Kurzbeschreibung
(Deutsch)
|
Das Projekt baut auf den Ergebnissen auf, welche im GE Testkraftwerk «Birr 2» in den Jahren 2013 bis 2015 erzielt wurden (durch BFE unterstützt; SI/501004-01) und entwickelt Schlüsselelemente der Wasser/Dampf Systemtechnik inklusive Integration der Technologie des Zwangsdurchlauf-Abhitzekessel in einem Kombikraftwerk zur Erhöhung des Wirkungsgrads. Dabei liegen die Dampfparameter oberhalb des heutigen Erfahrungsbereichs. Das Projekt beinhaltet Tests und Validierung im Bereich Materialpaarung, Wasserchemie, Anlagenbetriebskonzepte und Leittechnik des Wasser-Dampf Kreislaufes.
|
Kurzbeschreibung
(Englisch)
|
The project builds on the results achieved in the GE test power plant "Birr 2" from 2013 to 2015 (supported by SFOE; SI/501004-01) and develops key elements of the water/steam system technology including integration of the forced flow waste heat boiler technology in a combined cycle power plant to increase the efficiency. In doing so, the steam parameters are above the current range of experience. The project includes testing and validation in the area of material pairing, water chemistry, plant operation concepts and control technology of the water/steam cycle.
|
Kurzbeschreibung
(Französisch)
|
Le projet se base sur les résultats obtenus dans la centrale d'essai GE "Birr 2" entre 2013 et 2015 (soutenue par l'OFEN ; SI/501004-01) et développe des éléments clés de la technique de système eau/vapeur, y compris l'intégration de la technologie de la chaudière de récupération à passage forcé dans une centrale à cycle combiné afin d'augmenter le degré d'efficacité. Les paramètres de la vapeur se situent au-dessus de la plage d'expérience actuelle. Le projet comprend des tests et une validation dans le domaine de l'appariement des matériaux, de la chimie de l'eau, des concepts d'exploitation de l'installation et du contrôle-commande du cycle eau-vapeur.
|
Schlussbericht
(Deutsch)
|
Ein vierjähriges Programm demonstriert die Durchführbarkeit und die technischen Möglichkeiten der GE "Once Through" Dampfkessel Technologie (GE OT HRSG), die für moderne Kombikraftwerke zur Stromerzeugung entwickelt und installiert wurde. In Kombination mit anderen Technologien führt diese Technologie zu höheren Wirkungsgraden im Kombikraftwerk und zu verbesserten Betriebsmöglichkeiten wie höchsten höher Lastgradienten und höheren Wirkungsgraden bei Teillast und außerhalb der Auslegungsbedingungen. Als Referenz hält GE den Weltrekord für den Wirkungsgrad von GuD-Anlagen (siehe EDF Bouchain Plant, Frankreich [1]) mit 62,22 %. Die Anlage, die für die Validierung der in diesem Bericht dargestellten Verbesserungen ausgewählt wurde, besteht aus zwei Wellensträngen, die jeweils mit einer 9HA.02-Gasturbine und einer STF-D650-Dampfturbine ausgestattet sind, welche einen W88-Generator antreiben. Zum ersten Mal gelangt in einer GuD Anlage der H-Klasse ein GE OT HRSG Technologie zum Einsatz, welcher einen hohen Wirkungsgrad der GuD Anlage ermöglicht. Mit dieser Konfiguration wird der Nettowirkungsgrad auf über 64 % gesteigert, wodurch niedrigere spezifischen CO2-Emissionen pro erzeugter kWh elektrischer Energie erreicht werden.
Die Anwendung der OT-Technologie ermöglicht einen weiteren Schritt in Richtung einer GuD Anlage mit überkritischem Wasser-Dampf-Prozess, welcher eine weitere Wirkungsgradsteigerung ermöglicht. Die derzeitig zum Einsatz gelangende unterkritische Anlage - mit modernsten Parametern von ca. 185 bar Frischdampfdruck und bis zu 600 °C Frischdampf- und Zwischenüberhitzungstemperaturen - bereitet den Weg für Zyklen mit noch höheren Dampfdrücken und -temperaturen: Durch die Erhöhung der Dampfparameter wird die Ausnutzung der von der Gasturbine erzeugten Abwärme weiter gesteigert. Dies führt zu einer Effizienzsteigerung der Stromerzeugung durch den nachgeschalteten Dampfprozess bei unverändertem Brennstoffverbrauch der Gasturbine und ermöglicht es dem Kraftzwerksbetreiber, den relativen Brennstoffverbrauch und CO2-Emissionen zu senken. Die OT Technologie vermeidet dickwandige, große Kesseltrommeln, welche durch ihre thermische Trägheit die Betriebsflexibilität aufgrund festigkeitsbedingter Zwänge einschränken. Diese spezifischen Eigenschaften der OT Technologie sind Schlüsselfaktoren für den Einsatz eines Kombikraftwerkes in einem elektrischen Verbundnetz mit hohem Anteil von erneuerbaren Energieen mit geringer Vorhersagbarkeit wie Windkraft oder Photovoltaik. Damit trägt diese Technologie zum wirtschaftlichen Betrieb und wettbewerbsfähigen Stromkosten bei.
