Effizienz hat im Kohlekraftwerk Caofeidian Priorität

In manchen Teilen der Welt mag die Kohlekraft Probleme haben, aber in China geht es ihr ganz gut. Neue Anlagen gehen mit modernster Technologie ans Netz. Zwei ultraüberkritische Einheiten, die im Kraftwerk Caofeidian hinzugefügt wurden, weisen eine Reihe innovativer Effizienzsteigerungen auf.

Während in vielen Teilen der Welt Kohlekraftwerke aus ökologischen oder wirtschaftlichen Gründen geschlossen werden, bauen einige asiatische Länder, darunter China, Indien und Indonesien, große Mengen neuer Kohlekraftwerke. Tatsächlich hat China, wie Mary Hutzler, eine angesehene Senior Fellow am Institut für Energieforschung, in ihrem Artikel mit dem Titel „Chinas Wirtschaftsaufschwung wird durch Kohle vorangetrieben werden“ betont, Pläne, mehr als 200 GW neue Kohlekraftwerke zu bauen Kapazität. Das ist fast die gleiche Kapazität wie die gesamte bestehende Kohleflotte der USA. Hutzler schrieb: „Zwischen dem 1. und 18. März 2020 genehmigten die Behörden in China den Bau von mehr Kohlekraftwerken (7.960 MW) als im gesamten Jahr 2019 (6.310 MW).“ Wenn man das zu den mehr als 1.000 GW bestehender Kohlekraftwerkskapazität in China hinzurechnet, kann man leicht vermuten, dass Kohle im bevölkerungsreichsten Land der Welt immer noch das A und O ist.

Aber Chinas neue Blöcke sind nicht das Kohlekraftwerk Ihres Großvaters; Bei den meisten handelt es sich um hochmoderne ultraüberkritische (USC) Anlagen. Und chinesische Ingenieure haben durch kontinuierliche Forschung und Entwicklung die Effizienzgrenzen auf ein neues Niveau gehoben. Das Caofeidian-Projekt bietet ein typisches Beispiel.

„Der Clou dieses Projekts ist, dass es als Einzelnachwärmeanlage mit einer Reihe von Innovationen einen Nettowirkungsgrad von mehr als 46,2 % [untere Heizwertbasis] bei 75 % THA [Turbinenwärmeakzeptanz] erreicht, was dem besten Niveau entspricht der bestehenden 1.000-MW-Doppel-Reheat-USC-Einheiten unter 100 % THA in China. „Während die Gesamtinvestition dieses Projekts nur etwa 85 % derjenigen der Double-Reheat-Projekte beträgt“, sagte Li Li, ein Ingenieur bei Shanghai Shenergy Power Technology Co. Ltd., gegenüber POWER.

Das Kraftwerk Caofeidian liegt in der Industriezone Caofeidian, etwa 70 Kilometer südlich der Stadt Tangshan, Provinz Hebei, China. Das Projekt wurde unter strikter Einhaltung der chinesischen Umweltschutzpolitik gebaut; Insbesondere wurde die Anlage auf einem dem Meer abgewonnenen Land errichtet und nutzt entsalztes Meerwasser für den Pflanzenbedarf.

Phase I, die zwei 300-MW-Blöcke umfasste, ging im Juni 2009 in den kommerziellen Betrieb. Der Bau von Phase II, einem 6 Milliarden Yen (857 Millionen US-Dollar) teuren Erweiterungsprojekt, das zwei 1.000-MW-USC-Blöcke umfasste, begann am 27. April 2016. Block Block 3 hat seinen 168-Stunden-Volllasttest am 25. April 2019 bestanden, während Block 4 das Gleiche am 9. Juni 2020 geschafft hat.

Bei den Kesseln der Einheiten 3 und 4 handelt es sich um USC-Kessel mit einfacher Zwischenüberhitzung, ausgewogener Belüftung eines einzelnen Ofens, Feststoff-Trockenschlackenentfernung, dicht geschlossener Anordnung und Pi-Kesseln mit Ganzstahlrahmen. Der Hersteller war Babcock Wilcox Co. Ltd. Der Auslassdruck des überhitzten Dampfes beträgt 29,3 Megapascal (MPa, 4.250 psi) und die Auslasstemperatur beträgt 605 °C (1.121 °F). Der Auslassdruck des Nacherhitzungsdampfes beträgt 5,945 MPa (862 psi) und die Auslasstemperatur beträgt 623 °C (1.153 °F).

