DE19749452A1 - Verfahren zur schnellen Leistungsregelung einer Dampfkraftanlage sowie Dampfkraftanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Schnellen Leistungsregelung einer Dampfkraftanlage mit einem eine Dampfturbine und einen Generator aufweisenden Turbosatz. Sie bezieht sich weiter auf eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Dampfkraftanlage.

Eine sichere Energieversorgung in einem elektrischen Energie­ versorgungssystem setzt eine sorgfältige Abstimmung zwischen der Erzeugung elektrischer Energie durch eine Anzahl von Kraftwerksblöcken und der Abnahme dieser Energie durch eine Anzahl von Verbrauchern in einem elektrischen Verteilungsnetz voraus. Sind Erzeugung und Abnahme der elektrischen Energie gleich groß, so ist die Netzfrequenz, die eine wesentliche Kenngröße in einem elektrischen Netz ist, konstant. Ihr Nenn­ wert betragt z. B. im europäischen Verbundnetz 50 Hz. Eine Fre­ quenzabweichung, die z. B. durch den Ausfall eines Kraftwerks­ blocks und durch Zu- oder Abschalten eines Verbrauchers auf­ tritt, kann als Maß für eine Erhöhung bzw. Absenkung der Er­ zeugerleistung betrachtet werden.

Neben einer Ausregelung von Frequenzabweichungen innerhalb eines Energieversorgungssystems besteht nun eine weitere Auf­ gabe darin, eine vorgegebene Übergabeleistung an Kuppelstel­ len zu Teilnetzen, aus denen sich das Verteilungsnetz (Verbundnetz oder Inselnetz) zusammensetzt, einzuhalten. Eine Forderung besteht daher darin, daß eine schnelle Leistungser­ höhung eines Kraftwerksblocks innerhalb von Sekunden verfüg­ bar ist. Dabei kann beispielsweise gefordert sein, daß eine plötzliche Lasterhöhung von etwa 3 bis 5%, bezogen auf Vollast, innerhalb von 30 Sekunden möglich sein soll.

Möglichkeiten zur Schnellen Leistungsregelung und Frequenz­ stützung sind in der Druckschrift "VGB Kraftwerkstechnik", Heft 1, Januar 1980, Seiten 18 bis 23, beschrieben. Während für eine schnelle Leistungsänderung im Bereich von Sekunden (Sekundenreserve) mehrere gleichzeitig oder alternativ durch­ führbare Eingriffsmöglichkeiten bestehen, ist für eine blei­ bende Veränderung der Leistung eines Kraftwerksblocks eine Änderung der Brennstoffzufuhr erforderlich. In einer fossil befeuerten Dampfkraftanlage werden daher üblicherweise zur Überbrückung von Verzugszeiten innerhalb der ersten Sekunden zuvor in gedrosselter Stellung gehaltene Stellventile der Dampfturbine geöffnet und dadurch verfügbare Dampfspeicher praktisch ohne Verzögerung aktiviert und entladen. Eine der­ artige Betriebsweise der Dampfkraftanlage in gedrosseltem Zu­ stand führt jedoch zu einem hohen Eigenwärmeverbrauch und ist somit nur bedingt wirtschaftlich.

Neben einer Leistungserhöhung durch die Aufhebung der An­ drosslung von Stellventilen der Dampfturbine können auch im Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbine vorgesehene Vorwär­ mer, die mittels Anzapfdampf aus der Dampfturbine beheizt werden, abgeschaltet werden. Ein gleichzeitig durch die Nie­ derdruckvorwärmer geführter Kondensatstrom kann innerhalb we­ niger Sekunden gestoppt und wieder erhöht werden. Diese Maß­ nahme zur Schnellen Leistungsregelung in fossil befeuerten Kraftwerksblöcken durch Abschaltung der Vorwärmer mit Konden­ satstop ist z. B. auch in der Deutschen Patentschrift DE-PS 33 04 292 beschrieben.