Eine erfolgreiche Implementierung der GE OT HRSG Technologie erfordert die Entwicklung und Erprobung von Werkstoffen, Materialschweißnähten und der Materialoxidation (versursacht durch die Wasser-/Dampfchemie) so nah wie möglich an den realen Betriebsbedingungen im Feld. Die bei den Validierungstests im Labor und in einer kommerziellen Anlage gesammelten Betriebs- und Testdaten belegen, dass die Werkstoffspezifikation und -auswahl, die Schweißverfahren, das Management von Verunreinigungen im Wasser-/Dampfkreislauf sowie die speziell für die GE OT HRSG Technologie entwickelten Prozesssteuerungskonzepte erfolgreich waren. Es wurden verbesserte Werkstoffpaarungen und Schweißnahtgeometrieparameter entwickelt, welche die Temperatur-wechselfestigkeit erheblich verbessern. Labortests zeigen, dass die Werkstoffkorrosion bei erhöhten Dampftemperaturen und unter überkritischen Bedingungen ähnlich sind wie bei aktuellen unterkritischen Dampfprozessparametern. Zusätzlich zeigen Feldtests, dass die Kontrolle der Chemie im Wasser-/Dampfkreislauf mit einem verbesserten Konzept zur Kontrolle von Verunreinigungen und ohne zusätzliche Behandlung erreicht werden kann, wenn die Ultra Pure Water Solution von GE (US2020200051A1) verwendet wird. Die entwickelte Lösung war erfolgreich bei der Entfernung von Verunreinigungen innerhalb akzeptabler Anfahrzeiten und Betriebsgrenzen, ohne dass zusätzliche Kondensataufbereitungsanlagen erforderlich waren. Die Ergebnisse der Labortests bestätigen die Eignung des gewählten Wasserchemie-Mangementkonzepts für überkritische Zyklen im Hinblick auf das Risiko einer beschleunigten Korrosion in solchen Umgebungen.
Die entwickelte Prozesssteuerung für den GE OT HRSG hat sich beim An- und Abfahren sowie im stationären Betrieb als robust und zuverlässig erwiesen. Die vorhergesagten Anfahrzeiten und Lastwechsel wurden erreicht.
Die Übertragung dieser Technologien auf großtechnische und kommerziell betriebene Anlagen ist daher ein Wegbereiter für künftige Wasser-Dompfprozesse in GuD Anlagen mit überkritischen Dampfparametern oberhalb der heutige üblichen Prozessparameter.
Dennoch litt das Programm unter den Auswirkungen der weltweiten COVID-19-Pandemie und kam schließlich nicht in vollem Umfang wie ursprünglich geplant voran: Mit der ersten Pandemiewelle wurde die ausgewählte Baustelle für die Validierungstests von der örtlichen Regierung geschlossen. Das Projektteam wurde gebeten, die Arbeiten nach der Wiedereröffnung der Baustelle zu beschleunigen, um die Auswirkungen auf den Termin für den kommerziellen Betrieb so gering wie möglich zu halten. Infolgedessen wurden einige der geplanten Validierungstests, die für das spezifische Projekt nicht elementar sind, einem anderen Projekt mit derselben Technologie zugewiesen. Die nach Abschluss dieses Programms durchzuführenden Arbeiten wurden ermittelt und der erforderliche Aufwand geschätzt.
|
Schlussbericht
(Englisch)
|
A 4-year program demonstrates the viability and technical capabilities of the GE “Once Through” (OT) HRSG technology as developed for and installed in modern Combined Cycle Power Plant (CCPP) for electricity production. Combined with other technologies this technology results in increased combined cycle efficiencies and improved operating capabilities like higher load gradients and elevated efficiencies at part load and off design conditions. As reference GE owns the world record for CCPP efficiency (ref. EDF Bouchain Plant, France [1]) with 62.22%. The plant identified for validating the improvements depicted in this report features two single-shaft generating blocks, each equipped with a 9HA.02 gas turbine and a STF-D650 steam turbine, driving a W88 generator and, for the first time installed in an H-Class Plant, a GE Once Through Heat Recovery Steam Generator enabling high combined cycle efficiency. This configuration pushes the net combined cycle efficiency beyond 64% and thus enables to produce a lower specific CO2 per kWh electricity produced.
