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
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Motivation
Maßnahme zur Unterstützung der Energiewende
Kraftwerksflexibilität
Energiespeicher
Welchen Beitrag können thermische
Kraftwerke leisten?
Flexible Last
(Demand-Side-Management)
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Netzausbau
Quelle: Siemens AG, E.ON SE, Vattenfall GmbH, ABB Ltd
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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
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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
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Quelle: EEX
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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
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Forschungskooperation
Energy Valley Bavaria – Flexible Kraftwerke
 Analyse und Optimierung der Kraftwerksflexibilität
 Interdisziplinäres Projekt (4 Lehrstühle aus 2 Fakultäten)
 Fördergeber:
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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)
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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
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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
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Forschungskooperation
Auswirkungen auf den AHDE und die Dampfturbine
Negative Sekundärregelleistung: Gasturbine + Dampfturbine
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Forschungskooperation
Auswirkungen auf den AHDE und die Dampfturbine
Positive Sekundärregelleistung: Dampfturbine
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Schädigung von Gasturbinen
Belastung von Gasturbinen
Kompressor
BK
Turbine
Abhitzedampferzeuger
Thermische Belastung
Mechanische Belastung
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Erosion
Nasskorrosion
Nasskorrosion (Stillstand)
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Schädigung von Gasturbinen
Schädigungsmechanismen
Kriechen  Zeitstandfestigkeit
Ursache:
 Fliehkraft der Laufschaufeln
Auswirkung:
Qualität im Feld –
Lebensdauer von Komponenten
 Plastische Verformung
 Anstreifen
 Rissbildung
Beispiel:
Shroud-Lifting
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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
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Schädigung von Gasturbinen
Montage/Fertigung
Qualität im Feld – Demontage Komponenten
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Schädigung von Gasturbinen
Montage/Fertigung
Qualität im Feld – Maßhaltigkeit von Komponenten
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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
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Schädigung von Gasturbinen
Einsatzarten / Auswirkungen
Kraftwerksbetrieb bestimmt den Verschleiß:
 Spitzenlast
 Mittellast
 Grundlast
 Ermüdung
 Ermüdung, Kriechen
 Kriechen
Wie ist es bei Grundlastkraftwerke + Regelleistung?
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Lastwechsel mit GE 6FA+e
Allgemeiner Aufbau GE 6FA (MS6001FA+e)
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Lastwechsel mit GE 6FA+e
Temperatur- und Druckverlauf
 Vorgänge beim Lastwechsel
BK
Turbine
Abhitzedampferzeuger
Temperatur
Temperatur SRL -25 MW
1000
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Druck SRL -25MW
Druck
500
10
5
0
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0
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Druck [bar]
Temperatur [°C]
1500
Kompressor
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Lastwechsel mit GE 6FA+e
Temperatur- und Druckverlauf (Heißgaspfad)
1300
1100
900
700
500
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T Volllast
T neg. SRL
p Volllast
p neg. SRL
20
15
10
5
Druck [bara]
Temperatur [°C]
1500
0
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Lastwechsel mit GE 6FA+e
Temperaturverläufe TAT bei SRL-Abruf
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Lastwechsel mit GE 6FA+e
Temperaturverläufe im Heißgaspfad bei 20 MW SRL-Abruf
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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
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100%
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Lastwechsel mit GE 6FA+e
Beispiel: Thermische Spannung in Schaufel
SFR
Quelle: GE
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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
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Gasturbinen: Einfluss der Energiewende auf Betrieb
und Instandhaltung von industriellen KWK Anlagen
Christian Busch
christian.busch@eon.com
Steffen Kahlert
steffen.kahlert@tum.de
Foto: Astrid Eckert / TU München
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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Lastwechsel mit GE 6FA+e
Gasturbine: Dynamische 1D-Prozesssimulation
Modellierung von
 Kühlluft
 VIGV
 Regelsystem
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Kahlert – Dynamische Simulation von KWK-GuD-Anlagen
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Modellierung
Gasturbine: Schaufelgeometrie La2
3D-Scan
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Geometrie
Kahlert – Dynamische Simulation von KWK-GuD-Anlagen
Netz
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Modellierung
Abhitzedampferzeuger/Zusatzfeuerung: APROS Modell
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Kahlert – Dynamische Simulation von KWK-GuD-Anlagen
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Druckverhältnis
IGV
geschlossen
IGV
offen
Stationäre
Arbeitslinie
Reduzierter Massenstrom
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Kraftwerk Plattling
Übersicht
Inbetriebnahme 2010
Feuerung: 293MW
Leistung: 120 MWel
Prozessdampf: 188 T/h
SRL: GT -20 MW
DT -10 MW
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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
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