-Blöcke mit Braunkohlefeuerung im Kraftwerk Bełchatów

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1 Modernisierung der 360 MW el -Blöcke mit Braunkohlekraftwerk Bełchatów Modernisierung der 360 MW el -Blöcke mit Braunkohlefeuerung im Kraftwerk Bełchatów Bernhard Pinkert, Frank Schierack, Ralf Peter und Krzysztof Matyskiewicz 1. Kurzbeschreibung des Dampferzeugers Beschreibung der Modernisierungsmaßnahmen der Blöcke 3 bis Verfahrenstechnisches Konzept der Modernisierung eines Braunkohlekraftwerks Wasser-Dampf-Kreislauf Druckteil und Überhitzerschaltung Feuerungskonzept Ventilatormühlen und Sichter Betriebsmesswerte des Wasser-Dampf-Systems Optimierung der Feuerung Zusammenfassung und Ausblick Die Blöcke 1 bis 12 des Kraftwerks Bełchatów wurden im Zeitraum 1978 bis 1988 errichtet. Die Blöcke wurden nahezu baugleich ausgeführt und besaßen ursprünglich eine Leistung von 360 MW. Mit einer Gesamtleistung von MW war es zum Zeitpunkt der Fertigstellung das größte Braunkohlenkraftwerk Europas und gehörte auch sonst zu den größten kohlegefeuerten Kraftwerken weltweit. Das Kraftwerk wird bis zum heutigen Tage mit Kohle aus dem Tagebau Bełchatów betrieben. Die erforderliche Jahresfördermenge für die Blöcke 1 bis 12 beträgt 30 bis 34 Millionen Tonnen. Eine Modernisierung der Blöcke war erforderlich geworden, da einige Bauteile bereits eine Betriebsdauer von mehr als Betriebsstunden aufwiesen und spätestens nach Betriebsstunden ein Austausch erforderlich geworden wäre. Außerdem war Polen auf Grund der Richtlinie des Europäischen Parlaments 2001/80/EG verpflichtet, Maßnahmen zur Reduzierung der Schadstoffemissionen vorzunehmen. Auf Grund des hohen finanziellen Aufwandes der Modernisierung, wurde von Seiten des Betreibers PGE (vormals BOT) der Entschluss gefasst, gleichzeitig mit der Modernsierung Maßnahmen zur Erhöhung des Blockwirkungsgrades und der Blockleistung durchzuführen. Im Rahmen mehrerer von PGE beauftragter Studien wurde eine Reihe von Maßnahmen zur Verwirklichung dieses Ziels abgeleitet. Die Modernisierung der Blöcke 3 bis 5 erfolgte auf der Basis einer Losausschreibung. Dies führte zu der besonderen Situation, dass alle beteiligten Partner in die formulierten Ziele der Modernisierung einzubeziehen waren. 37

2 Bernhard Pinkert, Frank Schierack, Ralf Peter, Krzysztof Matyskiewicz Neben den von BBS (Babcock Borsig Steinmüller GmbH) realisierten Maßnahmen am Dampferzeuger waren die Modernisierung der Dampfturbine der Austausch der Heiß- und Zwischendampfleitungen die Modernisierung der Regenerativluftvorwärmer die Modernisierung der E-Filter die Installation eines neuen Prozessleitsystems und die Einhaltung der Emissionsvorschriften der EU wesentliche Elemente zur Erhöhung des Blockwirkungsgrades und zur Leistungserhöhung. 1. Kurzbeschreibung des Dampferzeugers Die Dampferzeuger der Blöcke 1 bis 12 des Kraftwerkes Bełchatów sind als Turmkessel gestaltet. Der Verdampfer arbeitet als Durchlaufsystem mit überlagertem Umlauf und einer Flasche als Verdampfungsendpunkt. Die Brennkammer und der Rauchgaszug sind als Membranrohrwand mit Senkrechtberohrung ausgebildet. Im Rauchgaszug befinden sich als Bündelheizflächen 3 Pakete des Hochdrucküberhitzers, 2 Pakete des Zwischenüberhitzers sowie 3 Pakete des Economisers. Die Heizflächen sind an