Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Kraftwerks
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Steuerung eines Kraftwerks mit mehreren einen Kreislauf bildenden Komponenten, nämlich mit einem Kessel, einer Dampfturbine und wahlweise einer Gasturbine.
Gas- und Dampfturbinenanlagen bzw. Kraftwerke (GUD-Kraftwer- ke) werden häufig als so genannte Mittellastkraftwerke einge¬ setzt. Ein wichtiges Merkmal der Mittellastkraftwerke ist die Startzeit, also die Zeit bis eine definierte Anlagenleistung zur Verfügung steht. Eine kurze Startzeit ist unter anderem deshalb vorteilhaft, weil sie die Möglichkeit der Teilnahme an Regelenergiemärkten wie etwa der Minuten- oder Stundenreserve ermöglicht. Ein an der Minutenreserve teilnehmendes Kraftwerk muss in der Lage sein, nach wenigen Minuten (in Deutschland beispielsweise nach 15 Minuten) eine bestimmte Leistung zu bringen. Bei der Stundenreserve ist die Leistung nach 60 Minuten zu erbringen.
Anfahrzeiten und Stillstandzeiten erfolgen nach Aufwärmung oder Abkühlung der Bauteile, wobei die Aufwärmung oder Abküh- lung für gewöhnlich von der die Bauteile umgebenden Temperatur beeinflusst wird (natürliche Auskühlung) .
Außerdem wird die Stromproduktion während transienter AnIa- genzustände häufig geringer vergütet, als die kontinuierliche Stromproduktion bei der mit dem Netzbetreiber vereinbarten Leistung. Unter transienten Anlagenzuständen sind hierbei solche Zustände zu verstehen, in denen ein Kraftwerk von einem Leistungsniveau auf ein anderes, beispielsweise beim An¬ fahren, überführt wird. Es besteht daher ein Bedarf, die transienten Zustände möglichst kurz zu halten. Auch beim
Stillsetzen, d.h. bei der Abkühlung der Bauteile, zum Beispiel für Inspektionszwecke, ist eine möglichst rasche Abküh-
lung gewünscht, die die erforderliche Stillstandzeit mög¬ lichst verringert.
Die Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zur Verbesserung des Anfahrverhaltens sowie der Stillsetzzeiten in einem Kraftwerk insbesondere in einem GUD-Kraftwerk . Eine weitere Aufgabe ist die Angabe einer Vorrichtung, welche sich insbesondere zur Durchführung des Verfahrens eignet.
Die auf das Verfahren bezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Angabe eines Verfahrens zur Steuerung eines Kraftwerks mit mehreren, einen Betriebskreislauf bildenden Komponenten, nämlich mit einem Kessel, einer Dampfturbine und wahlweise einer Gasturbine, wobei bei Stillstand die Bauteil- temperatur von zumindest einem Bauteil einer der Komponenten durch Wärmeaustausch mittels eines Fluidstroms gesteuert wird.
Die Erfindung basiert auf der Überlegung, dass die im Kraft- werk nach Abschalten der Komponenten vorhandene Wärme genutzt werden kann, um gezielt die Bauteiltemperatur der Bauteile der Komponenten bei Stillstand zu regulieren. Als Bauteile der Komponenten oder des Betriebskreislaufs werden hier die einzelnen Bauelemente oder Gruppen von Bauelementen, die funktional miteinander verbunden sind und eine Einheit bil¬ den, bezeichnet. Hierbei wird ein Fluidstrom eingesetzt, der die Wärme von einem Bauteil bzw. einer Komponente des Kraft¬ werks zu einem anderen Bauteil oder einer anderen Komponente transportiert, so dass im Stillstand aktiv mindestens eine der Komponenten auf einem gewünschten Temperaturniveau gehalten wird.
Unter Stillstand ist hierbei die Zeitspanne zu verstehen, in der das Kraftwerk sich im herabgefahrenen Zustand befindet, wobei ein Rotor des Kraftwerks bei niedriger Drehzahl gedreht werden oder komplett still stehen kann.
Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens ist, dass bei einer aktiven Steuerung der Temperatur der Komponenten oder einiger ihrer Bauteile die Stillsetzung bzw. der Anfahrvorgang der Komponenten nicht länger von den aktuell herrschenden - nicht aktiv beeinflussten - Bauteiltemperaturen abhängig ist. Vielmehr werden diese Bauteiltemperaturen durch aktiven Wärmeaustausch im Stillstand, soweit wie möglich, den entsprechenden betrieblichen Anforderungen zu einem verbesserten Stillsetzungs- oder Anfahrverhalten des Kraftwerks angepasst.
