Optimierung für das Kohleband

Im ersten Schritt zur Optimierung der Prozessdampfversorgung der Trockner wird der Einfluss unterschiedlicher Kohlequalita ten bei Betrieb im Nennlast-punkt des Kraftwerks untersucht. Als Vergleichskriterium zur Bewertung der Gu te der jeweiligen Option wird der in Kapitel 1.3 definierte, u ber das Kohle-band gemittelte Nettowirkungsgrad herangezogen.

Option 1: Wahl eines ausreichend hohen Auslegungsdrucks der ÜSL Gesucht wird der sich bei der Dampfentnahme ergebende minimal zula ssige Auslegungsdruck der U SL, sodass alle Kohlen des Kohlebandes auf einen Was-sergehalt von 12 % getrocknet werden ko nnen, die bei Nennlast des Kraft-werks nicht den Betrieb eines sechsten Trockners erforderlich machen. Ausle-gungsrelevant sind somit alle Nennlastpunkte, in denen der fu r die Trocknung erforderliche Prozessdampfdruck maximal und der fu r die Trocknung verfu g-bare Prozessdampfdruck (vorgegeben durch den Druck in der U SL) minimal ist. Die Untersuchung zeigt, dass mit steigendem Wassergehalt und konstan-tem Heizwert der RBK der Druck in der U SL abnimmt, da mehr Prozessdampf aus der U SL entnommen wird und weniger Dampf zu den ND-Turbinen stro mt.

Gleichzeitig nimmt der fu r die Trocknung erforderliche Prozessdampfdruck zu, da die Verdampfungsleistung der Trockner und damit die Trocknerlast auf-grund des ho heren Wassergehalts der RBK zunehmen. Der gleiche Zusammen-hang ist mit sinkendem Heizwert und konstantem Wassergehalt der RBK zu beobachten. Aufgrund dieser gegenla ufigen Zusammenha nge ist der fu r die Trocknung verfu gbare Prozessdampfdruck minimal, wenn eine RBK-Qualita t eingesetzt wird, bei der fu nf Trockner bei maximaler Verdampfungsleistung in Betrieb sind. Da fu r diese Betriebspunkte gleichzeitig der fu r die Trocknung erforderliche Prozessdampfdruck maximal ist, dienen sie zur Bestimmung des minimal zula ssigen Auslegungsdrucks der U SL.

Abbildung 5.11 zeigt den verfu gbaren und den erforderlichen Prozessdampf-druck fu r verschiedene Auslegungsdru cke der U SL in Abha ngigkeit von den auslegungsrelevanten Kombinationen von Heizwert und Wassergehalt der RBK. Es ist zu erkennen, dass der fu r die Trocknung erforderliche Prozess-dampfdruck konstant beim Maximalwert von 3,73 bar liegt, da bei den gewa hl-ten Kombinationen von Heizwert und Wassergehalt der RBK fu nf Trockner bei maximaler Leistung in Betrieb sind. Der verfu gbare Prozessdampfdruck liegt

in allen Fa llen deutlich unter dem Auslegungsdruck der U SL, was auf die ge-genu ber dem Auslegungspunkt erho hte Dampfentnahme fu r die Trocknung zuru ckzufu hren ist. Weiterhin schwankt der verfu gbare Prozessdampfdruck bei konstantem Auslegungsdruck der U SL aufgrund der Wirkungsgrada nde-rung, die sich durch die vera nderte RBK-Qualita t ergibt, geringfu gig. Es zeigt sich, dass der fu r die Trocknung verfu gbare Prozessdampfdruck bei einem Auslegungsdruck der U SL von 4,3 bar ausreichend hoch ist, um die Dampfversorgung der Trockner im Nennlastpunkt des Kraftwerks fu r alle Kohlequalita -ten zu gewa hrleis-ten.

Abbildung 5.11: Für die Trocknung verfügbarer und erforderlicher Prozessdampf-druck in Abhängigkeit vom AuslegungsProzessdampf-druck der ÜSL für die auslegungsrelevanten

Kombinationen von Heizwert und Wassergehalt der RBK

Das folgende Zahlenbeispiel illustriert die Zusammenha nge: Bei einem Was-sergehalt der RBK von 8 MJ/kg, einem WasWas-sergehalt der RBK von 58 % und einem Auslegungsdruck der U SL von 4,2 bar sind 5 Trockner im Nennlast-punkt des Kraftwerks bei 100% Leistung in Betrieb, um ausreichend TBK mit einem Wassergehalt von 12 % herstellen zu ko nnen. Der erforderliche Pro-zessdampfdruck liegt bei 3,73 bar. Der Druck in der U SL stellt sich zu 4,01 bar ein. Aufgrund von Druckverlusten zwischen der U SL und dem Trocknereintritt liegt der verfu gbare Prozessdampfdruck bei 3,72 bar und damit zu niedrig, um die Trockner in diesem Betriebspunkt zum Erreichen eines Wassergehalts der