Tragrohren aufgehängt, die als 1. Stufe des Hochdrucküberhitzers geschaltet sind. Die Tragrohre werden dabei von unten nach oben durchströmt. Vom oberen Ende des Kessels aus wird das Rauchgas über Blechkanäle zu den Luftvorwärmern geleitet. Es sind 2 Regenerativluftvorwärmer mit vertikaler Welle installiert. Die Verbrennungsluft wird vor dem Eintritt in den Regenerativluftvorwärmer mittels Dampfluftvorwärmer vorgewärmt. Die Rauchgase werden vor dem Eintritt in den Kamin mit einem E-Filter gereinigt. Außerdem ist eine nasse Rauchgaswäsche zur Entschwefelung vorhanden. Die Wiederaufheizung des Rauchgases nach der REA auf etwa 75 C erfolgt mittels eines Wärmeverschubsystems. Die Blöcke des Kraftwerks Bełchatów werden mit Weichbraunkohle aus den Tagebauen Kleszczów und Szczerców betrieben. Die Feuerung besteht aus 8 Ventilatormühlen mit je 2 Flachschlitzbrennern, die auf einen Tangentialkreis ausgerichtet sind. Für die Aufbereitung des Brennstoffs sind pro Kessel 8 Ventilatormühlen des Typs N (Hersteller FPM Mikołów, EVT-Lizenz) installiert. Die Frischluftventilatoren und Saugzüge sind Axialventilatoren des Herstellers Fawent, KKK-Lizenz. Das Umlaufsystem des Dampferzeugers ist mit 2 Umwälzpumpen ausgerüstet. Die Umwälzpumpen sind für je 100 % Last ausgelegt (1 Betriebspumpe, 1 Reservepumpe). Die Absicherung des Druckteils erfolgt durch eine Kombination aus HD-Umleitstationen und ZD-Sicherheitsventilen. Es sind 2 HD-Umleitstationen, ausgelegt für einen Durchsatz von je 575 t/h sowie 4 ZD-Sicherheitsventile mit einem Durchsatz von je 381 t/h installiert. 2. Beschreibung der Modernisierungsmaßnahmen der Blöcke 3 bis 5 Die Modernisierung der Druckteile und der Feuerung des Dampferzeugers beinhaltete folgende Maßnahmen: Installation einer modernen NO X -armen Feuerung durch Austausch der Kohlenstaubbrenner und Einbau eines Ausbrandluftsystems (2 ABL-Ebenen) 38

3 Modernisierung der 360 MW el -Blöcke mit Braunkohlekraftwerk Bełchatów Ersatz der vorhandenen Nachbrennroste und Einbau von Überwachungskameras Austausch von Verdampferheizflächen Austausch von Überhitzerheizflächen für die Lebensdauerverlängerung und die Anhebung der Dampfparameter Erneuerung der Einspritzungen, einschließlich der Regelarmaturen Austausch von Verbindungsrohren Sanierung und Vergrößerung des Speisewasservorwärmers (nur Kessel 5) Einbau eines Staubabscheiders im Heißluftkanal nach Luvo zur Verringerung des Erosionsverschleißes Veränderung der Kontur der Mahlkammerspirale der Ventilatormühlen und Ersatz der vorhandenen Sichter Umschaltung Verbindungsrohre Abscheideflasche Wandüberhitzer P0 Überhitzer P1A (Tragrohre) Economiser Überhitzer P1B Zwischenüberhitzer M1 Überhitzer P4 Zwischenüberhitzer M2 Überhitzer P3 Rauchgasrücksaugung Trennstelle Verdampfer / Überhitzer P0 Umwälzpumpe Ventilatormühle N Nachbrennrost (Wanderrost) Abb. 1: Kesselzeichnung Block 5 nach der Modernisierung (Dampftemperatur 570/570 C, Speisewassertemperatur 275 C, höchster Wirkungsgrad) 39

