WO2013149900A1 - Kraftwerk und verfahren zum betreiben einer kraftwerksanlage - Google Patents

Kraftwerk und verfahren zum betreiben einer kraftwerksanlage Download PDF

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Norbert Pieper
Hans-Ulrich Thierbach
Michael Wechsung
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    • F01K7/24—Control or safety means specially adapted therefor

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a power plant comprising a steam turbine, which is subdivided into a high-pressure turbine section, medium-pressure turbine section and low ⁇ pressure turbine section and between the high-pressure turbine section and the intermediate-pressure turbine section an intermediate ⁇ superheater unit is arranged.
  • the invention relates to a power plant which is operated by the method according to the invention.
  • Power plants in which large-volume steam turbines are used, u.a. used in the municipal energy supply.
  • the steam turbines used in such power plants have relatively high masses and are usually designed for a given nominal power.
  • Power plants which can also be referred to as conventional power plants, can be classified as a first approximation in pure steam power plants and in gas and steam power plants.
  • ⁇ that have in common that fossil fuels are needed to generate electrical energy.
  • Such power plants have so far been designed such that they were placed for a base load of ⁇ .
  • the reheater heating surfaces were oversized and the hot reheater superheat temperature in the upper load range, for example, between 70% and 100% / g ⁇ regulated at the expense of the resulting thermodynamic loss of efficiency.
  • a hot reheat refers to the hot reheat temperature that is present after the intermediate superheater unit.
  • Another approach is to limit the lower load range, the load gradient accordingly or redu the allowable load cycles ⁇ decorate, whereby an increased wear ge into consideration ⁇ is attracted so that the thick-walled components have to be replaced at an early stage from ⁇ . at this point the invention comes in. It is an object of the invention to operate the plant such that the
  • a method for Be ⁇ drive a power plant comprising a steam turbine, which is divided into a high-pressure turbine section, medium-pressure turbine section and low-pressure turbine section and between the high-pressure turbine section and the intermediate-pressure turbine section, a reheater unit is arranged with the steps: - Operation of the power plant in part load,
  • a power plant which is operated by a method according to one of claims 1 to 4 and further by a power plant, which is designed as a steam power plant or as a gas and steam power plant and operated by the method according to the invention.
  • the invention is based on the idea that a frequent load change can still take place, but does not lead to a reduction in the service life of the components.
  • the invention is based on the idea that the number of permissible load changes is generally not proportional to the temperature jump at the same temperature gradient. For example, a temperature jump of 30 Kelvin leads to about 1,000,000 permissible load changes, whereas a temperature jump of 60 Kelvin does not lead to a halving of the permissible load changes, but to a much smaller number of load changes, namely about 10,000 permissible load changes. Thus, when the temperature jump is doubled, the number of permissible load changes changes by one or more orders of magnitude.
  • the above values are for illustrative purposes only.
  • the number of permissible load changes as a function of the temperature jump strongly depend on the geometries of the components, on the material properties as well as on temperature levels and many other parameters.
  • An essential feature of the invention is that the temperature of the reheater unit can be reduced by the inlet temperature is lifted in the reheater unit ⁇ .
  • the inlet temperature upstream of the reheater unit is also known as cold reheat records.
  • This increase in temperature is realized in that control valves, the section before the second Expansionsab ⁇ , that are throttled before the medium-pressure turbine section.
  • the throttling reduces the expansion and thus the temperature reduction in the first expansion section, in this case in the high-pressure turbine section.
  • the result is that there is an increase in load-dependent temperature fluctuations at the outlet of the high-pressure turbine section.
  • the waste entering at partial load becomes hot
  • the throttling is chosen such that the amount of temperature reduction after the reheater unit in the unthrottled state is substantially halved.
  • the throttling is controlled such that at load ⁇ change on all components, the then smaller temperature changes are equal in first approximation.
  • An essential Advantage of the invention is that now large load changes can be driven with significantly faster gradients and much more often in the life of the steam turbine. Overall, this leads to an increase in the service life.
  • Conventional conventional power plants include a steam ⁇ turbine, a can be divided between ⁇ superheating unit in a high-pressure turbine, intermediate pressure turbine and low-pressure turbine, and wherein the insects enjoyed ⁇ zerauer between the high-pressure part turbine and the medium-pressure turbine section arranged becomes.
  • a steam generator In front of the high-pressure Operatur ⁇ bine a steam generator generates a hot steam fresh, which flows through the high-pressure turbine section and is then reheated in the reheater unit and then flows into ⁇ closing in the medium-pressure turbine section and then by the low-pressure turbine section.

