Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 3. EAS Instandhaltungsworkshop 24. 27. November 2015 Christian Busch
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
Agenda Motivation Forschungskooperation Schädigung von Gasturbinen Beispiel: Lastwechsel mit GE 6FA+e Zusammenfassung 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 3
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 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 4
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 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 5
KWK Index [ /MWh] Motivation Aktuelle Situation in Deutschland GuD-Kraftwerkspark Deutschland KWK-Index: Stromerlös ohne Direktvermarktung 60 50 Quelle: Kraftwerksliste 2012, Bundesnetzagentur 40 30 20 10 0 Quelle: EEX 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 6
11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4-5 -6-7 -8-9 -10-11 Häufigkeit [-] Motivation Aktuelle Situation in Deutschland Häufigkeit des Auftretens von Gradienten Residuallast innerhalb von 15 Minuten Mittlerer Leistungspreis für Sekundärregelleistung der 2012-2014 (NEG NT) 100000 10000 1000 2012 2013 2014 100 10 1 Normierter Gradient [% der momentanen Residuallast/15 min] Quelle: Statusbericht Flexibilitäts-bedarf im Stromsektor, 2015 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 7
Forschungskooperation Energy Valley Bavaria Flexible Kraftwerke Analyse und Optimierung der Kraftwerksflexibilität Interdisziplinäres Projekt (4 Lehrstühle aus 2 Fakultäten) Fördergeber: 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 8
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) 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 9
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 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 10
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 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 11
Forschungskooperation Auswirkungen auf den AHDE und die Dampfturbine Negative Sekundärregelleistung: Gasturbine + Dampfturbine 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 12
Forschungskooperation Auswirkungen auf den AHDE und die Dampfturbine Positive Sekundärregelleistung: Dampfturbine 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 13
Schädigung von Gasturbinen Belastung von Gasturbinen Kompressor BK Turbine Abhitzedampferzeuger Thermische Belastung Mechanische Belastung 09.12.2015 Erosion Nasskorrosion Nasskorrosion (Stillstand) 14 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 14
Schädigung von Gasturbinen Schädigungsmechanismen Kriechen Zeitstandfestigkeit Ursache: Fliehkraft der Laufschaufeln Auswirkung: Plastische Verformung Anstreifen Rissbildung Beispiel: Shroud-Lifting Qualität im Feld Lebensdauer von Komponenten 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 15
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 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 16
Schädigung von Gasturbinen Montage/Fertigung Qualität im Feld Demontage Komponenten 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 17
Schädigung von Gasturbinen Montage/Fertigung Qualität im Feld Maßhaltigkeit von Komponenten 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 18
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 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 19
Schädigung von Gasturbinen Einsatzarten / Auswirkungen Kraftwerksbetrieb bestimmt den Verschleiß: Spitzenlast Mittellast Grundlast Ermüdung Ermüdung, Kriechen Kriechen Wie ist es bei Grundlastkraftwerke + Regelleistung? 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 20
Lastwechsel mit GE 6FA+e Allgemeiner Aufbau GE 6FA (MS6001FA+e) 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 21
Temperatur [ C] Druck [bar] Lastwechsel mit GE 6FA+e Temperatur- und Druckverlauf Vorgänge beim Lastwechsel 1500 1000 500 Kompressor BK Turbine Abhitzedampferzeuger Temperatur Temperatur SRL -25 MW Druck SRL -25MW Druck 20 15 10 5 0 0 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 22
Temperatur [ C] Druck [bara] Lastwechsel mit GE 6FA+e Temperatur- und Druckverlauf (Heißgaspfad) 1500 1300 1100 900 700 500 T Volllast T neg. SRL p Volllast p neg. SRL 20 15 10 5 0 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 23
Lastwechsel mit GE 6FA+e Temperaturverläufe TAT bei SRL-Abruf 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 24
Lastwechsel mit GE 6FA+e Temperaturverläufe im Heißgaspfad bei 20 MW SRL-Abruf 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 25
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% 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 26 62% 77% 90% 100%
Lastwechsel mit GE 6FA+e Beispiel: Thermische Spannung in Schaufel SFR Quelle: GE 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 27
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 09.12.2015 Busch, Kahlert Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 28
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
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Lastwechsel mit GE 6FA+e Gasturbine: Dynamische 1D-Prozesssimulation Modellierung von Kühlluft VIGV Regelsystem 09.12.2015 Kahlert Dynamische Simulation von KWK-GuD-Anlagen 33
Modellierung Gasturbine: Schaufelgeometrie La2 3D-Scan Geometrie Netz 09.12.2015 Kahlert Dynamische Simulation von KWK-GuD-Anlagen 34
Modellierung Abhitzedampferzeuger/Zusatzfeuerung: APROS Modell 09.12.2015 Kahlert Dynamische Simulation von KWK-GuD-Anlagen 35
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Druckverhältnis IGV geschlossen IGV offen Stationäre Arbeitslinie Reduzierter Massenstrom 09.12.2015
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 09.12.2015 Kahlert Dynamische Simulation von KWK-GuD-Anlagen 38