EP3511534A1 - Dampfkraftwerk und verfahren zum betreiben eines dampfkraftwerks - Google Patents

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EP3511534A1
EP3511534A1 EP18208619.9A EP18208619A EP3511534A1 EP 3511534 A1 EP3511534 A1 EP 3511534A1 EP 18208619 A EP18208619 A EP 18208619A EP 3511534 A1 EP3511534 A1 EP 3511534A1
Authority
EP
European Patent Office
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steam
power plant
electrical
heat
water
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18208619.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Dreißigacker
Michael Krüger
Stefan Zunft
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP3511534A1 publication Critical patent/EP3511534A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/18—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters
    • F01K3/186—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters using electric heat
    • 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
    • F01K1/00—Steam accumulators
    • F01K1/04—Steam accumulators for storing steam in a liquid, e.g. Ruth's type
    • 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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    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • 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
    • 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
    • F01K17/00—Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant
    • F01K17/06—Returning energy of steam, in exchanged form, to process, e.g. use of exhaust steam for drying solid fuel or plant

Definitions

  • the invention relates to a steam power plant, such as brown coal or hard coal power plant, with a water-steam cycle, a generator connected to a generator for electrical energy turbine assembly and a thermal energy storage part containing a heat storage medium heat storage unit, a heat input device and a to the Has water-steam circuit or a flue gas path connected discharge device, and to a method for operating such a steam power plant.
  • a steam power plant and a method of this kind are in the DE 10 2011 100 517 A1 specified.
  • a control system for adapting the power of a steam turbine to a changed load in the context of a primary control is provided with a heat storage.
  • the heat storage takes with reduced load and thus increased amount of steam tapped from the steam turbine heat from the tapped steam and are at increased load and thus correspondingly reduced amount of the steam turbine tapped steam heat to a steam / feed water circuit, which supplies the steam turbine.
  • control system is based on the variation of the tapped steam quantity in connection with the intermediate storage of heat.
  • the change in the power plant steam turbine power over the amount of steam drawn off gives a limited margin for power adjustment.
  • structural design of the control system requires no small effort.
  • an energy storage power plant for electric power generation which is suitable for the transfer of electrical energy into thermal energy, wherein the thermal energy can be stored in a buffer until the time of need in at least two thermal storage and, if necessary, to increase the energy content of water in a water cycle can be retrieved.
  • a thermal storage for storing sensible heat and a thermal storage for storing latent heat is provided.
  • This energy storage power plant and the method used thereby takes advantage of the fact that electrical energy, which can be acquired relatively inexpensively in times of surplus production of electrical energy, can be converted into thermal energy, which is suitably stored in the energy storage power plant, and if required again the power generation can be supplied.
  • thermal storage electrical energy To charge the two thermal storage electrical energy must be removed from an electrical supply circuit, so as the public power grid, if necessary, which is then converted by means of one or more suitable conversion devices into thermal energy.
  • the DE 10 2012 003 267 A1 shows various heat storage with electric heaters, which can also be used in connection with a steam power plant.
  • the heat accumulator for a short time high surplus electricity quantities can be stored in order to be able to deliver them again at a later time over a longer period of time. Even such arrangements are inadequate to meet high flexibility requirements when adapting to requested services.
  • a steam power plant and a method of the DE 10 2011 078 193 A1 known.
  • a higher energy steam is tapped on a turbine assembly and admixed with a low energy steam tapped on the turbine assembly.
  • the vapor mixture is fed to a preheater, in particular a high pressure preheater of the steam power plant for heating a feedwater flowing through the preheater.
  • the controlled or controlled admixing of the higher-energy steam to the low-energy steam is intended to bring about a rapid power change in the steam power plant.
  • the present invention has the object, a steam power plant, especially brown coal or hard coal power plant, and a method for its operation in such a way that the most efficient increase in flexibility is achieved.
  • the heat coupling device has an electrical heating device, which can be acted upon by an electrical energy supply device with the electrical energy generated by the generator and at the output side removed therefrom by means of a process control.
  • the object is achieved by a method having the features of claim 5, wherein it is provided that the heat energy supplied to the thermal energy storage part is generated by means of an electrical heating device, wherein the warm-up device supplied electrical power of the electric power generated by the steam power plant on the output side is removed from the generator.
  • the thermal storage system with the energy storage more electric power supplied via the warm-up device while load increase, so increased power supply to the power grid, the thermal storage system with the energy storage correspondingly less electrical power is supplied, wherein the control or regulation of the power distribution, in particular also the operation of the warm-up, takes place via the process control.
  • the coal-fired power plant can provide very fast electrical power because it has not been shut down but is still running and thus a start of the sluggish system (warm / cold start) is bypassed.
  • the electrical heat stored during loading allows - depending on the place of integration - an electrical power increase during unloading, savings of coal and / or a power plant internal thermal management (auxiliary steam or the like.).