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Abstract

Ein Kraftwerk und ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks, wobei im Teillastbetrieb die Temperatur am Ausgang der Hochdruck-Teilturbine durch eine Androsselung mittels des Mitteldruck-Ventils erfolgt.

Description

Beschreibung
KRAFTWERK UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER KRAFTWERKSANLAGE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftwerksanlage umfassend eine Dampfturbine, die in eine Hochdruck-Teilturbine, Mitteldruck-Teilturbine und Nieder¬ druck-Teilturbine unterteilt ist und zwischen der Hochdruck- Teilturbine und der Mitteldruck-Teilturbine eine Zwischen¬ überhitzereinheit angeordnet wird.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftwerk, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.
Kraftwerksanlagen, in denen großvolumige Dampfturbinen eingesetzt werden, werden u.a. in der kommunalen Energieversorgung eingesetzt. Die in solchen Kraftwerken eingesetzten Dampfturbinen weisen vergleichsweise hohe Massen auf und sind in der Regel für eine vorgegebene Nennleistung ausgelegt. Diese
Kraftwerke, die auch als konventionelle Kraftwerke bezeichnet werden können, können in erster Näherung in reine Dampfkraftwerke und in Gas- und Dampfkraftwerke eingeteilt werden. Bei¬ den ist gemeinsam, dass fossile Brennstoffe benötigt werden, um elektrische Energie zu erzeugen. Solche Kraftwerke wurden bislang derart konzipiert, dass diese für eine Grundlast aus¬ gelegt wurden. Durch den zunehmenden Anteil an erneuerbaren Energiequellen, wie z. B. die Windenergie, die im Wesentli¬ chen nicht regelbar sind, müssen die vorgenannten konventio- nellen Kraftwerke immer häufiger in einer Teillast betrieben werden. Das bedeutet, dass die Kraftwerke nicht dauerhaft die Nennleistung liefern, sondern einen Prozentsatz der Nennleistung als Teillast liefern. Die Teillasten können in manchen Fällen beispielsweise bei 25% der Volllast liegen.
Das bedeutet, dass diese Kraftwerke flexibel betrieben werden müssen, wobei der Wechsel von vergleichsweise niedriger Teil¬ last auf Volllast möglichst schnell und ohne Begrenzung der Anzahl der Lastwechsel erfolgen soll. Problematisch hierbei ist, dass die Temperatur des Dampfes am Austritt der Zwi¬ schenüberhitzereinheit wegen des geringeren Wärmeangebots aus dem kälter werdenden Rauchgas sehr stark sinkt bei extremer Teillast, wie beispielsweise bei 25%. Diese Temperatursenkung kann bis zu 60 Kelvin betragen. Diese Temperaturschwankungen werden allerdings auch auf die Bauteile übertragen. Das be¬ deutet, dass die großvolumigen und großmassigen Bauteile im ungünstigen Fall ständig erwärmt und abgekühlt werden müssen. Insbesondere dickwandige Bauteile, wie eine Mitteldruck-Teil¬ turbinenwelle, dürfen unter Beachtung von gewünschten Lastwechseln nur vergleichsweise langsam aufgewärmt werden. Dies steht allerdings im Widerspruch zu der Anforderung, das
Kraftwerk in möglichst kurzer Zeit von extremer Teillast auf Volllast zu fahren.
Bisher wurden daher die Zwischenüberhitzerheizflächen überdimensioniert und die heiße Zwischenüberhitzertemperatur im oberen Lastbereich, beispielsweise zwischen 70% und 100 % / g^ regelt unter Inkaufnahme des dadurch resultierenden thermody- namischen Wirkungsgradverlustes. Als „hZÜ" wird die heiße Zwischenüberhitzertemperatur bezeichnet, die nach der Zwischenüberhitzereinheit vorhanden ist. Ein weiterer Lösungsansatz ist, im unteren Lastbereich die Lastgradienten entspre- chend zu begrenzen oder die zulässigen Lastwechsel zu redu¬ zieren, wobei auch ein erhöhter Verschleiß in Betracht ge¬ zogen wird, so dass die dickwandigen Bauteile frühzeitig aus¬ getauscht werden müssen. An dieser Stelle setzt die Erfindung an. Es ist Aufgabe der Erfindung, das Kraftwerk derart zu betreiben, dass die
