Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum vorausschauenden Bestimmen einer Temperaturverteilung in einer
Wand einer Turbinenanlage.The
The present invention relates to a method and an apparatus
for predictively determining a temperature distribution in a
Wall of a turbine plant.
Eine
solche Turbinenanlage weist u. a. ein oder mehrere Gas- und/oder Dampfturbinen
auf, die mit einem Arbeitsmedium, d. h. Gas oder Dampf, betrieben
werden. Die Turbinen können
zur Stromerzeugung mit einem Generator gekoppelt sein. Die von dem
Arbeitsmedium geführte
Wärme tritt
in Wände
von Komponenten der Turbinenanlage ein, die mit dem Arbeitsmedium
mittel- oder unmittelbar
in Kontakt kommen. Solche Komponentenwände können beispielsweise Turbinengehäuse und
-wellen, Rohrleitungen und Ventilgehäuse, etc. sein. Beim Betrieb der
Turbinenanlage treten, beispielsweise bei An- und Abfahrvorgängen oder
beim Lastwechselbetrieb, etc., instationäre Fahrweisen auf, die mit
großen Temperaturänderungen
des Arbeitsmediums verbunden sind. Diese Temperaturänderungen
des Arbeitsmediums werden aufgrund des Wärmestroms in die Komponentenwände übertragen.
In den Komponentenwänden
verursachen die Temperaturänderungen mitunter
hohe instationäre
Wärmespannungen,
die zu Beschädigungen,
zumindest aber zu starken Alterungserscheinungen des Materials der
Komponentenwände
führen
können.
Dadurch ist ein hoher Wartungsaufwand erforderlich und einzelne
Komponenten der Turbinenanlage müssen
frühzeitig
gegen neue Komponenten ausgetauscht werden.A
Such turbine plant has u. a. one or more gas and / or steam turbines
auf, which with a working medium, d. H. Gas or steam, operated
become. The turbines can
be coupled to a generator for generating electricity. The one of the
Working medium guided
Heat occurs
in walls
of components of the turbine plant that with the working medium
medium or immediate
get in touch. Such component walls can, for example, turbine housing and
Shafts, piping and valve body, etc. When operating the
Turbine plant occur, for example, during startup and shutdown or
during load change operation, etc., transient operating modes, with
big temperature changes
connected to the working medium. These temperature changes
of the working medium are transferred due to the heat flow in the component walls.
In the component walls
cause the temperature changes sometimes
high transient
Thermal stresses,
the damage,
but at least to strong aging of the material of the
components walls
to lead
can.
This requires a high level of maintenance and individual
Components of the turbine system need
early
be replaced with new components.
DE 27 39 434 A1 beschreibt
eine Anordnung zum Ermitteln der Turbineneinlasstemperatur einer Turbinenanlage,
insbesondere eines Gasturbinentriebwerks. Die Anordnung weist einen
Brenner und eine durch die aus dem Brenner austretenden Abgase angetriebene
Turbine auf. Ferner weist die Anordnung eine Einrichtung zum Ermitteln
der Tempertatur der Abgase unmittelbar vor deren Eintritt in die
Turbine auf, wobei diese Einrichtung auf das Kraftstoff-zu-Luft-Verhältnis des
Brenners und auf die Tempertatur an dem Einlass des Brenners anspricht und
zwei Signale erzeugt. Ferner weist die Anordnung eine Einrichtung
zum Vereinigen der beiden Signale und zum Erzeugen eines Signals
auf, das den Wert der Abgastemperatur angibt. DE 27 39 434 A1 describes an arrangement for determining the turbine inlet temperature of a turbine system, in particular a gas turbine engine. The assembly includes a burner and a turbine driven by the exhaust gases exiting the burner. Further, the arrangement includes means for determining the temperature of the exhaust gases just prior to their entry into the turbine, which means is responsive to the fuel to air ratio of the burner and to the temperature at the inlet of the burner and generates two signals. Furthermore, the arrangement has a device for combining the two signals and generating a signal which indicates the value of the exhaust gas temperature.