4 Bernhard Pinkert, Frank Schierack, Ralf Peter, Krzysztof Matyskiewicz Ersatz und Erweiterung der Dampfrußbläseranlage für die Reinigung der Konvektionsheizflächen Einbau von Wasserlanzenbläsern für die Reinigung der Brennkammer Einbau eines Eco-Umwälzsystems zur Verhinderung von Wasserschlägen beim Anfahren Austausch der Schnellablassventile WR und ZR der Abscheideflasche Austausch des Speisewasser-Anfahrventils Sanierung und Modifikation der Heißluftkanäle Sanierung der Kaltluftkanäle Modernisierung der Frischlüfter Modernisierung der Saugzüge Nicht zum BBS Lieferumfang gehörten die Modernisierung der Dampf- und Regenerativluftvorwärmer, sowie der Elektrofilter. 3. Verfahrenstechnisches Konzept der Modernisierung 3.1. Wasser-Dampf-Kreislauf Bei der Erarbeitung des Modernisierungskonzepts war die Erhöhung der Dampftemperaturen und des Heißdampfdrucks ein wesentliches Element zur Erhöhung des Blockwirkungsgrades. Dies war nur realisierbar, wenn gleichzeitig die Dampfleitungen zur Turbine sowie das Hoch- und Mitteldruckteil der Turbine für die höheren Parameter ausgelegt werden. Die Niederdruckteile der Turbine waren bereits zu einem früheren Zeitpunkt modernisiert worden. Tab. 1: Verfahrenstechnische Kennwerte der Originalauslegung und der Modernisierung Original Modernisierung Einheit Auslegung Block 3 Block 4 Block 5 Jahr des Vertrags Heißdampf-Massestrom t/h Heißdampf-Temperatur C Zwischendampf-Temperatur C Speisewassertemperatur C Heißdampfdruck MPa 17,7 18,0 18,0 18,5 Wirkungsgrad (brutto) % 38,1 39,3 39,3 40,1 Heizwert MJ/kg 7,75 7,75 7,75 7,75 Brennstoff-Massestrom t/h Erzeugungswärme MW Feuerungswärmeleistung MW Generatorleistung MW

5 Modernisierung der 360 MW el -Blöcke mit Braunkohlekraftwerk Bełchatów Aus den Kennwerten der Tabelle 1 wird ersichtlich, dass der Brutto-Blockwirkungsgrad um bis zu 2 % erhöht werden konnte. Beim Block 5 wurde mit einer um 2 MW höheren Feuerungswärmeleistung eine um 20 MW höhere Generatorleistung realisiert. Die Blöcke werden gegenwärtig hauptsächlich mit Kohle aus dem Tagebau Kleszczów betrieben. Die Eigenschaften dieser Kohle sind einigen Lauzitzer Brennstoffen sehr ähnlich. Die Verschmutzung der Brennkammer und der Konvektionsheizflächen bei Verbrennung dieser Kohle ist mäßig. Es ist nur ein gelegentlicher Einsatz der installierten Reinigungseinrichtungen erforderlich. Die Modernisierung der Blöcke erfolgte unter Berücksichtigung des zukünftigen Einsatzes von Braunkohle aus dem Tagebau Szczerzów. Diese Kohle neigt durch eine ungünstigere Mineralzusammensetzung zu stärkerer Verschmutzung. Die Auslegung der Kessel erfolgte deshalb bereits unter Berücksichtigung des Einsatzes dieser Kohle. Tab. 2: Parameter des Auslegungsbrennstoffs und des Brennstoffbandes der Modernisierung Einheit Garantie- Brennstoffkohle band Kohlenstoff Ma.-% 23,20 Wasserstoff Ma.-% 1,92 Schwefel Ma.-% 1,07 0,6 1,85 Stickstoff Ma.-% 0,32 Sauerstoff Ma.-% 10,69 Wasser Ma.-% 51, Asche Ma.-% 11,40 8,7 18,4 Füchtige (daf) Ma.-% 54, Bruchxylit Ma.-% 5,00 1,5 14 Faserxylit Ma.-% 1,50 0,5 10 Heizwert MJ/kg 7,75 6,5 8, Druckteil und Überhitzerschaltung Die Anhebung des Heißdampfdruckes bereitete keine Probleme, da der Dampferzeuger bereits für einen Berechnungsdruck am Heißdampfaustritt von 21,0 MPa ausgelegt war. Die Erhöhung der Dampftemperaturen erforderte aber eine Vergrößerung der Überhitzerheizflächen. Beim Zwischenüberhitzer erfolgte die Vergrößerung der Heizfläche im Wesentlichen durch die Vergrößerung des Zwischenüberhitzers 1 unter Ausnutzung der bereits im ursprünglichen Projekt vorgesehenen Erweiterungsmöglichkeit. Die