  • the thermal storage system by the extension of the thermal storage system by the electrical heating device, d. H. a high-performance electric heater, a high increase in flexibility in load subsidence, especially minimum load reduction, and increases load and dynamics achieved, resulting in high efficiency and as a further advantage at most low integration effects of thermal energy storage in the power plant process and thus have significant benefits for retrofitting existing Coal power plants result.
  • the integration of the electrically heated heat accumulator thus allows a mode of operation of the coal power plant under constant operating conditions, which also results in benefits in life and efficiency.
  • the necessary flexibility is provided by utilizing the electrically heated heat storage and by not shutting down the coal power plant.
  • the design that the electrical heating device is designed as a resistance heating device or as an inductive heating device, can achieve high-performance and efficient operations with high efficiencies.
  • thermal energy storage portion with a Ruths storage, a solid storage, or a molten salt storage.
  • the integration sites mentioned allow a low-feedback integration of the thermal storage system in the complex power plant process and thus give no or negligible effects on the operational limits of central power plant components, such as steam, turbines and the like.
  • the integration sites provide solutions that result in only relatively small shifts in operating conditions (eg, pressure, temperature) in the power plant process, thus ensuring extended operational availability while allowing for high flexibility gains.
  • the measures also contribute to an advantageous mode of operation in that the loading processes and the unloading processes are controlled or regulated by a process controller as a function of predetermined and / or predefinable process parameters, wherein superordinate control or controlled variables can be incorporated.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a water-steam cycle 1 of a steam power plant, such as in particular a brown coal or coal power plant, with arranged therein essential process components.
  • a thermal energy storage system with a thermal energy storage part 5 is connected to the water-steam cycle 1.
  • the water-steam cycle 1 comprises, as usual, a feedwater part 2, a steam generator section 3 following in the process flow, and a steam turbine arrangement 4 for driving a generator 7 for electrical power generation.
  • the feedwater part 2 is provided on the input side with a capacitor 21 connected to the output side of the turbine arrangement 4 and further comprises a condensate pump 22 and low-pressure preheater 23, a feedwater tank 20 and a feedwater pump 24 for providing the feedwater for the steam generator section 3.
  • high pressure preheater 30, a preheater 31, an evaporator 32, and a superheater 33 are arranged downstream of the process scheme to generate high pressure steam for the turbine assembly 4.
  • the turbine arrangement 4 comprises on the input side a high-pressure turbine 40, a subsequent medium-pressure turbine 41 and an output-side low-pressure turbine 42. Between the high-pressure turbine 40 and the medium-pressure turbine 41, a reheater 43 for the process steam is arranged.
  • the turbine assembly 4 which may be structurally designed differently and provided with different tapping points, as known per se, is driven in rotation by the steam mass flow passing through it in order to generate via the generator 7 the electric current or electric power to be provided by the steam power plant and thus to supply consumers connected via a power network.
  • the steam power plant must be able to react flexibly to different power requirements, the relatively slow process of steam generation, which is relatively slow in itself, precluding high flexibility requirements.
  • a heat storage unit 50 in the embodiment according to the invention, which is equipped with an electrical heating devicetician micheinkoppelungs worn. 6 having.
  • the heat storage unit 50 on the output side via a discharge device 51 with the water-steam circuit 1 present in the region of the steam generator section 3, namely connected to the Hochdruckvorierrn 30, via a heat exchanger.
  • the heat storage unit 50 has a high heat storage capacity and is advantageous for. B. with a solid reservoir (regenerator), liquid salt storage or a Ruths memory provided.
  • thermal energy storage part 5 consist in a discharge of heat energy in the feedwater part 2, in particular the Niederbuchvorierrn 23, in other places of the steam generator section 3, or in the (in the Fig. 1 not shown) flue gas path as well as in combinations of these integration sites.
  • the necessary thermal specifications can be met by a suitable design and control of the thermal energy storage part 5.
  • An essential feature of the invention of the steam power plant consists in a special embodiment of the heat coupling device 6 of the thermal energy storage part 5.
  • the heat coupling device 6 has in accordance Fig. 1 a powered by an electrical power supply 61 with electrical energy warm-up device 60, by means of which the heat storage unit 50 heat energy is supplied.
  • a conductive electrical method based on resistance heating or an inductive electric method is used for this purpose.
  • the electrical heat energy supply 61 is thereby fed by the electric power generated by the steam power plant to load the heat storage unit 50 with heat energy.
  • the electrical power supplied to the electrical heating device 60 can be controlled or regulated by means of a process control.
  • the control or regulation of the output side The electrical power removed from the generator 7 can, for example, be effected as a function of process parameters predetermined or predefinable in the power plant and / or as a function of control or regulating variables of a superordinate network control.