In DE 28 50 625 A1 ist
eine Tempertaturanzeigevorrichtung für die Verwendung in einer Gasturbine
mit einem Kompressor, einer Brennkammer und einer Turbine beschrieben.
Die Temperaturanzeigevorrichtung weist eine Anordnung zur Erzeugung
von Signalen auf, die jeweils den Treibstoffzufluss zur Brennkammer,
den Kompressorabströmdruck
und der Temperaturabströmtemperatur
proportional sind. Ferner weist die Tempertaturanzeigevorrichtung
eine Anordnung auf, die ein Signal erzeugt, das exakt die Tempertatur
am Einlass der Turbine entsprechend einer bestimmten Gleichung repräsentiert.In DE 28 50 625 A1 For example, a temperture display device for use in a gas turbine having a compressor, a combustor, and a turbine is described. The temperature display device has an arrangement for generating signals that are respectively proportional to the fuel flow to the combustion chamber, the Kompressorabströmdruck and the Temperaturabströmtemperatur. Further, the temperature display device has an arrangement that generates a signal that accurately represents the temperature at the inlet of the turbine according to a particular equation.
Ferner
ist in DE 31 33 222
A1 ein Verfahren zur Ermittlung eines augenblicklichen
und zukünftigen
Zustands eines technischen Prozesses mit Hilfe von nichtlinearen
Prozessmodellen beschrieben. Bei dem Verfahren wird in einem ersten
Prozesssimulator aus einer Anzahl eingegebener Prozessdaten und Führungsgrößen eine
größere Anzahl
von insbesondere nicht messbaren Prozessdaten errechnet und gespeichert.
Mit Hilfe eines Korrekturrechners werden Prozessdaten hinsichtlich
den reelen und simulierten Werten überwacht und die Eingangsgrößen der
Prozessalgorithmen im ersten Prozesssimulator entsprechend korrigiert.
Ein zweiter Prozesssimulator errechnet aus den korrigierten und
gespeicherten Daten im ersten Prozesssimulator und aus weiteren Betriebskriterien
die den Zustand des technischen Prozesses zu einem zukünftigen
Zeitpunkt beschreibenden Prozessdaten.Furthermore, in DE 31 33 222 A1 describe a method for determining an instantaneous and future state of a technical process using non-linear process models. In the method, in a first process simulator, a larger number of, in particular, non-measurable process data are calculated and stored from a number of input process data and reference variables. With the aid of a correction computer, process data are monitored with regard to the real and simulated values, and the input variables of the process algorithms are correspondingly corrected in the first process simulator. A second process simulator calculates from the corrected and stored data in the first process simulator and from further operating criteria the process data describing the state of the technical process at a future point in time.
Außerdem ist
in EP 1 462 901 A2 ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Prozesssteuerung oder -steuerung
für ein
mechanisches System beschrieben, das ein von einem Medium durchströmtes krümmungsbehindertes
und/oder dickwandiges Bauteil enthält. Bei dem Verfahren werden
die Wandtemperaturen des Bauteils erfasst, die Wärmestromdichte des Wärmestroms
aus dem Medium in der Wand ermittelt. Unter Verwendung der Wandtemperaturen und
der Wärmestromdichte
wird der jeweilige Wärmeübergangskoeffizient
bestimmt. Der ermittelte Wärmeübergangskoeffizient
wird dazu verwendet, die Mediumseigenschaften unter Berücksichtigung der
Wärme in
Bauteilen zu beeinflussen.It is also in EP 1 462 901 A2 describes a method and a device for process control or control for a mechanical system that contains a curvature-obstructed and / or thick-walled component through which a medium flows. In the method, the wall temperatures of the component are detected, determines the heat flow density of the heat flow from the medium in the wall. Using the wall temperatures and the heat flow density, the respective heat transfer coefficient is determined. The determined heat transfer coefficient is used to influence the medium properties taking into account the heat in components.
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Begrenzen
einer Belastung von Komponenten einer Turbinenanlage durch bei instationären Fahrweisen
der Turbinenanlage auftretende Temperaturänderungen zu ermöglichen.Of the
present invention is based on the object of limiting
a load of components of a turbine plant in transient driving modes
Allow the turbine system occurring temperature changes.