Zur Regelung und/oder Steuerung der schnellen Sekundenre­ serve, d. h. einer geregelten Beanspruchung von Dampfströmen zu Regenerativvorwärmern und/oder Heizkondensatoren sowie des Prozeßdampfes und des Kondensats im Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbine eines Kraftwerksblocks, wird üblicherweise eine Regeleinrichtung eingesetzt. Diese bewirkt für eine Schnelle Leistungsregelung, d. h. zur Aktivierung der Sekun­ denreserve, eine Drosselung der Dampfzufuhr zu Vorwärmern, eine Drosselung des Prozeßdampfes und/oder eine Drosselung des Kondensats. Dabei werden Stellungs-Sollwerte für Regel­ ventile in Turbinenanzapfungen und für Stellorgane zur Kon­ densateinstellung derart gebildet, daß eine geforderte Gene­ ratormehrleistung erreicht wird. Nachteilig dabei ist jedoch, daß die Ausgestaltung einer dazu geeigneten Dampfturbine ver­ gleichsweise aufwendig ist. Der genannte Regelmechanismus ist darüber hinaus komplex und somit störanfällig, so daß ein derartiges System zur Schnellen Leistungsregelung nur bedingt zuverlässig ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Schnellen Leistungsregelung einer Dampfkraftanlage der obengenannten Art anzugeben, bei dem mit besonders geringem Aufwand eine zuverlässige Schnelle Leistungsregelung gewähr­ leistet ist. Zudem soll eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Dampfkraftanlage angegeben werden.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem bei einer Dampfkraftanlage, bei deren Betrieb eine Einspritzung von Wasser in eine Überhitzerheizfläche er­ folgt, zwecks Einstellung einer Generator-Mehrleistung eine Erhöhung der Einspritzrate des Wassers vorgenommen wird.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß für eine zuverlässige Schnelle Leistungsregelung bei besonders gerin­ gem Aufwand im Hinblick auf die verwendeten Komponenten auf die aufwendige Aktivierung von Dampfspeichern im Wasser- Dampf-Kreislauf der Dampfturbine verzichtet werden soll. Un­ ter Verzicht auf die Aktivierung von Dampfspeichern ist eine vergleichsweise schnelle Erhöhung der Leistungsabgabe der Dampfturbine erreichbar, indem der der Dampfturbine zuzufüh­ rende Dampfmassenstrom kurzzeitig erhöht wird. Eine derartige Erhöhung erfolgt durch zusätzliche Einspritzung von Wasser in oder vor die Überhitzerheizfläche.

Die zusätzliche Wassereinspritzung in den Bereich der Über­ hitzerheizfläche bewirkt dabei die Erzeugung eines zusätzli­ chen Dampfstroms, der bereits nach kurzer Zeit eine Erhöhung der von der Dampfturbine abgegebenen Leistung bewirkt. Durch die Erhöhung der Einspritzrate des Wassers wird die Dampftem­ peratur in der Überhitzerheizfläche zunächst abgesenkt. Die Absenkung der Dampftemperatur führt zu einer Erhöhung der für die Höhe der Wärmeübertragung entscheidenden Temperaturdiffe­ renz zwischen Überhitzerheizfläche und Dampf. Auf diese Weise kann Speicherwärme aus der Überhitzerheizfläche und zusätz­ lich mehr Wärme aus dem Rauchgas entzogen werden, so daß die im Dampferzeuger auf die Überhitzerheizfläche übertragene Wärme vorübergehend ansteigt.

Zweckmäßigerweise wird zwecks Einstellung der Generator-Mehr­ leistung die Einspritzrate des Wassers in einen Hochdruck­ überhitzer und/oder einen Zwischenüberhitzer erhöht.

Um einen unerwünschten Rückgang der von der Dampfturbine ab­ gegebenen Leistung zu vermeiden, wird vorteilhafterweise spä­ testens nach einer Wartezeit von etwa einer Minute, gerechnet von der Erhöhung der Einspritzrate des Wassers an, der Soll­ wert für die Temperatur des aus der Überhitzerheizfläche ab­ strömenden Dampfes um einen vorgebbaren Betrag abgesenkt. Wie sich nämlich herausgestellt hat, fällt die Dampftemperatur in der Überhitzerheizfläche aufgrund der erhöhten Einspritzrate des Wassers nach etwa 60 s ab, was bei einer temperaturge­ führten Regelung zu einer Reduzierung der Einspritzrate des Wassers und somit zu einem Rückgang der von der Dampfturbine abgegebenen Leistung führen könnte. Bei einer rechtzeitigen Absenkung des Sollwerts für die Temperatur des aus der Über­ hitzerheizfläche abströmenden Dampfes ist dies sicher vermie­ den.

Vorteilhafterweise wird parallel zur Erhöhung der Einspritz­ rate des Wassers der Brennstoffzufluß zu einer dem Dampfer­ zeuger der Dampfkraftanlage zugeordneten fossil beheizten Brennkammer möglichst schnell, also gleichzeitig oder unmit­ telbar nach der Erhöhung der Einspritzrate des Wassers, um einen an die angeforderte Generator-Mehrleistung angepaßten Wert erhöht. Die Erhöhung des Brennstoffzuflusses kann bei­ spielsweise bei einem kohlegefeuerten Dampferzeuger nach ei­ ner Zeit von etwa 2 bis 4 Minuten in Form des Anstiegs der von der Dampfturbine abgegebenen elektrischen Leistung wirk­ sam werden. In dem Maße, in dem die von der Dampfturbine ab­ gegebene elektrische Leistung aufgrund der Erhöhung des Brennstoffzuflusses ansteigt, kann die Einspritzrate des Was­ sers wieder auf ihren Ursprungswert reduziert und die für den Dauerbetrieb vorgesehene Dampftemperaturregelung wieder akti­ viert werden.

