Spitzenlast und Netzreserve Aktuelle Anforderungen an Turbosätze mit SGT5-4000F Gasturbinen und deren Auswirkungen auf Betrieb und Lebensdauer

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1 Spitzenlast und Netzreserve Aktuelle Anforderungen an Turbosätze mit SGT5-4000F Gasturbinen und deren Auswirkungen auf Betrieb und Lebensdauer Dr.-Ing. Tjark Eisfeld, Dr.-Ing. Hendrik Steins Siemens Power and Gas Large Gas Turbines, Generators siemens.com/power-gas Frei verwendbar

2 Inhalt Einleitung Anforderungen an den Gasturbosatz Auswirkungen auf den Gasturbinenbetrieb Auswirkungen auf den Generatorbetrieb Page 2

3 Merkmale der SGT5-4000F 2016 Flexibilität Leistung MW / 40.7% * Angepasstes Druckverhältnis Reduzierung der Kühlluft Vorheizen des Brennstoffs Hydraulische Spaltoptimierung Erhöhung des Massenstroms Erhöhung der Verbrennungstemperatur Aerodynamische Optimierung der Turbine Schnellstart: SC < 10 min, CC < 30 min Lastfolge von 50 MW/min Wobbe Range ±15% H 2 S bis zu 4000 ppm Betrieb bei T amb -50 ºC bis +55 ºC 233 MW / 37,0%* * ISO Bedingungen, keine Garantiewerte SGT5-4000F Merkmale 15-stufiger Verdichter Entnahme der Laufschaufeln ohne Entstapeln möglich Robustes Design Ringbrennkammer mit 24 Brennern Geringer Kühlluftverbrauch 24 Brenner für Gas und Öl Gesamter Verbrennungsraum begehbar 4-stufige Turbine Vollständig luftgekühlt durch Verdichterluftentnahme Einsatz von Wärmedämmschichten und Filmkühlung Robuster Rotor mit Hirth Verzahnung Optimiertes Design für hohe thermische Gradienten Optimierter Einsatz durch höhere Flexibilität und Leistung Page 3

5 Anforderungsprofil Spitzenlast Geordnete Jahresdauerlinie 2014, Deutschland Jahresdauerlinie der Residuallast wird durch erneuerbare Energien weiter abgesenkt werden Konventionelle Energieerzeugung wird in den Spitzenlastbetrieb oder die Netzreserve außerhalb des Marktes gedrängt Quelle: Statusbericht Flexibilitätsbedarf im Stromsektor, TUM, 2015 Aber: Bedarf an gesicherter (konventioneller) Leistung sinkt nur geringfügig Verschiebung des Betriebs in den Spitzenlastbetrieb Page 5

6 Anforderungsprofil Netzreservekapazität Technische und Wirtschaftliche Eignung Mindestanforderungen Erbringungsort stellt sicher, dass Anlage zur Lösung der konkreten Systemsicherheitsproblem in Deutschland beitragen kann Durchgängige Erreichbarkeit des Anlagenpersonals (24/7) und Kontaktstelle Die Energielieferung der Netzreserve über einen Bilanzkreis in die Regelzone muss bei Anlagen außerhalb Deutschlands im europäischen Energiebinnenmarkt oder in der Schweiz vom Anlagenbetreiber gewährleistet werden Anfahrzeit < 24 Stunden Anforderungswert jederzeit unter Berücksichtigung technischer Restriktionen änderbar Abwicklungssprache ist Deutsch und Englisch Bewertungskriterien Für weitere Vertragsverhandlungen mit dem Anlagenbetreiber werden folgende Bewertungskriterien betrachtet: Technische Eignung Erbringungsort Gesicherte Brennstoffversorgung Wirtschaftlichkeit Kostenrelevante Faktoren Behördliche Randbedingungen Anforderungsvorlaufzeiten, Anfahrtszeit, Änderungsvariabilität und Erbringungsort Netzsensitivität auf die gemäß Bedarfsanalyse kritischen Engpässe Unter Berücksichtigung von Leistungs- und Arbeitspreis Zum Beispiel erforderliche Instandsetzungen Randbedingungen / Restriktionen der Behörden und Gesetze Ausreichende Stromkapazitäten Quelle: IBV 2015 gem. BNetzA-Bericht Page 6