Diese
Aufgabe wird durch die technische Lehre des Anspruchs 1 oder des
Anspruchs 10 gelöst.
Erfindungsgemäß erfolgt
ein vorausschauendes Bestimmen einer Temperaturverteilung in einer
Wand einer Turbinenanlage. Dabei wird die Wand in mehrere Schichten
eingeteilt, wobei für
die jeweilige Schicht eine gleiche Temperatur angenommen wird. In
einem Echtzeitmodul wird ein kontinuierliches Bestimmen von aktuellen
Temperaturen der einzelnen Schichten der Wand in Abhängigkeit
von einer aktuell bestimmten Temperatur eines an die erste Wandschicht
angrenzenden, wärmeführenden
Mediums durchgeführt.
Ferner wird in einem Vorausschaumodul das vorausschauende Bestimmen
der Temperaturen der einzelnen Schichten zyklisch über einen
vorgegebenen Zeitbereich durchgeführt. Dabei werden zu Beginn
eines jeden Zyklus' die
kontinuierlich bestimmten aktuellen Temperaturen der einzelnen Schichten berücksichtigt.This object is achieved by the technical teaching of claim 1 or claim 10. According to the invention, a predictive determination of a temperature distribution in a wall of a turbine system takes place. In this case, the wall is divided into several layers, wherein for the respective layer, a same temperature is assumed. In a real-time module, a continuous determination of actual temperatures of the individual layers of the wall is carried out as a function of a currently determined temperature of a heat-conducting medium adjoining the first wall layer. Furthermore, in a look-ahead module, the predictive determination of the temperatures of the individual layers is carried out cyclically over a predetermined time range. At the beginning of each cycle they are determined continuously the current temperatures of the individual layers.
Die
Bestimmungen der Temperaturen werden vorteilhafterweise auf der
Basis eines mathematischen Modells der Wand durchgeführt. Ferner
werden die Bestimmungen der Temperaturen auf der Basis von mathematischen
Modellen der Anwärmungs- und
Abkühlungsprozesse
durchgeführt.
Für eine
einzelne Wand wird die gleiche Temperatur angenommen. Diese Temperatur
stellt insbesondere eine mittlere Temperatur der jeweiligen Schicht
dar. Die aktuelle Temperatur des an die erste Wandschicht angrenzenden,
wärmeführenden
Mediums kann insbesondere gemessen werden. Dadurch kann vorteilhafterweise
ein besonders genauer Ausgangswert dieser Temperatur erhalten werden.The
Provisions of the temperatures are advantageously on the
Based on a mathematical model of the wall. Further
The provisions of the temperatures are based on mathematical
Models of warming up and
cooling processes
carried out.
For one
single wall is assumed the same temperature. This temperature
in particular, sets a mean temperature of the respective layer
The current temperature of the adjacent to the first wall layer,
heat-carrying
Medium can be measured in particular. This can advantageously
a particularly accurate initial value of this temperature can be obtained.
Aufgrund
der vorliegenden Erfindung wird eine Prognose für eine zukünftige Entwicklung der Temperaturen
in den verschiedenen Schichten der Wand der Turbinenanlage ermittelt.
Es wird eine vorausschauende Abschätzung bezüglich der Änderungen der Temperaturverteilungen
in der Wand ermöglicht.
Dadurch ist in jedem Betriebspunkt der Turbinenanlage vorteilhafterweise
bekannt, ob eine beabsichtigte Betriebsweise der Turbinenanlage
zu einer Verletzung von vorgegebenen Temperatur-Freibetragsgrenzen
der Turbinenanlage oder einer ihrer Komponenten führen kann.
Diese Freibetragsgrenzen erlauben ein Verändern der Temperatur unterhalb
der Grenzen, ohne eine zu große
Belastung der Wand durch auftretende Spannungen befürchten zu müssen, die
gegebenenfalls zu einer Beeinträchtigung
der Lebensdauer der Wand führen
könnten.
