Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und
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Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und
Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 3. EAS Instandhaltungsworkshop 24. – 27. November 2015 Christian Busch Dipl.-Ing. Christian Busch Dipl.-Ing. Steffen Kahlert Maschinentechnik EON Anlagenservice Lehrstuhl für Energiesysteme Technische Universität München Foto: Astrid Eckert / TU München Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 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) 09.12.2015 Netzausbau Quelle: Siemens AG, E.ON SE, Vattenfall GmbH, ABB Ltd 4 Busch, Kahlert – Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 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 Motivation Aktuelle Situation in Deutschland GuD-Kraftwerkspark Deutschland KWK-Index: Stromerlös ohne Direktvermarktung KWK Index [€/MWh] 60 50 40 30 20 10 0 Quelle: Kraftwerksliste 2012, Bundesnetzagentur 09.12.2015 Busch, Kahlert – Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen Quelle: EEX 6 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 2012 2013 2014 1000 100 10 1 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 Häufigkeit [-] 10000 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: Qualität im Feld – Lebensdauer von Komponenten Plastische Verformung Anstreifen Rissbildung Beispiel: Shroud-Lifting 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: Korrosion des Kompressors Geometrieabweichungen durch Ablagerungen und Materialverlust Zunehmende Spaltverluste Gegenmaßnahme: Kompressorwäsche Revision 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 Lastwechsel mit GE 6FA+e Temperatur- und Druckverlauf Vorgänge beim Lastwechsel BK Turbine Abhitzedampferzeuger Temperatur Temperatur SRL -25 MW 1000 15 Druck SRL -25MW Druck 500 10 5 0 09.12.2015 20 0 Busch, Kahlert – Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen Druck [bar] Temperatur [°C] 1500 Kompressor 22 Lastwechsel mit GE 6FA+e Temperatur- und Druckverlauf (Heißgaspfad) 1300 1100 900 700 500 09.12.2015 T Volllast T neg. SRL p Volllast p neg. SRL 20 15 10 5 Druck [bara] Temperatur [°C] 1500 0 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: Last: 55% 62% 77% 90% Bei SRL-Abruf • Anstieg der Turbinenaustrittstemperatur • Anstieg der Temperaturdifferenzen • Dralländerung (Rotation der Temperaturspitzen) Auswirkungen: HCF der Laufschaufeln, LCF der Leitschaufeln 09.12.2015 Busch, Kahlert – Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen 100% 26 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 Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen Christian Busch [email protected] Steffen Kahlert [email protected] Foto: Astrid Eckert / TU München Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 09.12.2015 30 09.12.2015 31 09.12.2015 32 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 09.12.2015 Geometrie Kahlert – Dynamische Simulation von KWK-GuD-Anlagen Netz 34 Modellierung Abhitzedampferzeuger/Zusatzfeuerung: APROS Modell 09.12.2015 Kahlert – Dynamische Simulation von KWK-GuD-Anlagen 35 09.12.2015 36 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 09.12.2015 Gas Turbine Heat Recovery Steam Boiler Steam Turbine General Electric 6FA+e Maximum output: 78 MWel Industrial Gas Turbine Load from 50% to 100% Standardkessel Capacity: 200 t/h Natural-circulation boiler Supplemental Firing High Pressure Steam 90 bar TGM Kanis Maximum output: 45 MWel Condensing Extraction Steam Turbine Kahlert – Dynamische Simulation von KWK-GuD-Anlagen 38