Vergrößerung des Zwischenüberhitzers hatte aber zur Folge, dass für den Hochdrucküberhitzer P1B mit der größten Heizfläche, der sich rauchgasseitig hinter dem Zwischenüberhitzer 1 befindet, nun ein geringeres Wärmeangebot zur Verfügung stand. Um dieses Defizit auszugleichen und die Austrittstemperatur zusätzlich um 30 K beim Block 5 anzuheben, war eine deutliche Vergrößerung des Hochdrucküberhitzers erforderlich. Diese wurde durch Auftrennung des Verdampfers und Umschaltung des oberen Verdampfers als Wandüberhitzer erreicht. Die Trennstelle befindet sich beim Block 5 auf Höhe 45 m. Die Erhöhung der Speisewassertemperatur beim Block 5 von 255 auf 275 C hatte zur Folge, dass sich die Feuerungsleistung bei gleichem Heißdampfmassestrom verringerte. Aus 41

6 Bernhard Pinkert, Frank Schierack, Ralf Peter, Krzysztof Matyskiewicz diesem Grund musste der Hochdrucküberhitzer P1B um ein komplettes Heizflächenpaket erweitert werden. Der Economiser wurde deshalb um etwa 3 m nach oben verschoben. Die Größe der Eco-Heizfläche wurde an geforderte Rauchgastemperatur nach Eco angepasst. Voraussetzung für die Erhöhung der Speisewassertemperatur war die Installation einer zusätzlichen Anzapfung im Hochdruckteil der Turbine und der Einbau einer 3. Hochdruckvorwärmerstufe. Die Entnahme von Dampf aus dem Hochdruckteil der Turbine hatte eine Verringerung des kalten Zwischenüberhitzer-Massestromes um etwa 50 t/h bei Nennleistung zur Folge Feuerungskonzept Bei der Festlegung des Feuerungskonzepts war es erforderlich, auf einige Randbedingungen Rücksicht zu nehmen, die aus Kostengründen praktisch nicht verändert werden konnten. Dies betraf insbesondere die Größe der Brennkammer, die aus der Lage des Tragrohrschottüberhitzers bedingt ist. Aus der Volumenbelastung von etwa 0,10 MW/m³ resultiert eine Brennkammeraustrittstemperatur von bis C. Da außerdem im Bereich zwischen Rauchgasrücksaugung und Tragrohrschottüberhitzer nur eine Höhe von 1,5 m vorhanden ist, war es nicht möglich, in diesem Bereich Ausbrandluftdüsen anzuordnen. Das Feuerungskonzept basiert auf Flachstrahlbrennern mit 3 Staubfingern je Brenner. Aus den ersten Betriebsergebnissen vom Block 3 konnte abgeleitet werden, dass es zweckmäßig ist, die Traggasgeschwindigkeiten nicht zu niedrig zu wählen, um einen möglichst hohen Strahlimpuls zu erreichen und damit die Zündstabilität zu verbessern. Aus diesem Grunde wurden die Abmessungen der Staubaustritte bei den Blöcken 4 und 5 gegenüber dem Block 3 verringert. Außerdem wurden für die Sekundärluftdüsen am Brenner bei den Blöcken 4 und 5 Rechteckquerschnitte gewählt, um die Scherkräfte zwischen Staub- und Luftstrahl zu erhöhen. Die Ausbrandluftebene 1 befand sich bereits beim Block 3 unterhalb der Rauchgasrücksaugung. Die Lage wurde nur geringfügig verändert. Die Anzahl der Düsen wurde jedoch von 12 Stück beim Block 3 auf 18 Stück bei den Blöcken 4 und 5 erhöht. Dadurch ergab sich die höhere Variabilität für die Einstellung der Düsen bei der Inbetriebnahme der Anlage. Die in den Ecken angeordneten Düsen der Vorder- und Rückwand wurden 1 m höher angeordnet, da sich aus fluiddynamischen Berechnungen ein ungünstiges Verhalten ergeben hatte, wenn sich die über Eck angeordneten Düsen auf der gleichen Ebene befinden. Abb. 2: Lanzen der Ausbrandluftebene 2, angeordnet im Bereich des Überhitzers P3 42