Die vorausschauend ermittelten Temperaturen können ferner eine Abschätzung von
technischen und/oder wirtschaftlichen Folgen einer Nichteinhaltung
der Temperatur-Freibetragsgrenzen ermöglichen. Die vorausschauende
Bestimmung der Temperaturverteilung kann für beliebige Geometrien der
Wand durchgeführt
werden. Die Erfindung gewährleistet vorteilhafterweise
eine besonders gute Stabilität
der Bestimmung der Temperaturverteilung. Dies wird insbesondere
durch die Aufteilung der Wand in die mehreren Schichten erreicht.
Insbesondere das zyklische Bestimmen der Temperaturverteilung verhindert
ein Kumulieren eines eventuellen Integrationsfehlers, der über einen
langen Zeitabstand beim Bestimmen auftreten kann. Die erfindungsgemäße Verwendung der
Zweimodulstruktur mit Echtzeit- und Vorausschaumodul gewährleistet,
dass bei jedem erneuten Starten des vorausschauenden Bestimmens
mittels des Vorausschaumoduls die tatsächliche Temperaturverteilung
in der Wand als Startwerte eingesetzt werden. Diese tatsächliche
Temperaturverteilung in der Wand wird in dem Echtzeitmodul kontinuierlich bestimmt,
so dass das Vorausschaumodul bei Beginn eines neuen Zyklus' auf die tatsächliche
Temperaturverteilung zugreifen kann.by virtue of
The present invention provides a prognosis for future evolution of temperatures
determined in different layers of the wall of the turbine plant.
It becomes a forward-looking estimate of changes in temperature distributions
in the wall allows.
As a result, in each operating point of the turbine system advantageously
known whether an intended operation of the turbine plant
to a violation of specified temperature allowance limits
the turbine plant or one of its components can lead.
These allowances allow changing the temperature below
the borders, without too big
To fear the load on the wall due to stresses that occur
possibly an impairment
lead the life of the wall
could.
The anticipated temperatures may further include an estimate of
technical and / or economic consequences of non-compliance
allow the temperature allowance limits. The forward-looking
Determination of the temperature distribution can be used for any geometry
Wall performed
become. The invention advantageously ensures
a particularly good stability
the determination of the temperature distribution. This will be particular
achieved by dividing the wall into the multiple layers.
In particular, the cyclic determination of the temperature distribution prevents
an accumulation of a possible integration error, which has a
long time interval can occur during determining. The inventive use of
Two-module structure with real-time and anticipatory module ensures
that every time the predictive determination is restarted
by means of the preview module the actual temperature distribution
be used in the wall as starting values. This actual
Temperature distribution in the wall is determined continuously in the real time module,
so that the lookahead module at the beginning of a new cycle 'on the actual
Temperature distribution can access.
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden in die einzelnen
Schichten der Wand eintretende Wärmeströme und aus
den einzelnen Schichten austretende Wärmeströme bestimmt. Das vorausschauende
Bestimmen der Temperaturverteilung wird dann mittels dieser Wärmeströme durchgeführt. Das
Bestimmen der Temperaturen der einzelnen Schichten basiert somit
auf einer Bilanzierung der instationär jeweils ein- und austretenden
Wärmeströme. Aus
dieser Bilanzierung ergeben sich die jeweiligen Temperaturen der
einzelnen Schichten der Wand. Dadurch kann das Bestimmen der Temperaturverteilung
besonders genau durchgeführt
werden.In
An advantageous embodiment of the invention are in the individual
Layers of the wall entering heat flows and out
determined the individual layers exiting heat flows. The predictive
Determining the temperature distribution is then carried out by means of these heat flows. The
Determining the temperatures of the individual layers is thus based
on a balance sheet of transiently entering and exiting each
Heat flows. Out
This balance results in the respective temperatures of the
individual layers of the wall. This allows the determination of the temperature distribution
performed very precisely
become.