Um eine effiziente Steuerung der Bauteiltemperatur zu ermöglichen, wird der Wärmeaustausch mittels eines zusätzlichen Steuerkreislaufs für den Fluidstrom durchgeführt. Der Steuer¬ kreislauf unterscheidet sich vom Betriebskreislauf des Kraft- werks und ist durch gesonderte Leitungen und Stellelemente gekennzeichnet. Ein von dem Betriebskreislauf getrennter Kreislauf lässt sich besonders einfach ansteuern.
Im Hinblick auf eine besonders wirtschaftliche Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die zu temperierenden Kraftwerks-Kompo¬ nenten Wärmequellen und Wärmesenken im Steuerkreislauf bilden und deren Temperatur bevorzugt durch Wärmeaustausch untereinander reguliert wird. Hierbei erfolgt mit Hilfe des Fluidstroms eine Wärmeverschiebung innerhalb des Kraftwerks, wobei die Wärme einer Komponente genutzt werden kann, um zu¬ mindest ein Bauteil einer weiteren Komponente im Stillstand des Kraftwerks zu erwärmen. Gleichzeitig kann das Verfahren zur Steuerung des Kraftwerks eingesetzt werden, um eine Kom¬ ponente zu kühlen, wenn mindestens eine weitere Komponente sich auf einem niedrigeren Temperaturniveau befindet und die Wärme der heißeren Komponente aufnehmen kann. Dies erfolgt durch eine passende Ansteuerung der Strömungsrichtung des Fluidstroms, wobei der letztere die Wärme der heißeren Kom¬ ponente abtransportiert und diese Wärme in die kältere Kompo- nente entlädt. Hierbei reicht es, wenn nur zwei Komponenten des Kraftwerks, die sich auf unterschiedlichen Temperaturniveaus befinden, an den Steuerkreislauf angeschlossen sind. Es
können aber auch mehrere Komponenten sowie externe Wärme¬ quellen oder Wärmesenken vorgesehen sein.
Bezüglich des Stillstands des Kraftwerks ist es sinnvoll, zwischen zwei Arten von Stillstandszuständen zu unterscheiden. Die erste Art sind die kurzzeitigen Stillstände. Solche Zustände, die häufig aufgrund eines reduzierten Stromver¬ brauchs in der Nacht oder am Wochenende vorkommen, werden nachfolgend als vorübergehender Stillstand bezeichnet. Ande- rerseits wird das Kraftwerk in vorgegebenen Zeitabständen oder gegebenenfalls bei einem Betriebsausfall herunterge¬ fahren, um Reparatur- und Wartungsarbeiten durchzuführen. Bei einem solchen Wartungszustand des Kraftwerks muss die zu wartende oder zu reparierende Komponente bis zur Umgebungs- temperatur abkühlen, damit die Arbeit durchgeführt werden kann. Ausgehend von diesen Kenntnissen wird gemäß einer bevorzugten Variante der Fluidstrom während eines vorüberge¬ henden Stillstands zur Erhaltung einer hohen Temperatur mindestens einer der Komponenten eingesetzt, um danach einen beschleunigten Anfahrvorgang realisieren zu können. Gemäß einer weiteren bevorzugten Variante wird der Fluidstrom während eines Wartungszustand des Kraftwerks zur möglichst rapiden Abkühlung mindestens einer der Komponenten eingesetzt, um die Stillstandzeit für Reparaturen um die sonst übliche Abkühl- zeit zu reduzieren.
Eine besonders effiziente Wärmeverschiebung, bei der der Auf¬ wand zum Kühlen bzw. Erwärmen der Bauteile besonders gering ist, ist gegeben, wenn bevorzugt die Bauteile unabhängig von- einander erwärmt oder abgekühlt werden. Ziel hierbei ist es, die Bauteile der Komponenten auf einem homogenen Temperaturniveau zu halten. Z.B. werden der Rotor und das Gehäuse der Gasturbine auf etwa dem gleichen Temperaturniveau gehalten, d.h. das Gehäuse muss durch die aktive Temperierung warm gehalten werden, da das Gehäuse üblicherweise schneller ab¬ kühlt. Weiterhin ist es möglich, dass Wärme nur von bestimmten Bereichen der Komponenten angezapft wird: Beispielsweise könnte nach dem Abschalten des Kraftwerks nur die im Hoch-
druckteil der Dampfturbine vorhandene Wärme genutzt werden, um bei Stillstand des Kraftwerks ein relativ hohes Tempera¬ turniveau der Gasturbine aufrecht zu erhalten.
