Optimizing response times in power generation in combined cycle applications

Abstract

To allow higher shares of intermittent renewable energy generation flexible balancing power is required for back-up. Two significant flexibility parameters are the time it takes for a power plant to start-up and how quickly it can increase its load. In this work the restrictions and bottlenecks of a start-up and ramping of a combined cycle power plant are studied from thermodynamic point-of-view. A transient simulation tool is built to simulate the start-up process of the boiler and the results are analyzed with literature to find physical and sequence-related solutions for a flexible combined cycle power plant.

The main thermodynamic factor for the boiler start-up is its thermal inertia which mostly associated with the thermal capacity of the steam drum. The sequence-related factors usually try to protect the boiler, the piping and the steam turbine from damages with interlocks. For the boiler the steam line heating process related to the blow out sequence showed a big impact to the boiler start-up time. With the steam turbine the biggest bottlenecks were the heating process during cold start and the availability of auxiliary steam during hot start.

With the obtained results an analysis was done to figure out the most suitable technical solutions for different operational profiles and further questions for study were raised regarding standby operation, mechanical stress factors and drum level behavior.

Vaihtelevan uusiutuvan energian tuotannon lisääminen kasvattaa joustavan varavoiman tarvetta. Kaksi merkittävää voimalaitoksen joustavuusparametria ovat, kuinka nopeasti laitos voidaan ajaa ylös ja kuinka nopeasti se pystyy nostamaan tehoaan. Tässä työssä tutkitaan termodynaamisesta näkökulmasta kombivoimalaitoksen ylösajon rajoitteita ja pullonkauloja käynnistyksen yhteydessä ja kuormaa lisätessä. Työtä varten rakennetaan aikariippuvainen laskentaohjelma simuloimaan kattilan ylösajoa ja tuloksia analysoidaan kirjallisuuden kanssa fysikaalisten ja sekvenssiriippuvaisten ratkaisujen löytämiseksi joustavalle kombivoiman tuotannolle.

Merkittävin termodynaaminen tekijä kattilan ylösajossa on sen terminen inertia, joka pääosin riippuu höyrylieriön lämpökapositeetista. Sekvenssivaiheiden tarkoitus on usein suojella kattilaa, höyryputkistoa ja turbiinia vaurioilta. Höyryputkistojen lämmitykseen liittyvällä ulospuhallussekvenssillä oli merkittävä vaikutus kattilan ylösajon kestoon. Höyryturbiinille merkittävimmät pullonkaulat olivat lämmitysprosessi kylmästartissa ja apuhöyryn saatavuus kuumastartissa.

Saaduilla tuloksilla analysoitiin eri ratkaisujen soveltuvuutta erilaisiin käyttöprofiileihin ja jatkokysymysehdotuksia annettiin liittyen alasajetun kattilan operointiin, mekaniisiin kuormituksiin ja lieriön pinnan käytökseen.