Bezüglich der Dampfkraftanlage mit einem eine Dampfturbine und einen Generator aufweisenden Turbosatz und mit einem Dampferzeuger, dessen Heizflächen in den Wasser-Dampf-Kreis­ lauf der Dampfturbine geschaltet sind, wird die genannte Auf­ gabe erfindungsgemäß gelöst, indem eine Überhitzerheizfläche des Dampferzeugers mit einem Wasserinjektor versehen ist, der zur Einstellung einer Einspritzrate von Wasser in die Über­ hitzerheizfläche mit einem Reglerbaustein verbunden ist, wo­ bei der Reglerbaustein ein Stellsignal für den Wasserinjektor in Abhängigkeit von einer angeforderten Generator-Mehrlei­ stung vorgibt.

Der Reglerbaustein ist somit derart ausgelegt, daß eine kurz­ fristig angeforderte Generator-Mehrleistung mittels einer Er­ höhung der Einspritzrate des Wassers in die Überhitzerheiz­ fläche vorgenommen wird. Die am Wasserinjektor angeordneten Einspritzventile, auf die der Reglerbaustein wirkt, sind dazu zweckmäßigerweise mit schnell arbeitenden Antrieben versehen. Der Reglerbaustein ist zudem derart ausgebildet, daß der Öff­ nungs- und der Schließimpuls für die Antriebe dieser Ein­ spritzventile von der Leistungsregelung der Dampfkraftanlage und nicht von der Temperaturregelung der Dampfkraftanlage ge­ geben wird.

Vorteilhafterweise ist der Reglerbaustein ausgangsseitig über eine Signalleitung mit einem zur Einstellung des Speisewas­ serzuflusses in den Dampferzeuger vorgesehenen Stellventil bzw. mit einem zur Einstellung des Brennstoffzuflusses in eine dem Dampferzeuger zugeordnete Brennkammer vorgesehenen Stellventil verbunden. Über den Reglerbaustein ist somit ei­ nerseits kurzfristig eine Leistungsreserve durch Erhöhung der Einspritzrate des Wassers und andererseits mittel- oder lang­ fristig eine Erhöhung der Dauerleistungsabgabe durch Varia­ tion des Brennstoffzuflusses zur Brennkammer aktivierbar.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß die Einstellung einer Generator-Mehrleistung mittels einer Erhöhung der Einspritzrate des Wassers mit be­ sonders einfachen Mitteln und ohne zusätzliche Anforderungen an die verwendeten Komponenten ermöglicht ist. Insbesondere sind keine aufwendigen Maßnahmen zur Anpassung der Dampftur­ bine an die Erfordernisse der Schnellen Leistungsregelung er­ forderlich. Das Konzept zur Schnellen Leistungsregelung eig­ net sich somit besonders auch für Dampfturbinen normaler Bau­ art, die im gesamten Lastbereich mit einem besonders geringem Wärmeverbrauch betrieben werden können. Die Dampfturbine wird bei einer derartigen Schnellen Leistungsregelung in nur ge­ ringem Maße beansprucht, so daß auch oftmaliges Wiederholen einer derartigen Schnellen Leistungsregelung zu keinen Schä­ den an der Dampfturbine führt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur schematisch eine Dampfkraftanlage.

Die Dampfkraftanlage 1 gemäß der Figur umfaßt eine Dampftur­ bine 2, die über eine Turbinenwelle 4 mit einem Generator 6 verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel umfaßt die Dampfturbine 2 einen Hochdruckteil 2a und einen Niederdruckteil 2b. Die Dampfturbine 2 ist somit zweistufig ausgeführt. Alternativ kann die Dampfturbine 2 aber auch lediglich eine oder meh­ rere, insbesondere drei, Druckstufen umfassen.

Die Dampfturbine 2 ist ausgangsseitig über eine Dampfleitung 10 an einen Kondensator 12 angeschlossen. Der Kondensator 12 ist über eine Leitung 14, in die eine Kondensatpumpe 16 und ein dampfbeheizter Vorwärmer 18 geschaltet sind, mit einem Speisewasserbehälter 20 verbunden. Der Speisewasserbehälter 20 ist ausgangsseitig über eine Zuführungsleitung 22, in die eine Speisewasserpumpe 24 sowie ein dampfbeheizter Vorwärmer 26 geschaltet sind, mit einer in einem Dampferzeuger 28 ange­ ordneten Heizflächenanordnung 30 verbunden.