5.3 Dampfversorgung der Wirbelschichttrockner TBK von 12 % mit Dampf zu versorgen. Folglich ist ein Auslegungsdruck der U SL von 4,2 bar zu gering, um eine Dampfversorgung der Trockner bei Nenn-last fu r alle Kohlequalita ten zu gewa hrleisten.

Abbildung 5.12 zeigt ein Konturdiagramm fu r die Nettowirkungsgradsteige-rung in Abha ngigkeit von der Einsatzkohle gegenu ber dem mit identisch vari-ierender Einsatzkohle befeuerten RBK-Referenzkraftwerk fu r das gesamte Kohleband bei einem Auslegungsdruck der U SL von 4,3 bar. Der Nettowir-kungsgradvorteil nimmt mit steigendem Wassergehalt und sinkendem Heiz-wert zu. Die mittlere Nettowirkungsgradsteigerung liegt bei 3,53 Prozent-punkten. Durch eine Erho hung des Auslegungsdrucks der U SL sinkt der u ber das Kohleband gemittelte Nettowirkungsgrad um rund 0,2 Prozentpunkte pro bar.

Abbildung 5.12: Konturdiagramm für die Abhängigkeit der Nettowirkungsgradsteige-rung von der Einsatzkohle gegenüber dem mit identisch variierender Einsatzkohle

be-feuerten RBK-Referenzkraftwerk bei einem Auslegungsdruck der ÜSL von 4,3 bar und einem konstantem Wassergehalt der TBK von 12 %

Extrapoliert man die in Abbildung 5.12 dargestellten Daten zu niedrigeren Wassergehalten der RBK, so ist zu erwarten, dass der Wirkungsgradvorteil des TBK-Kraftwerks in einen Wirkungsgradnachteil umschla gt. Diese Beobach-tung wird durch Abbildung A.29 besta tigt, in der die Wirkungsgraddifferenz

48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

zwischen dem TBK-Kraftwerk und dem RBK-Referenzkraftwerk sowie weitere relevante Prozessparameter in Abha ngigkeit vom Wassergehalt der RBK bei konstantem Aschegehalt der RBK dargestellt sind. Folgende Gru nde erkla ren das Verhalten: Der sinkende Wassergehalt der RBK verursacht im Fall des RBK-Referenzkraftwerks aufgrund des sinkenden Rauchgasvolumenstroms vor allem Vera nderungen im Dampferzeuger, die dort zu einer Wirkungsgrad-verbesserung (Abnahme der Rauchgastemperaturen hinter Economiser und Luvo) fu hren. Im Fall des TBK-Kraftwerks liegen die Vera nderungen aufgrund des sinkenden Dampfbedarfs fu r die Trocknung im Wesentlichen im Wasser-Dampf-Kreislauf und fu hren dort zu einer Wirkungsgradverschlechterung (Zu-nahme des Abdampfmassenstroms, ho here Kondensatordru cke). Des Weite-ren sinkt der Eigenbedarf des RBK-RefeWeite-renzkraftwerks mit abnehmendem Wassergehalt der RBK sta rker als der des TBK-Kraftwerks.

Option 2: Prozessdampfdruckabhängiger Wassergehalt der TBK

Da der Wassergehalt der TBK entsprechend Abbildung A.23 von der Tempera-tur der Wirbelschicht abha ngt, ergibt sich fu r die Einstellung der Trocknerlast ein zusa tzlicher Freiheitsgrad, sodass der fu r die Trocknung erforderliche Pro-zessdampfdruck nicht notwendigerweise durch den Trockner vorgegeben ist.

Stattdessen ist eine Betriebsweise denkbar, bei der der Wassergehalt der TBK mit dem verfu gbaren Prozessdampfdruck gleitet. Der Wassergehalt der TBK wird sich entsprechend Abbildung 5.13 so einstellen, dass exakt der Lastpunkt der Trockner erreicht wird, in dem der aus der fu r die Trocknung erforderli-chen Sattdampftemperatur des Prozessdampfs abgeleitete erforderliche Pro-zessdampfdruck dem verfu gbaren ProPro-zessdampfdruck entspricht.