The installation of the OT technology enables a next step-change in overall efficiency with supercritical steam turbine cycles integrated with a gas turbine. The current subcritical installation – with state-of-the-art parameters of approx. 185 bar live steam pressure and up to 600 °C live steam and reheat temperatures - prepares the path for cycles with higher steam pressures and temperatures: raising steam conditions (pressure and temperature) increases the usage of the waste heat generated by the Gas Turbine with subsequent efficiency gains in power generation of Steam Turbine at the same fuel consumption, allowing an operator to reduce its relative fuel consumption and CO2 emissions. The Once-Through technology avoids thick-walled large steam drums which might limit the operational flexibility due to physical constraints through its thermal inertia. Such features are key success factors for the electricity producers in a grid where the penetration with renewable generators of low predictability like Wind or PV is high. Moreover, these levers drive economic operation and competitive cost of electricity.
A successful implementation of the GE’s OT HRSG technology requires the development and lab testing of materials, material weld joints and oxidation based on water-/steam chemistry as close as possible to harsh in-field conditions. The operation and test data collected in lab environment and in a commercial unit provide evidence that the materials specification and selection, the welding methods and its parameters, the water-/steam cycle impurity management as well as the process controls concepts specifically developed for GE’s solution of an OT Heat Recovery Steam Generator (HRSG) have been successfully validated. Enhanced materials pairing and weld geometry parameters for the GE configuration have been developed and have shown to significantly improve the thermal cycling capability. Laboratory tests indicate that the corrosion impact in elevated temperatures and under supercritical conditions are similar to current cycles. In addition to the corrosion behavior, field tests demonstrate that the control of the chemistry in a water-/steam cycle can be achieved with an improved impurity control concept and without additional treatment when utilizing GE’s Ultra Pure Water Solution (US2020200051A1). The developed solution was successful in removing impurities within acceptable start-up times and operational limits without the need of additional condensate treatment installations. Results from the lab tests confirm the suitability of the selected water chemistry concept for supercritical cycles with regards to the risk of accelerated corrosion in such environments.
The developed process dynamics & controls for the GE OT HRSG has been proven robust and reliable during start-up, shut-down and steady-state operation. The predicted start-up times and load changes have been achieved.
Hence, the transfer of these technologies to full scale and commercially operated units are enablers for future cycles in CCPP applications with supercritical steam pressure and above todays cycle operating temperatures.
Nevertheless, the program suffered from the impact of the global COVID-19 pandemic and has finally not fully progressed as originally planned: With the first pandemic wave, the selected construction site for the validation testing has been locked down by the local government. The project team was asked to accelerate the site activities after re-opening of the site to keep the impact on the commercial operation date to a minimum. In consequence, some of the planned validation tests – not elementary for the specific project – have been re-assigned to another project of the same technology. The work to be completed after this program closure has been identified and the required effort estimated.
Zugehörige Dokumente
|
Schlussbericht
(Französisch)
|
Un programme de 4 ans démontre la viabilité et les capacités de la technologie GE "Once Through" (OT) HRSG telle qu'elle a été développée et installée dans des centrales à cycle combiné modernes pour la production d'électricité. En conjonction avec la mise en oeuvre d'autres technologies, ce type de chaudière de récupération permet d'augmenter l'efficacité des cycles combinés et d'améliorer leurs capacités d'exploitation, comme par exemple des gradients de charge plus élevés et des meilleurs rendements à charge partielle et pour les conditions de fonctionnement éloignée du point de conception. À titre de référence, GE détient le record mondial d'efficacité des centrales à cycle combiné (réf. centrale EDF de Bouchain, France [1]) avec 62,22 %. La centrale identifiée pour valider les améliorations décrites dans ce rapport comporte deux unités à ligne d’arbre unique, chacune équipée d'une turbine à gaz 9HA.02 et d'une turbine à vapeur STF-D650, entraînant un générateur W88. Pour la première fois dans une centrale de classe H, un chaudière à récupération de chaleur de type OT specifique de GE, permettant une efficacité élevée du cycle combiné. Cette configuration permet d’obtenir une efficacité nette au-delà de 64% d'efficacité du cycle combiné et permet ainsi de produire un taux spécifique plus faible de CO2 par kWh d'électricité produite.