In
einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird in dem
Vorausschaumodul ein Massestrom des wärmeführenden Me diums bestimmt, der
zum Erreichen eines vorgegebenen Kriteriums erforderlich ist. Das
vorgegebene Kriterium kann insbesondere von einer übergeordneten
Steuereinrichtung vorgegeben werden. Durch das vorgegebene Kriterium
kann das Verhalten der Turbinenanlage gesteuert werden.In
a further, particularly advantageous embodiment is in the
Prefoam module determines a mass flow of the heat-conducting Me medium, the
to achieve a given criterion is required. The
given criterion may in particular by a parent
Control device can be specified. By the given criterion
The behavior of the turbine system can be controlled.
Bevorzugt
umfasst das vorgegebene Kriterium eine Vorgabe einer Zeit, innerhalb
der eine Drehzahl einer Turbine der Turbinenanlage von einer aktuellen
Drehzahl auf eine vorgegebene, andere Drehzahl verändert werden
soll. Das vorgegebene Kriterium kann alternativ oder zusätzlich eine
Vorgabe einer Änderungsgeschwindigkeit
zum Verändern
der Drehzahl der Turbine enthalten. Durch diese Kriterien kann vorteilhafterweise
ein Hochfahrvorgang zum Hochfahren der Turbinenanlage von einer
Anwärmdrehzahl
auf eine Nenndrehzahl gesteuert werden. Während dieses Hochfahrvorgangs
treten besonders hohe Temperaturänderungen
des Arbeitsmediums auf, so dass die Wand besonders hoch beansprucht wird.Prefers
The predetermined criterion includes a specification of a time, within
the one speed of a turbine turbine of a current
Speed can be changed to a predetermined, different speed
should. The predetermined criterion may alternatively or additionally a
Specification of a rate of change
to change
The speed of the turbine included. By these criteria can advantageously
a boot-up process to start up the turbine system of a
warm-up
be controlled to a rated speed. During this startup process
especially high temperature changes occur
of the working medium, so that the wall is subjected to particularly high levels.
Besonders
bevorzugt umfasst das vorgegebene Kriterium eine Vorgabe einer Zeit,
innerhalb der die Turbine der Turbinenanlage belastet werden soll. Das
vorgegebene Kriterium kann alternativ oder zusätzlich eine Vorgabe einer Änderungsgeschwindigkeit
zum Verändern
der Leistung der Turbine enthalten. Letzteres entspricht der Vorgabe
eines Lastgradienten. Durch diese Kriterien kann vorteilhafterweise
ein Belastungsvorgang der Turbinenanlage gesteuert werden, bei dem
die Turbinenanlage auf Sollleistung voll belastet wird. Bei diesem
Vorgang treten ebenfalls besonders hohe Temperaturänderungen des
Arbeitsmediums auf, so dass die Wand besonders hoch beansprucht
wird. Ferner kann dieser Vorgang über eine sehr lange Zeit anhalten,
so dass aufgrund der Erfindung eine vorausschauende Bestimmung der
Temperaturverteilung vorteilhafterweise über diesen langen Zeitbereich
möglich
ist.Especially
Preferably, the predetermined criterion comprises a specification of a time,
within which the turbine of the turbine plant is to be loaded. The
given criterion may alternatively or additionally a specification of a rate of change
to change
contain the power of the turbine. The latter corresponds to the specification
a load gradient. By these criteria can advantageously
a loading process of the turbine system are controlled, in which
the turbine system is fully loaded to target performance. In this
Operation also occur particularly high temperature changes of
Working medium, so that the wall is particularly high stress
becomes. Furthermore, this process can last for a very long time,
so that due to the invention, a forward-looking determination of
Temperature distribution advantageously over this long time range
possible
is.
Vorzugsweise
wird ein Wärmeübertragungskoeffizient
in Abhängigkeit
von dem Massestrom des wärmeführenden
Mediums bestimmt. Mit diesem Wärmeübertragungskoeffizienten
kann das Wärmeübertragungsverhalten
von dem wärmeführenden
Medium in die erste Schicht der Wand exakt beschrieben werden.Preferably, a heat transfer coefficient determined as a function of the mass flow of the heat-conducting medium. With this heat transfer coefficient, the heat transfer behavior of the heat-carrying medium into the first layer of the wall can be described exactly.