  • a load reduction of the steam power plant at a supply of electric power to the electric warm-up device 60 and a supply of heat energy with the thermal energy storage part 5, d. H. during a loading phase, achieved by the electrical energy generated in the steam power plant is used for electrically heating the heat storage unit 50 and the thermal energy storage.
  • a significant advantage of this method is that the steam generation in the steam generator section 3 can continue to operate and a high minimum load reduction of the fed from the steam power plant in the connected power supply power (up to a power of 0 W) is possible.
  • a very high flexibility of the steam power plant is achieved and prevents a shutdown of the sluggish steam generator device and thus a costly startup of the steam generation process, as in a warm or cold start.
  • the conserved in the heat storage unit 50 thermal energy is used to heat over the respective heat exchanger, a high-pressure preheating Effecting feedwater.
  • the coupling of the heat for high-pressure preheating thus allows during the discharge phase, a reduction of a tap quantity of steam at the steam turbine of the turbine assembly 4 and thus a higher electrical power through a higher steam mass flow.
  • the integration concept according to the invention thus makes it possible in steam power plants, in particular coal power plants, to provide a highly flexible reduction of the electrical load on the output side or electrical power output, which allows a minimum load reduction of the steam power plant up to 0 W, depending on the design or control of the electrical heating device 60.
  • the electric auxiliary heater dispenses with an elaborate procedural integration of the storage system into the water-steam cycle 1 and a shutdown of the steam generator, which on the one hand results in no negative integration effects and on the other hand can avoid warm and cold starts.
  • An additional electric power (generated by the warming by means of the thermal energy storage part 5) is achieved here by higher mass flows to the steam turbines, as can be dispensed with a removal of bleed steam for preheating the feed water in Hochdruckvorwarmer.
  • the inventive design also allows high efficiencies.
  • the heat generated electrically during the charging can be achieved, for example, with the aforementioned conductive method by resistance heating with very high efficiency (> 95%).
  • the additional electric power generated during the discharge is achieved by increased steam mass flows in the steam turbines, which operate at high isentropic efficiencies (approximately 90%) and thus achieve efficient power generation, possibly taking into account only efficiency-reducing effects due to a higher volume flow in the steam turbines are.

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Abstract

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

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Dampfkraftwerk, wie Braun- oder Steinkohlekraftwerk, mit einem Wasser-Dampf-Kreislauf, einer an einen Generator für die elektrische Energieerzeugung angeschlossenen Turbinenanordnung und einem thermischen Energiespeicherteil, der eine ein Wärmespeichermedium enthaltende Wärmespeichereinheit, eine Wärmeeinkopplungseinrichtung sowie eine an den Wasser-Dampf-Kreislauf oder einen Rauchgaspfad angeschlossene Entladeeinrichtung aufweist, und auf ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Dampfkraftwerks.
  • Ein Dampfkraftwerk und ein Verfahren dieser Art sind in der DE 10 2011 100 517 A1 angegeben. Hierbei ist ein Regelsystem zur Anpassung der Leistung einer Dampfturbine an eine veränderte Last im Rahmen einer Primärregelung mit einem Wärmespeicher versehen. Der Wärmespeicher entnimmt bei verringerter Last und dadurch erhöhter Menge von der Dampfturbine abgezapften Dampfs dem abgezapften Dampf Wärme und gibt bei erhöhter Last und dadurch entsprechend verringerter Menge von der Dampfturbine abgezapften Dampfs Wärme an einen Dampf-/Speisewasserkreislauf ab, der die Dampfturbine versorgt. Daneben ist als denkbar angegeben, den Wärmespeicher gesondert zu beheizen, sofern nicht Abwärme zur Verfügung steht, z. B auch elektrisch in Zeiten eines Stromüberangebots. Die elektrische Beheizung des Wärmespeichers wirkt sich dabei nicht auf die Primärregelung an sich aus. Insgesamt beruht das Regelsystem auf der Variation der abgezapften Dampfmenge in Verbindung mit der Zwischenspeicherung von Wärme. Die Änderung der Leistung der Kraftwerksdampfturbine über die Höhe der abgezapften Dampfmenge ergibt einen beschränkten Spielraum für die Leistungsanpassung. Auch erfordert die konstruktive Ausgestaltung des Regelsystems nicht geringen Aufwand.