Die Dampfturbinen wurden von Shanghai Steam Turbine Co. Ltd. hergestellt. Es handelt sich um USC-Turbinen mit Einzelüberhitzung, fünf Turbinengehäusen und sechs Auslässen, einer Welle, drei Gegendrücken und Kondensationsturbinen. Die Generatoren wurden von Shanghai Electric Generator Co. Ltd. hergestellt und verfügen über ein Erregersystem, eine Wasserstoff-Wasser-Kühlung und ein Dichtungsölsystem.

Das Hebei Electric Power Survey and Design Institute führte alle Untersuchungs- und Entwurfsarbeiten für das Projekt durch. Shanghai Shenergy Power Technology Co. Ltd. war für die gesamte Prozessdesignberatung für das Projekt und die Umsetzung relevanter Energiesparprojekte verantwortlich. Eine Reihe anderer Auftragnehmer wurden für die Ausrüstungsbeschaffung und den Bau auf der Grundlage öffentlicher Ausschreibungen gemäß den Bestimmungen des chinesischen Ausschreibungsgesetzes ausgewählt.

Während der Hochphase der Bauarbeiten waren mehr als 4.000 Arbeiter direkt am Projekt beteiligt. Vom Baubeginn bis zur Fertigstellung und dem Betrieb der beiden Einheiten am 9. Juni 2020 meldete das Bauteam keine Produktionsunfälle mit „allgemeiner oder höherer“ Sicherheit. Insgesamt wurden 1.635 Tage sichere Produktionsarbeit geleistet.

Das Caofeidian-Projekt umfasste eine Reihe einzigartiger Technologien. Ein Beispiel dafür ist die Dampfturbine (Abbildung 1). Die Caofeidian-Einheiten sind die ersten in China, die über fünf Turbinengehäuse mit sechs Abgasen verfügen. Bemerkenswert ist, dass die Wärmeleistung der Dampfturbine 7.146 Kilojoule/kWh (6.773 Btu/kWh) beträgt. Das Design, das ein 11-stufiges Rekuperationssystem umfasst, nutzt die niedrige Meerwassertemperatur in der Region voll aus, was zu einem extrem niedrigen Gegendruck von 3,3 Kilopascal absolut (0,48 psia) führt. Dabei hilft auch die Tiefsee-Fördertechnik. Durch die Reduzierung der Wassereinlasstiefe von –5,8 Metern (m), wie ursprünglich geplant, auf –10,0 m wurde die Meerwassertemperatur von Mai bis Juni um 1,5 °C und von Juli bis September um 1,8 °C gesenkt. Der reduzierte Gegendruck führt zu einer geschätzten Treibstoffkosteneinsparung von etwa ¥ 3 Millionen ($ 428.500) pro Jahr.

1. Caofeidian war das erste Werk in China, das drei Niederdruckgehäuse in die Dampfturbine einbaute. Mit freundlicher Genehmigung: Shanghai Shenergy Power Technology Co. Ltd.

Die Caofeidian-Einheiten sind auch die weltweit ersten, die eine kombinierte, zentralisierte, frequenzvariable Speisewasserpumpentechnologie für Zusatzgeräte integrieren. Bei diesem Schema treibt die Speisewasserpumpenturbine auch einen Frequenzumwandlungsgenerator an, um Frequenzumwandlungsstrom für die zahlreichen Hilfsmaschinen wie Pumpen und Lüfter bereitzustellen. Um die Leistung zu steigern, integrierten die Ingenieure eine kleine Siemens-Dampfturbine in die Konstruktion und rüsteten die Einheiten mit Voith-Hochgeschwindigkeitskupplungen aus. Die Technologie reduziert den Stromverbrauch der Anlage um etwa 2 %.

Bei dem Projekt kamen auch zusätzliche Technologien zur Energieeinsparung und Emissionsreduzierung zum Einsatz. Die Ingenieure führten eine tiefgreifende technische Optimierung durch; erweiterte den traditionellen regenerativen Modus, um Wasser, Wind, Kohle und andere Kesselwärmequellen in die Berechnungen einzubeziehen; und die Maschine und den Ofen neu gekoppelt, um einen effizienten Betrieb bis zu einer Last von 40 % zu gewährleisten. Um die Temperaturstabilität des Speisewassers zu gewährleisten und Probleme bei geringer Last zu lösen, wenn das Denitrierungssystem nicht betrieben werden kann, wurde ein Hochdruckerhitzer hinzugefügt. Dadurch ist eine Denitrierung über einen breiten Betriebslastbereich erreichbar. Gleichzeitig schützt der Einbau von Heißlufterhitzern die Hochdruckerhitzer vor Überhitzung und erhöht die Effizienz und Stabilität der Verbrennung. Alle oben genannten bahnbrechenden Technologien wurden von Shanghai Shenergy Power Technology konsultiert oder direkt implementiert.

