CH621179A5

CH621179A5 -

Info

Publication number: CH621179A5
Application number: CH796077A
Authority: CH
Inventors: Heinz Bloch
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1977-06-29
Filing date: 1977-06-29
Publication date: 1981-01-15
Also published as: DE2732219B1; BE898732Q; FR2396160A1; SE427204B; SE7807236L; FR2396160B1; GB1583719A; DE2732219C2; US4184337A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Rege- 45 lung einer Zwischenüberhitzer-Dampfturbine, bei dem ein Sollwert-Istwert-Vergleich der Drehzahl durchgeführt und eine von der Sollwert-Istwert-Differenz abgeleitete Stellgrösse auf eine Regelventilanordnung gegeben wird. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Einrichtung zur Durchführung eines 50 solchen Verfahrens.

Dampfturbinenregelungen umfassen eine Drehzahlregelung im allgemeinen in Form einer direkten Drehzahlregelung mit im wesentlichen einfach geschlossenen Regelkreis oder in Form einer Drehzahl- bzw. Frequenz-Leistungsrege- 55 lung, z. B. als Leistungsregelkreis mit unterlagertem Drehzahlregelkreis. In beiden Fällen wird ein Sollwert-Istwert-Ver-gleich der Drehzahl durchgeführt und von der Sollwert-Ist-wert-Differenz — direkt bzw. indirekt — eine Stellgrösse ableitet. Für die Stabilität und Güte der Regelung, d. h. für ei- <;o nen raschen und schwingungsfreien Übergang zwischen verschiedenen, stationären Drehzahlen nach Auftreten von stoss-artigen Störungen, z. B. durch Lastsprünge im Netz eines mit der Turbine gekuppelten elektrischen Generators, ist eine Optimierung des Übergangsverhaltens des Regelkreises mit 65 entsprechender Dämpfung erforderlich. Für diese Optimierung stehen bei komplexen Regelschaltungen verschiedene Übertragungsglieder mit einstellbaren oder wählbaren Parametern zur Verfügung, was jedoch mit vergleichsweise hohem Schaltungsaufwand verbunden ist. Insbesondere bei Anlagen mit mechanischen oder hydraulischen, proportional wirkenden Drehzahlregelungen kann die Erzielung eines raschen und schwingungsfreien Drehzahl-Übergangsverhaltens Schwierigkeiten bereiten. Dies trifft vor allem für Turbinen-Generatorsätze zu, die sowohl im sogenannten Inselbetrieb wie auch im Verbundbetrieb arbeiten sollen.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Regelungsverfahrens und einer entsprechenden Einrichtung, mittels deren ein vorteilhaftes Drehzahl-Übergans-Verhalten mit vergleichsweise geringem regelungstechnischem Aufwand erzielt werden kann, und zwar insbesondere — wenn auch nicht ausschliesslich — für einfache Proportional-Drehzahlregelun-gen, z. B. für im Insel- und Verbundbetrieb arbeitenden Turbinen. Das erfindungsgemässe Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich in Verbindung mit den eingangs genannten Merkmalen dadurch, dass von dem Zwischenüberhitzerdruck eine zeitlich auf Null nachgebende Rückführgrösse abgeleitet und gegensinnig zur Stellgrösse in den Regelkreis eingekoppelt wird. Entsprechend kennzeichnet sich die erfindungsgemässe Einrichtung zur Lösung der gestellten Aufgabe dadurch, dass der Ausgang eines an den Zwischenüberhitzer angeschlossenen Druck-Messwandlers durch eine Übertragungsschaltung mit auf Null nachgebendem Verzögerungsverhalten an einem gegensinnig zur Stellgrösse wirkenden Eingang eines im Regelkreis angeordneten Uberlagerungsgliedes angeschlossen ist.

Für eine durch die Störung, z. B. einen Lastsprung, verursachte Stellgrössenänderung wirkt die Rückführgrösse im Sinne einer Gegenkopplung, vermindert also grundsätzlich die entsprechende Stellgrössenänderung, jedoch mit einer Verzögerang entsprechend der Strömungsträgheit des Zwischenüberhitzers, d. h. der Zwischenüberhitzer-Zeitkonstante. Infolge dieser Trägheit reagiert der Druck am Ausgang des Zwischenüberhitzers mit einer Verzögerungs-Zeitlconstante in der Grössenordnung von einigen Sekunden auf eine einlass-seitige Druckänderung der vorgenannten Turbinenstufe, die ihrerseits mit nur geringer Verzögerung dem Eingriff der Regelventilanordnung unter der Wirkung der Stellgrösse folgt. Im Groben kann die stabilisierende Wirkung dieser Rückführung dadurch gedeutet werden, dass es im allgemeinen bevorzugt die Strömungsträgheit des Zwischenüberhitzers und damit die verzögerte Reaktion des Drehmomentenanteils der nachfolgenden Turbinenstufe ist, die zu Uberschwingen und allenfalls Instabilität Anlass geben kann. Diese verzögerte Reaktion der Regelstrecke kann durch die vorliegende Gegenkopplung mehr oder weniger kompensiert werden. Dabei ist das auf Null nachgebende Übergangsverhalten der Rückführgrösse wesentlich, weil dadurch eine zusätzliche Statikkomponente, d. h. ein zusätzlicher stationärer Regelfehler, vermieden wird.