Die Heizflächenanordnung 30 umfaßt eine Verdampferheizfläche 32. Die Verdampferheizfläche 32 kann dabei als Durchlaufver­ dampferheizfläche oder auch als Naturumlaufverdampferheizflä­ che ausgebildet sein. Dazu kann die Verdampferheizfläche in bekannter Weise an eine im Ausführungsbeispiel nicht darge­ stellte Wasser-Dampf-Trommel zur Bildung eines Umlaufs ange­ schlossen sein.

Die Verdampferheizfläche 32 ist mit einem ebenfalls im Dampf­ erzeuger 28 angeordneten Hochdrucküberhitzer 34 verbunden, der ausgangsseitig an den Dampfeinlaß 36 des Hochdruckteils 2a der Dampfturbine 2 angeschlossen ist. Der Dampfauslaß 38 des Hochdruckteils 2a der Dampfturbine 2 ist über einen Zwi­ schenüberhitzer 40 an den Dampfeinlaß 42 des Niederdruckteils 2b der Dampfturbine 2 angeschlossen. Dessen Dampfauslaß 44 ist über die Dampfleitung 10 mit dem Kondensator 12 verbun­ den, so daß ein geschlossener Wasser-Dampf-Kreislauf 46 ent­ steht.

Der in der Figur dargestellte Wasser-Dampf-Kreislauf 46 ist somit aus lediglich zwei Druckstufen aufgebaut. Er kann aber auch aus lediglich einer oder aus mehreren, insbesondere drei Druckstufen aufgebaut sein, wobei im Dampferzeuger 28 in be­ kannter Weise weitere Heizflächen angeordnet sind.

Sowohl der Hochdruckteil 2a als auch der Niederdruckteil 2b der Dampfturbine 2 sind über jeweils eine mit einem Ventil 48 bzw. 50 absperrbare Umführungsleitung 52 bzw. 54 umführbar. Die dem Niederdruckteil 2b der Dampfturbine 2 zugeordnete Um­ führungsleitung 54 mündet dabei ausgangsseitig unmittelbar in den Kondensator 12.

Dem Dampferzeuger 28 ist eine fossil befeuerte Brennkammer 56 zugeordnet. Die Brennkammer 56 ist über eine mit einem Ventil 58 absperrbare Brennstoffzuleitung 60 mit Brennstoff und über eine mit einem Ventil 62 absperrbare Leitung 62 mit Verbren­ nungsluft beaufschlagbar.

Dem Hochdrucküberhitzer 34 ist ein Wasserinjektor 70 zugeord­ net, der über eine Zuleitung 72 mit Wasser W beaufschlagbar ist. Analog ist dem Zwischenüberhitzer 40 ein Wasserinjektor 74 zugeordnet, der über eine Zuführungsleitung 76 ebenfalls mit Wasser W beaufschlagbar ist. Zur Einstellung der Ein­ spritzrate des Wassers W in den Hochdrucküberhitzer 34 und in den Zwischenüberhitzer 40 sind der Wasserinjektor 70 und der Wasserinjektor 74 über jeweils eine Signalleitung 78, 80 mit einem Reglerbaustein 82 verbunden. Beim Dauerbetrieb der Dampfkraftanlage 1 wirkt der Reglerbaustein 82 derart auf den Wasserinjektor 70 und den Wasserinjektor 74, daß die Tempera­ tur des aus dem Hochdrucküberhitzer 34 bzw. aus dem Zwischen­ überhitzer 40 abströmenden Dampfes D in einem vorgebbaren To­ leranzband konstant ist. Dazu ist der Reglerbaustein 82 in nicht näher dargestellter Weise mit geeignet angeordneten Temperatursensoren verbunden.

Der Reglerbaustein 82 ist derart ausgelegt, daß zu einer Schnellen Leistungsregelung eine Generator-Mehrleistung mit­ tels einer Erhöhung der Einspritzrate des Wassers W in den Hochdrucküberhitzer 34 und/oder in den Zwischenüberhitzer 40 einstellbar ist. Dazu wird im Fall einer angeforderten Gene­ rator-Mehrleistung die temperaturgeführte Regelung des Reg­ lerbausteins 82 deaktiviert und durch ein leistungsbezogenes Reglerprinzip ersetzt. Dabei erhöht der Reglerbaustein 82 mittels an den Wasserinjektor 70 und den Wasserinjektor 74 gegebener Signale die Einspritzrate des Wassers W in den Hochdrucküberhitzer 34 bzw. in den Zwischenüberhitzer 40 der­ art, daß aufgrund der erhöhten Dampfmassenströme eine Erhö­ hung der Leistungsabgabe der Dampfturbine 2 einsetzt.