7 Modernisierung der 360 MW el -Blöcke mit Braunkohlekraftwerk Bełchatów Die Ausbrandluftebene 2 wurde mit 10 Lanzen ausgerüstet, die im Bereich des Überhitzers P3 eingebaut sind. Die Notwendigkeit für den Einsatz der Lanzen ergab sich aus der erforderlichen Verweilzeit sowie den ungünstigen Platzverhältnissen zwischen Rauchgasrücksaugung und Überhitzer. Für das Konzept der Lanzen waren bei BBS bereits langjährige Betriebserfahrungen aus den Kraftwerken Jänschwalde und Klingenberg vorhanden. Auch bei dem von BBS realisierten Feuerungsumbau im Heizkraftwerk Chemnitz Nord wurde das Konzept der Ausbrandluftzuführung mittels Lanzen realisiert. Die Anzahl der Lanzen ist durch die Anzahl der Tragrohrreihen gegeben. Die Anzahl der Düsen je Lanze ergibt sich aus der Anzahl der Überhitzerscheiben. Im Kraftwerk Bełchatów sind 20 Rohrscheiben mit einer Teilung von 712 mm vorhanden. Daraus ergaben sich 11 Düsenreihen pro Lanze. Die Düsen sind um 15 nach unten geneigt OFA2 (Lanzen) Block 3 Block 4/ Rauchgasrücksaugung OFA1 (Wanddüsen) B T = Brenneroberkante Brennerunterkante Abb. 3: Anordnung der Kohlestaubbrenner, der Ausbrandluftebenen und Brennergeometrie 3.4. Ventilatormühlen und Sichter Die Blöcke 1 bis 12 sind mit je 8 Ventilatormühlen N (Hersteller FPM Mikołów, EVT-Lizenz) ausgerüstet. Der Schlagraddurchmesser beträgt mm. Die Drehzahl kann mittels Getrieberegelkupplung im Bereich von 420 bis 500 U/min. eingestellt werden. Mit diesen Parametern wird ein maximales Fördervolumen von m³/h erreicht. Dies entspricht einem nominalen Brennstoffdurchsatz von 80 t/h. Da der Kessel jedoch bei Garantiekohle nur einen Brennstoffbedarf von etwa 450 t/h aufweist (Block 3 und 4) wird die Nennlast des Kessels bereits mit 6 Mühlen erreicht. Die Analyse der Mühle und des Sichters zeigte, dass einige Merkmale des Systems nicht die Anforderungen der NO x -armen Verbrennung erfüllten. Die Mahlkammerspirale war zu groß gewählt. Dies kann bei niedriger Schlagraddrehzahl zu einem schlechten Austrag und damit verbunden 43

8 Bernhard Pinkert, Frank Schierack, Ralf Peter, Krzysztof Matyskiewicz zu Unstetigkeiten im Staubstrom nach Mühle führen. Um diese zu vermeiden wurde die Mahlkammerspirale verkleinert. Die Mühle ist gegenwärtig mit einem Kastensichter mit verstellbaren Leitblechen ausgerüstet. Die Leitbleche wurden durch den Betreiber so eingestellt, dass sich eine gute Ausmahlung ergab. Nachteilig war jedoch der große Öffnungswinkel des Diffusors, der einen Sekundärwirbel verursacht. Dieser kann durch periodische Anreicherung von Brennstaub ebenfalls zu Unstetigkeiten im Austrag führen. Aus diesem Grunde wurde ein neuer Sichter konzipiert, der einen schlankeren Öffnungswinkel besitzt. Das sehr große Fördervolumen der Mühlen führt außerdem zu hohen Traggastemperaturen nach Sichter. Die Temperatur sollte 200 C nicht überschreiten, um die Schädigung des Schlagrades zu vermeiden. Zur Verringerung des Fördervolumens, insbesondere bei niedriger Last wurde eine geregelte Fördergasrückführung installiert. 4. Betriebsmesswerte des Wasser-Dampf-Systems Der Vertrag über die Modernisierung der Blöcke enthielt zahlreiche Garantieparameter, die zu erfüllen waren. Den Schwerpunkt bildeten die Einhaltung der Dampftemperaturen und der Emissionswerte (CO und NO x ). Die Heißdampftemperatur war im Bereich von 50 bis 100 % Kessellast, die Zwischendampftemperatur im Bereich von 70 bis 100 % Last einzuhalten. 140 Messwerte MW Wärmeaufnahme der Heizfläche MW ,4 108,5 101,1 101,8 115, ,7 84,6 76,1 80, ,3 55, ,5 41,6 41, Eco P0/P1A P1B P3 P4 M1 M2 Projekte Messwerte Abb. 4: Vergleich der projektierten Wärmeaufnahme der Überhitzer des Blockes 3 mit Messwerten 44