Le recours à de la technologie OT permet de franchir une nouvelle étape dans l'efficacité globale des cycles supercritiques appliqués à des turbines à vapeur intégrées à une turbine à gaz. Les centrales à cycle sous-critique actuelles - avec des paramètres de pointe d'environ 185 bars de pression de vapeur vive et jusqu'à 600 °C de température pour la vapeur haute pression et vapeur de resurchauffe - prépare le terrain pour des cycles avec des pressions et des températures de vapeur plus élevées: l'augmentation des conditions de vapeur (pression et température) accroît l'utilisation de la chaleur résiduelle générée par la turbine à gaz avec des gains d'efficacité supplémentaires dans la production d'électricité de la turbine à vapeur pour la même consommation de combustible. Ceci permet à un opérateur de réduire sa consommation relative de combustible et ses émissions de CO2. La technologie Once-Through permet d'éviter les grands ballons de chaudière à parois épaisses qui pourraient limiter la flexibilité opérationnelle en raison de contraintes physiques liées à l'inertie thermique. Ces caractéristiques sont des facteurs clés de succès pour les producteurs d'électricité dans un réseau avec une part croissante d’énergie renouvelables à faible prévisibilité comme l'éolien ou le photovoltaïque. En outre, ces leviers permettent une exploitation économique et un coût compétitif de l'électricité.
Une mise en oeuvre réussie de la technologie OT HRSG de GE - permettant d'améliorer l'économie (coût de l'électricité) - nécessite le développement et les essais en laboratoire des matériaux, des joints de soudure des matériaux et de l'oxydation reproduisant une chimie de l'eau et de la vapeur, aussi proches que possible des conditions réelles. Les données recueillies lors des essais tant en laboratoire que sur l’unité en exploitation prouvent que la spécification et la sélection des matériaux, les méthodes de soudage et leurs paramètres, la gestion des impuretés du cycle eau/vapeur ainsi que les concepts de contrôle des processus spécifiquement développés pour la solution GE d'une chaudière de récupération (HRSG) de type OT specifique à GE ont été validés avec succès. Des perfectionnements dans la combinaison des matériaux et dans la géométrie des soudures pour la configuration GE ont été mis au point et ont permis d'améliorer de manière significative leur capacité à répondre aux variations thermiques. Les essais en laboratoire indiquent que l'impact de la corrosion à des températures élevées et dans des conditions supercritiques corroborent l’expérience récoltée sur les cycles actuels. Outre le comportement en corrosion, les essais sur le terrain démontrent que le contrôle de la chimie de l’eau peut être réalisé avec un concept amélioré de gestion des impuretés et sans traitement supplémentaire en utilisant la solution d'eau d’appoint «ultra-pure» de GE (US2020200051A1). La solution développée a permis d'éliminer les impuretés dans des temps de démarrage acceptables et dans les limites de fonctionnement , sans nécessiter l'installations supplémentaires d’une unité de traitement des condensats. Les résultats des essais en laboratoire confirment l'adéquation du concept de chimie de l'eau sélectionné pour les cycles supercritiques en ce qui concerne le risque de corrosion accélérée dans de tels environnements.
La dynamique et les contrôles des processus développés pour le GE OT HRSG se sont avérés robustes et fiables pendant le démarrage, l'arrêt et le fonctionnement en régime stationnaire. Les temps de démarrage et les variations de charges prévues ont été atteints.
Par conséquent, le transfert de ces technologies vers des unités à échelle réelle et exploitées commercialement permettent d’envisager pour le futurs des centrales à cycle combiné avec une pression de vapeur supercritique et des températures de fonctionnement supérieures à celles du cycle actuel.
Néanmoins, le programme a souffert de l'impact de la pandémie mondiale de COVID-19 et n'a finalement pas progressé dans les délais prévus à l'origine: Dès la première vague de pandémie, le site de construction choisi pour les essais de validation a été bloqué par le gouvernement local. Il a été demandé à l'équipe de projet d'accélérer les activités sur le site après sa réouverture afin de limiter au maximum l'impact sur le début de l’exploitation commerciale. En conséquence, certains des tests de validation prévus - qui n'étaient pas élémentaires pour le projet spécifique - ont été réaffectés à un autre projet de la même technologie. Les travaux à réaliser après la clôture de ce programme ont été identifiés et l'effort nécessaire a été estimé.
|