7 Anforderungsprofil Netzreservekapazität Daten zur Aufnahme von Anlagen in die Netzreserve Zur Aufnahme von Anlagen in die Netzreserve bedarf es einiger Angaben des Anlagenbetreibers für die Bewertung der Anlage hinsichtlich der Erzeugung und Speicherung elektrischer Energie in die Netzreserve. Hierzu dient das Datenblatt Netzreserve des Interessenbekundungsverfahren (IBV) der deutschen Übertragungsnetzbetreiber. Allgemeines Wirtschaftliche Parameter Betriebliche Parameter Vorlaufzeit und Betriebsdauer Anbieter bzw. Betreiber Name der Anlage Block Angeb. Reserveleistung Standort Regelzone Anschlussnetzbetreiber 24/7-Besetzung Bisherige Einsatzweise Monatliche Vorhaltekosten Anfahrkosten Warmstart Anfahrkosten Kaltstart Arbeitsabhängige Kosten Zeitpunkt Inbetriebnahme Netto-Nennleistung Nennleistung Netzanschlusspunkt NAP Techn. Min-Leistung Unter- und übererregte Nenn-Blindleistung NAP Primärenergieträger Ersatzbrennstoffe Zeitdauer zum Brennstoffwechsel Leistungsänderungsgradient Anfahrtdauer auf Mindestlast bei Kalt- und Warmstart Anfahrtdauer auf Nennlast bei Kalt- und Warmstart Spätester Anforderungszeitpunkt Minimale Betriebsdauer Vorlaufzeit für Leistungsänderung Ankündigungsfrist Abfahrt Mindeststillstandzeit nach Einsatz Page 7 Quelle: IBV 2015 gem. BNetzA-Bericht Datenblatt Netzreserve

9 Auswirkung auf die Gasturbine Erweiterte Flexibilität und erhöhtes Leistungsspektrum Anfahren Lastvariabilität Spitzenlast Teillast Konservierung Eine veränderte Situation erfordert angepasste Produkte: Erhöhung der Startzahlen bei geringen Betriebsstunden Erhöhter Teillastanteil und transienter Betrieb Verlagerung von Heißstarts zu Kaltstarts Unvorhersehbare Stillstandszeiten Page 9

10 Auswirkung auf die Gasturbine Schnelleres Starten und Abschalten der GT in SC & CC Start- und Abschaltoptimierung Simple Cycle Erhöhung des GT Startgradienten von 13 MW/min auf 30 MW/min (Synchronisation Grundlast) Schnelles Abschalten mit bis zu 30 MW/min Anfahren auf Grundlast in weniger als 15 Min Kein zusätzliches Zählen von EOH Hot Start on the Fly Combined Cycle Hot Start on the Fly (HoF) ist ein Startkonzept für das gesamte Kraftwerk und nutzt den anfänglich produzierten Dampf zum Starten der Dampfturbine Verfügbar für Trommelkessel sowie Benson Kessel und in bereits 17 Siemens SGT5-4000F CC- Kraftwerken implementiert Shut down on the Fly (SoF) erfolgreich in 50 Hz Kraftwerken getestet Page 10

11 Auswirkung auf die Gasturbine Erhöhung der Grundlast / Reduzierung der Teillast Turn Up Betriebslinie** Verfügbare Lastgradienten 100% Leistung GT ATK Erhöhung Leitschaufelverstellbereich verfügbar 30 Minuten nach Schluss des Generatorschalters Regelleistung Frequenzstütze 50 MW/min* 3%/s* Leistungsbereich standard ~ 42-99% GT* Leistungsbereich max. ~ % GT* 50% 40% Gesamtlastbereich 30% Turn Down Betriebslinie Ext. Turn Down Betriebslinie** **Einschränkungen bezüglich der Umgebungstemperatur sind anlagenspezifisch zu berücksichtigen ATK Lastverstellung in Betrieb An- / Abfahren Standard An- / Abfahren Schell 13 MW/min 13 MW/min* 30 MW/min* * anlagenspezifisch, Einschränkungen können sich durch Verbrennungsinstabilitäten und CO-Emissionsgrenzen ergeben Page 11

