18. Kölner Sonnenkolloquium Anforderungen an ......MAN Diesel & TurboMAN Diesel & Turbo ETESC -...
Transcript of 18. Kölner Sonnenkolloquium Anforderungen an ......MAN Diesel & TurboMAN Diesel & Turbo ETESC -...
1< >MAN Diesel & Turbo Author Current topic 00.00.2012[optional: Brand]
18. Kölner SonnenkolloquiumAnforderungen an Solardampfturbinen für flexiblen BetriebKöln, 19.05.2015
Dr. Mark André SchwarzCalculation / R&D Steam Turbines
MAN Diesel & Turbo SE
2< >MAN Diesel & Turbo Current topic 00.00.2012 2< >MAN Diesel & Turbo ETESC - Schwarz 18. Sonnenkolloquium_Köln_Solar-DT_19.05.2015.ppt 19.05.2015
Einleitung
Solarkraftwerksprozesse
Ausgeführte Anlagen / Maschinenstränge
18. Kölner SonnenkolloquiumAnforderungen an Solardampfturbinen für flexiblen BetriebAgenda
Flexibler Betrieb
Ausblick
Zusammenfassung
3< >MAN Diesel & Turbo Current topic 00.00.2012 3< >MAN Diesel & Turbo ETESC - Schwarz 18. Sonnenkolloquium_Köln_Solar-DT_19.05.2015.ppt 19.05.2015
18. Kölner SonnenkolloquiumAnforderungen an Solardampfturbinen für flexiblen BetriebEinleitung
Green Technology:
CSP-Kraftwerk mit High Performance Dampfturbine bis 160 MW
Anforderungen an die Dampfturbine:
Extrem langer Betriebs- und Lebenszyklusbis zu 30 JahreFlexibler Betrieb:
- Täglicher Start mit kurzen Startzeiten- 11.000 Starts über gesamten Lebenszyklus
Höchste Verfügbarkeit und ZuverlässigkeitHöchste Wirkungsgrade für Turbine und Solarkraftwerksprozess
4< >MAN Diesel & Turbo Current topic 00.00.2012 4< >MAN Diesel & Turbo ETESC - Schwarz 18. Sonnenkolloquium_Köln_Solar-DT_19.05.2015.ppt 19.05.2015
18. Kölner SonnenkolloquiumAnforderungen an Solardampfturbinen für flexiblen BetriebSolarkraftwerksprozesse
Typische thermodynamische Prozessparameter:Prozesse: Parabolrinne, Direktverdampfung, Turm- und Hybrid-Anwendungen
- mit Zwischenüberhitzung- ohne Zwischenüberhitzung
Frischdampf : ~ 100 bar/ 390°C bis 540°CZÜ-Dampf: 20 bis 25 bar/ 390°C bis 540°CLeistungsbereich: 10 bis 160 MW
Wirkungsgrad-Benchmark:
Optimierte Beschaufelung:
Hocheffiziente Reaktionsbeschaufelung
Vielstufiger Beschaufelungskanal
Optimierter Prozess:
Flexibler Beschaufelungskanal mit bis zu10 Anzapfungen zur Maximierung der Vorwärmeranzahl
Kreislaufwirkungsgrad über 40%
Kraftwerkskreislaufoptimierung
Anzahl der Anzapfungen
5< >MAN Diesel & Turbo Current topic 00.00.2012 5< >MAN Diesel & Turbo ETESC - Schwarz 18. Sonnenkolloquium_Köln_Solar-DT_19.05.2015.ppt 19.05.2015
18. Kölner SonnenkolloquiumAnforderungen an Solardampfturbinen für flexiblen BetriebAusgeführte Anlagen: Reheat-Turbine ANDASOL
Frischdampf: 103 bar/ 383°C
ZÜ-Dampf: 19,5 bar/ 383°C
Gegendruck: 42 mbar
Drehzahl: 7.500 / 3.000 rpm
Gewicht: ~ 50 / 150 t
Leistung: 50 MW
Dampfturbinendaten:
Kreislaufwirkungsgrad > 41%
Kraftwerkskreislauf mit 8 Anzapfungen:
ANDASOL 3Aldeire GUZMANSOL
ENERSOL