9 Modernisierung der 360 MW el -Blöcke mit Braunkohlekraftwerk Bełchatów Grundlage der wärmetechnischen Auslegung der Blöcke bildete zunächst die Nachrechnung vorhandener Betriebsmesswerte eines Blockes vor der Modernisierung. Bei der Übertragung dieser Ergebnisse war jedoch das völlig veränderte Feuerungskonzept zu berücksichtigen. Die Abbildung 3 zeigt, dass es Abweichungen zwischen der projektierten und der gemessenen Wärmeaufnahme der Überhitzerheizflächen gibt. Bei der deutlich zu niedrigen Wärmeaufnahme der Überhitzer P0/P1A muss der Feuchtegehalt des Sattdampfes nach Trenngefäß berücksichtigt werden. Dieser betrug in Abhängigkeit von der Last und der Fahrweise 6 bis 18 %. Die geringere Wärmeaufnahme des Wandüberhitzers P0 ist demzufolge auch durch die erhebliche Restfeuchte des Sattdampfes bedingt. Deutlich zu niedrig sind auch die Wärmeaufnahmen der Überhitzerstufen P4 und M2. Diese Daten konnten bei der Auslegung des Blockes 5 bereits berücksichtigt werden. Insgesamt wurden die geforderten Dampftemperaturen jedoch erreicht. Schwierig war es, die Zwischendampftemperatur bei 70 % Last zu erreichen. Anfangs betrug die Temperatur nur 530 bis 540 C statt der geforderten 570 C. Systematisch durchgeführte Versuche und deren Analyse zeigten jedoch, dass die Ursache in der Fahrweise der Feuerung lag. Immer dann, wenn bei niedriger Last das Luftverhältnis im Brennergürtel deutlich über 1,0 lag, waren die Dampftemperaturen zu niedrig. Durch Reduzierung des Luftverhältnisses im Brennergürtel gelang es zunächst, das Feuer nach oben zu verlagern und die Dampftemperaturen zu erhöhen. Außerdem hat sich bezüglich der Dampftemperaturen der Betrieb der Feuerung mit einem hohen Gesamtluftverhältnis bei niedriger Last als unvorteilhaft erwiesen. Erst durch die Kombination der Maßnahmen Absenkung Luftverhältnis + Verlagerung der Luft in das Ausbrandluftsystem gelang es, die geforderten Dampftemperaturen einzuhalten. Positiver Nebeneffekt war, dass mit dieser Fahrweise auch bessere Emissionswerte erreicht werden konnten. Wasser-/Dampftemperatur C Heißdampfmassestrom t/h TD_nP4 TD_nS2 TD_nP1B TD_nS3 TD_nS2 Wasser-/Dampftemperatur C Heißdampfmassestrom t/h TD_nM2 TD_nS4 TD_KZUE TD_nS5 TD_nM1 Abb. 5: Charakteristik des Überhitzers nach der Optimierung 5. Optimierung der Feuerung Die Optimierung der Feuerung erfolgte hauptsächlich durch das Inbetriebnahme-Personal vor Ort. Außerdem wurden die Leitstandsdaten aus dem Prozessleitsystem durch die Verfahrensingenieure zeitnah ausgewertet und Maßnahmen zur Optimierung der Feuerung abgeleitet. Neben diesen praktischen Arbeiten wurden auch mathematische Simulationen in Form von Parameterstudien durchgeführt. 45