Lebensdauer der Bauteile trotz häufiger Lastwechsel erhöht ist. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Be¬ treiben einer Kraftwerksanlage umfassend eine Dampfturbine, die in eine Hochdruck-Teilturbine, Mitteldruck-Teilturbine und Niederdruck-Teilturbine unterteilt ist und zwischen der Hochdruck-Teilturbine und der Mitteldruck-Teilturbine eine Zwischenüberhitzereinheit angeordnet wird, mit den Schritten: - Betrieb der Kraftwerksanlage in Teillast,
- Erhöhung der Temperatur am Eintritt zur Zwischenüberhitzereinheit durch Androsselung eines Ventils, das vor der Mittel¬ druck-Teilturbine angeordnet wird.
Des Weiteren wird die Aufgabe gelöst durch ein Kraftwerk, das nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 betrieben wird und des Weiteren durch ein Kraftwerk, das als Dampfkraftwerk oder als Gas- und Dampfkraftwerk ausgelegt und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben . Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, dass nach wie vor ein häufiger Lastwechsel stattfinden kann, der aber nicht zu einer Lebensdauerverkürzung der Bauteile führt. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass im Allgemeinen bei gleichen Temperaturgradienten die Anzahl der zulässigen Lastwechsel nicht zum Temperatursprung proportional ist. Beispielsweise führt ein Temperatursprung von 30 Kelvin zu ca. 1.000.000 zulässigen Lastwechseln, wohingegen ein Temperatursprung von 60 Kelvin nicht zu einer Halbierung der zulässigen Lastwechsel führt, sondern zu einer viel geringeren Anzahl an Lastwech- sein, und zwar ca. 10.000 zulässigen Lastwechseln. Somit ändert sich bei Verdopplung des Temperatursprungs die Anzahl der zulässigen Lastwechsel um eine oder mehrere Größenordnungen. Die vorgenannten Werte dienen lediglich zur Veranschaulichung. Die Anzahl an zulässigen Lastwechseln in Abhängig- keit vom Temperatursprung hängen stark von den Geometrien der Bauteile, von den Werkstoffeigenschaften sowie Temperaturniveaus und vielen anderen weiteren Parametern ab.
Ein erfindungswesentliches Merkmal ist, dass die Temperatur der Zwischenüberhitzereinheit reduziert werden kann, indem die Eintrittstemperatur in die Zwischenüberhitzereinheit an¬ gehoben wird. Die Eintrittstemperatur vor der Zwischenüberhitzereinheit wird auch als kalte Zwischenüberhitzung be- zeichnet. Diese Anhebung der Temperatur wird dadurch realisiert, dass Regelventile, die vor dem zweiten Expansionsab¬ schnitt, d. h. vor der Mitteldruck-Teilturbine, angedrosselt werden. Durch die Androsselung reduziert sich die Expansion und damit der Temperaturabbau im ersten Expansionsabschnitt, in diesem Fall in der Hochdruck-Teilturbine. Die Folge ist, dass es zu vergrößerten lastabhängigen Temperaturschwankungen am Austritt der Hochdruck-Teilturbine kommt. Somit wird der bei Teillast eintretende Abfall der heißen
Zwischenüberhitzertemperatur durch eine Anhebung der kalten Zwischenüberhitzertemperatur am Hochdruck-Teilturbinenaustritt reduziert. Erreicht wird diese Temperaturanhebung durch gezielte Druckanhebung im Zwischenüberhitzersystem bei Teil- last mittels Drosselung der Ventile. Sofern keine Androsse¬ lung stattfindet, würde bei einer Teillast an einer Stelle ein Temperaturwechsel von 60 Kelvin beispielsweise an einem Bauteil auftreten. Durch die erfindungsgemäße Androsselung wird dieser Temperaturabsenkung von 60 Kelvin entgegengewirkt und beispielsweise nur eine Temperaturabsenkung von 30 Kelvin erreicht, wobei diese Temperaturabsenkung von 30 Kelvin auf zwei Bauteile aufzuteilen ist. Die zulässigen Lastwechsel vergrößern sich dadurch um mehr als eine Größenordnung. Somit führt das Aufteilen von großen Temperaturwechseln an den Bauteilen im heißen Zwischenüberhitzersystem und der Mitteldruck-Dampfturbine auf kleine Temperaturwechsel an den Bauteilen im kalten Zwischenüberhitzer und heißen Zwischenüberhitzerbauteilen zu einem insgesamt kleineren Temperatur- Wechsel an allen Bauteilen im System.
