Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen

Transkript

1 Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 3. EAS Instandhaltungsworkshop November 2015 Christian Busch

2 Foto: Astrid Eckert / TU München Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen Dipl.-Ing. Christian Busch Maschinentechnik EON Anlagenservice Dipl.-Ing. Steffen Kahlert Lehrstuhl für Energiesysteme Technische Universität München

3 Agenda Motivation Forschungskooperation Schädigung von Gasturbinen Beispiel: Lastwechsel mit GE 6FA+e Zusammenfassung Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 3

4 Motivation Maßnahme zur Unterstützung der Energiewende Kraftwerksflexibilität Energiespeicher Welchen Beitrag können thermische Kraftwerke leisten? Flexible Last (Demand-Side-Management) Netzausbau Quelle: Siemens AG, E.ON SE, Vattenfall GmbH, ABB Ltd Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 4

5 Motivation Kraftwerksflexibilität Flexibilität aus Sicht eines Kraftwerksbetreibers Lastflexibilität ermöglicht kurzfristige Vermarktungsoptionen Regelenergie und Intraday-Markt Wärmebedarf schränkt KWK-Anlagen ein Erhöhung der Lastgradienten Senkung der Mindestlast Teillast Auslegungspunkt Wirkungsgradverluste Lastwechsel und Start-Stopp-Zyklen Thermische Spannungen und Lebensdauerverbrauch Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 5

6 KWK Index [ /MWh] Motivation Aktuelle Situation in Deutschland GuD-Kraftwerkspark Deutschland KWK-Index: Stromerlös ohne Direktvermarktung Quelle: Kraftwerksliste 2012, Bundesnetzagentur Quelle: EEX Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 6

7 Häufigkeit [-] Motivation Aktuelle Situation in Deutschland Häufigkeit des Auftretens von Gradienten Residuallast innerhalb von 15 Minuten Mittlerer Leistungspreis für Sekundärregelleistung der (NEG NT) Normierter Gradient [% der momentanen Residuallast/15 min] Quelle: Statusbericht Flexibilitäts-bedarf im Stromsektor, Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 7

8 Forschungskooperation Energy Valley Bavaria Flexible Kraftwerke Analyse und Optimierung der Kraftwerksflexibilität Interdisziplinäres Projekt (4 Lehrstühle aus 2 Fakultäten) Fördergeber: Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 8

9 Forschungskooperation Bisherige Untersuchungen Zusammenarbeit mit SWM Ziel: Verbesserung der Lastdynamik des Heizkraftwerks München Süd mithilfe der dynamischen Simulation Schwerpunkt: Anfahren Anfahren der Gasturbine in 15min aus dem Stillstand bei minimaler Bauteilschädigung des Abhitzedampferzeugers Heizkraftwerk München Süd (Quelle: SWM) Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 9

10 Forschungskooperation Kooperation mit E.ON/TUM Erbringung sekundärer Regelleistung mit industriellen KWK-/GuD-Kraftwerken Projektpartner: E.ON Energy Projects, Kraftwerk Plattling E.ON Anlagenservice/ Technologies Ziel: Auswirkung der Sekundärregelleistungsbereitstellung auf die Lebensdauer von Gasturbine und Abhitzedampferzeuger mithilfe dynamischer Prozesssimulation berechnen Weiteres Potential für Regelleistung berechnen Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 10

11 Forschungskooperation Sekundärregelleistung Anforderung Laständerung in 5 min Vermarktung für eine Woche (Peak, Off-Peak) Einschränkungen Lastbereich Gasturbine (abhängig von Außentemperatur, Mindestlast wegen Emissionen begrenzt) Maximale/minimale Zusatzfeuerung Dampfturbine (min. Radkammerdruck, Ventilation) Maximale Dampflieferverpflichtung Dynamik Leittechnik Lastgradienten Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 11

12 Forschungskooperation Auswirkungen auf den AHDE und die Dampfturbine Negative Sekundärregelleistung: Gasturbine + Dampfturbine Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 12

13 Forschungskooperation Auswirkungen auf den AHDE und die Dampfturbine Positive Sekundärregelleistung: Dampfturbine Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 13

14 Schädigung von Gasturbinen Belastung von Gasturbinen Kompressor BK Turbine Abhitzedampferzeuger Thermische Belastung Mechanische Belastung Erosion Nasskorrosion Nasskorrosion (Stillstand) Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 14

15 Schädigung von Gasturbinen Schädigungsmechanismen Kriechen Zeitstandfestigkeit Ursache: Fliehkraft der Laufschaufeln Auswirkung: Plastische Verformung Anstreifen Rissbildung Beispiel: Shroud-Lifting Qualität im Feld Lebensdauer von Komponenten Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 15

16 Schädigung von Gasturbinen Schädigungsmechanismen Ermüdung Low-Cycle-Fatigue: Anfahren/Abfahren Lastwechsel High-Cycle-Fatigue: Schwingungen (z. B. aus Nachlaufdellen) Ungleichmäßige Temperaturverteilung Qualität im Feld Lebensdauer von Komponenten Weitere Schädigung durch Heißgaskorrosion und Oxidation Fremdkörpereinwirkung Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 16

