Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zum Bereitstellen einer Regelleistung durch eine kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer Regelleistung durch eine kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage mit wenigstens einer Gasturbine und wenigsten einer Dampfturbine. Die Gas- und Dampfturbinenanlage erzeugt elektrische Leistung und speist diese in ein Netz ein, welches mit einer vorgegebenen Netzfrequenz betrieben wird.

In einer kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage wird die Abwärme der Gasturbinenanlage einem Abhitzekessel zugeführt, in dem der Arbeitsdampf zum Betreiben der Dampfturbine erzeugt wird. Der Dampfturbine ist mindestens ein Dampfturbinen-Steilventil vorgeschaltet, dessen Durchlassquerschnitt durch eine Regelung einstellbar ist. Die Sollwertbildung für das Einstellen des Stellventil-Durchlassquerschnittes erfolgt unter Verwendung eines leistungsrelevanten Regelparameters, d.h. eines Regelparameters, welcher die Regelung der Leistung der Dampfturbine erlaubt. Der leistungsrelevante Regelparameter kann insbesondere auch die Leistung der Dampfturbine sel- ber sein. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Dampfturbine häufig mehrere Druckstufen aufweist. So kann eine Dampfturbine beispielsweise eine Hochdruck—, eine Mitteldruck—und eine Niederdruckteilturbine aufweisen, welche sich durch den Druck des Dampfes, der in den jeweiligen Teilturbi- nen herrscht, unterscheiden. Falls die Dampfturbine mehrere derartige Teilturbinen aufweist, so kann jede der Teilturbinen mindestens ein Dampfturbinen-Stellventil aufweisen, dessen Stellventil-Durchlassquerschnitt durch eine Regelung einstellbar ist.

Stromnetze werden mit einer bestimmten Netzfrequenz, die in Europa bei 50 Hz liegt, betrieben. Die nahezue Konstanz der Frequenz ist vom Netzbetreiber zu garantieren. Die Netzfrequenz ist jedoch mit dem Gleichgewicht zwischen der Stromer- zeugung und der Last (von den Verbrauchern angeforderte Leis-

tung) verknüpft. Eine Erhöhung der Last oder eine Absenkung der Stromerzeugung führt zu einer Absenkung der Netzfrequenz und umgekehrt. Auf eine Last- oder Stromerzeugungsänderung muss daher seitens der Netzbetreiber auf der Stromerzeuguns- oder Lastseite reagiert werden, sobald die Netzfrequenz den zulässigen änderungsbereich verlässt.

Insbesondere im Verbundbetrieb, d.h. im gemeinsamen Betrieb von zwei oder mehreren Kraftwerken und Verbrauchern, die durch Energietransport- und/oder -Verteilungssystemen mit aufeinander abgestimmter Auslegung verbunden sind, wird eine bestimmte Stromversorgungsqualität garantiert. Hierzu gehört insbesondere auch die Einhaltung eines zulässigen Frequenzänderungsbereichs, der durch einen dynamischen Last- Leistungsausgleich, also ein Anpassen der Stromerzeugung an die Last bzw. der Last an die Stromerzeugung, gewährleistet wird. Der Ausgleich muss innerhalb weniger Sekunden erfolgen, damit keine Störungen im Netz auftreten.

Das Maß des momentan herrschenden Ungleichgewichtes zwischen der Netzlast und der ins Netz eingespeisten Leistung ist die Frequenzabweichung. Im ungestörten Betrieb erfolgt der Last— Leistungsausgleich durch die ständige Leistungsanpassung der Stromerzeugung an die Netzlast. Die Anpassung erfolgt mit Hilfe bereitgestellter positiver oder negativer Regelleistung, also Leistung, die dynamisch in das Netz eingespeist oder vom Netz genommen werden kann. Die Bereitstellung von Regelleistung wird typischerweise von speziell dazu bestimmten Kraftwerken gewährleistet. Das Aufrechterhalten der Rege- lungsaufgabe im gesamten Bereich der vorkommenden Frequenzänderungen und der vorkommenden Frequenzänderungsperioden erfordert bei den an der Regelung beteiligten Kraftwerken das Vorhandensein bestimmter dynamischer Eigenschaften. Bei Gas- und Dampfturbinen-Anlagen sind im Hinblick auf das Bereitstellen der Regelleistung hauptsächlich zwei Schwierigkeiten zu überwinden:

1. Einer Anforderung auf positive oder negative Bereitstellung einer Regelleistung im Sekundenbereich, also einer Re- gelleistung, die innerhalb von wenigen Sekunden zur Verfügung

stehen muss, wird bei einem Gas— und Dampfturbinen—Kraftwerk nach Stand der Technik nur die Gasturbine folgen können. Das dynamische Verhalten der Dampfturbine entspricht nämlich dem Verhalten des Abhitzeprozesses, dessen Dynamik im Minutenbe- reich (Minutendynamik) liegt. Die Ursache hierfür ist, dass der Dampfturbinenteil nur als Verwerter der Gasturbinenabhitze fungiert. Demzufolge muss die Gasturbine alleine die geforderte Blockregelleistung vorhalten und erbringen. Für die Gasturbine führt dies zu einem stationären Gasturbinenbe- trieb, der um den für das Regeln vorzuhaltenden Leistungsanteil reduziert ist (Teillastfahrweise) . Die Teillastfahrweise der Gasturbine hat jedoch nicht nur die um den verminderten Abhitzebetrag niedrigere Dampfturbinenleistung zum Nachteil, sondern auch weitere mit dem Teillastbetrieb verbundene Nachteile. Diese Nachteile reichen von Einbußen im Anlagenwirkungsgrad über die Erhöhung der spezifischen Emissionswerte bis zur Absenkung der jährlichen Nutzung der installierten Leistung.