10 Bernhard Pinkert, Frank Schierack, Ralf Peter, Krzysztof Matyskiewicz 1,60e+03 1,54e+03 1,48e+03 1,42e+03 1,36e+03 1,30e+03 1,24e+03 1,18e+03 1,12e+03 1,06e+03 1,00e+03 9,40e+02 8,80e+02 8,20e+02 7,60e+02 7,00e+02 6,40e+02 5,80e+02 5,20e+02 4,60e+02 4,00e+02 2,10e-01 1,99e-01 1,89e-01 1,78e-01 1,68e-01 1,57e-01 1,47e-01 1,37e-01 1,26e-01 1,15e-01 1,05e-01 9,45e-02 8,40e-02 7,35e-02 6,30e-02 5,25e-02 4,20e-02 3,15e-02 2,10e-02 1,05e-02 0,00e+00 5,00e-03 4,75e-03 4,50e-03 4,25e-03 4,00e-03 3,75e-03 3,50e-03 3,25e-03 3,00e-03 2,75e-03 2,50e-03 2,25e-03 2,00e-03 1,75e-03 1,50e-03 1,25e-03 1,00e-03 7,50e-03 5,00e-04 2,50e-04 2,00e-04 1,90e-04 1,80e-04 1,70e-04 1,60e-04 1,50e-04 1,40e-04 1,30e-04 1,20e-04 1,10e-04 1,00e-04 9,00e-05 8,00e-05 7,00e-05 6,00e-05 5,00e-05 4,00e-05 3,00e-05 2,00e-05 1,00e-05 0,00e NOx-Konzentration i tr. RG bei 6 % O2 mg/nm Modell_ 05_V Modell_ 05_V Modell_ 05_V Modell_ 05_V Normierte CO-Konzentration % 100 V(PL) = Nm 3 /h V(PL) = Nm 3 V(PL) = /h Nm 3 /h 188 V(PL) = Nm 3 /h Abb. 6: Simulation eines Einzelbrenners zum Einfluss der Primärluft (Block 4) Aus den Ergebnissen der Simulation konnte abgeleitet werden, dass eine hohe Primärluftmenge sowohl die CO- als auch die NO x -Emission verschlechtert. Ursache hierfür ist die schlechtere Zündung, in Folge des geringeren Sekundärluftimpulses und der damit verbundenen schlechteren Einmischung der Sekundärluft. Es wurden deshalb Maßnahmen zur Reduzierung der Primärluftmenge eingeleitet. Diese bestanden in der Anhebung der zulässigen Rauchgastemperatur vor Mühle und der Veränderung des Regelkonzeptes der Mühlen (Drehzahl und Einsatz der Fördergasrückführung). Diese Maßnahmen führten zu einer deutlichen Beruhigung der Feuerführung, die gleichzeitig eine Verbesserung der Emissionen bewirkte. 46

11 Modernisierung der 360 MW el -Blöcke mit Braunkohlekraftwerk Bełchatów Einen weiteren Schwerpunkt der Feuerungsoptimierung bildete die Abstimmung der gesamten Luftfahrweise hinsichtlich des Luftverhältnisses und den Luftmengen für den Nachbrennrost, die Mühle (Primärluft), die Brenner (Sekundärluft) und den Ausbrandluftebenen. Bei den Kesseln 4 und 5 waren zusätzlich die Wandluftdüsen in die Optimierungsarbeiten einzubeziehen. 71,0 61,0 Volumenstrom OFA1 TNm 3 /h 51,0 41,0 31,0 21,0 11,0 1, Feuerungswärmeleistung MW Var 1 Var 2 Var 3 91,0 81,0 71,0 61,0 51,0 41,0 31,0 21,0 Volumenstrom OFA2 TNm 3 /h 11,0 1, Feuerungswärmeleistung MW Var 1 Var 2 Var Abb. 7: Optimierung der Regelkurven für die Ausbrandluft (OFA) am Block 5 Die Diagramme der Abbildung 7 zeigen, wie die Veränderung der Ausbrandluftmengen im Rahmen der Optimierungsarbeiten erfolgten. Die Werte für die maximale Leistung weichen nur geringfügig vom Ausgangswert ab. Dagegen gibt es sehr große Veränderungen in der Fahrweise bei mittleren und niedrigen Lasten. Insbesondere war es erforderlich, den Volumenstrom der Ausbrandluftebene 1 bei niedrigen Lasten zu erhöhen. Bis zu etwa 70 % Last ist die Ausbrandluftebene 1 dominierend. Mit steigender Kessellast sinkt die Verweilzeit und die zugeführte Ausbrandluftmenge muss zunehmend in Richtung Brennkammerende verlagert werden. Dies zeigt, dass bei den Blöcken des Kraftwerkes Bełchatów der Einsatz von 2 Ausbrandluftebenen zwingend erforderlich war. Zur technischen Lösung, die Ausbrandluftebene 2 als Lanzen auszuführen und diese im Bereich des Überhitzers P3 zu 47