Des
Weiteren vorzugsweise wird zu einem vorausschauenden Bestimmen eines
Spannungsverlaufs von in den mehreren Schichten der Wand auftretenden
Spannungen eine mittlere integrale Temperatur mittels der vorausschauend
bestimmten Temperaturen der einzelnen Schichten bestimmt. Mittels
dieser mittleren integralen Temperatur lassen sich die in den einzelnen
Schichten aufgrund der Temperaturänderungen entstehenden Spannungen besonders
exakt bestimmen.Of
Another is preferably used for a predictive determination of a
Voltage profile of occurring in the multiple layers of the wall
Voltages a mean integral temperature by means of anticipatory
determined specific temperatures of the individual layers. through
This average integral temperature can be in the individual
Layers due to the temperature changes resulting voltages especially
determine exactly.
Bevorzugt
wird die Temperaturverteilung in einem Gehäuse einer Hochdruck-Dampfturbine
bestimmt. Eine solche Turbine weist üblicherweise besonders große Wanddicken
auf und ist dementsprechend besonders kostenintensiv. Das vorausschauende
Bestimmen der Temperaturverteilung in dieser Komponente ist daher
für den
kostenoptimierten Betrieb der Turbinenanlage besonders vorteilhaft.Prefers
becomes the temperature distribution in a housing of a high-pressure steam turbine
certainly. Such a turbine usually has particularly large wall thicknesses
and is therefore particularly costly. The predictive
Determining the temperature distribution in this component is therefore
for the
cost-optimized operation of the turbine system particularly advantageous.
Besonders
bevorzugt wird ein Aufheizen oder Abkühlen eines Arbeitsmediums der
Turbinenanlage in Abhängigkeit
von dem vorausschauenden Bestimmen der Temperaturverteilung durchgeführt. Eine
optimale Steuerung oder Regelung der instationären Fahrweisen der Turbinenanlage
bezüglich
des Aufheizens und Abkühlens
des Arbeitsmediums ist besonders dazu geeignet, Belastungen der
Wand zu vermeiden oder zumindest so zu begrenzen, dass das Überschreiten
der vorgegebenen Freibetragsgrenzen verhindert wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
kann dazu vorteilhafterweise mit einem Leitrechner zum Steuern der
Turbinenanlage verbunden sein. Dieser Leitrechner steuert die instationären Fahrweisen
basierend auf der erfindungsgemäßen vorausschauenden
Bestimmung der Temperaturverteilung in einer Wand oder mehreren
Wänden
der Turbinenanlage.Especially
a heating or cooling of a working medium is preferred
Turbine plant in dependence
performed by the predictive determination of the temperature distribution. A
optimal control or regulation of the unsteady operating modes of the turbine system
in terms of
heating and cooling
the working medium is particularly suitable to loads the
Avoid wall or at least limit it so that passing
the specified allowance limits is prevented. The device according to the invention
can to advantageously with a host computer to control the
Be connected turbine system. This master computer controls the unsteady driving modes
based on the inventive predictive
Determination of the temperature distribution in one or more walls
walls
the turbine plant.
Nachfolgend
werden die Erfindung und ihre Vorteile anhand von Beispielen und
Ausführungsbeispielen
und der beigefügten
Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:following
The invention and its advantages will be described by way of examples and
embodiments
and the attached
Drawing closer
explained.
Show it:
1 eine
schematische Darstellung einer Turbinenanlage, 1 a schematic representation of a turbine plant,
2 eine
schematische Darstellung eines Vorausschaurechners, 2 a schematic representation of a look-ahead computer,
3 eine
schematische Darstellung eines in mehrere Schichten unterteilten
Abschnitts einer Turbinengehäusewand, 3 FIG. 2 a schematic representation of a section of a turbine housing wall divided into several layers, FIG.
