DD252658A1

DD252658A1 - Verfahren zur operativen lebensdauersicherung von energieerzeugungs- und chemieanlagen

Info

Publication number: DD252658A1
Application number: DD29442186A
Authority: DD
Inventors: Peter Besch; Guenther Focke; Stephan Lenk; Michael Schlecht
Original assignee: Bergmann Borsig Veb
Priority date: 1986-09-16
Filing date: 1986-09-16
Publication date: 1987-12-23

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf solche Anlagen, die ueber einen langen Zeitraum und/oder mit wechselnder Leistung betrieben werden und deren Bauteile durch mechanische und thermische Ermuedung eine begrenzte Lebensdauer aufweisen. Es ist Ziel der Erfindung, den Material-, Energie- und Kostenaufwand beim Betrieb und bei der Instandhaltung derartiger Anlagen zu senken. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur operativen Betriebsfuehrung von Energieerzeugungs- und Chemieanlagen bereitzustellen, mit dem die rechnerische Lebensdauer mechanisch und thermisch hochbeanspruchter druck- bzw. mediumfuehrender Bauteile gesichert und durch Verkuerzung instationaerer Prozessphasen der Verbrauch an Primaerenergie gesenkt und die Manoevrierfaehigkeit verbessert wird. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass Druck, Temperatur und Massenstrom eines Arbeitsmittels in den gefaehrdeten Bauteilen staendig erfasst und daraus die Momentanspannungen, die zulaessigen Spannungen und Spannungsfreibetraege sowie Grenzwerte fuer Aenderungen und Aenderungsgeschwindigkeiten der Arbeitsmittelparameter Druck und Temperatur in einem frei waehlbaren Vorschauzeitraum auf Basis einer staendig aktualisierten automatischen Schaetzung des zukuenftigen Signalverlaufes oder eines a priori bekannten kuenftigen Signalverlaufes ermittelt und angezeigt werden. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur operativen Betriebsführung von Energieerzeugungs-und Chemieanlagen, die über einen langen Zeitraum und/oder mit wechselnder Leistung betrieben werden und deren Bauteile durch mechanische und thermische Ermüdung eine begrenzte Lebensdauer aufweisen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Ein Schwerpunkt der operativen Betriebsführung von Energieerzeugungs- und Chemieanlagen ist die Lebensdauersicherung von Aggregaten und Anlagenteilen, wobei vor allem thermisch hochbelastete, dickwandige Bauteile, die von unter hohem Druck stehenden Medien durchströmt bzw. beaufschlagt werden, im Mittelpunkt stehen. Verfahrenstechnische Lösungen sind auf eine Verbesserung der Prozeßführung, vor allem in stationären Betriebszuständen gerichtet, in denen sowohl die höchsten Bauteilbeanspruchungen auftreten als auch an das Bedienpersonal die höchsten Anforderungen gestellt werden. Infolge der großen Zahl der hierbei gleichzeitig zu verarbeitenden Prozeßinformationen und durchzuführender Stellhandlungen ist die Gefahr subjektiver Fehlentscheidungen und dadurch bedingter Bedienfehler, die zu ungewollten Bauteilschädigungen und erhöhtem Lebensdauerverbrauch führen, besonders hoch.

Hauptbestandteil bekannter Verfahren sind daher Maßnahmen zur Objektivierung der Betriebsführung auf der Grundlage einer Verdichtung und Bewertung von Prozeßinformationen, sowie einer geeigneten Informationsdarstellung und -nutzung. Diese Maßnahmen zielen darauf ab, durch ständigen Vergleich der aktuellen Bauteilbeanspruchungen mit zulässigen Werten den Handlungsspielraum des Bedienpersonals einzugrenzen und damit Bauteilschädigungen zu vermeiden. Darüber hinaus soll die Manövrierfähigkeit der Anlage durch Ausschöpfung zulässiger Beanspruchungen gewährleistet und verbessert werden. Bekannte Lösungen lassen sich hinsichtlich ihres Entwicklungsniveaus in zwei Gruppen einteilen. Die erste Gruppe verfahrenstechnischer Lösungen ist durch die Gegenüberstellung aktueller Temperatur- oder Druckänderungen (absolute bzw. Geschwindigkeiten) des Arbeitsmediums in ausgewählten Anlagenteilen mit in der Betriebsvorschrift vorgegebenen Grenzwerten gekennzeichnet. Dazu wird auch Bildschirmtechnik eingesetzt. Die Grenzwerte sind in der Regel Bestandteil der Auslegungsrechnung des Anlagenherstellers. Sie werden unter Annahme extremer Belastungskollektive für das betreffende Bauteil berechnet, wobei quasistationäre Temperaturfelder und unter Laborbedingungen ermittelte Werte für zulässige Spannungsausschläge zugrunde gelegt werden. Der Gültigkeitsbereich wird somit auf quasistationäre Betriebsphasen eingeschränkt und vorhandene Belastungsreserven werden meist nicht ausgenutzt. Die zweite Gruppe verfahrenstechnischer Lösungen stützt sich in stärkerem Maße auf eine rechentechnische Verarbeitung, Verdichtung und Bewertung von Prozeßinformationen, wie sie insbesondere durch Anwendung der Mikrorechentechnik möglich wurde. Daraus werden im Echtzeitbetrieb Bedienhinweise in Form von Spannungsfreibeträgen und daraus abgeleiteten Freibeträgen für zeitliche Änderungen von Prozeßparametern und/oder Sollwerten von Regelkreisen berechnet und geeignet angezeigt. Dabei kommen zunehmend Farbdisplays zur Anwendung. Die erforderlichen Stellhandlungen werden vom Bedienpersonal ausgeführt. Der größte Teil der bekannten Lösungen weist derartige open-loop-Strukturen auf. Unter bestimmten Voraussetzungen können die aufbereiteten Prozeßinformationen auch direkt zur automatischen Sollwertführung verwendet werden. Diese Voraussetzungen sind jedoch in den meisten Fällen nicht gegeben.