Der Reglerbaustein 82 ist zudem ausgangsseitig über eine Si­ gnalleitung 84 mit einem in die Zuführungsleitung 22 geschal­ teten Stellventil 86 verbunden. Somit ist die Zuflußrate an Speisewasser zum Dampferzeuger 28 über den Reglerbaustein 82 einstellbar.

Weiterhin ist der Reglerbaustein 82 über eine Signalleitung 90 mit dem Ventil 62 und über eine Signalleitung 92 mit dem Stellventil 58 verbunden. Somit ist über den Reglerbaustein 82 die Luftzufuhr und auch die Brennstoffzufuhr zur Brennkam­ mer 56 einstellbar. Der Reglerbaustein 82 ist dabei derart ausgelegt, daß der Brennstoffzufluß zur Brennkammer 56 gleichzeitig mit oder unmittelbar nach der Erhöhung der Ein­ spritzrate des Wassers W um einen an die angeordnete Genera­ tor-Mehrleistung angepaßten Wert erhöht wird.

Bei der Dampfkraftanlage 1 ist eine Schnelle Leistungsrege­ lung mit besonderes einfachen Mitteln gewährleistet. Eine Ge­ nerator-Mehrleistung ist dabei mittels einer Erhöhung der Einspritzrate des Wassers W in den Hochdrucküberhitzer 34 und/oder in den Zwischenüberhitzer 40 möglich.

Claims (8)

1. Verfahren zur Schnellen Leistungsregelung einer Dampf­ kraftanlage (1) mit einem eine Dampfturbine (2) und einen Ge­ nerator (6) aufweisenden Turbosatz, bei deren Betrieb eine Einspritzung von Wasser (W) in oder vor eine Überhitzerheiz­ fläche erfolgt, wobei zwecks Einstellung einer Generator- Mehrleistung eine Erhöhung der Einspritzrate des Wassers (W) vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zwecks Einstellung der Generator-Mehrleistung die Einspritzrate des Wassers (W) in oder vor einen Hochdrucküberhitzer (34) erhöht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zwecks Einstel­ lung der Generator-Mehrleistung die Einspritzrate des Wassers in oder vor einen Zwischenüberhitzer (40) erhöht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem späte­ stens nach einer Wartezeit von etwa einer Minute, gerechnet von der Erhöhung der Einspritzrate des Wassers (W) an, der Sollwert für die Temperatur des aus der Überhitzerheizfläche abströmenden Dampfes (D) um einen vorgebbaren Betrag abge­ senkt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Brennstoffzufluß zu einer dem Dampferzeuger der Dampfkraftan­ lage (1) zugeordneten fossil beheizten Brennkammer (56) gleichzeitig mit oder unmittelbar nach der Erhöhung der Ein­ spritzrate des Wassers (W) um einen an die angeforderte Gene­ rator-Mehrleistung angepaßten Wert erhöht wird.

6. Dampfkraftanlage (1) mit einem eine Dampfturbine (2) und einen Generator (6) aufweisenden Turbosatz und mit einem Dampferzeuger, dessen Heizflächen in den Wasser-Dampf-Kreis­ lauf (46) der Dampfturbine (2) geschaltet sind, wobei eine Überhitzerheizfläche des Dampferzeugers mit einem Wasserin­ jektor (70, 72) versehen ist, der zur Einstellung einer Ein­ spritzrate von Wasser (W) in die Überhitzerheizfläche mit ei­ nem Reglerbaustein (82) verbunden ist, und wobei der Regler­ baustein (82) ein Stellsignal für den Wasserinjektor (70, 72) in Abhängigkeit von einer angeforderten Generator-Mehrlei­ stung vorgibt.

7. Dampfkraftanlage (1) nach Anspruch 6, bei der der Regler­ baustein (82) ausgangsseitig über eine Signalleitung (84) mit einem zur Einstellung des Speisewasserzuflusses in den Dampf­ erzeuger vorgesehenen Stellventil (86) verbunden ist.

8. Dampfkraftanlage (1) nach Anspruch 6 oder 7, bei der der Reglerbaustein (82) ausgangsseitig über eine Signalleitung (92) mit einem zur Einstellung des Brennstoffzuflusses in eine dem Dampferzeuger zugeordnete Brennkammer (56) vorgese­ henen Stellventil (58) verbunden ist.