  • In der DE 10 2012 204 081 A1 ist ein Energiespeicherkraftwerk zur elektrischen Stromgewinnung offenbart, welches zur Überführung von elektrischer Energie in thermische Energie geeignet ist, wobei die thermische Energie bis zu einem Zeitpunkt des Bedarfs in wenigstens zwei thermischen Speichern zwischengespeichert werden kann und bei Bedarf zur Erhöhung des Energiegehalts von Wasser in einem Wasserkreislauf abgerufen werden kann. Dabei ist ein thermischer Speicher zur Speicherung von fühlbarer Wärme und ein thermischer Speicher zur Speicherung von Latentwärme vorgesehen. Dieses Energiespeicherkraftwerk und das dabei angewandte Verfahren macht sich zu Nutzen, dass elektrische Energie, die bei Zeiten der Überschussproduktion von elektrischer Energie relativ kostengünstig erworben werden kann, in thermische Energie überführt werden kann, die in geeigneter Weise in dem Energiespeicherkraftwerk zwischengespeichert wird, und bei Bedarf erneut der Stromerzeugung zugeführt werden kann. Zur Aufladung der beiden thermischen Speicher muss bei Bedarf elektrische Energie aus einem elektrischen Versorgungskreislauf, also etwa dem öffentlichen Stromnetz, entnommen werden, die dann mittels einer oder mehrerer geeigneter Wandelvorrichtungen in thermische Energie überführt wird. Mit diesen Maßnahmen ist eine schnelle flexible Anpassung an geänderte Netzlasten in praktisch erforderlichem Umfang kaum zu erreichen, denn insbesondere bei der thermischen Entladung ist ein Hochfahren des trägen Wärme-Kraftprozesses notwendig, wodurch kein dynamischer Betrieb erreicht werden kann.
  • Die DE 10 2012 003 267 A1 zeigt verschiedene Wärmespeicher mit elektrischen Heizvorrichtungen, die auch im Zusammenhang mit einer Dampfkraftwerksanlage einsetzbar sind. Mittels des Wärmespeichers sollen kurzzeitig hohe Überschuss-Strommengen gespeichert werden können, um diese zu einem späteren Zeitpunkt über einen längeren Zeitabschnitt wieder abgeben zu können. Auch solche Vorkehrungen sind unzureichend, um hohe Flexibilitätsanforderungen bei der Anpassung an angeforderte Leistungen zu erfüllen.
  • In den genannten DE 10 2012 204 081 A1 und DE 10 2012 003 267 A1 werden Energiespeicherkraftwerke vorgestellt, die grundsätzlich darauf basieren, dass elektrische Energie aus dem öffentlichen Netz während der Beladung genutzt wird, um thermische Energiespeicher zu erwärmen. Während der Entladung wird die gespeicherte thermische Energie verwendet, um einen Wärmekraftprozess (in der DE 10 2012 204 081 A1 ein Wasser-Dampf-Prozess; in der DE 10 2012 003 267 A1 ein spezifizierter, nur abstrakt durch den Carnot-Wirkungsgrad beschriebener Prozess) zu betreiben und somit wieder elektrische Energie in das öffentliche Netz zu speisen. Dabei geht es grundsätzlich um neu zu bauende Energiespeicherkraftwerke, die elektrische Energie aus dem/in das öffentliche/n Netz übertragen, und nicht um die Ertüchtigung vorhandener Kohlekraftwerke. Die bei der Entladung der Energiespeicherkraftwerke laufenden Wärmeprozesse sind dabei durch thermische Trägheit der Komponenten begrenzt, wobei der Prozess nur während der Entladephase betrieben wird.
  • In der CH 196 041 A ist eine Einbindung von Wärmespeichern bei Dampfkraftanlagen gezeigt, wobei eine Aufspeicherung von Dampf in einem Ruths-Speicher genannt ist.
  • Weiterhin sind ein Dampfkraftwerk und ein Verfahren aus der DE 10 2011 078 193 A1 bekannt. Bei diesem Dampfkraftwerk wird an einer Turbinenanordnung ein höherenergetischer Dampf angezapft und einem an der Turbinenanordnung angezapften niederenergetischen Dampf zugemischt. Das Dampfgemisch wird einem Vorwärmer, insbesondere einem Hochdruckvorwärmer des Dampfkraftwerks zur Erwärmung eines durch den Vorwärmer strömenden Speisewassers zugeführt. Durch die geregelte oder gesteuerte Zumischung des höherenergetischen Dampfs zu dem niederenergetischen Dampf soll eine schnelle Leistungsänderung bei dem Dampfkraftwerk bewirkt werden.
  • Bei einem in der WO 2013/000838 A2 vorgestellten weiteren Dampfkraftwerk und Verfahren zu dessen Betrieb werden zur schnellen oder temporären Leistungssteigerung Hilfsdampfverbraucher des Dampfkraftwerks beim An- oder Abfahren desselben mit Hilfsdampf aus einem Hilfsdampferzeuger versorgt. Bei einer Leistungsanforderung an das Dampfkraftwerk wird der Hilfsdampf in den Wasser-Dampf-Kreislauf des Dampfkraftwerks eingespeist, dadurch eine Turbine des Dampfkraftwerks mit zusätzlichem Dampf versorgt und die Leistung des Dampfkraftwerks sofort, schnell oder temporär gesteigert. In der DE 10 2012 215 569 A1 ist zur schnellen Wirkleistungsänderung von Dampfkraftwerksanlagen vorgeschlagen, im Wasser-Dampf-Arbeitskreislauf einen Dampfanteil als Prozessenergie für eine CO2-Abschalteeinrichtung abzuzweigen, wobei in der Abzweigung oder einer nachfolgenden Dampfentnahmeleitung eine einstellbare Armatur zur schnellen Erhöhung und Reduzierung des abgezweigten Dampfanteils vorgesehen ist.