5.3 Dampfversorgung der Wirbelschichttrockner

Abbildung 5.13: Zusammenhang zwischen Wassergehalt der TBK, Sattdampftempera-tur des Prozessdampfs und relativer Trocknerlast für Trockner mit einem System-druck von 1,1 bar und einer Temperaturdifferenz zwischen Wirbelschicht und

Pro-zessdampf im Auslegungspunkt von 30 K

Da die Referenzkohle hinsichtlich ihres Heizwerts und Wassergehalts in guter Na herung in der Mitte des Kohlebandes liegt und der Zielwert fu r den Wasser-gehalt der TBK bei 12 % liegt, wird der Auslegungsdruck der U SL so festgelegt, dass der fu r die Trocknung verfu gbare Prozessdampfdruck im Auslegungs-punkt dem fu r die Trocknung erforderlichen Prozessdampfdruck entspricht.

Der so bestimmte Auslegungsdruck der U SL liegt bei 3,5 bar.

Die Untersuchung des Betriebsverhaltens in Abha ngigkeit von der Einsatz-kohle ergibt, dass alle Kohlen des Kohlebandes mit fu nf Trocknern in fu r Nenn-last ausreichender Menge getrocknet werden ko nnen. Der Wassergehalt der TBK schwankt dabei zwischen 7,8 % und 19,6 %, der Prozessdampfdruck am Eintritt in die Trockner zwischen 2,99 bar und 3,34 bar und die Trocknerlast zwischen 62 % und 99 %. Abbildung 5.14 zeigt ein Konturdiagramm fu r die Abha ngigkeit der Nettowirkungsgradsteigerung von der Qualita t der Einsatz-kohle gegenu ber dem mit identisch variierender EinsatzEinsatz-kohle befeuerten RBK-Referenzkraftwerk. Die mittlere Nettowirkungsgradsteigerung liegt bei 3,67 Prozentpunkten und damit 0,14 Prozentpunkte u ber dem fu r Option 1 er-mittelten Wert.

Abbildung 5.14: Konturdiagramm für die Abhängigkeit der Nettowirkungsgradsteige-rung von der Einsatzkohle gegenüber dem mit identisch variierender Einsatzkohle

be-feuerten RBK-Referenzkraftwerk bei einem Auslegungsdruck der ÜSL von 3,5 bar und einem gleitenden Wassergehalt der TBK

Da die Schwankungsbreite des Wassergehalts der TBK so groß ist, dass zum Teil erhebliche Abweichungen vom Zielwert von 12 % auftreten, ist die techni-sche Machbarkeit von Option 2 zu pru fen, wobei insbesondere die Flexibilita t der Trockner und die sichere Lagerung und der sichere Transport von TBK mit sehr niedrigem Wassergehalt in Frage zu stellen sind. Da der Wassergehalt von in Schlagradmu hlen getrockneter RBK im Bereich von 18 % liegt, wird der er-mittelte Anstieg des Wassergehalts als fu r die TBK-Fo rderung und die Feue-rung unproblematisch angesehen.

Sollte eine Unterschreitung eines Wassergehalts von 12 % in der Tat nicht zu-la ssig sein, ist eine Betriebsweise mo glich, bei welcher der Prozessdampf am Trocknereintritt gedrosselt wird, wenn er zu einem niedrigeren TBK-Wassergehalt fu hren wu rde. Somit kann der Auslegungsdruck der U SL nach wie vor zu 3,5 bar gewa hlt werden. Der Wassergehalt der TBK variiert bei die-ser Betriebsweise u ber das Kohleband zwischen 12 % und 19,6 %. Die mittlere Nettowirkungsgradsteigerung gegenu ber dem RBK-Referenzkraftwerk liegt dann bei 3,63 Prozentpunkten.

5.3 Dampfversorgung der Wirbelschichttrockner

Option 3: Druckhalteklappe in der ÜSL

Alternativ zur Anhebung des Auslegungsdrucks der U SL (Option 1) besteht die Mo glichkeit, durch eine Druckhalteklappe in der U SL die MD-Turbine anzu-stauen und damit den Druck den Anforderungen entsprechend einzustellen. Je nach Auslegungsdruck der U SL muss dann in Abha ngigkeit von der eingesetz-ten Kohlequalita t der Prozessdampf am Trocknereintritt gedrosselt oder die MD-Turbine angestaut werden, um den fu r die Versorgung der Trockner erfor-derlichen Prozessdampfdruck einzustellen. Durch die Druckhalteklappe kann der Auslegungsdruck der U SL unter den fu r Option 1 ermittelten Auslegungs-druck abgesenkt werden, sodass die Drosselverluste u ber das Prozessdampf-regelventil am Eintritt in die Trockner je nach Auslegungskohle reduziert oder aufgehoben werden. Dafu r treten beim Einsatz von Kohlen, fu r deren Trock-nung die MD-Turbine angestaut werden muss, Drosselverluste in der U SL und Leistungsverluste der MD-Turbine auf.