Vorteilhafterweise wird der Wärmeaustausch zwischen den Komponenten mittels eines Wasserdampfs durchgeführt. Wasserdampf weist eine Reihe von Vorteilen bei seinem Einsatz als Wärme tragenden Fluidstrom auf: Wasser ist preisgünstig, umwelt¬ freundlich und leicht zu handhaben.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird der Wärmetausch zwischen den Komponenten mittels Luft durchgeführt. Luft ist ebenfalls ein preisgünstiger Wärmeträger, der in großen Mengen vorhanden ist. Zudem verursacht Luft keine Korrosions- probleme an der zu temperierenden Komponente.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird zum Wärmeaustausch ein offenes System verwendet. Bei einem offenen Kreislauf werden kontinuierlich neue Mengen an Wärmeträgern herangezo- gen, die nach dem Durchströmen des Steuerkreislaufs und nach einer eventuellen Abkühlung freigesetzt werden.
Vorzugsweise wird zum Wärmeaustausch ein geschlossenes System verwendet, bei dem immer dieselbe Menge an Wärmeträger im Steuerkreislauf zirkuliert.
Es kann außerdem ein halb offenes System eingesetzt werden, bei dem diskontinuierlich ein Teil des Wärmeträgers freigesetzt und neue Mengen an Wärmeträger zugeführt werden.
Die auf die Vorrichtung gerichtete Aufgabe wird erfindungsge¬ mäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Steuerung eines Kraftwerks mit mehreren einen Betriebskreislauf bildenden Kompo¬ nenten, nämlich mit einem Kessel, einer Dampfturbine und wahlweise einer Gasturbine, wobei bei Stillstand zumindest zwei der Komponenten zum Wärmeaustausch untereinander über eine Leitung verbunden sind. Die im Hinblick auf das Verfah-
ren aufgeführten Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen lassen sich sinngemäß auf die Vorrichtung übertragen.
Bei der Ausgestaltung mit der Gasturbine ist diese nach einer bevorzugten Weiterbildung zum Wärmeaustausch mit dem Kessel über eine erste Leitung verbunden, die Dampfturbine ist zum Austausch mit dem Kessel über eine zweite Leitung verbunden und die Gasturbine ist zum Austausch mit der Dampfturbine über eine dritte Leitung verbunden. Hierbei ist ein internes Leitungssystem gebildet, über das jede der Komponenten mit den beiden weiteren Komponenten strömungstechnisch verbunden ist. Die Leitungen und die dazugehörigen Stellelemente sind insbesondere derart ausgebildet, dass der Fluidstrom entlang jeder der Leitungen in beiden Richtungen strömen kann.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
FIG 1 den schematischen Aufbau eines Leitungssystems ei- nes Kraftwerks bei einem vorübergehenden Stillstand des Kraftwerks und
FIG 2 den schematischen Aufbau des Leitungssystems des Kraftwerks gemäß FIG 1 während eines Wartungszu¬ stands des Kraftwerks.
In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In FIG 1 ist schematisch ein Kraftwerk 2 gezeigt, welches ei- nen Kessel 4, eine Dampfturbine 6 und in diesem Ausführungs¬ beispiel eine Gasturbine 8 umfasst. Somit ist das Kraftwerk 2 nach Art eines GUD-Kraftwerks gebaut, bei dem die Abhitze der Gasturbine 8 benutzt wird, um im Kessel 4 Wasserdampf zu er¬ zeugen, mit dessen Hilfe die Dampfturbine 6 angetrieben wird. Der Kessel 4, die Dampfturbine 6 und die Gasturbine 8 bilden somit die Komponenten eines Betriebskreislaufes des Kraft¬ werks 2. Hierzu sind die Komponenten 4, 6, 8 über hier nicht dargestellte Fluidleitungen des Betriebskreislaufs in an sich
bekannter Weise verbunden. Anstelle eines GUD-Kraftwerks kann auch ein Kraftwerk vorgesehen sein, das nur eine Dampfturbine und einen Kessel als Komponenten umfasst. Wesentlich hierbei ist, dass das Kraftwerk mindestens zwei Komponenten umfasst, die im Betrieb unterschiedliche Temperaturen bzw. unter¬ schiedliche Temperaturverläufe nach dem Abschalten aufweisen.