  • Weitere Dampfkraftwerke und Verfahren zum Betreiben derselben sind in der DE 10 2011 078 205 A1 , der WO 2009/100881 A2 und der DE 10 2015 109 898 A1 gezeigt.
  • Im Zuge des zunehmenden Ausbaus erneuerbarer Energie kommt der Flexibilitätssteigerung konventionell betriebener Kraftwerkstypen, insbesondere Dampfkraftwerken wie Braun- oder Steinkohlekraftwerken, eine erhöhte Bedeutung zu.
  • Von solchen Anforderungen ausgehend, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Dampfkraftwerk, insbesondere Braun- oder Steinkohlekraftwerk, sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb in der Weise auszugestalten, dass eine möglichst effiziente Flexibilitätssteigerung erreicht wird.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Dampfkraftwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass die Wärmeeinkopplungseinrichtung eine elektrische Aufwärmvorrichtung aufweist, welche über eine elektrische Energiezuführvorrichtung mit von dem Generator erzeugter, ausgangsseitig an diesem abgenommener elektrischer Energie unter Steuerung oder Regelung mittels einer Prozesssteuerung beaufschlagbar ist.
  • Hinsichtlich der Betriebsweise wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst, wobei vorgesehen ist, dass die dem thermischen Energiespeicherteil zugeführte Wärmeenergie mittels einer elektrischen Aufwärmvorrichtung erzeugt wird, wobei die der Aufwärmvorrichtung zugeführte elektrische Leistung der von dem Dampfkraftwerk erzeugten elektrischen Leistung ausgangsseitig an dem Generator entnommen wird.
  • Bei Untersuchungen der Erfinder hat sich als eine vielversprechende Lösung, die zunehmenden Flexibilitätsanforderungen für Braun- und Steinkohlekraftwerke (Kohlekraftwerke) zu erfüllen, herausgestellt, dass dafür die Integration von thermischen Energiespeichern in den Kraftwerksprozess und deren Beheizung durch die am Ausgang des Generators abgenommene elektrische Leistung in Abhängigkeit von der angeforderten, in das Stromnetz einzuspeisenden elektrischen Leistung vorteilhaft ist. Dies ermöglicht durch die zeitliche Entkopplung von thermischer Energie und elektrisch erzeugter Arbeit an der Turbinenanordnung, d. h. an den in den Wasser-Dampf-Kreislauf eingebundenen Dampfturbinen, erhöhte Mindestlastabsenkungen und wesentlich verbesserte Lastgradienten im Vergleich zu konventionell betriebenen Kohlekraftwerken. Geeignete Integrationsorte zur Ein- und Auskopplung thermischer Energie in das und aus dem thermischen Speichersystem haben sich vorteilhaft im Wasser-Dampf-Kreislauf, aber auch im Rauchgaspfad des Dampferzeugers gefunden.
  • Bei Lastabsenkung, d. h. verringerter Einspeisung elektrischer Leistung in das Stromnetz, wird also dem thermischen Speichersystem mit dem Energiespeicher entsprechend mehr elektrische Leistung über die Aufwärmvorrichtung zugeführt, während bei Lasterhöhung, also erhöhter Leistungseinspeisung in das Stromnetz, dem thermischen Speichersystem mit dem Energiespeicher entsprechend weniger elektrische Leistung zugeführt wird, wobei die Steuerung bzw. Regelung der Leistungsverteilung, insbesondere auch des Betriebs der Aufwärmvorrichtung, über die Prozesssteuerung erfolgt. Während der Entladung (zu Zeiten eines hohen elektrischen Energiebedarfs im Netz) kann das Kohlekraftwerk sehr schnell elektrische Leistung bereitstellen, da es nicht abgeschaltet wurde, sondern weiterbetrieben wird und somit ein Anfahren des trägen Systems (Warm-/Kaltstart) umgangen wird. Zusätzlich ermöglicht die beim Beladen gespeicherte Elektrowärme - je nach Integrationsort - eine elektrische Leistungserhöhung beim Entladen, Einsparungen von Kohle und / oder ein kraftwerksinternes Wärmemanagement (Hilfsdampf oder dgl.).