2. Gasturbinen werden über einen großen Leistungsbereich mit konstanter Abgastemperatur betrieben. Die Lastwechselfähigkeit, also die Reaktion auf einen Wechsel der angeforderten Leistung wird im Wesentlichen von den dynamischen Eigenschaften Abgastemperaturregelsystems bestimmt. Bei einmaligen re- lativ seltenen größeren Frequenzabweichungen (z.B δf > 5OmHz) können die Gasturbinen relativ problemlos die geforderte Regelleistung bereitstellen. Bei kleineren periodischen Frequenzänderungen (z.B δf < 5OmHz mit Perioden im Sekundenbereich) können Gasturbinen den Anforderungen nicht mehr hin- reichend folgen. Bei den genannten kleineren schnellen Frequenzänderungen sind Gas— und Dampfturbinenanlagen daher nur bedingt primärregelungsfähig.

Gas- und Dampfturbinenanlagen werden üblicherweise mit passi- vem Dampfteil betrieben. Dies bedeutet, dass die Dampfturbine mit voll geöffneten Stellventilen betrieben wird (so genannte Gleitdruckfahrweise) und von den dynamischen Eigenschaften des Abhitzekessels abhängt. Gas- und Dampfturbinenanlagen können sich daher in der Regel an der Frequenzregelung im Verbundnetz nur mit dem Gasturbinenteil beteiligen, was dazu

führt, dass die oben genannten Nachteile der verminderten Dynamik in Kauf zu nehmen sind.

Neuere Entwicklungen, wie sie beispielsweise in EP 1 174 591 Al beschrieben sind, stellen ein Steuermodul zur Verfügung, das eine angedrosselte Fahrweise der Dampfturbine (so genannte modifizierte Gleitdruck) erlaubt und durch die Steuerung angedrosselter Dampfturbinen-Stellventile eine Beteiligung der Dampfturbine an der Frequenzregelung ermöglicht. Das Steuermodul erlaubt es, durch die Androsselung der Dampfturbinen-Stellventile einen Teil der vorzuhaltenden Regelleistung auf die Dampfturbine zu verlagern. Die Verlagerung ermöglicht das Anheben der stationären Teillast der Gasturbine um den in der Dampfturbine vorgehaltenen Regelleistungsan- teil. Die höhere Teillast der Gasturbine bringt eine Verminderung der Anlagenwirkungsgradeinbußen und eine damit verbundene Absenkung der spezifischen Emissionen mit sich.

Um eine Regelleistung in der Dampfturbine vorhalten zu kön- nen, wird in EP 1 174 591 Al vorgeschlagen, einen Energiespeicher (Wärmereserve) im Abhitzekessel aufzubauen. Während einer Unterschreitung der Sollfrequenz im Netz kann der Energiespeicher innerhalb kürzester Zeit aktiviert werden und die ausgespeicherte Energie der Dampfturbine in Form des zusätz- liehen Dampfes zugeführt werden, um die Leistung der Dampfturbine zu erhöhen. Der Abruf der gespeicherten Energie wird durch einen geeigneten Dampfturbinen Leistungssollwert herbeigeführt, dem ein zeitliches Verschwindsignal aufgeprägt ist. Dieses führt dazu, dass die Androsselung der Dampfturbi- nen-Stellventile entsprechend zeitlich aufgehoben wird. Der

Dampfturbinen—Leistungssollwert wird nach einer gewissen Zeit wieder in seinen ursprünglichen Zustand überführt. Da in der Blockleistungsführung bei einer derartigen Erhöhung der Dampfturbinenleistung eine Erhöhung der Blockleistung regist- riert werden würde, woraufhin, bei einer konkreten Ausführung (Siemens), die Blockleistungsführung der ansteigenden Blockleistung entgegenwirken würde, wird die Blockleistung mittels einer Stoppschaltung solange angehalten, bis der Dampfturbinen-Leistungssollwert seinen ursprünglichen Wert wieder er- reicht hat.

Eine derart geregelte Dampfturbine kann Regelleistung zum Ausgleichen von Netzfrequenzschwankungen zur Verfügung stellen, deren Periode durch das Verschwindesignal bestimmt wird. Die Größe der Frequenzabweichung, auf die reagiert werden kann, wird durch die in diesem Zeitraum von der Dampfturbine mittels der aus dem Speicher abrufbaren Zusatzleistung festgelegt. Je höher die abrufbare Zusatzleistung ist, desto größere Frequenzschwankungen können ausgeglichen werden.

Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren sowie eine neue Vorrichtung zum Bereitstellen einer Regelleistung durch eine kombinierte Gas— und Dampfturbinenanlage zu Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. eine Regelvorrichtung nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bereitstellen einer

Regelleistung durch eine kombinierte Gas— und Dampfturbinenanlage mit wenigstens einer Gasturbine und wenigstens einer Dampfturbine, wobei die von der Gas— und Dampfturbinenanlage erzeugte elektrische Leistung in ein Netz mit einer Netzfre- quenz eingespeist wird, die einer vorgegebenen Sollfrequenz zu entsprechen hat, wird die Dampfturbine an einer Frequenzregelung zum Aufrechterhalten der Sollfrequenz beteiligt. In der Gas— und Dampfturbinenanlage wird eine Regelreserve für die Erzeugung der Regelleistung mit der Dampfturbine vor- gehalten. Bei einer Abweichung der Netzfrequenz von der Sollfrequenz wird eine positive oder negative Regelleistung in das Netz eingespeist, welche wenigstens teilweise durch ein Auf— oder Entladen der Regelreserve zur Verfügung gestellt wird.

Insbesondere erfolgt ein Aufladen der Regelreserve bei einer überfrequenz und ein Entladen der Regelreserve bei einer Unterfrequenz . Im erfindungsgemäßen Verfahren geht mit dem Aufoder Entladen der Regelreserve eine koordinierte Verteilung der Regelleistung auf die Gasturbine und die Dampfturbine

einher. Mit anderen Worten, die Regelleistung wird von der

Gasturbine und der Dampfturbine gemeinsam zur Verfügung gestellt.

