gasmotors kann zusätzlich eine Kondensat- und Speisewasservorwärmung betrieben werden. Die guten Teillasteigenschaften des Gasmotors ermöglichen dabei eine hervorragende Anpassung der Leistungsabgabe an den elektrischen Leistungsbedarf des Kessels.
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Beim Betrieb von Gasmotoren fällt Prozessabwärme auf verschiedenen Temperaturniveaus an. Der Gasmotor hat bei Teillast etwa einen elektrischen Wirkungsgrad von 40 % bis 46 %. Der Rest fällt mit kleinen Ausnahmen als nutzbare Abwärme an. Das Abgas des Motors hat eine Temperatur um max. 400°C und macht etwa 50 % der nutzbaren Wärmeleistung aus. Die übrigen Kühlkreisläufe (Niedrigtemperaturabwärme) können zur Kondensatvorwärmung von 30°C bis auf ca. 100°C verwendet werden. Diese Maßnahme kann beim Betrieb des Kessels dazu dienen, den sonst für die Kondensatvorwärmung benötigten Anzapfdampf zu sparen. Dieser Anzapfdampf verbleibt in der Turbine und steht somit zur Stromerzeugung zur Verfügung.
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Beim intermittierenden Betrieb des Kraftwerks im Sinne der Erfindung können grundsätzlich drei Lastfälle unterschieden werden. Nämlich einmal ein Schwachlastfall, bei dem der Kessel außerbetrieb ist bzw. nicht kohlebefeuert ist. In diesem Fall sind ein oder mehrere Gasmotoren ggf. im Teillastbetrieb in Betrieb. Das Abgas der Gasmotoren speist den Dampferzeuger und die Niedertemperaturwärme der Gasmotoren wird im Wasser-Dampf-Kreislauf insbesondere zur Kondensatvorwärmung (Niederdruckvorwärmer) genutzt. Die von den Gasmotoren erzeugte elektrische Energie wird überwiegend dazu benötigt, den elektrischen Eigenbedarf zu decken und den Dampferzeuger unter Temperatur zu erhalten. Es wird keine elektrische Leistung in das Netz eingespeist.
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Der zweite Lastfall kann als Mittellastfall bezeichnet werden. Dabei ist die Kohlefeuerung im Betrieb, die Gasmotoren sind außerbetrieb, das Kraftwerk wird in Normalbetrieb gefahren.
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Der dritte Lastfall ist schließlich der Spitzenlastfall, bei welchem der Kessel in Betrieb ist, die Gasmotoren werden unter Volllast betrieben. Das Abgas der Gasmotoren dient zur Kesselspeisewasservorwärmung (Hochdruckvorwärmer). Die Niedertemperaturwärme des oder der Gasmotoren wird zur zusätzlichen Wärmezufuhr in den Wasser-Dampf-Kreislauf genutzt. Der oder die Gasmotoren erzeugen eine zusätzliche maximale Menge an elektrische Energie. Gegenüber dem herkömmlichen Betrieb des Kohlekraftwerks ist eine Leistungssteigerung der Dampfturbinen deshalb möglich, weil für die Kondensatvorwärmung kein Anzapfdampf mehr benötigt wird. In diesem Fall können die Gasmotoren elektrische Energie in die Mittelsspannungsebene (5/6/10 KV) des Kraftwerks einspeisen, wodurch eventuell auftretende Unspannverluste vermieden werden.
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Obwohl vorstehend als Dampferzeuger mehrfach auf einen mit fossilen Brennstoffen befeuerten Kessel Bezug genommen wird, umfasst die Erfindung beispielsweise auch den Betrieb von Dampferzeugern auf solarthermischer Basis.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier stark vereinfachter Verschaltungsdiagrame erläutert, wobei Figur 1 ein stark vereinfachtes Verfahrenschaubild für die Schwachlastperiode und Figur 2 ein stark vereinfachtes Verfahrenschaubild/Verschaltungsdiagram für die Spitzenlastperiode zeigt.
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Mit 1 ist ein Dampferzeuger bezeichnet, der in bekannter Art und Weise wenigstens einen mit Braunkohle befeuerten Kessel umfasst.
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Der Dampferzeuger 1 ist bei der in Figur 1 veranschaulichten Schwachlastperiode des Kraftwerks nicht befeuert. Dieser Dampferzeuger 1 kann beispielsweise wenigstens einen mit Braunkohlenstaub befeuerten Kessel umfassend. Ein mit 2 bezeichneter Gasmotor betreibt einen Generator 3, welcher für die Deckung des elektrischen Eigenbedarfs des Kraftwerks ausgelegt ist. Der Gasmotor 3 wird beispielsweise mit Erdgas bei einem Speisedruck von 5 bis 6 bar betrieben, das etwa 400°C heiße Abgas wird unmittelbar dem Dampferzeuger 1 bzw. dem Kessel zugeführt. Die übrige Niedertemperaturabwärme 4 des Gasmotors 3 wird in einem Wärmetauscher 5 zur Kondensatvorwärmung in einem Kesselspeisewasserkreislauf 6 genutzt.
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Die Figur 2 veranschaulicht die Verschaltung des Gasmotors 3 während der Spitzenlastperiode des Kraftwerks. In diesem Fall ist der Dampferzeuger 1 in Betrieb d. h. mit Kohle befeuert. Über das Abgas des Gasmotors 2 wird über einen HD-Vorwärmer 7 eine Kesselspeisewasservorwärmung betrieben. Die Niedertemperaturabwärme 4 wird gleichzeitig über einen ND-Vorwärmer 8 zur Vorwärmung des Kondensats verwendet.
Bezugszeichenliste
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- 1
- Dampferzeuger
- 2
- Gasmotor
- 3
- Generator
- 4
- Niedertemperaturabwärme
- 5
- Wärmetauscher
- 6
- Kesselspeisewasserkreislauf
- 7
- Hochdruckvorwärmer
- 8
- Niederdruckvorwärmer