  • Dabei werden durch die Erweiterung des thermischen Speichersystems durch die elektrische Aufwärmvorrichtung, d. h. eine leistungsstarke elektrische Heizung, eine hohe Flexibilitätssteigerung bei Lastabsenkungen, insbesondere auch Mindestlastabsenkung, und Lasterhöhungen sowie Dynamik erreicht, wobei sich eine hohe Effizienz ergibt und als weiterer Vorteil allenfalls geringe Integrationseffekte des thermischen Energiespeicherteils in den Kraftwerksprozess auftreten und sich somit wesentliche Vorteile für eine Nachrüstung bestehender Kohlekraftwerke ergeben. Die Integration des elektrisch beheizten Wärmespeichers ermöglicht so eine Fahrweise des Kohlekraftwerks unter konstanten Betriebsbedingungen, wodurch sich auch Vorteile in der Lebensdauer und der Effizienz ergeben. Die notwendige Flexibilität wird unter Nutzung des elektrisch beheizten Wärmespeichers und durch das Nicht-Abfahren des Kohlekraftwerks bereitgestellt.
  • Dabei lassen sich durch die Ausgestaltung, dass die elektrische Aufwärmvorrichtung als Widerstandsheizvorrichtung oder als induktive Heizvorrichtung ausgebildet ist, leistungsstarke und effiziente Betriebsweisen mit hohen Wirkungsgraden erreichen.
  • Verschiedene vorteilhafte thermische Speichersysteme, die hohe Kapazitäts- und Leistungsanforderungen erfüllen, werden dadurch erhalten, dass der thermische Energiespeicherteil mit einem Ruths-Speicher, einem Feststoffspeicher oder einem Flüssigsalzspeicher versehen ist.
  • Vorteilhafte Integrationsorte, die bei der Einkopplung der thermischen Energie in das thermische Speichersystems eine hohe Mindestlastabsenkung und gleichzeitig bei der Auskopplung der thermischen Energie aus dem Speichersystem eine vergleichbare Leistungserhöhung des Dampfkraftwerks ermöglichen, ergeben sich dadurch, dass die Entladeeinrichtung in einem Dampferzeugerabschnitt, insbesondere an einem Hochdruckvorwärmer, oder in einem Speisewasserteil, insbesondere an einem Niederdruckvorwärmer, angeschlossen ist. Diese Integrationsorte des Speichersystems erlauben mit einem hohen Wirkungsgrad sowohl eine effiziente Reduktion als auch Erhöhung der von dem Dampfkraftwerk für äußere Verbraucher bereitgestellten elektrischen Leistung und somit erhebliche Flexibilitätssteigerungen zur Lastabsenkung beziehungsweise Lasterhöhung. Zudem erlauben die genannten Integrationsorte eine rückkopplungsarme Einbindung des thermischen Speichersystems in den komplexen Kraftwerksprozess und ergeben somit keine beziehungsweise vernachlässigbare Einflüsse auf die betrieblichen Einsatzgrenzen zentraler Kraftwerkskomponenten, wie Dampfkessel, Turbinen und dergleichen. Die Integrationsorte ergeben Lösungen, die zu lediglich relativ geringen Verschiebungen der Betriebsbedingungen (z. B. Druck, Temperatur) im Kraftwerksprozess führen, somit eine erweiterte betriebliche Verfügbarkeit sichern, und gleichzeitig hohe Flexibilitätssteigerungen erreichen lassen.
  • Entsprechende Vorteile ergeben sich bei dem Verfahren dadurch, dass die Wärmeenergie bei dem Entladevorgang in einem Dampferzeugungsabschnitt, insbesondere in einem Hochdruckvorwärmer, und in einem Speisewasserteil, insbesondere einem Niederdruckvorwärmer, des Wasser-Dampf-Kreislaufs zugeführt wird.
  • Weitere Vorteile beim Betreiben des Dampfkraftwerks bestehen darin, dass durch den Entladevorgang eine gegenüber einer Normallast zusätzliche elektrische Leistung abgegeben wird, indem durch die Entladung der Wärmeenergie in den Wasser-Dampf-Kreislauf ein erhöhter Dampfmassenstrom durch eine Reduktion des Anzapfdampfmassenstroms und damit in einer in diesem befindlichen Turbinenanordnung ein erhöhter Volumenstrom erzeugt wird.
  • Zu einer vorteilhaften Betriebsweise tragen ferner die Maßnahmen bei, dass die Beladevorgänge und die Entladevorgänge von einer Prozesssteuerung in Abhängigkeit von vorgegebenen und/oder vorgebbaren Prozessparametern gesteuert oder geregelt werden, wobei übergeordnete Steuer- oder Regelgrößen einbeziehbar sind.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
    • Fig. 1
    zeigt ein Prozessschema eines Wasser-Dampf-Kreislaufs eines Dampfkraftwerks mit einem eingebundenen thermischen Speichersystem.
  • Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Wasser-Dampf-Kreislauf 1 eines Dampfkraftwerks, wie insbesondere eines Braun- oder Steinkohlkraftwerks, mit darin angeordneten wesentlichen Prozesskomponenten. Mit dem Wasser-Dampf-Kreislauf 1 ist dabei ein thermisches Energiespeichersystem mit einem thermischen Energiespeicherteil 5 verbunden. Als wesentliche Prozessabschnitte umfasst der Wasser-Dampf-Kreislauf 1, wie üblich, einen Speisewasserteil 2, einen diesem im Prozessablauf folgenden Dampferzeugerabschnitt 3 und eine mit erzeugtem Dampf betriebene Turbinenanordnung 4 zum Antrieb eines Generators 7 für die elektrische Energieerzeugung.
  • Der Speisewasserteil 2 ist eingangsseitig mit einem an die Ausgangsseite der Turbinenanordnung 4 angeschlossenen Kondensator 21 versehen und weist im weiteren Verlauf eine Kondensatpumpe 22 sowie Niederdruckvorwärmer 23, einen Speisewasserbehälter 20 und eine Speisewasserpumpe 24 zum Bereitstellen des Speisewassers für den Dampferzeugerabschnitt 3 auf.
  • In dem Dampferzeugerabschnitt 3 sind, im Prozessschema weiter folgend, Hochdruckvorwärmer 30, ein Vorwärmer 31, ein Verdampfer 32 und ein Überhitzer 33 angeordnet, um Hochdruckdampf für die Turbinenanordnung 4 zu erzeugen.
  • Die Turbinenanordnung 4 umfasst bezüglich des Prozessablaufs eingangsseitig eine Hochdruckturbine 40, eine anschließende Mitteldruckturbine 41 und eine ausgangsseitige Niederdruckturbine 42. Zwischen der Hochdruckturbine 40 und der Mitteldruckturbine 41 ist ein Zwischenüberhitzer 43 für den Prozessdampf angeordnet. Die Turbinenanordnung 4, die konstruktiv unterschiedlich ausgestaltet und mit verschiedenen Anzapfstellen versehen sein kann, wie an sich bekannt, wird durch den sie durchsetzenden Dampfmassenstrom rotierend angetrieben, um über den Generator 7 den von dem Dampfkraftwerk bereitzustellenden elektrischen Strom beziehungsweise die elektrische Leistung zu erzeugen und damit über ein Stromnetz angeschlossene Verbraucher zu versorgen.
  • Wie eingangs ausgeführt, muss dabei das Dampfkraftwerk flexibel auf unterschiedliche Leistungsanforderungen reagieren können, wobei der an sich relativ träge Prozess der Dampferzeugung hohen Flexibilitätsanforderungen entgegensteht.
  • Zur Flexibilitätssteigerung ist bei der erfindungsgemäßen Ausführung der thermische Energiespeicherteil 5 mit einer Wärmespeichereinheit 50 versehen, die eine mit einer elektrischen Aufwärmvorrichtung ausgestattete Wärmeeinkoppelungseinrichtung 6 aufweist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Wärmespeichereinheit 50 ausgangsseitig über eine Entladeeinrichtung 51 mit dem Wasser-Dampf-Kreislauf 1 vorliegend im Bereich des Dampferzeugerabschnitts 3, und zwar an den Hochdruckvorwärmern 30, über einen Wärmetauscher angeschlossen. Die Wärmespeichereinheit 50 besitzt eine hohe Wärmespeicherkapazität und ist vorteilhaft z. B. mit einem Feststoffspeicher (Regenerator), Flüssigsalzspeicher oder einem Ruths-Speicher versehen.
  • Alternative Integrationsorte beziehungsweise Anordnungsmöglichkeiten für den thermischen Energiespeicherteil 5 bestehen in einer Entladung der Wärmeenergie in den Speisewasserteil 2, insbesondere den Niederdruckvorwärmern 23, in andere Stellen des Dampferzeugerabschnitts 3, oder auch in den (in der Fig. 1 nicht gezeigten) Rauchgaspfad sowie auch in Kombinationen dieser Integrationsorte. Die hierfür notwendigen thermischen Spezifikationen können durch eine geeignete Auslegung und Steuerung des thermischen Energiespeicherteils 5 erfüllt werden.
  • Eine erfindungswesentliche Ausgestaltung des Dampfkraftwerks besteht in einer besonderen Ausbildung der Wärmeeinkopplungseinrichtung 6 des thermischen Energiespeicherteils 5. Die Wärmeeinkopplungseinrichtung 6 weist gemäß Fig. 1 eine über eine elektrische Energiezuführung 61 mit elektrischer Energie versorgte Aufwärmvorrichtung 60 auf, mittels deren der Wärmespeichereinheit 50 Wärmeenergie zugeführt wird. Vorteilhaft wird dafür ein konduktives elektrisches Verfahren auf der Basis einer Widerstandserwärmung oder ein induktives elektrisches Verfahren angewandt. Die elektrische Wärmeenergiezuführung 61 wird dabei von der von dem Dampfkraftwerk erzeugten elektrischen Leistung gespeist, um die Wärmespeichereinheit 50 mit Wärmeenergie zu beladen. Die der elektrischen Aufwärmvorrichtung 60 zugeführte elektrische Leistung kann dabei mittels einer Prozesssteuerung gesteuert oder geregelt werden. Die Steuerung oder Regelung der ausgangsseitig an dem Generator 7 abgenommenen elektrischen Leistung kann beispielsweise in Abhängigkeit von in dem Kraftwerk vorgegebenen oder vorgebbaren Prozessparametern und/oder in Abhängigkeit von Steuer- oder Regelgrößen einer übergeordneten Netzwerksteuerung erfolgen.