Das Kraftwerk 2 umfasst zusätzlich zu dem Fluidsystem des Betriebskreislaufs ein Leitungssystem 10, das für einen weite- ren Kreislauf innerhalb des Kraftwerks 2, nämlich für einen Steuerkreislauf vorgesehen ist. Mit Hilfe des Steuerkreis¬ laufs wird die Bauteiltemperatur von zumindest einem Bauteil¬ element einer der Komponenten 4, 6 und 8 gesteuert oder gere¬ gelt. Zum Temperieren der Komponenten 4, 6, 8 oder einiger ihrer Bauteile ist ein Fluidstrom vorgesehen, der mit Pfeilen 11 angedeutet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Flu¬ idstrom ein Wasserdampfström, der im Leitungssystem 10 zirkuliert und dabei für Wärmeaustausch zwischen den Komponenten 4, 6, 8 sorgt. Anstelle von Wasserdampf kann als FIu- idstrom auch Umgebungsluft verwendet werden, die insbesondere vor ihrem Einsatz komprimiert wird.
In dem in FIG 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Steuer¬ kreislauf im Leitungssystem 10 ein geschlossener Kreislauf, bei dem eine vorgegebene Menge an Wasserdampf eingesetzt wird, ohne den Wasserdampf im Betrieb des Steuerkreislaufs vollständig oder teilweise auszutauschen. Möglich ist jedoch auch, dass ein offener Steuerkreislauf herangezogen wird, bei dem im Betrieb kontinuierlich neuer Wasserdampf zugeführt wird und ein Teil des verwendeten Wasserdampfes freigesetzt wird. Die Zuführung von Wasserdampf kann auch in Zeitabständen erfolgen, wobei ein halb offener Steuerkreislauf vorliegt .
Das in FIG 1 gezeigte Ausführungsbeispiel stellt den Betrieb des Steuerkreislaufes bei einem vorübergehenden Stillstand des Kraftwerks 2 dar, beispielsweise wenn das Kraftwerk 2 aufgrund eines reduzierten Strombedarfs in der Nacht oder am
Wochenende heruntergefahren wird. Da der Stillstand wenige Stunden oder Tage dauert, ist es vorteilhaft, dass die schneller abkühlenden Komponenten 4,6,8 auch während der Stillsetzung auf einem hohen Temperaturniveau gehalten wer- den, damit zu einem späteren Zeitpunkt das gesamte Kraftwerk schneller angefahren werden kann. Dabei wird die auch im Stillstand im Kraftwerk vorhandene Wärme mittels des Fluidstroms verteilt bzw. verschoben, so dass die schneller abkühlenden Komponenten 4, 6, 8 auf einem höheren Temperaturniveau als bei einer natürlichen Abkühlung gehalten werden .
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel stellt die Gasturbine 8 die Komponente dar, die ohne einen aktiven Wärmeaustausch am schnellsten abkühlt. Gleichzeitig stellt der Kessel 4 die
Komponente dar, die im Stillstand des Kraftwerks 2 am lang¬ samsten abkühlt. Somit bildet die Gasturbine 8 eine Wärme¬ senke und der Kessel 4 eine Wärmequelle innerhalb des Steuer¬ kreislaufs. Für ein schnelleres Anfahren des Kraftwerks 2 werden die Dampfturbine 6 und die Gasturbine 8 mittels der im Kessel 4 vorhanden Wärme während des vorübergehenden Still¬ stands warm gehalten. Um dies zu erreichen, weist das Leitungssystem 10 eine aus dem Kessel 4 führende Leitung 12 auf, die in zwei Leitungen 12a und 12b verzweigt wird. Die Lei- tung 12a mündet in die Dampfturbine 6 und der aus dem Kessel kommende Wasserdampfström wird in dieser Leitung 12a mittels eines Ventils 14 reguliert. Die Leitung 12b ist auch mit ei¬ nem Ventil 16 versehen, wobei im offenen Zustand dieses Ven¬ tils 16 mindestens ein Teil des Wasserdampfes aus dem Kessel 4 direkt der Gasturbine 8 zugeführt wird. Der Wasserdampf¬ strom in der Dampfturbine 6 wird über die Leitung 18 aus der Dampfturbine 6 hinaus geleitet. Die Leitung 18 ist stromab¬ wärts ebenfalls in zwei Leitungen 18a und 18b verzweigt. Die Leitung 18a mündet in die Leitung 12b, so dass im offenen Zu- stand eines Ventils 20 der Wasserdampf aus der Dampfturbine 6, der eine Temperatur von einigen hundert Grad auf¬ weist, dem Wasserdampfström in der Leitung 12b zugespeist wird und das Wasserdampfgemisch in die Gasturbine gepumpt
wird. Die Leitung 18b auf der anderen Seite, mündet in eine Leitung 22, über die der in der Gasturbine 8 gekühlte Wasserdampf wieder zum Kessel 4 gepumpt wird.