Wie bereits erwähnt, lieferten Siemens und Voith für das Projekt Ausrüstung aus Deutschland. Aufgrund der chinesischen Richtlinien und Dokumentationsanforderungen ist die Angelegenheit jedoch komplizierter. Beispielsweise umfasste die Korrespondenz im Zusammenhang mit der Installation und Inbetriebnahme der kleinen Siemens-Dampfmaschine 800 Poststücke. Der Geschäftsführer der Projektgesellschaft übernahm persönlich die Führung und es wurde ein „Babyturbinen“-Team bestehend aus Eigentümer, Bauleiter, Übersetzer, Shenergy Power Technology und Siemens gegründet. Alle Parteien mussten Schwierigkeiten überwinden, sodass die Fehlerbehebung und der Transfer der kleinen Dampfturbine von Block 3 32 Tage dauerte. Bemerkenswert ist, dass der Transfer der Babyturbine für Block 4 aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse nur 10 Tage dauerte.

Das Rohrleitungssystem des Caofeidian-Projekts ist komplizierter als die Konstruktion eines herkömmlichen Wärmekraftwerks. Im 11-stufigen Rekuperationssystem gibt es viele zusätzliche Absaug- und Heizgeräte. Obwohl das Design der vier großen Pipelines kontinuierlich optimiert und überarbeitet wurde, kam es immer noch zu Problemen wie Versorgungsverzögerungen und Pipelinekollisionen.

Das Team hielt am 5. Januar 2018 eine Sondersitzung ab, um die Probleme zu klären. Bei Konstruktionsfragen wurde entschieden, dass der verantwortliche Ingenieur vor Ort sein und Probleme schnellstmöglich beheben würde. Um die Materialversorgung sicherzustellen, wurde der Teamleiter aufgefordert, einen Vermittler in der Rohrleitungsfabrik Huadian Jinyuan zu stationieren, um Produktion, Transport und Installation miteinander zu verbinden. Kurz nach dem Treffen wurde der Hebevorgang der vier großen Pipelines in Block 3 wieder aufgenommen. „Aufgrund der frühzeitigen Bereitstellung, der kompakten Anordnung und der Umsetzung vor Ort waren die Bauqualität und der Fortschritt der letzten vier großen Pipelines kontrolliert und effektiv“, sagte eine Anlage sagte der Anführer.

Viele Außenstehende mögen denken, dass China laxe Abgasnormen hat, aber das ist nicht der Fall. An jedes Gerät ist ein hocheffizienter Elektrofilter mit Rundrohr angeschlossen. Das System umfasst ein vierstufiges elektrostatisches Feld sowie eine rotierende Polplatte auf einer Ebene, was zu einer Staubentfernungseffizienz von nicht weniger als 99,95 % führt. Der Staubgehalt am Austritt des Gerätes beträgt weniger als 25 Milligramm/Normkubikmeter (mg/Nm3).

Das Caofeidian-Projekt erreicht einen Entschwefelungswirkungsgrad von mehr als 99,2 % und einen Staubentfernungswirkungsgrad von mehr als 75 % in einem Absorptionsturm durch den Einsatz einer Doppelschichtwanne, eines Fünfschichtsprays und einer hocheffizienten Demistertechnologie. Das System erfüllt Chinas ultrareine Emissionsanforderungen, die weniger als 35 mg/Nm3 für SO2 und 10 mg/Nm3 für Staub betragen.

Die Anlage nutzt die Denitrierungstechnologie mit selektiver katalytischer Reduktion bei einer Vielzahl von Betriebslasten. Mit diesem System beträgt die Denitrierungseffizienz mehr als 85 % und die Emissionskonzentration von NOx liegt unter 45 mg/Nm3. Wie bereits erwähnt, kann das Denitrierungssystem nicht bei geringer Last eingesetzt werden, dieses Problem wurde jedoch durch eine einstellbare Regenerationstechnologie gelöst.

Schließlich wurde ein großes Aschelager aus 200.000 Tonnen Stahlplatten gebaut, um den Ascheplatz im Freien zu ersetzen. Dadurch wurde die Umweltverschmutzung des offenen Ascheplatzes vollständig beseitigt und etwa 400 Hektar Land eingespart.

Napoleon Bonaparte soll China „den schlafenden Riesen“ genannt haben. Wenn es um Kohlekraft geht, ist China ein Riese, aber es schläft nicht – das Land treibt den Bau neuer Kraftwerke und innovativer Technologien voran. POWER würdigt den im Werk Caofeidian gezeigten Einfallsreichtum, indem es ihm die Auszeichnung „Top Plant 2020“ in der Kategorie Kohlekraftwerke verleiht. ■

—Aaron Larson ist Chefredakteur von POWER.

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