Das nachgebende Übergangsverhalten der Rückführung kann auf einfache Weise mittels eines differenzierenden Übertragungsgliedes (D-Glied) in der Übertragungsschaltung des Rückführzweiges oder durch ein zusammengesetztes Übertragungsglied mit differenzierend wirkendem Zählerterm seiner Übertragungsfunktion verwirklicht werden. Im allgemeinen enthält die Übertragungsschaltung dabei ferner ein serielles Verzögerungsglied, und zwar in vorteilhaft einfacher Ausgestaltung der Erfindung ein solches erster Ordnung. Bei passender Bemessung der entsprechenden Verzögerungszeitkonstante lässt sich mit einem solchen einfachen Übertragungsglied eine überraschend gute Annäherung an die aperiodische Dämpfung erreichen. Wie eingehende Untersuchungen gezeigt haben, kommen dabei für die Verzögerangszeitkon-stante Werte entsprechend der Zwischenüberhitzer-Zeitkonstante und darüber in Betracht.

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Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden weiter anhand des in den Zeichnungen schematisch veranschaulichten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierin zeigt:

Fig. 1 das Prinzip-Wirkschaltbild einer zweistufigen Dampfturbine mit Zwischenüberhitzer und Drehzahlregelkreis mit 5 Rückführung des Zwischenüberhitzerdruckes;

Fig. 2 einen abgewandelten Schaltungsbaustein aus der Anordnung gemäss Fig. 1; und

Fig. 3 ein Diagramm der auf die Nenndrehzahl no bezogenen Drehzahländerung An über der Zeit t als Antwort auf 10 eine sprungartige Abnahme der Turbinenleistung (negativer Lastsprung).

Die in Fig. 1 angedeutete Turbine besteht aus einer über eine Regelventilanordnung RV gespeisten Hochdruckstufe HD mit nachfolgendem Zwischenüberhitzer ZU und von letzterem 15 gespeister Niederdruckstufe ND. An die Turbine als Regelstrecke ist ein Tachogenerator Gn als Messglied angeschlossen, welches die Turbinendrehzahl in ein entsprechendes Istwertsignal ni umsetzt. Letzteres wird in einem als Soliwert-Istwert-Vergleicher wirkenden Überlagerungsglied SIV sub- 20 traktiv mit einem von einem entsprechenden Geber gelieferten Sollwertsignal ns überlagert. Die sich hieraus ergebende Sollwert-Istwert-Differenz wird im Beispielsfall einer einfachen Proportionalregelung in einem Regelverstärker VR unmittelbar in eine Stellgrösse y umgesetzt, welche den z. B. 25 elektro-hydraulischen Antrieb der Regelventilanordnung steuert.

Ein solcher Drehzahl-Regelkreis ergibt bei einem negativen Lastsprung typisch einen Ausgleichsvorgang, wie er in Fig. 3 durch die Kurve I angedeutet ist. Die auf Nenndreh- 30 zahl no bezogene Drehzahländerung An/no geht nach ausgeprägten Schwingungen, die sich typisch über eine Zeitdauer von etwa 15 Sekunden erstrecken, in einen durch die Statik des Regelkreises bestimmten, stationären Wert über. Dabei erreicht die maximale Überschwingungsamplitude von An/no 35 etwa den 2,5fachen Wert der stationären Drehzahländerung. Ein derartiges Übergangsverhalten ist insbesondere für den Inselbetrieb eines grösseren Turbosatzes im Hinblick auf die entsprechenden Polradpendelungen des Generators und Frequenzschwankungen im Lastnetz unerwünscht oder sogar 4Q unzulässig.

Abhilfe bringt die in Fig. 1 angedeutete Rückführung einer von dem auf seinen Nennwert Pz0 bezogenen Zwischenüberhitzerdruck pz am Ausgang eines Messwandlers Tr abgeleiteten Grösse in den Regelkreis mit gegensinniger Wirkung zur Stellgrösse. Das entsprechende Ausgangssignal p/po des Wandlers Tr wird im Rückführzweig R in Serie über einen als Proportionalverstärker M wirkenden Multiplikator mit einstellbarem Verstärkungsfaktor g und eine Übertragungsschaltung VDT in eine Rückführgrösse k umgesetzt, die an einen gegensinnig zur Kolarität des Sollwertsignals na und 50

damit zu derjenigen der Stellgrösse y wirkenden Eingang eines zusätzlichen Überlagerungsgliedes SI am Ausgang des Regelverstärkers VR angeschlossen ist.