Obwohl das Steuermodul gemäß EP 1 174 591 Al zu einer wesentlichen Verbesserung der dynamischen Eigenschaften der Gas- und Dampfturbinenanlage im Sekundenbereich führt, eignet es sich nur für die Bereitstellung einer positiven Regelleistung bei einzelnen größeren, relativ seltenen Frequenzeinbrüchen z.B. etwa δf > -5OmHz. Für die Bereitstellung einer negativen Regelleistung, also bei Netzfrequenzerhöhung, kommt eine Steuerung des Dampfturbinen-Steilventils zur Anwendung, die für eine Verringerung des Durchlassquerschnittes des Ventils sorgt (sogenanntes fast valving) . Mit dem fast valving lassen sich jedoch auch nur einzelne relativ seltene Ereignisse bei einer Frequenzerhöhungen z.B. etwa δf > +5OmHz ausgleichen.

Im Unterschied zur Regelung gemäß EP 1 174 591 Al ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine kontinuierliche Frequenz- regelung mit der Gas- und Dampfturbinenanlage im gesamten Bereich von zulässigen Frequenzabweichungen, beginnend bei etwa +10 mHz . Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die kontinuierliche Frequenzregelung mit Hilfe des Aufbaus einer Regelreserve, etwa in Form eines Wärmespeichers im Abhitzekes- sei durch eine Dampfturbinen-Androsselung, zusammen mit der koordinierten Verteilung der geforderten positiven und negativen Regelleistung auf die Gasturbine und die Dampfturbine. In der koordinierten Verteilung wird auch das Auf- und Entladen des von der Dampfturbine genutzten Wärmespeichers des Ab- hitzekessels, also der Regelreserve, berücksichtigt

Im Bereich kleiner Frequenzabweichungen z.B. von etwa δf <+ 5OmHz mit kurzen Perioden z.B. von etwa 2 bis 10 Sekunden erfolgt die Frequenzregelung überwiegend mit der Dampfturbine, d.h. die Regelleistung wird überwiegend von der Dampfturbine zur Verfügung gestellt. Aufgrund ihrer dynamischen Eigenschaften ist die Dampfturbine für die Frequenzregelung in den genannten Bereichen prädestiniert. Der Grund hierfür ist, dass ein Auf— bzw. Entladen der Regelreserve innerhalb von Sekunden möglich ist. Bei größeren Frequenzabweichungen bzw.

längeren Perioden erfolgt eine gemeinsame Frequenzregelung.

Mit anderen Worten, bei einer Abweichung der Netzfrequenz von der Sollfrequenz z.B. von etwa δf > +5OmHz und/oder bei Perioden z.B. über etwa 10 Sekunden wird die Regelleistung von der Gasturbine und der Dampfturbine gemeinsam zur Verfügung gestellt .

Das Aufbauen der Regelreserve kann durch Bilden eines entsprechenden Zusatzleistungswertes für die Gasturbine auf der Basis der Abweichung der Netzfrequenz von der Sollfrequenz und eines vorgegebenen Blocksollwertes erfolgen. Solange hierbei die Abweichung der Netzfrequenz von der Sollfrequenz δf rund Null ist, dient der Zusatzleistungswert lediglich zum Erhalt der Regelreserve. Bei einer nennenswerten Abwei- chung der Netzfrequenz von der Sollfrequenz wird mittels des Zusatzleistungswertes die Regelreserve nach einem Auf- bzw. Entladen wieder auf einen vorgegebenen Wert zurückgeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit zwei verschiedenen Regelkonzepten realisiert werden.

Im ersten Konzept erfolgt eine Regelung der Verteilung der Regelleistung auf die Gasturbine und die Dampfturbine durch Bilden eines entsprechenden Gasturbinen—Leistungssollwertes sowie eines entsprechenden Dampfturbinen-Leistungssollwertes auf der Basis der Frequenzabweichung und des vorgegebenen Blocksollwertes. Mit anderen Worten, das erste Regelungskonzept basiert auf einem leistungsgeregelten Dampfturbinenbetrieb, in dem die Dampfturbine auf der Basis eines Leistungs- Sollwertes geregelt wird.

Insbesondere kann in diesem ersten Regelkonzept die Gas— und Dampfturbine mit einem vorgegebenen Blockleistungssollwert betrieben werden, wenn die Netzfrequenz der Sollfrequenz ent- spricht, wobei eine Aufteilung des Blockleistungssollwertes auf den Gasturbinen—Leistungssollwert und den Dampfturbinen- Leistungssollwert auf der Basis eines vorgegebenen Verhältnisses erfolgt. Das Verhältnis kann hierbei beispielsweise in Form einer Funktion vorgegeben sein. Es ist aber auch grund- sätzlich möglich, das Verhältnis in Form einer Nachschlageta-

belle vorzugeben. Bei einer Abweichung der Netzfrequenz von der Sollfrequenz erfolgt im ersten Regelungskonzept eine änderung der Blockleistung um die notwendige Regelleistung. Dabei wird die Regelleistung zuerst durch ändern des Dampftur- binen—Leistungssollwertes unter Auf- oder Entladen der Regelreserve zur Verfügung gestellt, wobei das vorgegebene Verhältnis der Aufteilung des Blockleistungssollwertes auf den Gasturbinen-Leistungssollwert und den Dampfturbinen- Leistungssollwert verlassen wird. In dieser Phase wird die Regelleistung also überwiegend von der Regelreserve zur Verfügung gestellt. Zeitverzögert zum Dampfturbinen- Leistungssollwert wird dann der Gasturbinen—Leistungssollwert geändert, wobei gleichzeitig das vorgegebene Verhältnis der Aufteilung des Blockleistungssollwertes auf den Gasturbinen- Leistungssollwert und den Dampfturbinen-Leistungssollwert wieder hergestellt wird. Das Verhältnis kann hierbei insbesondere auch von der Größe des Blockleistungssollwertes abhängen, d.h. es kann nach der änderung des Blockleistungssollwertes anders sein als vor der änderung, solange das neue Verhältnis der vorgegebenen Funktion bzw. Nachschlagetabelle entspricht. Parallel hierzu kann eine dynamische, d.h. vorübergehende änderung des Frischdampfdruck—Sollwertes erfolgen, sodass nach Wiederherstellen der vorgegebenen Aufteilung die Regelreserve wieder geeignet gefüllt ist.