Um den fu r diese Option optimalen Auslegungsdrucks der U SL zu finden, wird die Abha ngigkeit der u ber das Kohleband gemittelten Nettowirkungsgradstei-gerung im Vergleich zum mit identisch variierender Einsatzkohle befeuerten RBK-Referenzkraftwerk vom Auslegungsdruck der U SL untersucht und ergibt gema ß der in Abbildung 5.15 dargestellten Regressionsanalyse einen optima-len Auslegungsdruck der U SL von 3,78 bar.

Abbildung 5.15: Steigerung des über das Kohleband gemittelten Nettowirkungsgrads gegenüber dem mit identisch variierender Einsatzkohle befeuerten RBK-Referenzkraftwerk in Abhängigkeit vom Auslegungsdruck der ÜSL bei Einsatz einer

Druckhalteklappe zur Sicherstellung eines konstanten Wassergehalts der TBK von 12 %

Abbildung 5.16 zeigt ein Konturdiagramm fu r die Abha ngigkeit der Nettowir-kungsgradsteigerung von der Einsatzkohle gegenu ber dem mit identisch vari-ierender Einsatzkohle befeuerten RBK-Referenzkraftwerk bei einem Ausle-gungsdruck der U SL von 3,78 bar. Das Diagramm la sst sich in zwei Bereiche gliedern. Fu r niedrige Wassergehalte und hohe Heizwerte liegt der verfu gbare Prozessdampfdruck u ber dem fu r die Versorgung der Trockner erforderlichen Prozessdampfdruck und der Verlauf der Konturlinien entspricht Abbil-dung 5.12. Die gleiche Situation tritt jenseits des U bergangs von einem Betrieb mit fu nf Trocknern zu einem Betrieb mit sechs Trocknern auf. Zwischen diesen beiden Bereichen und im Bereich hoher Wassergehalte und niedriger Heiz-werte kommt die Druckhalteklappe zum Einsatz, was sich in einem deutlichen Ru ckgang der mit ho herem Wassergehalt einhergehenden Wirkungsgradstei-gerung niederschla gt. Die mittlere NettowirkungsgradsteiWirkungsgradstei-gerung gegenu ber dem mit identisch variierender Einsatzkohle befeuerten RBK-Referenzkraftwerk liegt bei 3,58 Prozentpunkten und damit marginal u ber dem fu r Option 1 ermittelten Wert.

5.3 Dampfversorgung der Wirbelschichttrockner

Abbildung 5.16: Konturdiagramm für die Abhängigkeit der Nettowirkungsgradsteige-rung von der Einsatzkohle gegenüber dem mit identisch variierender Einsatzkohle

be-feuerten RBK-Referenzkraftwerk bei einem Auslegungsdruck der ÜSL von 3,78 bar und Einsatz einer Druckhalteklappe zur Sicherstellung eines konstanten

Wasserge-halts der TBK von 12 %

Da davon auszugehen ist, dass eine Druckhalteklappe selbst im voll geo ffneten Zustand einen Druckverlust verursacht, ist zu untersuchen, wie sich dieser auf den mittleren Nettowirkungsgrad auswirkt. Abbildung 5.17 zeigt die A nde-rung der u ber das Kohleband gemittelten Nettowirkungsgradsteigende-rung ge-genu ber dem mit identisch variierender Einsatzkohle befeuerten RBK-Referenzkraftwerk in Abha ngigkeit vom Druckverlust. Ab einem Druckverlust im Auslegungspunkt von 0,08 bar (dies entspricht 2,2 % des Auslegungs-drucks der U SL) besteht gegenu ber Option 1 kein Wirkungsgradvorteil mehr.

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Abbildung 5.17: Änderung der über das Kohleband gemittelten Nettowirkungsgrads-teigerung gegenüber dem mit identisch variierender Einsatzkohle befeuerten

RBK-Referenzkraftwerk in Abhängigkeit vom Druckverlust der vollständig geöffneten Druckhalteklappe