12 Auswirkung auf die Gasturbine Teillastoptimierung der CO-Emissionen Potentieller Nutzen Erweiteter Teillastbereich mit niedrigen Emissionen (bei 10ppm CO und 25ppm NOx, ~10% tiefere GT-Last möglich mit konstanten CO Emissionen im Leitschaufelverstellbereich**) Optimierter Teillastwirkungsgrad Brennstoffeinsparung bei Minimallast * Erfahrung: positiver Einfluss auf CO Emissionen wurde bei mehreren Anlagen gezeigt, aktueller Neuanlagen-Standard CO Emissionskonforme Lastreduktion um 10% GT Last Upgrade Umfang Anhebung der Abgastemperatur in Teillast* Optimiertes Sekundärluftsystem* Zus. Luftumleitung aus dem Brennkammer Plenum (optional) Aktiviertes Anti-Icing* ** anlagenspezifisch und abhängig von Umgebungsbedingungen Page 12

13 Auswirkung auf die Gasturbine Konservierung des Gasturbinenkraftwerkes Treiber für Wartung / Konservierungsumfang Alterung System/ Medium bezogene Voraussetzungen Stillstandskorrosion Zeitabhängig Einflussfaktoren Betriebsparameter Betriebsmedium Charakteristika des Betriebsmediums (z.b. Öl) Komponenten- und Systemfunktionalität(z.B. Abnutzung) Zeit Luftfeuchtigkeit Sauerstoffkonzentration Wartung und Arbeitsaufwand primär von der Versprödung getrieben Wartung hängt von Medium und/oder Funktionssicherheit ab Wartung und Arbeitsaufwand abhängig von der Vermeidung von Korrosion Page 13

15 Auswirkung auf den Generator Betriebsweisen indirekt gekühlter Generatoren Detaillierte Auswertung von 33 Generatoren gleichen Typs Indirekte Kühlung Weltweiter Einsatz Leistungsbereich bis ~320 MVA Auswertezeitraum (ab Inbetriebsetzung bis 2014) Über die Flotte gemittelte relative Häufigkeit der angefahrenen Leistungspunkte [%] Auswertung der aktuellen Betriebsweise eines Generators über einen Zeitraum von 10 Tagen Dargestellter Bereich 10 Tage Charakteristische Keulenform im leicht übererregten Betrieb Page 15

16 Auswirkung auf den Generator Spitzenlastbetrieb Detaillierte Betrachtung eines Generators Hohe Anzahl an Starts (durchschnittlich ~ 3 pro Woche) Hohe Anzahl an steilen Lastwechseln Relative Häufigkeit der angefahrenen Leistungspunkte [%] Relative Häufigkeit der gefahrenen Leistungsrampen [%] >= > > Volles Ausfahren des Generators innerhalb der Leistungsgrenzen Erhöhte Flexibilitätsanforderung durch das elektrische Verbundnetz / den Netzbetreiber Page 16

17 Auswirkung auf den Generator Thermo-Mechanische Belastung des Isoliersystems 1. Jede Wirk- und Blindleistungsänderung (ΔP, ΔQ) resultiert in einer Änderung des Statorstromes (ΔI RST ) 2. Jede Änderung des Statorstromes (ΔI RST ) resultiert in einer Änderung der Verluste (ΔP V ~ ΔI RST2 ) und der sich einstellenden Temperaturen in der Statorwicklung (ΔT ~ ΔP V ) 3. Die physikalischen Randbedingungen (unterschiedliche thermische Ausdehnungs-koeffizienten) führen zu einer generischen thermo-mechanischen Belastung des Isoliersystems bei jeder Leistungsänderung Generisch-zyklische thermo-mechanische Belastung Positiver Lastwechsel Stab der Statorwicklung T Isolierung Kupferleiter Negativer Lastwechsel Isolierung Kupferleiter T Page 17

18 Reduktion der thermo-mechanischen Belastung des Isoliersystems im volatilen Betrieb Robustes Design des Isoliersystems der Statorwicklung Konstruktion des Hochspannungsisoliersystems für ganzgetränkte Ständerwicklungen (GVPI) Innenpotentialsteuerung (IPS) - Leitvlies - Kontaktstreifen (Kupfer) - Trennender Grundwickel Verifikation der Funktionsweise durch Materialtests Patentierter doppellagiger Außenglimmschutz (AGS) - Innere AGS-Wickel - Spaltglimmervlies-Trennband - Leitvlies-Kontaktband - Äußerer AGS-Wickel Page 18 Hauptisolierung - Mehrlagig gewickeltes Glimmerband - Abbau des elektrischen Potentialunterschiedes von bis zu 22 kv Kupferteilleiter (Roebelstab)