Im zweiten Regelungskonzept erfolgt eine Regelung der Verteilung der Regelleistung auf die Gasturbine und die Dampfturbine auf der Basis eines Gasturbinen—Leistungssollwertes und eines öffnungs-Sollwertes für die Ventilöffnung wenigstens eines Stellventils der Dampfturbine. Mit anderen Worten, während die Gasturbine wie im ersten Regelungskonzept leistungsgeregelt ist, hat die Dampfturbine im zweiten Regelungskonzept eine öffnungsregelung. Das Stellglied ist hierbei ein Dampfturbinen-Stellventil, und der entsprechende für die Leistung der Dampfturbine relevante Regelparameter ist der öffnungssollwert für das Stellventil.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich also sowohl zur Verwendung bei leistungsgeregelten Dampfturbinen als auch zur Verwendung bei druckgeregelten Dampfturbinen.

Im erfindungsgemäßen Verfahren kann der Aufbau der Regelreserve durch eine Drosselung wenigstens eines Dampfturbinen- Stellventils und das Auf- bzw. Entladen der Regelreserve durch Einstellen einer geeigneten Drosselung erfolgen.

Eine erfindungsgemäße Regelvorrichturig für eine kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage mit wenigstens einer Gasturbine und wenigstens einer Dampfturbine, wobei die von der Gas— und Dampfturbinenanlage erzeugte elektrische Leistung in ein Netz eingespeist wird, das mit einer Netzfrequenz betrieben wird, welche einer vorgegebenen Sollfrequenz weitgehend zu entsprechen hat, umfasst mindestens einen Frequenzsignaleingang und einen Blockleistungssollwerteingang. Weiterhin umfasst sie ein Dampfturbinenmodul zum Ermitteln eines Dampfturbinen—

Leistungssollwertes, welches mit dem Blockleistungssollwerteingang und dem Frequenzsignaleingang verbunden ist und dazu ausgestaltet ist, bei einem Abweichen der Netzfrequenz von der Sollfrequenz den Dampfturbinen-Leistungssollwert unter Berücksichtung einer auf dem Frequenzabweichungssignal basierenden Dampfturbinen-Regelleistung zu ermitteln. Daneben umfasst die Regelvorrichtung ein Gasturbinenmodul zum Ermitteln eines Gasturbinen-Leistungssollwertes, welches mit dem Blockleistungssollwerteingang und dem Frequenzsignaleingang ver- bunden ist und dazu ausgestaltet ist, bei einem Anweichen der Netzfrequenz von der Sollfrequenz den Gasturbinen- Leistungssollwert unter Berücksichtung einer auf dem Frequenzabweichungssignal basierenden Gasturbinen—Regelleistung zu ermitteln. Außerdem umfasst die erfindungsgemäße Regelvor- richtung ein Frischdampf-Modul, welches mit dem Blockleistungssollwerteingang und dem Frequenzsignaleingang verbunden ist und dazu ausgestaltet ist, auf der Basis des Frequenzabweichungssignals und des Blockleistungssollwertes einen Frischdampfdruck—Sollwert auszugeben. Das Frischdampf-Modul ist zudem dazu ausgestaltet, einen Zusatzleistungswert an das Gasturbinenmodul auszugeben, welcher eine für das Vorhalten der Regelreserve für den Fall einer Abweichung der Netzfrequenz von der Sollfrequenz benötigte Zusatzleistung der Gasturbine repräsentiert. Zusätzlich ist das Gasturbinenmodul dazu ausgestaltet, auf der Basis des Zusatzleistungswertes

den Gasturbinen—Leistungssollwert so zu ändern, dass in der

Gas- und Dampfturbinenanlage die Regelreserve vorgehalten wird. Außerdem ist das Frischdampf—Modul weiterhin dazu ausgestaltet, bei einem Abweichen der Netzfrequenz von der SoIl- frequenz den Frischdampfdruck—Sollwert auf der Basis der Frequenzabweichungssignals so zu ändern, dass ein Auf- oder Entladen der Regelreserve herbeigeführt wird. Schließlich um- fasst die erfindungsgemäße Regelvorrichtung ein Aufteilungsmodul, welches mit dem Frequenzsignaleingang sowie dem Block- leistungssollwerteingang in Verbindung steht und dazu ausgestaltet ist, den Gasturbinen—Leistungssollwert und den Dampfturbinen-Leistungssollwert bei einem Auf- oder Entladen der Regelreserve auf der Basis des Frequenzabweichungssignals, des Blockleistungssollwertes und des Zusatzleistungswertes so einzustellen, dass eine Aufteilung der Regelleistung auf die Gasturbine und die Dampfturbine erfolgt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht insbesondere das Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem ersten Regelkonzept. Mit anderen Worten, die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für eine Leistungsregelung der Dampfturbine ausgestaltet .

Die Regelvorrichtung kann ein Umrechnungsmodul enthalten, welches mit dem Blockleistungssollwerteingang zum Empfang des Blockleistungssollwertes, mit dem Frequenzsignaleingang zum Empfang des Frequenzabweichungssignals und mit dem Frischdampf—Modul zur Ausgabe eines Drucksollwertes verbunden ist. Das Umrechnungsmodul ist dazu ausgestaltet, den Blockleis- tungssollwert unter Berücksichtigung des Frequenzabweichungssignals in einen Drucksollwert umzurechnen. Diese Modul kann insbesondere auch als Untermodul in das Frischdampf—Modul integriert sein. Es dient dazu, den Drucksollwert auf der Basis des Blocksollwertes zu berechnen und an eine Frequenzabwei- chung anzupassen. Auf der Basis des angepassten Drucksollwertes kann das Frischdampf—Modul dann den Zusatzleistungswert sowie den Frischdampfdruck-Sollwert an die Frequenzabweichung angepasst ermitteln.

In der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung können insbesondere das Gasturbinen-Modul, das Dampfturbinen-Modul und das Aufteilungsmodul in einem Sollwertbildungsmodul zusammengefasst sein.