Der Wasserdampf stellt hierbei den Wärmeträger dar, der Wärme vom Kessel 4 abtransportiert und diese der Dampfturbine 6 und vor allem der Gasturbine 8 zuführt. Somit wird die Dampftur¬ bine an die beim Anfahrvorgang zu erwartende Dampftemperatur angepasst und die Bauteile der Gasturbine 8 werden auch im Stillstand erwärmt, so dass ein schnelleres und wirtschaftli¬ ches Anfahren des Kraftwerks 2, im Vergleich zu einem Kraftwerk ohne aktive Temperaturregulierung im Stillstand, ermög¬ licht ist.
In FIG 2 ist das Kraftwerk 2 gemäß FIG 1 gezeigt, wobei der Steuerkreislauf im Leitungssystem 10 eingesetzt wird, um die Gasturbine 8 und/oder die Dampfturbine 6 während eines Wartungszustands möglichst schnell auf Umgebungstemperatur zu kühlen. Im Betrieb des Kraftwerks 2 stellt sich in der Gasturbine 8 eine Temperatur von über 10000C ein.
Gleichzeitig herrschen im Kessel 4 und in der Dampfturbine 6 Temperaturen im Bereich unter 10000C. Unmittelbar nach dem Abschalten des Kraftwerks 2 ist somit die Gasturbine 8 auf einem viel höheren Temperaturniveau als der Kessel 4 und die Dampfturbine 6. Ein durch den Kessel 4 und die Dampfturbine 6 strömender Wasserdampf kann daher eingesetzt werden, um die Temperatur in der Gasturbine 8 auf das Niveau der weiteren Komponenten 4,6 zu bringen und somit die Gasturbine 8 zu kühlen .
In diesem Fall stellt der Kessel 4 mit der niedrigsten Betriebstemperatur eine Wärmesenke und die Gasturbine 8 mit der größten herrschenden Temperatur eine Wärmequelle dar. Der vergleichsweise kühle Wasserdampf aus dem Kessel 4 wird über die Leitung 12 und später über ihre Abzweigung 12a der Dampfturbine 6 gepumpt. Dort kühlt der Wasserdampf die Bauteile der Dampfturbine 6 ab. Anschließend wird der nunmehr durch den Wärmeaustausch mit den heißen Bauteilen der Dampftur-
bine 6 erwärmte Wasserdampf über die Leitung 18b im offenen Zustand eines Ventils 24 wieder zum Kessel 4 gepumpt.
Gleichzeitig wird Wasserdampf aus dem Kessel 4 entlang der Leitung 12b über das Ventil 16 der Gasturbine 8 zugeführt, wo er die Bauteile der Gasturbine 8 kühlt. Der nunmehr ebenfalls durch Wärmeaustausch erhitzte Wasserdampf wird über die Leitung 22 zurück zum Kessel 4 geführt. Durch eine derartige ak¬ tive Kühlung der Dampfturbine 6 sowie der Gasturbine 8 können diese in relativ kurzen Zeiten stillgesetzt werden, damit die erforderlichen Inspektionen schneller durchgeführt werden.
Das Leitungssystem 10 für eine aktive Temperaturregulierung der Komponenten 4, 6, 8 des Kraftwerks 2 ist insbesondere derart ausgebildet, dass einzelne Bauteile der Komponenten 4, 6, 8 unabhängig voneinander erwärmt und abgekühlt werden. Beispielsweise wird während des vorübergehenden Stillstands des Kraftwerks 2 gemäß FIG 1 ein Niederdruckteil der Dampf¬ turbine 6 durch die Wärme aus dem Kessel 4 oder durch eine Kombination der Kesselwärme mit der Wärme aus einem Hochdruckteil der Dampfturbine 6 warm gehalten. Zudem kann nach dem gleichen Prinzip lediglich der heißere Hochdruckteil der Dampfturbine 6 während des Wartungszustands aktiv gekühlt werden .