19 Reduktion der thermo-mechanischen Belastung im volatilen Betrieb Aktive Kaltgastemperaturregelung im Generator Erläuterung der Funktionsweise im Leistungsbetrieb Schematische Darstellung einer Kühlungsregelung Scheinleistung S Temperatur T Temperatur Nutenwiderstandthermometer (aktiv geregelt) 1. Leistungsreduktion Ventil reduziert den Durchfluss im Generatorkühler (T KG steigt an) 2. Leistungssteigerung Ventil erhöht den Durchfluss im Generatorkühler (T KG fällt ab) Generierte elektrische Scheinleistung Aktiv geregelte Kühlmethodik (Ausregelung der Leistungsänderungen) Zeit t Signifikante Reduktion der durch den Spitzenlastbetrieb erzwungenen thermo-mechanischen Belastungen im Generator Nahtlose Integration in schon bestehende Kraftwerke Page 19

20 Zusammenfassung Turbosätze mit SGT5-4000F Gasturbinen erfüllen die Anforderungen der Spitzenlast und Netzreserve Betriebsweise der SGT5-4000F Bestandsanlagen kann bezüglich der aktuellen Anforderungen angepasst werden Generatorkühlung kann lebensdaueroptimierend angepasst werden, um den erforderlichen Betriebstransienten Rechnung zu tragen Flex Power Services TM optimieren die Gesamtanlage bezüglich der spezifischen Anforderungen Page 20

21 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Dr.-Ing. Tjark Eisfeld Projektleiter Mods&Upgrades für SGT-4000F Serie und SGT-8000H Serie Dr.-Ing Hendrik Steins Experte für Generator Design Siemens AG Mellinghofer Str Mülheim Siemens AG Rheinstr Mülheim Tel: +49 (208) Tel: +49 (208) siemens.com Page 21

22 Haftungsausschluss Dieses Dokument enthält Aussagen, die sich auf unseren künftigen Geschäftsverlauf und künftige finanzielle Leistungen sowie auf künftige Siemens betreffende Vorgänge oder Entwicklungen beziehen und zukunftsgerichtete Aussagen darstellen können. Diese Aussagen sind erkennbar an Formulierungen wie erwarten, wollen, antizipieren, beabsichtigen, planen, glauben, anstreben, einschätzen, werden und vorhersagen oder an ähnlichen Begriffen. Wir werden gegebenenfalls auch in anderen Berichten, in Präsentationen, in Unterlagen, die an Aktionäre verschickt werden, und in Pressemitteilungen zukunftsgerichtete Aussagen tätigen. Des Weiteren können von Zeit zu Zeit unsere Vertreter zukunftsgerichtete Aussagen mündlich machen. Solche Aussagen beruhen auf den gegenwärtigen Erwartungen und bestimmten Annahmen des Siemens-Managements, von denen zahlreiche außerhalb des Einflussbereichs von Siemens liegen. Sie unterliegen daher einer Vielzahl von Risiken, Ungewissheiten und Faktoren, die in Veröffentlichungen insbesondere im Abschnitt Risiken des Geschäftsberichts beschrieben werden, sich aber nicht auf solche beschränken. Sollten sich eines oder mehrere dieser Risiken oder Ungewissheiten realisieren oder sollte es sich erweisen, dass die zugrunde liegenden Erwartungen nicht eintreten beziehungsweise Annahmen nicht korrekt waren, können die tatsächlichen Ergebnisse, Leistungen und Erfolge von Siemens (sowohl negativ als auch positiv) wesentlich von denjenigen Ergebnissen abweichen, die ausdrücklich oder implizit in der zukunftsgerichteten Aussage genannt worden sind. Siemens übernimmt keine Verpflichtung und beabsichtigt auch nicht, diese zukunftsgerichteten Aussagen zu aktualisieren oder bei einer anderen als der erwarteten Entwicklung zu korrigieren. Die in diesem Dokument genannten Handelsmarken und Warenzeichen sind Eigentum der Siemens AG bzw. ihrer Beteiligungsgesellschaften oder der jeweiligen Inhaber. TRENT und RB211 sind registrierte Handelsmarken und Warenzeichen von und werden unter der Lizenz von Rolls-Royce plc. verwendet. Trent, RB211, 501 und Avon sind Handelsmarken und Warenzeichen von und werden unter der Lizenz von Rolls-Royce plc. verwendet. Page 22