Die erfindungsgemäße Regelungsvorrichtung kann zur Druckregelung der Dampfturbine angepasst werden, indem das Umrechnungsmodul zur Ausgabe eines Umrechungsfaktors zum Umrechnen eines Dampfdruckes in eine Leistung auf der Basis einer Druck—Kennlinie ausgebildet ist, und ein öffnungsregelungsmo- dul integriert ist. Das öffnungsregelungsmodul steht mit dem Dampfturbinen-Modul zum Empfang des Dampfturbinen-Sollwertes, mit dem Frischdampf—Modul zum Empfang des Frischdampfdruck— Sollwertes und mit dem Umrechnungsmodul zum Empfang des Um- rechnungsfaktors in Verbindung. Es ist zum Ermitteln und Ausgeben eines öffnungs-Sollwertes für die öffnung des wenigstens einen Dampfturbinen-Stellventils auf der Basis der empfangenen Werte ausgebildet. Mit Hilfe dieser Ausgestaltung der Regelvorrichtung ist eine Realisierung des erfindungsge- mäßen Verfahrens im Rahmen einer Druckregelung möglich.

In einer relativ einfach zu realisierenden Ausgestaltung kann das öffnungsmodul insbesondere zum Ermitteln und Ausgeben eines linearen öffnungs-Sollwertes ausgebildet sein.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der nachfolgenden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Gas- und Dampfturbinenanlage .

Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild, das eine Re- gelvorrichtung gemäß dem ersten Regelkonzept darstellt.

Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild, das ein öff- nungsregelungsmodul gemäß dem zweiten Regelkonzept darstellt.

In dem schematischen Blockdiagramm der Fig. 1 ist eine kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage 100 gezeigt. Sie umfasst einen Gasturbinenteil 102 mit zwei Gasturbinenanlagen 125, 126 und einen Dampfturbinenteil 103 mit zwei Abhitzedampfkes- sein 104, 105, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als so genannte Dreidruckdampfkessel ausgebildet sind, und einen Dampfturbosatz 101. Weiterhin ist eine Blockführung 110 vorhanden, welche die koordinierte Steuerung und Regelung der gesamten Gas- und Dampfturbinenanlage 100 übernimmt.

Jede Gasturbinenanlage 125 umfasst einen Verdichter 129 zum Ansaugen und Verdichten von Umgebungsluft, einen dem Verdichter 129 strömungstechnisch nachgeschalteten Brennkammerabschnitt 150 mit wenigstens einer Brennkammer, in der ein Ge- misch aus zugeführtem Brennstoff und verdichteter Luft gezündet und verbrannt wird, sowie ein dem Brennkammerabschnitt 150 strömungstechnisch nachgeschalteter Turbinenteil 130. Die bei der Verbrennung im Brennkammerabschnitt 150 entstehenden Verbrennungsabgase werden dem Turbinenabschnitt 130 zuge- führt, wo sie unter Entspannung und Abkühlung Arbeit leisten, welche an einen mit der Gasturbine gekoppelten Generator 128 zum Erzeugen von elektrischer Leistung übertragen wird.

Die aus den Gasturbinenanlagen 125, 126 austretenden, noch immer heißen Abgase werden über Abgaskanäle 127 an die Abhitzekessel 104, 105 der Dampfturbinenanlage 103 angeführt. In jeder Druckstufe der Abhitzekessel (jeder Dreidruckabhitzekessel 104, 105 ist mit drei Druckstufen, einer Hochdruckstufe, einer Mitteldruckstufe und einer Niederdruckstufe, aus- gestattet) wird über die zugeführte Abwärme Dampf erzeugt, welcher in den nachgeschalteten Teilturbinen 111, 112, 113 des Dampfturbosatzes 101 unter Entspannung und Abkühlung die Arbeit leisten. Mit der Arbeit wird ein Generator 114 zum Erzeugen elektrischer Leistung angetrieben.

Zur Regelung der Gasturbinenanlagen 125, 126 ist eine Gasturbinenregelungsvorrichtung 31 vorhanden, die ihre Leistungs- Sollwerte 34 von der Blockführung 110 erhält. Entsprechend umfasst die Dampfturbinenanlage eine Dampfturbinenregelungs- Vorrichtung 115, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel zur

Ausführung eines druckbasierten Regelungskonzeptes ausgestaltet ist. Hierzu ist die Dampfturbinenregelungsvorrichtung 115 zum Ausgeben von Stellsignalen über Signalleitungen 143, 144 mit einem Dampfturbinensteilventil 106 der Hochdruck- Teilturbine bzw. einem Dampfturbinen—Stellventil 107 der Mitteldruck-Teilturbine 112 verbunden. Die Niederdruck- Teilturbine 113, welcher zusätzlich zu dem Abdampf aus der Mitteldruckturbinenstufe noch Dampf aus der Niederdruckstufe des Abhitzedampferzeugers zugeführt wird, kann über eine Nie- derdruckstellklappe 108 geregelt werden.

Die Dampfturbinenregelungsvorrichtung 115 empfängt von der Blockführung 110 einen öffnungs-Sollwert 116 zum Regeln der Hochdruck-Teilturbine 111 und einen öffnungs-Sollwert 117 zum Regeln der Mitteldruck-Teilturbine 112. Von der Dampfturbi- nenanlage 103 empfängt die Blockführung 110 über entsprechende Signalleitungen 118, 119 den jeweiligen Ist—Druck (Vordruck) vor dem Dampfturbinen—Stellventil 106 der Hochdruck— Teilturbine 111 bzw. dem Dampfturbinen—Stellventil 107 der Mitteldruck—Teilturbine 112, Darüber hinaus empfängt die Blockführung 110 über eine Signalleitung 151 die tatsächliche Frequenz des Netzes, in das der Strom von den Generatoren 114, 128 eingespeist wird.