Die Übertragungsschaltung VDT weist eine Übertragungsfunktion vom Typ Ti s/(l + T2 • s) auf, wobei s der Laplace-Operator und T2 die Verzögerungszeitkonstante des durch den Nennerterm gegebenen Verzögerungsgliedes erster Ordnung ist. Neben dieser Verzögerung, welche den Zeitverlauf der Rückführgrösse in einem Anfangsabschnitt des Überganges bestimmt, bewirkt der differenzierende Zählerterm der Übertragungsfunktion ein auf Null nachgebendes Übergangsverhalten der Rückführgrösse. Dadurch wird ein statischer Fehler bzw. eine zusätzliche bleibende Regelabweichung vermieden. Die Differentialzeitkonstante Ti im Zähler entspricht im allgemeinen wenigstens annähernd der Zwischenüberhitzer-Zeitkonstante.

Kurve II in Fig. 3 zeigt die Wirkung des Rückführzweiges für folgende Parametereinstellung: Verstärkungsfaktor g V2, Zeitkonstante T2 = Zwischenüberhitzer-Zeitkonstante. Ersichtlich wird dadurch eine wesentliche Verbesserung des Übergangsverhaltens mit praktisch vollständiger Vermeidung von Pendelungen erzielt, und zwar bemerkenswerterweise praktisch ohne Vergrösserung der maximalen Drehzahlüberhöhung im Vergleich zu der maximalen Überschwingungsamplitude der Kurve I. Eine noch weitergehende Optimierung der Parametereinstellung mit g = 1,5 und wiederum T2 = Zwischenüberhitzer-Zeitkonstante zeigt Kurve III, die nicht nur frei von Pendelungen ist, sondern auch merklich früher als Kurve II in den neuen stationären Drehzahlwert einmündet und daher etwa dem anzustrebenden Idealfall der aperiodischen Dämpfung entspricht. Verstärkungswerte im Bereich zwischen 1 und 2 sind also zu bevorzugen, insbesondere solche im Bereich von etwa 1,5. Im einzelnen nicht wiedergegebene Untersuchungen führten ferner zum Ergebnis, dass die Verzögerungszeitkonstante T» die Zwischenüber-hitzer-Zeitkonstante nicht unterschreiten, sondern eher überschreiten sollte.

Fig. 2 zeigt noch eine schaltungstechnisch einfach realisierbare Ausführung der Übertragungsschaltung VDT mit auf Null nachgebendem Übergangsverhalten unter Verwendung eines einfachen Verzögerungsgliedes VT. Hiernach sind der Eingang und der Ausgang des Verzögerungsgliedes VT an je einem von zwei zueinander gegensinnigen Eingängen eines subtraktiven Überlagerungsgliedes SU angeschlossen, dessen Ausgang denjenigen der Übertragungsschaltung VDT bildet und somit die Rückführgrösse k liefert. Wie sich durch analytische Darstellung der Übertragungsfunktion der Parallelschaltung mit subtraktiver Überlagerung zeigen lässt, ergibt sich ebenfalls ein nachgebendes Verzögerungsglied erster Ordnung (DT-Glied), ohne im Schaltungsaufbau ein Differenzierglied vorzusehen. Dabei wird zwangsläufig Ti = T2 = T.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zur Regelung einer Zwischenüberhitzer-Dampfturbine, bei dem ein Sollwert-Istwert-Vergleich der Drehzahl durchgeführt und eine von der Sollwert-Istwert-Dif-ferenz abgeleitete Stellgrösse auf eine Regelventilanord- 5 nung gegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Zwischenüberhitzerdruck (pz) eine zeitlich auf Null nachgebende Rückführgrösse (k) abgeleitet und gegensinnig zur Stellgrösse (y) in den Regelkreis eingekoppelt wird.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An-10 sprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang eines an den Zwischenüberhitzer (ZU) angeschlossenen Druck-Messwandlers (Tr) durch eine Übertragungsschaltung (VDT) mit auf Null nachgebendem Verzögerungsverhalten an einen gegensinnig zur Stellgrösse (y) wirkenden Eingang eines im Re- 15 gelkreis angeordneten Überlagerungsgliedes (SI) angeschlossen ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine differenzierende und verzögernde Übertragungsschaltung (VDT) erster Ordnung mit einer Zwischenüber- 20 hitzer-Zeitkonstante wenigstens annähernd gleichen Differentialzeitkonstante (Ti) vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungszeitkonstante (T2) der Übertragungsschaltung mindestens gleich der Zwischenüberhitzer-Zeitkon- 25 stante bemessen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der an den Messwandler (Tr) angeschlossene Rückführzweig ein auf den Nennwert des Zwischenüberhitzerdruckes bezogenes Dracksignal (Pz/Pzo) führt und einen Pro- 30 portionalverstärker (M) mit einer auf den Betrag der Stellgrösse (y) bezogenen Verstärkung (g) zwischen den Werten 1 und 2, vorzugsweise von etwa 1,5, umfasst.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsschaltung (VDT) 35 ein Verzögerungsglied (VT) aufweist, dessen Eingang und dessen Ausgang an je einen von zwei zueinander gegensinnigen Eingängen eines subtraktiven Überlagerungsgliedes (SU) angeschlossen sind, dessen Ausgang gegensinnig zur Stellgrösse (y) in den Regelkreis eingekoppelt ist. 40