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6 | 2015

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Special Strom- und

Special Strom- und Wärmeerzeugung Prozessoptimierung Bei der Optimierung von Prozessabläufen wird ein besonderes Augenmerk auf die Modellierung stark beanspruchter Komponenten im flexiblen Kraftwerksbetrieb gelegt. Hierzu zählen unter anderem die dickwandigen Trommeln und Sammler der Umlauf- bzw. Zwangdurchlaufdampferzeuger. Durch die Implementierung von Warmhaltestrategien einzelner Komponenten oder des gesamten Dampferzeugers bei einem Stillstand können beispielsweise verkürzte Anfahrzeiten bei verringerter Bauteilschädigung und eine erhöhte Tertiärregelleistungsbereitstellung erreicht werden. Im Bereich der GuD-Anlagen mit Umlaufverdampfung spielt außerdem die verbesserte Einsatzstrategie von Zusatzfeuerungen eine große Rolle. Für die Betreiber ergeben sich Anreize in Bezug auf die Senkung der Anfahrkosten, Vermarktung eines breiten Lastbandes sowie von Regelenergie und damit einer Erschließung zusätzlicher Einnahmequellen sowie einer Senkung der Emissionen. Leittechnische Maßnahmen Ein weiterer Aspekt bei der Betrachtung der wasserdampfseitigen Gesamtanlage ist die Optimierung der betreffenden Regelkreise. Im Fokus stehen dabei neben der Leistungs- und Temperaturregelung auch die Strukturen der Blockregelung. Durch eine ursprünglich konservative Auslegung mit hohen Sicherheitsreserven stellt die Leittechnik aktuell oft den begrenzenden Faktor für größere Betriebsflexibilität dar. Um hier Abhilfe zu schaffen und mögliche Reserven zu erschließen, werden die verschiedenen Regelkreise sowohl isoliert als auch im Zusammenspiel betrachtet. Die Zielsetzungen sind die Implementierung von Beobachterregelungen, die Verbesserung der Regelgüte sowie die Stabilisierung des Prozessverhaltens. Der Begriff Beobachterregelung bedeutet in diesen Zusammenhang die Regelung einer Zustandsgröße auf Basis eines Modelles des Referenzsystems. Die Differenz zwischen einem messbaren Wert der Regelstrecke und dem simulierten Ausgang des Beobachters wird dabei auf das Modell zurückgeführt, um auf Störungen oder eigene Ungenauigkeiten reagieren zu können. Leittechnische Maßnahmen zur Steigerung der Lastdynamik eignen sich im Besonderen für eine kurzfristige Umsetzung der gestiegenen Anforderungen im Kraftwerksbetrieb, da sie mit vergleichsweise niedrigen Kosten und geringem Arbeitsaufwand umzusetzen sind. Bild 4 Beispielhafter Kaltstartvorgang eines Steinkohlekraftwerks. Umsetzungsbeispiele Anhand eines Anfahrvorganges, wie er in Bild 4 für ein exemplarisches Steinkohlekraftwerk mit Zwangumlaufdampferzeuger dargestellt ist, lassen sie die Möglichkeiten einer Simulation mit Potenzialbewertung verdeutlichen: Bevor die zweite Kohlemühle in Betrieb genommen wird, ist eine Haltelinie der Frischdampftemperatur zum Aufwärmen der Komponenten und Rohrleitungen zu erkennen. Davor tritt zum Zeitpunkt des Schließens des Hochdruckbypasses ein deutlicher Überschwinger in der Temperatur auf. Simulationsrechnungen zu diesem Teil der Anlage haben ergeben, dass sich durch ein Kappen dieses Überschwingers die Schädigung des Hochdrucksammlers als kritische Komponente bereits um 80 % reduzieren lässt. Möglich wäre dies beispielsweise durch eine Verkürzung der Regelverzögerung am entsprechenden Regelventil oder andere, konstruktive Maßnahmen [3]. Bei der Simulation überkritischer Dampferzeuger mit detaillierten Modellen des Verdampfers fällt auf, dass sich im nahkritischen Übergangsbereich der Membranwand immer wieder Stabilitätsprobleme mit daraus resultierenden, abnehmenden Zeitschrittweiten ergeben. Dies liefert einen weiteren Hinweis auf das Optimierungspotenzial und Forschungsbedarf zu den grundlegenden thermalhydraulischen Vorgängen in diesem Bereich. Fazit In Bezug auf die Dampferzeugung in thermischen Kraftwerken ist weiterhin ein großer Forschungsbedarf vorhanden. Die geänderten Anforderungen an den Kraftwerksbetrieb bringen verschiedene Ansatzpunkte mit sich, bei denen sich eine intensivere Betrachtung lohnt. Eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit durch Reduktion der Anfahrdauern und die Bereitstellung zusätzlicher Regelenergie auf Basis der dynamischen Prozesssimulationen konnte bereits nachgewiesen werden. Die experimentellen Untersuchungen im nahkritischen Bereich ermöglichen zukünftig eine Validierung der Berechnungsmethoden für den Wärmeübergang innerhalb der Prozesssimulation. Gleichzeitig liefern sie belastbare Aussagen über den sicheren Betriebsbereich von überkritisch arbeitenden Dampferzeugern. Eine Reduktion von Bauteilreserven durch eine verbesserte Heizflächenbelastung wird durch eine bessere, belastbare Quantifizierung der kritischen Wärmestromdichten ebenfalls denkbar. Inwieweit sich eine Verbesserung der Genauigkeit im nahkritischen Bereich durch die Experimente am Hiper nach der Inbetriebnahme und eine Steigerung der Gradienten durch besseres Systemverständnis und Ausnutzung von Sicherheitsreserven mit Hilfe der dynamischen Simulation an weiteren Beispielen umsetzen lassen, wird sich im weiteren Verlauf des Projekts zeigen. Literatur [1] Buttler et al.: Statusbericht Flexibilitätsbedarf im Stromsektor. Lehrstuhl für Energiesysteme der TU München, 2015 (verfügbar auf www.es.mw.tum.de). [2] Pioro, I.L.; Duffey, R.B.: Heat transfer and hydraulic resistance at supercritical pressures in power engineering applications. ASME Press, New York, 2007. [3] Hentschel et al,: Optimierung eines konventionellen Kraftwerksanfahrprozesses durch Beheizung dickwandiger Bauteile. Kraftwerkstechnisches Kolloquium, Dresden, 2014. 12 BWK Bd. 67 (2015) Nr. 6

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