6< >MAN Diesel & Turbo Current topic 00.00.2012 6< >MAN Diesel & Turbo ETESC - Schwarz 18. Sonnenkolloquium_Köln_Solar-DT_19.05.2015.ppt 19.05.2015
18. Kölner SonnenkolloquiumAnforderungen an Solardampfturbinen für flexiblen BetriebAusgeführte Anlagen: Non-Reheat-Turbine SHAMS
SHAMS 1Masdar City
Frischdampfdruck: 100 bar/ 540°C
Abdampfdruck: 130 mbar
Drehzahl: 3.000 rpm
Gewicht: ~ 195 t
Leistung: 125 MW
Dampfturbinendaten:
Kraftwerkskreislauf mit 6 Anzapfungen:
Kreislaufwirkungsgrad > 40%
7< >MAN Diesel & Turbo Current topic 00.00.2012 7< >MAN Diesel & Turbo ETESC - Schwarz 18. Sonnenkolloquium_Köln_Solar-DT_19.05.2015.ppt 19.05.2015
18. Kölner SonnenkolloquiumAnforderungen an Solardampfturbinen für flexiblen BetriebFlexibler Betrieb
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 1 2 3 4 5 60
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 1 2 3 4 5 6
ohne Speicher
Vor- / Nachteile eines thermischen Speichers+ längere Stromproduktion+ Stromerzeugung auch zu Zeiten hohen
Strombedarfs möglich- höhere Investitionskosten durch
- Speicher + Speichermedium- Wärmetauscher Öl - Salz- größeres Solarfeld
Laden desSpeichers
mit Speicher
Entladen desSpeichers
Thermischer Speicher AndaSol3
Sonneneinstrahlung
Stromproduktion
UhrzeitUhrzeit
*) DNI: dircet normal irradiance (Direkt-Normalstrahlung)
Leistungsabgabe eines Solarkraftwerks mit Parabolrinne:
8< >MAN Diesel & Turbo Current topic 00.00.2012 8< >MAN Diesel & Turbo ETESC - Schwarz 18. Sonnenkolloquium_Köln_Solar-DT_19.05.2015.ppt 19.05.2015
18. Kölner SonnenkolloquiumAnforderungen an Solardampfturbinen für flexiblen BetriebFlexibler Betrieb
Nach Sonnenuntergang wird die im HTF gespeicherte thermische Energie nochfür ca. 20 min. genutzt!
Sonneneinstrahlung
elektrischeLeistung
Reale Leistungsabgabe eines Solarkraftwerks mit Parabolrinne im Herbst :
9< >MAN Diesel & Turbo Current topic 00.00.2012 9< >MAN Diesel & Turbo ETESC - Schwarz 18. Sonnenkolloquium_Köln_Solar-DT_19.05.2015.ppt 19.05.2015
18. Kölner SonnenkolloquiumAnforderungen an Solardampfturbinen für flexiblen BetriebFlexibler Betrieb
Frischdampfdruck Frischdampftemperatur
Leistung über Tag: Solarbetrieb
Leistung Abends / Nachts:
Speícherbetrieb
bewölkter Tag
elektr. Leistung
Reale Leistungsabgabe eines Solarkraftwerks mit Parabolrinne:
10< >MAN Diesel & Turbo Current topic 00.00.2012 10< >MAN Diesel & Turbo ETESC - Schwarz 18. Sonnenkolloquium_Köln_Solar-DT_19.05.2015.ppt 19.05.2015
18. Kölner SonnenkolloquiumAnforderungen an Solardampfturbinen für flexiblen BetriebFlexibler Betrieb
Design-Ziele:Täglicher Start der Dampfturbine über 30 Jahre
Kurze Startzeiten
Das bedeutet:Die höchsten Belastungen der Turbine treten während der Startphase auf.
Extrem kurze Startzeiten führen zu extrem großen Temperaturgradientenund damit verbundenen Materialbelastungen für die Komponenten (Thermo-Stress).