Die bekannten verfahrenstechnischen Lösungen weisen insbesondere hinsichtlich der Erfassung der Bauteilbeanspruchung sowie der Umrechnung ermittelter Spannungsfreibeträge in o.g. abgeleiteten Bedienhinweisen Merkmale auf, die eine zügige Einführung in die Praxis bisher behindert haben.

Die Erfassung der Bauteilbeanspruchung erfolgt überwiegend aus Messungen von Wandtemperaturdifferenzen in den überwachten Bauteilen. Der meßtechnische Aufwand bei komplexen Anlagen ist demzufolge ebenso wie der Wartungsaufwand sehr hoch. Des weiteren machen sich einbaubedingte Meßfehler negativ bemerkbar.

Zur Umrechnung der Spannungsfreibeträge in Freibeträge für zeitliche Änderungen von Prozeßparametern (ζ. Β. zulässige Änderungsgeschwindigkeiten von Parametern, Wärme-und Dampfleistungsfreibeträge) und/oder Sollwerten von Regelkreisen werden die komplizierten nichtlinearen Zusammenhänge zwischen Stellgrößen, Anlagendynamik und Bauteilbeanspruchung durch stark vereinfachende lineare Algorithmen auf der Grundlage bekannter quasistatischer Zusammenhänge dargestellt. Damit können die instationären Betriebszustände der Anlagen nicht ausreichend genau beschrieben werden. Die Ermittlung zulässiger Sollwertänderungen aus zulässigen Spannungsdifferenzen durch Verwendung inverser Übertragungsfunktionen, wie sie in der Offenlegungsschrift DE-OS 3301895 vorgeschlagen wird, setzt eine lineare Prozeßbeschreibung mit konstanten Koeffizienten voraus und ist wegen des Tiefpaßverhaltens der beschriebenen Systeme im allgemeinen nicht realisierbar.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den Material-, Energie- und Kostenaufwand beim Betrieb und bei der Instandhaltung von Energieerzeugungs-und Chemieanlagen zu senken und die Manövrierfähigkeit der Anlagen zu erhöhen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur operativen Betriebsführung von Energieerzeugungs- und Chemieanlagen bereitzustellen, mit dem die rechnerische Lebensdauer mechanisch und thermisch hochbeanspruchter druck- bzw. mediumführender Bauteile gesichert und durch Verkürzung instationärer Prozeßphasen der Verbrauch an Primärenergie gesenkt und die Manövrierfähigkeit verbessert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß Druck, Temperatur und Massenstrom eines Arbeitsmittels in den gefährdeten Bauteilen ständig erfaßt und daraus die Momentanspannungen, die zulässigen Spannungen und Spannungsfreibeträge, sowie Grenzwerte für Änderungen und Änderungsgeschwindigkeiten der Arbeitsmittelparameter Druck und Temperatur in einem frei wählbaren Vorschauzeitraum auf Basis einer ständig aktualisierten automatischen Schätzung des zukünftigen Signalverlaufes oder eines a priori bekannten künftigen Signalverlaufes ermittelt und angezeigt werden.

Nach der Erfindung werden aus den ermittelten Grenzwerten für Änderungsgeschwindigkeiten und Änderungen der Arbeitsmittelparameter, Stellgeschwindigkeiten und Größe der Hauptstellgrößen abgeleitet.