4 eine
schematische Darstellung zweier aufeinanderfolgender Prozessabschnitte
beim Betrieb der Turbinenanlage, 4 a schematic representation of two successive process sections during operation of the turbine plant,
5 ein
schematisches Blockschaltbild zum Berechnen eines Dampfmassestroms
beim Hochfahren einer Turbine auf ihre Nenndrehzahl, 5 a schematic block diagram for calculating a steam mass flow when starting up a turbine to its rated speed,
6 ein
schematisches Blockschaltbild zum Berechnen des Dampfmassestroms
beim Belasten der Turbine, 6 a schematic block diagram for calculating the steam mass flow when loading the turbine,
7 ein
schematisches Blockschaltbild eines Schichtenmodells, 7 a schematic block diagram of a layer model,
8 ein
schematisches Blockschaltbild eines Moduls zum Berechnen eines Wärmeübertragungskoeffizienten, 8th a schematic block diagram of a module for calculating a heat transfer coefficient,
9 ein
schematisches Blockschaltbild eines Moduls zum vorausschauenden
Berechnen einer Temperatur einer ersten Schicht der Turbinengehäusewand, 9 3 is a schematic block diagram of a module for predictively calculating a temperature of a first layer of the turbine housing wall.
10 ein
schematisches Blockschaltbild eines Moduls zum vorausschauenden
Berechnen einer Temperatur einer zwischen der ersten und einer letzten
Schicht der Turbinengehäusewand
befindlichen Schicht, 10 12 is a schematic block diagram of a module for predictively calculating a temperature of a layer located between the first and a last layers of the turbine housing wall;
11 ein
schematisches Blockschaltbild eines Moduls zum vorausschauenden
Berechnen einer Temperatur der letzten Schicht der Turbinengehäusewand
und 11 a schematic block diagram of a module for predictively calculating a temperature of the last layer of the turbine housing wall and
12 ein
schematisches Blockschaltbild eines Moduls zum vorausschauenden
Berechnen einer mittleren integralen Temperatur. 12 a schematic block diagram of a module for predictively calculating a mean integral temperature.
In
den Figuren sind nachfolgend gleiche oder funktionsgleiche Elemente – sofern
nichts anderes angegeben ist – mit
denselben Bezugszeichen versehen.In
The figures below are the same or functionally identical elements - if
nothing else is stated - with
provided the same reference numerals.
1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Turbinenanlage. Die Turbinenanlage
ist hier eine Dampfturbinenanlage 1, die eine mehrstufige Dampfturbine 2 und
einen Generator 3 umfasst, der von der Dampfturbine angetrieben
wird. Die Dampfturbine 2 hat einen Hochdruckteil 2a und
einen Niederdruckteil 2b. Der Niederdruckteil 2b ist
eingangsseitig über
eine Dampfleitung 4 mit dem Hochdruckteil 2a verbunden.
Er ist außerdem
ausgangsseitig, d. h. auf der Abdampfseite, über eine Abdampfleitung 5 mit
einem Kondensator 6 verbunden. In einen Einlass 7 des
Hochdruckteils 2a mündet
eine Frischdampfleitung 8. Der Hochdruckteil 2a ist
mit einer Entnahmeleitung 9 und mit einer Anzapfleitung 10 versehen, über die
jeweils Dampf aus verschiedenen Stufen der Dampfturbine 2 entnommen
werden kann. Die Turbinenanlage 1 verfügt über verschiedene Messstellen, die
Randbedingungen oder Betriebsparameter als Messwerte wiedergeben.
So können
als Betriebsparameter ein Druck und eine Temperatur des Dampfes,
der als Arbeitsmedium dient, und eine Dampfmenge an den verschiedenen
Messstellen gemessen werden. Die 1 zeigt
stellvertretend für
die verschiedenen Messstellen eine Messstelle 11 an der
Abdampfleitung 5, eine Messstelle 12 an der Entnahmeleitung 9 und
eine Messstelle 13 an der Anzapfleitung 10. Ferner
ist im Innern des Hochdruckteils 2a der Dampftur bine 2 eine
Messstelle 14 eingerichtet, mit der eine Temperatur TAM des Dampfes und ein Massestrom ṁAM des Dampfes möglichst unmittelbar benachbart
zu einer Gehäusewand 15 des Hochdruckteils 2a gemessen
wird. Die von den Messstellen 11–14 ermittelten Messwerte
werden über
Datenleitungen 16 und einen Datenbus 17 einer Steuereinrichtung 18 zugeführt. Die
Steuereinrichtung 18 dient zum Verarbeiten der Messwerte.