  • Somit wird eine Lastabsenkung des Dampfkraftwerks bei einer Zuführung von elektrischer Leistung zu der elektrischen Aufwärmvorrichtung 60 beziehungsweise einer Zuführung von Wärmeenergie mit dem thermischen Energiespeicherteil 5, d. h. während einer Beladungsphase, erreicht, indem die in dem Dampfkraftwerk erzeugte elektrische Energie zur elektrischen Beheizung der Wärmespeichereinheit 50 beziehungsweise des thermischen Energiespeichers benutzt wird. Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Dampferzeugung in dem Dampferzeugerabschnitt 3 weiter betrieben werden kann und eine hohe Mindestlastreduktion der von dem Dampfkraftwerk in das angeschlossene Stromnetz eingespeisten Leistung (bis auf eine Leistung von 0 W) möglich ist. Dadurch wird eine sehr hohe Flexibilität des Dampfkraftwerks erreicht und ein Herunterfahren der trägen Dampferzeugereinrichtung verhindert und somit auch ein aufwändiges Hochfahren des Dampferzeugungsprozesses, wie bei einem Warm- beziehungsweise Kaltstart.
  • Während einer Entladung der Wärmespeichereinheit 50 über die Entladeeinrichtung 51 in den Wasser-Dampf-Kreislauf 1 beziehungsweise den Rauchgaspfad, vorliegend also in die Hochdruckvorwärmer 30, wird die in der Wärmespeichereinheit 50 konservierte thermische Energie genutzt, um über den betreffenden Wärmeübertrager eine Hochdruck-Vorwärmung des Speisewassers zu bewirken. Die Einkopplung der Wärme zur Hochdruck-Vorwärmung erlaubt so während der Entladephase eine Reduktion einer Anzapfdampfmenge an den Dampfturbinen der Turbinenanordnung 4 und somit eine höhere elektrische Leistung durch einen höheren Dampfmassenstrom.
  • Das erfindungsgemäße Integrationskonzept ermöglicht somit in Dampfkraftwerken, insbesondere Kohlekraftwerken, eine hochflexible Reduktion der ausgangsseitigen elektrischen Last beziehungsweise abgegebenen elektrischen Leistung, die je nach Auslegung beziehungsweise Ansteuerung der elektrischen Aufwärmvorrichtung 60 eine Mindestlastabsenkung des Dampfkraftwerks bis auf 0 W erlaubt. Durch die elektrische Zuheizung wird auf eine aufwändige verfahrenstechnische Einbindung des Speichersystems in den Wasser-Dampf-Kreislauf 1 und auf ein Herunterfahren des Dampferzeugers verzichtet, wodurch sich einerseits keine negativen Integrationseffekte ergeben und andererseits Warm- und Kaltstarts vermeiden lassen. Eine zusätzlich (durch das Aufwärmen mittels des thermischen Energiespeicherteils 5) erzeugte elektrische Leistung wird hierbei durch höhere Massenströme an den Dampfturbinen erreicht, da auf eine Entnahme von Anzapfdampf zur Vorwärmung des Speisewassers im Hochdruckvorwärmer verzichtet werden kann.
  • Die erfindungsgemäße Ausführung ermöglicht zudem hohe Wirkungsgrade. Die während der Beladung elektrisch erzeugte Wärme lässt sich beispielsweise mit dem genannten konduktiven Verfahren durch Widerstandserwärmung mit sehr hohem Wirkungsgrad (> 95 %) erreichen. Zudem wird die während der Entladung erzeugte zusätzliche elektrische Leistung durch erhöhte Dampfmassenströme in den Dampfturbinen erreicht, die bei hohen isentropen Wirkungsgraden (näherungsweise 90 %) arbeiten und somit eine effiziente Verstromung erzielen, wobei gegebenenfalls lediglich effizienzreduzierende Effekte durch einen höheren Volumenstrom in den Dampfturbinen zu berücksichtigen sind.
  • Zudem erlaubt die hohe Dynamik der Elektrobeheizung, wie auch der Wärmeeinkopplung in das Speisewasser, eine Bereitstellung von Regelenergien und somit deutliche Flexibilitätssteigerungen von Kohlekraftwerken.

Claims (8)

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