Damit wird bei kürzestmöglichen Übergangszeiten zu einem gewünschten Betriebszustand eine unzulässige Lebensdauerminderung der Bauteile vermieden. -

Entsprechend einem Merkmal der Erfindung werden die ermittelten Stellgeschwindigkeiten automatisch mit Hilfe von Stelleinrichtungen mit veränderlicher Stellgeschwindigkeit realisiert.

Nach einem weiteren Merkmal werden die abgeleiteten Grenzwerte zur automatischen Führung der Sollwerte der Regelung der Arbeitsmittelparameter verwendet.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung ist in

Fig. 1: Die Bestimmung der Grenzkurve f_g (At_ab)

Fig. 2: Die Bestimmung der Abbruchparameter für einen gewählten Transienten θ_χ

dargestellt.

Als mechanisch und thermisch hochbeanspruchte druck- und mediumführende Bauteile im Sinne der Erfindung werden die in den Überhitzersträngen liegenden Sammler eines Dampferzeugers betrachtet. Die Temperatur des Dampfes kann u.a. durch eine Heißdampftemperaturregelung beeinflußt werden. Für die Verwirklichung des Verfahrens wird ein einfaches mathematisches Modell für die Nachbildung des dynamischen Verhaltens der Materialspannung (Vergleichsspannung) an der gefährdetsten Stelle des Bauteilquerschnittes (Innenfaser) aufgestellt.

Eingangsgrößen sind Dampfdruck, -temperatur und -massenstrom, wobei die Veränderlichkeit der Wärmeübergangsverhältnisse zwischen Dampf und Rohrwand berücksichtigt wird.

Für die Implementierung des Modells und der weiteren Verfahrenselemente eignen sich in besonderem Maße moderne rechnergestützte Automatisierungssysteme. Im Beispiel kommt ein Mikrorechnersystem auf der Basis des Mikroprozessors U 880 zur Anwendung. Aus den fortlaufend gemessenen Dampfparametern werden mit Hilfe des Modells die jeweilige aktuelle Vergleichsspannung, die zulässige Materialspannung und ein Spannungsfreibetrag bestimmt.

Dabei beträgt die Tastzeit T_A1 = 5s. Gleichzeitig wird fortlaufend der zukünftige Verlauf von Dampfdruck, Dampftemperatur und Dampfmassenstrom geschätzt. Mit der Tastzeit von T_A2 = 1 min wird mit Hilfe einer Voraussimulation unter Beachtung eines durch einen Zeitplan vorgegebenen Zielparameterverlaufs der Dampftemperatur für den aktuellen Vorschauzeitraum die

zulässige Änderung der Dampftemperatur bestimmt, so daß bei identischem Verhalten des zeitechten Druck- und Temperaturverlaufes die zulässige Beanspruchung des Sammlers innerhalb des Vorschauzeitraumes nicht überschritten wird.

Für den Fall, daß der Dampfstrom einen Grenzwert noch nicht erreicht hat, d. h. die Einspritzregelung nicht arbeitsfähig ist, kann mit Hilfe der Beheizung nur die Temperaturänderungsgeschwindigkeit des Dampfes beeinflußt werden. Mit Hilfe von drei Simulationsläufen wird eine Grenzfunktion f_g (At_ab) parametrisch bestimmt (Fig. 1). Sie gibt Auskunft darüber, zu welchem Zeitpunkt At_ab bei einem gegebenen Temperaturtransiten θ_χ die Vergleichsspannung die zulässige Materialspannung überschreiten würde (Fig.2).

Claims

1. Verfahren zur operativen Lebensdauersicherung von Energieerzeugungs- und Chemieanlagen, das bei der Betriebsführung die Einhaltung der zulässigen Spannungen mechanisch und thermisch hochbeanspruchter druck- und mediumführender Bauteile ermöglicht, gekennzeichnet dadurch, daß Druck, Temperatur und Massenstrom eines Arbeitsmittels in den gefährdeten Bauteilen ständig erfaßt und daraus die Momentanspannungen, die zulässigen Spannungen und Spannungsfreibeträge, sowie Grenzwerte für Änderungen und Änderungsgeschwindigkeiten der Arbeitsmittelparameter Druck und Temperatur in einem frei wählbaren Vorschauzeitraum auf Basis einer ständig aktualisierten automatischen Schätzung des zukünftigen Signalverlaufes oder eines a priori bekannten künftigen Signalverlaujes ermittelt und angezeigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß aus den ermittelten Grenzwerten für Änderungsgeschwindigkeiten und Änderungen der Arbeitsmittelparameter Stellgeschwindigkeiten und Größe der Hauptstellgrößen abgeleitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die ermittelten Stellgeschwindigkeiten automatisch, mit Hilfe von Stelleinrichtungen mit veränderlicher Stellgeschwindigkeit realisiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die abgeleiteten Grenzwerte zur automatischen Führung der Sollwerte der Regelung der Arbeitsmittelparameter verwendet werden.