12 Bernhard Pinkert, Frank Schierack, Ralf Peter, Krzysztof Matyskiewicz platzieren, gab es praktisch keine Alternative, wenn aus Kostengründen der Grundaufbau der Heizflächen erhalten bleiben sollte. Einen typischen Verlauf der Blockleistung sowie der Emissionen über einen Zeitraum von 24 Stunden zeigt die Abbildung 8. Trotz kurzzeitiger Überschreitungen des CO-Grenzwertes konnte der Tagesmittelwert eingehalten werden. Die Überschreitungen traten stets beim Mühlenwechsel auf und hatten ihre Ursache in der Fahrweise, Verbrennungsluft und deren Zuordnung zur Kohlemenge der jeweiligen Mühle. Durch leittechnische Maßnahmen sollen die CO-Spitzen beim Mühlenwechsel zukünftig vermieden werden. Zu diesem Zweck sollen die Zuteiler der Blöcke 7 bis 12 mit Bandwaagen ausgerüstet werden NO x, CO mg/nm 3, 6 % O 2 6:28 6:75 7:28 7:57 9:28 9:57 10: :57 11:28 11:57 12:28 12:57 13:28 13:57 14:28 14:57 CO korr NO x korr El. Leistung Sollwerte 200 mg (Nm 3, 6 % O 2 für Vertragskohle (für % ( t/h) HDL) Tagesmittelwerte Leistung MW 278 CO mg/nm NO x mg/nm :28 15:28 15: Elektrische Leistung MW 16:57 17:28 17:57 18:28 18:57 19:28 19:57 20:28 20:57 21:28 21:57 22:28 22:57 23:28 23:57 0:28 0:57 1:28 1:57 2:28 2:57 3:28 3:57 4:28 4:57 5:28 5:57 Abb. 8: Blockleistung CO- und NO x -Emission (Halbstundenmittelwerte) am Block Zusammenfassung und Ausblick Bei der Modernisierung der Blöcke 3 bis 5 wurden neben der Verlängerung der Lebensdauer zahlreicher Komponenten der Anlage, Maßnahmen zur Reduzierung der Emissionen und zur Erhöhung des Blockwirkungsgrades durchgeführt. Durch Primärmaßnahmen wurde die NO x -Emission von etwa 350 mg/nm³ auf < 200 mg/nm³ reduziert. Gleichzeitig wurde die geforderte CO-Emission < 200 mg/nm³ eingehalten. Die Erhöhung des Blockwirkungsgrades erfolgte durch die Verbesserung der Stufenwirkungsgrade des Hock- und Mitteldruckteils der Turbine und die gleichzeitige Erhöhung der Dampfparameter. Beim Block 5 wurde ein zusätzlicher Hochdruckvorwärmer installiert und die Speisewassertemperatur von 255 auf 275 C erhöht. Der Brutto-Blockwirkungsgrad wurde durch diese Maßnahmen 48

13 Modernisierung der 360 MW el -Blöcke mit Braunkohlekraftwerk Bełchatów um etwa 2 % Punkte erhöht. Dies entspricht bei einer weiteren 30-jährigen Nutzung des Blockes 5 einer Brennstoffeinsparung von insgesamt 5 Millionen Tonnen. Ausgehend von den vorhandenen Kohlevorräten kann damit die Nutzungsdauer der Tagebaue und des Kraftwerkes um 1 bis 1½ Jahre verlängert werden. Der Block 6 wurde für die gleichen Dampfparameter wie der Block 5 ausgelegt. Bei den Blöcken 7 bis 12 ist eine weitere Anhebung des Frischdampfdruckes auf 19,0 MPa geplant. Die Überhitzeraustrittsstufe wird ebenfalls für eine maximale Dampftemperatur von 570 C ausgelegt. Diese Temperatur wird jedoch nur bei hohen Kessellasten erreicht, da auf den Einsatz der Trennstelle verzichtet wurde. Die Speisewassertemperatur wurde gegenüber der ursprünglichen Auslegung nicht verändert. Damit liegt die Wirkungsgradsteigerung der Blöcke 7 bis 12 etwa zwischen denen der Blöcke 3/4 und 5. Bei den Blöcken 7 bis 12 ist die Mitverbrennung von Biomasse mit einem energetischen Anteil von maximal 5 % geplant. Aus diesem Grunde werden diese Blöcke mit einem Schwingrost an Stelle des bisher eingesetzten Wanderrostes ausgerüstet. 49

14 Bernhard Pinkert, Frank Schierack, Ralf Peter, Krzysztof Matyskiewicz Inserat Vattenfall 50