Die Bewertung der hochbelasteten Dampfturbinenkomponentenmacht aufwändige FEM-Analysen erforderlich.
11< >MAN Diesel & Turbo Current topic 00.00.2012 11< >MAN Diesel & Turbo ETESC - Schwarz 18. Sonnenkolloquium_Köln_Solar-DT_19.05.2015.ppt 19.05.2015
Rotor
Ventile
Einströmgehäuse
18. Kölner SonnenkolloquiumAnforderungen an Solardampfturbinen für flexiblen BetriebFlexibler Betrieb
Hochbelastete Dampfturbinenkomponenten:
12< >MAN Diesel & Turbo Current topic 00.00.2012 12< >MAN Diesel & Turbo ETESC - Schwarz 18. Sonnenkolloquium_Köln_Solar-DT_19.05.2015.ppt 19.05.2015
18. Kölner SonnenkolloquiumAnforderungen an Solardampfturbinen für flexiblen BetriebFlexibler Betrieb
HD-Turbine ND-Turbine
1. Ventilgehäuse
2. Innengehäuse
3. Rotor
Für täglichen Start-up sind die “heißen” Turbinenbereiche zu bewerten:1. Ventilgehäuse2. Innengehäuse3. Einströmbereiche und Rotor
13< >MAN Diesel & Turbo Current topic 00.00.2012 13< >MAN Diesel & Turbo ETESC - Schwarz 18. Sonnenkolloquium_Köln_Solar-DT_19.05.2015.ppt 19.05.2015
18. Kölner SonnenkolloquiumAnforderungen an Solardampfturbinen für flexiblen BetriebFlexibler Betrieb
RotorVentilgehäuse
Transiente FEM-Analysen der Hauptkomponenten:
Innengehäuse
Flexibler Betrieb & Schnellstart:
Fast Start Up Capabilty:
Täglicher Start über 30 Jahre11.000 Zyklen
Heißstart nach 8 Stunden Stillstandohne Leistungsbegrenzung
Nach 12 min. auf Vollast
Tägliche Betriebskurve SchnellstartfähigkeitHeißstartkurve
CoolingNormal
Operation
StorageOperation
Time [h]
Drehzahl
Leistung
14< >MAN Diesel & Turbo Current topic 00.00.2012 14< >MAN Diesel & Turbo ETESC - Schwarz 18. Sonnenkolloquium_Köln_Solar-DT_19.05.2015.ppt 19.05.2015
18. Kölner SonnenkolloquiumAnforderungen an Solardampfturbinen für flexiblen BetriebFlexibler Betrieb
Storage (0h):
Middle of cooling (6h):
End of cooling (12h):
End of start up (12h 45min) :
Steady operation (21h):
min max
Transiente FEM-Berechungen des Rotors:
15< >MAN Diesel & Turbo Current topic 00.00.2012 15< >MAN Diesel & Turbo ETESC - Schwarz 18. Sonnenkolloquium_Köln_Solar-DT_19.05.2015.ppt 19.05.2015
18. Kölner SonnenkolloquiumAnforderungen an Solardampfturbinen für flexiblen BetriebFlexibler Betrieb
Transiente Stress-Amplitude an ausgewählten Punkten des Rotors:
Die kritische Stress-Amplitudewird täglich durchfahren.Im Rahmen der Analyse werdendie am höchsten belastetenPunkte der jeweiligen Komponenteermittelt und bewertet.
16< >MAN Diesel & Turbo Current topic 00.00.2012 16< >MAN Diesel & Turbo ETESC - Schwarz 18. Sonnenkolloquium_Köln_Solar-DT_19.05.2015.ppt 19.05.2015
18. Kölner SonnenkolloquiumAnforderungen an Solardampfturbinen für flexiblen BetriebFlexibler Betrieb
LCF-Analyse und Bestimmung der Zyklenanzahl:
Aus der elastischen Spannungsschwingbreite lässt sich mit Hilfe der Neuber-Hyperbel die Dehnungsschwingbreite ermitteln. Die maximal zulässige Zyklenzahl berechnet sich aus der Dehnungsschwing-breite und der Anrisskurve.Die maximal zulässige Zyklenzahl gibt die Anzahl der möglichen Starts vor.