Die in der kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage nach Fig. 1 zur Anwendung kommende Regelung wird nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 2 und 3 erläutert. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass die in Fig. 2 dargestellte Schaltung alleine bereits zum Durchführen einer Regelung der kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage ausreicht, sofern der Dampftur- binenteil leistungsgeregelt ist. Wenn, wie im in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, eine Druckregelung des Dampfturbinenteils vorliegt, so umfasst die Regelungsvorrichtung zusätzlich zu den in Fig. 2 dargestellten Modulen wenigstens ein Modul, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt eine Regelungsvorrichtung zum Durchführen einer Leistungsregelung sowohl der Gasturbinenanlagen 125, 126 als auch der Dampfturbinenanlage 103. Sie umfasst ein Leistungs- Sollwert-Bildungsmodul 200 zum Bilden der Leistungs-Sollwerte sowohl für die Gasturbine bzw. Gasturbinen als auch für die

Dampfturbine, ein Sollwert-Bildungs-Modul 202 für den Druck der Hochdruckstufe und ein Umrechnungsmodul 204 zum Umrechnen des Dampfdruckes in eine Leistung auf der Basis einer Gleitdruck—Kennlinie .

Eingangsgrößen des Leistungs-Sollwert-Bildungsmoduls 200 sind die bewertete Abweichung der Netzfrequenz von der Sollfrequenz und der Blocksollwert. Die bewertete Frequenzabweichung wird über einen Frequenzsignaleingang 206 eingegeben, der Blockleistungssollwert über einen Blockleistungssignaleingang 208 bzw. einen einstellbaren Blockleistungssollwertgeber 208. Das Leistungs-Sollwert-Modul 200 umfasst eine Sollwertführungseinheit 210 und ein Kennlinienmodul 212, in dem die Charakteristik der Aufteilung des Blocksollwertes in einen Dampfturbinen-Leistungssollwert und einen Gasturbinen—

Leistungssollwert als Funktion hinterlegt ist. Die Funktion beschreibt insbesondere den Gasturbinenanteil des Blockleistungssollwertes. Weiterhin umfasst das Leistungs-Sollwert- Bildungsmodul 200 zwei Verzögerungsglieder höherer Ordnung 214, welche dazu dienen, die zeitliche Verzögerung der von der Gasturbine zur Verfügung gestellten elektrischen Leistung bei einer änderung des Blockleistungssollwertes zu modellieren. Ausgangssignale des Leistungssollwert-Bildungsmoduls 200 sind einerseits der Gasturbinen—Leistungssollwert 216 und an- dererseits der Dampfturbinen-Leistungssollwert 218.

Das Leistungssollwert-Bildungsmodul 200 vereinigt in sich ein Dampfturbinenmodul zum Ermitteln des Dampfturbinen- Leistungssollwertes sowie ein Gasturbinenmodul zum Ermitteln des Gasturbinen-Leistungssollwertes. Hauptbestandteile sowohl des Gasturbinenmoduls als auch des Dampfturbinenmoduls sind die Sollwertführungseinheit 210 und das Funktionsmodul 212. Weiterhin umfassen sowohl das Dampfturbinenmodul als auch das Gasturbinenmodul eine Divisionseinheit 220, in der der Gas- turbinenanteil des Blockleistungssollwertes durch den Blockleistungssollwert dividiert wird und einen Multiplikator, in dem das Ergebnis mit der aus der Frequenzabweichung resultierenden Leistungsänderung multipliziert wird. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass das Dampfturbinenmodul und das Gasturbinenmodul auch als selbständige Module ausgebildet

sein können. In diesem Fall wären die vorgenannten Module und

Einheiten in jedem der beiden Modul einmal vorhanden. Das Dampfturbinenmodul umfasst zusätzlich zu dem Gasturbinenmodul noch die beiden Verzögerungsglieder höherer Ordnung 214.

Das Umrechnungsmodul 204 umfasst ein Funktionsmodul 224, in dem die natürliche Gleitdruck-Kennlinie hinterlegt ist und eine Divisionseinheit 226, in welcher das Eingangssignal der Funktionseinheit 224 durch das Ausgangssignal der Funktionseinheit 224 dividiert wird, um einen Umrechnungsfaktor zum Umrechnen von Druck in Leistung zu erhalten. Der Umrechnungsfaktor stellt ein Ausgangssignal der Divisionseinheit 226 dar.

Das Sollwert-Bildungs-Modul 202 für den Frischdampfdruck vor der Hochdruck-Teilturbine 111 ist dazu ausgelegt, auf der Basis des Ausgangssignals des Funktionsmoduls 224 im Umrechnungsmodul 204 und der Frequenzabweichung einen Sollwert für den Dampfdruck vor der Hochdruck-Teilturbine 111 zu ermitteln. Der Sollwert für den Frischdampfdruck vor der Hochdruck-Teilturbine stellt das Ausgangssignal des Sollwertbil- dungs-Modul 202 für den Frischdampfdruck dar.

Mit der in Fig. 1 dargestellten Regelvorrichtung lässt sich ein Regelkonzept realisieren, das auf einem leistungsgeregelten Dampfturbinen-Betrieb basiert. Dazu sind die Dampfturbinen-Stellventile anzudrosseln, um einen Speicher in Form einer Drosselreserve aufzubauen. Bei Abweichung der Netzfre- quenz von der Sollfrequenz wird zeitlich zuerst die Drosselreserve aktiviert, wobei sich der Speicher Auf- oder Entlädt. Mit dem Zeitverhalten der Dampferzeugung ist nach Beendigung der Maßnahme der DampfSpeicher wieder auf ursprünglichen Zustand gebracht. Danach befinden sich die Turbinenstellventile auch wieder in ihrer lastabhängigen Drosselstellung.