Die Androsselung wird derart gewählt, dass der Betrag der Temperaturabsenkung nach der Zwischenüberhitzereinheit im ungedrosselten Zustand im Wesentlichen halbiert wird.
Somit wird die Androsselung derart gesteuert, dass bei Last¬ wechseln an allen Bauteilen die dann kleineren Temperaturwechsel in erster Näherung gleich groß sind. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass nunmehr große Laständerungen mit deutlich schnelleren Gradienten und deutlich häufiger in der Lebensdauer der Dampfturbine gefahren werden können. Dies führt insgesamt zu einer Erhöhung der Lebens- dauer.
Im Folgenden wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben (ohne Figur) . Herkömmliche konventionelle Kraftwerke umfassen eine Dampf¬ turbine, die sich in eine Hochdruck-Teilturbine, Mitteldruck- Teilturbine und Niederdruck-Teilturbine sowie eine Zwischen¬ überhitzereinheit einteilen lässt, wobei die Zwischenüberhit¬ zereinheit zwischen der Hochdruck-Teilturbine und der Mittel- druck-Teilturbine angeordnet wird. Vor der Hochdruck-Teiltur¬ bine erzeugt ein Dampferzeuger einen heißen Frischdampf, der durch die Hochdruck-Teilturbine strömt und anschließend in der Zwischenüberhitzereinheit wieder erhitzt wird und an¬ schließend in die Mitteldruck-Teilturbine strömt sowie an- schließend durch die Niederdruck-Teilturbine. Nach der Nie¬ derdruck-Teilturbine kondensiert der Dampf zu Wasser und wird über Pumpen wieder zum Dampferzeuger geführt und dort wieder zu Dampf umgewandelt. Solch eine Kraftwerksanlage wird für eine Nennleistung konzipiert, die möglichst permanent auf dieser Nennleistungsebene betrieben werden soll. In einem Teillastbetrieb, das bedeutet, dass die Kraftwerksanlage nicht bei 100% Nennlast, sondern bei beispielsweise 25% der Nennlast betrieben wird, ändern sich die Temperaturen in der Zwischenüberhitzereinheit. Die Temperatur sinkt. Vor der Mit- teldruck-Teilturbine wird ein Regelventil angeordnet, das beim Betrieb der Teillast derart angedrosselt wird, dass eine Erhöhung der Temperatur am Eintritt zur Zwischenüberhitzereinheit erfolgt. Das bedeutet, dass ein Regler das Mittel¬ druck-Ventil derart ansteuert, dass die DampfStrömung ange- drosselt wird und zwar derart, dass die Expansion in der
Hochdruck-Teilturbine reduziert wird. In Folge dieser Redu¬ zierung erhöht sich die Temperatur am Ausgang der Hochdruck- Teilturbine .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Kraftwerksanlage umfassend eine Dampfturbine, die in eine Hochdruck-Teilturbine, Mit¬ teldruck-Teilturbine und Niederdruck-Teilturbine unterteilt ist und zwischen der Hochdruck-Teilturbine und der Mittel¬ druck-Teilturbine eine Zwischenüberhitzereinheit angeordnet ist, mit den Schritten:
- Betrieb der Kraftwerksanlage in Teillast,
- Erhöhung der Temperatur am Eintritt zur Zwischenüberhitzereinheit durch Androsselung eines Ventils, das vor der Mitteldruck-Teilturbine angeordnet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Androsselung derart gewählt wird, dass der Betrag der
Temperaturabsenkung nach der Zwischenüberhitzereinheit im ungedrosselten Zustand im Wesentlichen halbiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei die Androsselung derart erfolgt, dass die Expansion in der Hochdruck-Teilturbine reduziert wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Androsselung derart erfolgt, dass bei einem Last¬ wechsel die Temperaturänderung vor und nach der Zwischenüberhitzereinheit in Folge der Androsselung im Wesentlichen gleich groß ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Betrieb bei Teillast im Wesentlichen zwischen 20% und 40%, insbesondere bei 25% der Nennlast erfolgt.
5. Kraftwerk, das nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 4 betrieben wird.
6. Kraftwerk nach Anspruch 5,
wobei das Kraftwerk als Dampfkraftwerk ausgebildet ist.
7. Kraftwerk nach Anspruch 5,
wobei das Kraftwerk als Gas- und Dampfkraftwerk ausgebildet ist .
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