Dehnung Anzahl der Zyklen
Maximaler Dehnungsbereich εmax
εmax
Anrisskurve
N
17< >MAN Diesel & Turbo Current topic 00.00.2012 17< >MAN Diesel & Turbo ETESC - Schwarz 18. Sonnenkolloquium_Köln_Solar-DT_19.05.2015.ppt 19.05.2015
18. Kölner SonnenkolloquiumAnforderungen an Solardampfturbinen für flexiblen BetriebAusblick
Hybrid-Prozess (Solar & Gasturbine): 540°C - 565°C ZÜ-Prozess
Turmkonzept (Salzschmelze):565°C – 600°C / 620°C ZÜ-Prozess
734px-Kohlekraftwerk.svg.png
Parabolirinne & Direktverdampfung:540°C - 565°C ZÜ- / Nicht-ZÜ-Prozess
Anforderungenan die Dampfturbinentechnolgie
Thermische Stabilität aller Komponentenbis zu 600°C / 620°C
Neue Kühlkonzepte für alle hochtemperatur-belasteten Turbinenkomponenten
Besondere Materialkonzepte
Optimierte Start-up und erweiterte Lebenszykluskonzepte
18< >MAN Diesel & Turbo Current topic 00.00.2012 18< >MAN Diesel & Turbo ETESC - Schwarz 18. Sonnenkolloquium_Köln_Solar-DT_19.05.2015.ppt 19.05.2015
18. Kölner SonnenkolloquiumAnforderungen an Solardampfturbinen für flexiblen BetriebZusammenfassung
MAN Diesel & Turbo hat insgesamt 6 Dampfturbinen von 10 MW bis zu 125 MWmit den zugehörigen Wasser-Dampf-Kreisläufen entwickelt, hergestellt underfolgreich in Betrieb genommen.
Die Turbinenfahrweise wurde durch Speicherbetrieb optimiert:Durch Ausdehnung des Turbinenbetriebs über den Sonnenuntergang hinaus, wurden Stillstandzeiten und Auskühlen der Maschine minimiert. Auf diese Weise wurden lebensdauerschonende Heißstarts bei Sonnenaufgangermöglicht.
Durch das Lastkollektiv von ca. 11.000 täglichen Schnellstarts über 30 Betriebsjahrebei höchster Verfügbarkeit werden besondere Anforderungen an das Turbinendesigngestellt. Alle Komponenten wurden hierauf ausgelegt.
Künftige Anforderungen an die Dampfturbinen für Solaranwendungen gehen inRichtung höherer Prozesstemperaturen von oberhalb 565°C. EntsprechendeEntwicklungsvorhaben für diese Hochtemperaturanwendungen in Kombination mitSchnell- und Vielstartfähigkeit auch mit externen Forschungspartnern sind in derPlanung bzw. laufen bereits.
19< >MAN Diesel & Turbo Current topic 00.00.2012 19< >MAN Diesel & Turbo ETESC - Schwarz 18. Sonnenkolloquium_Köln_Solar-DT_19.05.2015.ppt 19.05.2015
18. Kölner SonnenkolloquiumAnforderungen an Solardampfturbinen für flexiblen Betrieb
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
20< >MAN Diesel & Turbo Current topic 00.00.2012 20< >MAN Diesel & Turbo ETESC - Schwarz 18. Sonnenkolloquium_Köln_Solar-DT_19.05.2015.ppt 19.05.2015
Dr. Mark André [email protected]
Dr. Thomas [email protected]
Do you have any more questions?
21< >MAN Diesel & Turbo Author Current topic 00.00.2012
All data provided in this document is non-binding. This data serves informational purposes only and is especially not guaranteed in any way. Depending on the subsequent specific individual projects, the relevant data may be subject to changes and will be assessed and determined individually for each project. This will depend on the particular characteristics of each individual project, especially specific site and operational conditions.
Disclaimer
ETESC - Schwarz 18. Sonnenkolloquium_Köln_Solar-DT_19.05.2015.ppt