Nachfolgend wird die Bildung der Leistungssollwerte für die Gasturbine und die Dampfturbine beschrieben:

Die fahrplanmäßigen, vom Lastverteiler vorgegebene Sollwertänderungen erfolgen mit einem einstellbaren Gradienten 1. Im Gas- und Dampfturbinenbetrieb teilt sich der Leistungssollwert (Blockleistungssollwert) in einen Gasturbinenanteil und einen Dampfturbinenanteil auf. Da die Dampfturbine im Folgebetrieb arbeitet, ändert sich auch ihre Leistung mit der Dampferzeugung, die vom lastabhängigen Wärmeleistungsangebot aus dem Gasturbinenabgas abhängt. Diese Charakteristik ist in einer Kennlinie 2 hinterlegt. Die Aufteilung des Blockleis- tungssollwertes auf die Leistungsregelung der Gasturbine und der Dampfturbine erfolgt mit Hilfe dieser Funktion. Der Sollwert für die Dampfturbine ist um das Zeitverhalten der Dampferzeugung ab der Verstellung der Gasturbinenleistung verzögert, um die Leistungsänderung der Dampfturbine so zu koordi- nieren, dass sie erst dann erfolgt, wenn sich die Dampferzeugung ändert. Dadurch wird der DampfSpeicher nicht beansprucht und steht auf diese Weise auch während einer Leistungsänderung der Primärregelung zur Verfügung.

Nachfolgend wird die Sollwertbildung für den Frischdampfdruck beschrieben:

Der Sollwert für den Frischdampfdruck wird vom Blockleistungssollwert 4 abgeleitet. Der zur Dampfturbozusatzleistung proportionale Gleitdrucksollwert ist auf einen unteren 5 und einen oberen 6 Festdruckwert begrenzt. Der Gleitdrucksollwert 7 ist so einzustellen, dass im Dampfturbinenbetrieb die Stellventile voll geöffnet sind. Um die zur Bereitstellung der Primärregelung notwendige Leistungsreserve zu erhalten, sind die Turbinenventile in Drosselstellung zu bringen, um einen Speicher aufzubauen. Dies wird durch übergang in den modifizierten Gleitdruckbetrieb, d.h. durch Anheben der Gleitdruck-Kennlinie erreicht. Der dazu erforderliche Druckunterschied (δp) 8 ist von der vorgegebenen Primärregelre- serve und dem Zeitverhalten der Dampferzeugung abhängig. Bei Blockleistungsänderungen wird im Gleitdruckbereich eine Zusatzleistung 9 berechnet, um die notwendige Dampfdruckänderung zu erhalten. Dazu muss der Leistungssollwert für die Gasturbine übersteuert bzw. untersteuert werden, um über den Weg der Gasturbinenabhitze die Dampferzeugung zu beeinflus-

sen. Der aus dem Blockleistungssollwert generierte und nach oben und unten begrenzte Gleitdrucksollwert wird noch dynamisch angepasst, um dem Zeitverhalten der Dampferzeugung 10 und dem Speicherzeitverhalten 11 zu entsprechen. Der an- schließende Vergleich dieses dynamischen Drucksollwertes mit dem gemessenen Frischdampfdruck ergibt eine Regeldifferenz, die mit einer Verstärkung 12 versehen dem Leistungssollwert überlagert wird. Dadurch stellt sich der übliche Turbinenfol- gebetrieb mit angedrosselten Ventilen ein. Die Betriebsart des Turbinenreglers verbleibt im Leistungsregelbetrieb.

Nachfolgend wird die Primärregelung beschrieben:

Durch die Primärregelung wird die Blockleistung im Sekunden- bereich geändert. Die änderung der Leistungsabgabe aufgrund der bewerteten Frequenzabweichung 13 erfolgt bei den beteiligten Anlagen selbständig. Die Bewertung erfolgt mit dem anlagenspezifischen Proportionalgrad (Statik bzw. K x δf) und ist dem Blockleistungssollwert unverzögert aufgeschaltet . Die Reaktionszeit der Gasturbine auf eine sprunghafte Laständerung dauert länger als bei der Dampfturbine, die im Rahmen der Stellgeschwindigkeit der Turbinenstellventile schneller folgen kann und den Zeitverzug der Gasturbine überbrückt. Dazu wird der Speicher des Abhitzekessels entladen bzw. gela- den. Bei beispielsweise einer Frequenzabsenkung wird die bewertete Abweichung (K x δf) komplett und unverzögert auf den Leistungssollwert der Dampfturbine aufgeschaltet 14. Bei Frequenzabsenkung reagiert sie sofort darauf mit einer entsprechenden öffnung der Turbinenstellventile und der folgenden Erhöhung der Generatorleistung, was zum Ausspeichern von

Dampf aus dem Abhitzekessel führt. Mit dem Zeitverhalten der elektrischen Leistung der Gasturbine 15 wird anschließend das K x δf-Signal zum Dampfturbinen-Sollwert auf den Teil entsprechend der Leistungsaufteilung Gasturbine zu Dampfturbine reduziert.

Parallel dazu muss dem modifizierten Gleitdrucksollwert eine dynamische Druckbeule überlagert werden 16, die der Dampf- druckänderung bei Inanspruchnahme des Speichers durch die Dampfturbine entspricht. Zusätzlich zur Leistungsänderung

durch das K x δf ist noch eine Zusatzleistung 17 zum Laden des Speichers zu berechnen und dem Leistungssollwert für die Gasturbine aufzuschalten. Dadurch wird die Abhitzekessel- Dampferzeugung an die neue Blockleistung angepasst, sowie der Speicher geladen und die Stellventile wieder in Drosselstellung gebracht. Stationär ändert sich auch der Gleitdrucksollwert um den Betrag des K x δf 18. Mit Erhöhung der Dampferzeugung wird auch das Eingangssignal zur Bildung der Druckbeule und der Zusatzleistung mit dem Zeitverhalten der Damp- ferzeugung anteilmäßig reduziert 19, um auch diesen Anteil richtig zu berechnen.

Die verwendeten Module zur Bildung der Leistungssollwerte, des dynamischen Drucksollwertes und der Zusatzleistung, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Schaltungen ausgeführt sind, sind rückwirkungsfrei und enthalten nur eigenstabile Strukturen. Statt als Schaltungen können die Module auch als Softwaremodule ausgeführt sein.