17 Schädigung von Gasturbinen Montage/Fertigung Qualität im Feld Demontage Komponenten Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 17

18 Schädigung von Gasturbinen Montage/Fertigung Qualität im Feld Maßhaltigkeit von Komponenten Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 18

19 Schädigung von Gasturbinen Gasturbinenperformance vs. Einsatzdauer Gasturbinenperformance nimmt über die Betriebsdauer ab Kompressor- und Turbinenwirkungsgrade sinken Ursache: Geometrieabweichungen durch Ablagerungen und Materialverlust Zunehmende Spaltverluste Gegenmaßnahme: Kompressorwäsche Revision Korrosion des Kompressors Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 19

20 Schädigung von Gasturbinen Einsatzarten / Auswirkungen Kraftwerksbetrieb bestimmt den Verschleiß: Spitzenlast Mittellast Grundlast Ermüdung Ermüdung, Kriechen Kriechen Wie ist es bei Grundlastkraftwerke + Regelleistung? Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 20

21 Lastwechsel mit GE 6FA+e Allgemeiner Aufbau GE 6FA (MS6001FA+e) Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 21

22 Temperatur [ C] Druck [bar] Lastwechsel mit GE 6FA+e Temperatur- und Druckverlauf Vorgänge beim Lastwechsel Kompressor BK Turbine Abhitzedampferzeuger Temperatur Temperatur SRL -25 MW Druck SRL -25MW Druck Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 22

23 Temperatur [ C] Druck [bara] Lastwechsel mit GE 6FA+e Temperatur- und Druckverlauf (Heißgaspfad) T Volllast T neg. SRL p Volllast p neg. SRL Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 23

24 Lastwechsel mit GE 6FA+e Temperaturverläufe TAT bei SRL-Abruf Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 24

25 Lastwechsel mit GE 6FA+e Temperaturverläufe im Heißgaspfad bei 20 MW SRL-Abruf Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 25

26 Beispiel: Gasturbine GE 6FA+e Umfangsverteilung der Heißgastemperatur Temperatur im Turbinenaustritt: Bei SRL-Abruf Anstieg der Turbinenaustrittstemperatur Anstieg der Temperaturdifferenzen Dralländerung (Rotation der Temperaturspitzen) Auswirkungen: HCF der Laufschaufeln, LCF der Leitschaufeln Last: 55% Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 26 62% 77% 90% 100%

27 Lastwechsel mit GE 6FA+e Beispiel: Thermische Spannung in Schaufel SFR Quelle: GE Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 27

28 Zusammenfassung GuD-Anlagen finden zunehmend schwieriges Marktumfeld vor Senkung von Instandhaltungskosten bei höherer zyklischer Belastung Neue Problematik: Ermüdung und Konservierung Bei Lastwechseln treten im Vergleich zum An- und Abfahren geringe Temperaturgradienten und thermische Spannungen auf Detaillierte Betrachtung der Schädigung notwendig um Revisionsintervalle zu planen => Kontinuierlich zunehmender Kostendruck => Neue Betriebsweisen von Baseload zu zyklischen bzw. Peak-Fahrweisen Industrielle KWK-Anlagen haben großes Flexibilitätspotential Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 28

29 Foto: Astrid Eckert / TU München Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Christian Busch christian.busch@eon.com Steffen Kahlert steffen.kahlert@tum.de

30

31

32

33 Lastwechsel mit GE 6FA+e Gasturbine: Dynamische 1D-Prozesssimulation Modellierung von Kühlluft VIGV Regelsystem Kahlert Dynamische Simulation von KWK-GuD-Anlagen 33

34 Modellierung Gasturbine: Schaufelgeometrie La2 3D-Scan Geometrie Netz Kahlert Dynamische Simulation von KWK-GuD-Anlagen 34

35 Modellierung Abhitzedampferzeuger/Zusatzfeuerung: APROS Modell Kahlert Dynamische Simulation von KWK-GuD-Anlagen 35

36

37 Druckverhältnis IGV geschlossen IGV offen Stationäre Arbeitslinie Reduzierter Massenstrom

38 Kraftwerk Plattling Übersicht Inbetriebnahme 2010 Feuerung: 293MW Leistung: 120 MWel Prozessdampf: 188 T/h SRL: GT -20 MW DT -10 MW Gas Turbine Heat Recovery Steam Boiler Steam Turbine General Electric 6FA+e Standardkessel TGM Kanis Maximum output: 78 MW el Capacity: 200 t/h Maximum output: 45 MW el Industrial Gas Turbine Load from 50% to 100% Natural-circulation boiler Supplemental Firing High Pressure Steam 90 bar Condensing Extraction Steam Turbine Kahlert Dynamische Simulation von KWK-GuD-Anlagen 38