Die mit Bezug auf Fig. 2 beschriebene Regelung ist zum Regeln des Frischdampfdruckes im Hochdruck—Turbinenteil 111 ausgebildet. Mit Hilfe eines weiteren Sollwert-Bildungs-Moduls wie das Modul 202, welches einer weiteren Teilturbine, beispielsweise der Mitteldruck—Teilturbine 112, zugeordnet ist, kann auch ein Sollwert für den Vordruck der Mitteldruck—

Teilturbine 112 ermittelt und ausgegeben werden. Grundsätzlich kann für jede Teilturbine ein eigener Vordruck-Sollwert bestimmt werden.

Die mit Bezug auf Fig. 2 beschriebene Regelungsvorrichtung bzw. Regelung basiert auf einem leistungsgeregelten Dampftur- binenbetrieb . Das zu Grunde liegende Regelungsverfahren lässt sich jedoch auch bei einem auf der Regelung der öffnung der Dampfturbinen—Stellventile basierenden Regelungskonzept ver- wirklichen. Das Regelungskonzept setzt sich dann aus den in Fig. 2 und in Fig. 3 dargestellten Modulen, die in beiden Ausführungsformen als Schaltungen ausgebildet sind, zusammen. Statt als Schaltungen können die beiden Module jedoch auch als Softwaremodule ausgebildet sein. Im zweiten Regelungskon- zept entsprechen der Aufbau des Speichers in Form einer Dros-

selreserve, seine Nutzung, die Bildung der Gasturbinen—

Leistungssollwerte und Dampfturbinen—Leistungssollwerte sowie des Drucksollwertes dem ersten Regelungskonzept, das mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben worden ist. Die Betriebsart des Turbinenreglers (d.h. des Dampfturbinenreglers 115 in Fig. 1) ist jedoch die Regelung der Ventilöffnung der Stellventile.

Die Bildung des Dampfturbinen-öffnungssollwertes erfolgt auf der Basis des Dampfturbinen—Leistungssollwertes, des Umrech- nungsfaktors aus dem Umrechnungsmodul 204 und des Sollwertes des Frischdampfdruckes, der aus dem Frischdampfmodul 202 zu erhalten ist, und ist in Fig. 3 dargestellt. Das in Fig. 3 gezeigte öffnungsregelungsmodul 300 umfasst eine Multiplikationseinheit 302, welche den Frischdampfdruck—Sollwert vom Frischdampf-Modul 202 aus Fig. 2 und den Umrechnungsfaktor vom Umrechnungsmodul 204 aus Fig. 2 erhält. Weiterhin umfasst das öffnungsreglungsmodul 300 eine Divisionseinheit 304, welcher der Dampfturbinen—Leistungssollwert vom Leistungssollwertmodul 200 als Zähler und das Ergebnis der Multiplikation in der Multiplikationseinheit 302 als Nenner zugeführt wird. Das Ergebnis der Division in der Divisionseinheit 304 wird einer weiteren Multiplikationseinheit 306 zugeführt, mit deren Hilfe das Ergebnis der Division in einer Prozentzahl umgerechnet wird. Eine der zweiten Multiplikationseinheit 306 nachgeschaltete Begrenzungseinheit 308 stellt sicher, dass das Ergebnis der Multiplikation in der Multiplikationseinheit 306 den Wert 100% nicht übersteigt und den Wert 0% nicht unterschreitet. Das so eingegrenzte Multiplikationsergebnis wird an ein Kennlinienmodul 310 ausgegeben, welches das ein- gegrenzte Multiplikationsergebnis auf der Basis der Kennlinie in einen öffnungssollwert für die Dampfturbinen-Stellventile umwandelt, welcher die Ausgangsgröße des öffnungssollwertmoduls 300 darstellt.

Im öffnungssollwertmodul 300 erfolgt die Bildung des Dampfturbinen-öffnungssollwertes also mit Hilfe der Division des Dampfturbinen-Leistungssollwertes in Megawatt durch den in elektrische Leistung umgerechneten Sollwert für den Frischdampfdruck. Das so entstandene Verhältnis wird mit dem Faktor 100% multipliziert und dient auf diese Weise, begrenzt auf

die Spanne 0% bis 100%, als linearer öffnungssollwert für die Dampfturbinen-Stellventile. Die Kennlinie für die Stellventil-Charakteristik ist im Turbinenregler hinterlegt. Eventuelle Abweichungen davon kennen nachträglich über einen Funktionsgeber angepasst werden.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Regeln einer kombinierten Gas— und Dampfturbinenanlage kann am Beispiel einer 800 Megawatt-Gas- und Dampfturbinenanlage dargestellt werden. In Tabelle 1 ist die Aufteilung der Regelleistungsvorhaltung auf die einzelnen Turbinensätze zusammen mit der erreichbaren Grundlast für die Anlage ohne und mit dem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren ersichtlich.

Bei der Annahme der jährlichen Betriebsstunden von 5000 Stunden pro Jahr und dem erzielbaren Verkaufspreis zwischen 20 Euro und 30 Euro pro Megawattstunde (am so genannten Strom Spot Market) beträgt die jährliche Umsatzerhöhung zwischen 1,1 Millionen Euro und 1,6 Millionen Euro. Die höhere Grund- lastfahrweise bewirkt eine Wirkungsgradverbesserung der Anlage um etwa 0,05% Punkte.

Weitere Vorteile der Anwendung der neuen Regeleinrichtung 10 bzw. des Verfahrens zum Regeln einer kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage liegen in:

- Verbesserung der Anlagenflexibilität

- Erfüllung der Anforderungen des transmission codes 2003 bezüglich der Leistungsänderungsgeschwindigkeit in den ersten Sekunden

- Schonende Fahrweise der Hauptkomponenten (insbesondere der Gasturbine) durch verbesserte Prozessführung

- Verbesserung der Wettbewerbsposition

- Technologievorsprung

- Kostensenkung

- Spezifizierte Anlageneigenschaften können als Option ange- boten werden, d.h. es sind keine zusätzlichen hardware änderungen und Anpassungen notwendig

- Im Netzbetrieb kann ein breiteres Angebot der Systemleistung ''Frequenzhaltung'' zur Verfügung gestellt werden.