In der Steuereinrichtung 18 ist insbesondere ein Vorausschaurechner
implementiert, der zum vorausschauenden Bestimmen, d. h. hier zum
Berechnen, einer Temperaturverteilung in der Gehäusewand 15 des Hochdruckteils 2a dient.
Die 1 zeigt des Weiteren einen übergeordneten Leitrechner 19,
der ebenfalls an den Datenbus 17 angeschlossen ist. Der
Leitrechner 19 dient zum Steuern der Turbinenanlage 1. Dazu
verwendet er u. a. die von der Steuereinrichtung 18 verarbeiteten
Messwerte. Der Leitrechner 19 steuert u. a. instationäre Fahrweisen
der Turbinenanlage 1, in denen ein Erwärmen oder Abkühlen des
Arbeitsmediums erforderlich ist. Solche instationäre Fahrweisen
sind beispielsweise An- und Abfahrvorgänge oder Lastwechsel. Die instationären Fahrweisen
sind mit großen
Temperaturänderungen
verbunden, die hohe instationäre
Wärmespannungen
in Wänden,
wie z. B. Turbinengehäuse
und -wellen, Rohrleitungen oder Ventilgehäuse, der verschiedenen Komponenten
der Turbinenanlage 1 verursachen können. Dies betrifft insbesondere
solche Wände,
die unmittelbar mit dem Arbeitsmedium in Kontakt sind. 1 shows a schematic representation of a turbine plant. The turbine plant here is a steam turbine plant 1 that a multi-stage steam turbine 2 and a generator 3 includes, which is driven by the steam turbine. The steam turbine 2 has a high pressure part 2a and a low pressure part 2 B , The low pressure part 2 B is on the input side via a steam line 4 with the high pressure part 2a connected. He is also the output side, ie on the Abdampfseite, via an exhaust steam line 5 with a capacitor 6 connected. In an inlet 7 of the high pressure part 2a opens a live steam line 8th , The high pressure part 2a is with a sampling line 9 and with a tapping line 10 provided, via the respective steam from different stages of the steam turbine 2 can be removed. The Turbi nena location 1 has various measuring points which reproduce boundary conditions or operating parameters as measured values. So can be measured as operating parameters, a pressure and a temperature of the steam, which serves as a working medium, and a quantity of steam at the various measuring points. The 1 shows a measuring point representative of the different measuring points 11 at the exhaust steam line 5 , a measuring point 12 at the sampling line 9 and a measuring point 13 at the tapping line 10 , Further, inside is the high pressure part 2a the steam turbine 2 a measuring point 14 set up with a temperature T AM of the steam and a mass flow ṁ AM of the steam as close as possible to a housing wall 15 of the high pressure part 2a is measured. The of the measuring points 11 - 14 measured values are measured via data lines 16 and a data bus 17 a control device 18 fed. The control device 18 serves to process the measured values. In the control device 18 In particular, a prediction calculator is implemented, which is used for the purpose of predictive determination, ie in this case for calculating a temperature distribution in the housing wall 15 of the high pressure part 2a serves. The 1 also shows a higher-level master computer 19 , which is also connected to the data bus 17 connected. The master computer 19 serves to control the turbine system 1 , For this he uses, inter alia, the of the control device 18 processed readings. The master computer 19 controls, inter alia, transient operating modes of the turbine system 1 in which heating or cooling of the working medium is required. Such transient operating modes are, for example, startup and shutdown processes or load changes. The unsteady modes are associated with large temperature changes, the high transient thermal stresses in walls, such. As turbine housings and shafts, piping or valve housing, the various components of the turbine system 1 can cause. This applies in particular to those walls which are in direct contact with the working medium.
Das
Auftreten der schädlichen
Wärmespannungen
kann begrenzt werden, indem die instationären Fahrweisen optimal gesteuert
werden. Dazu wird in der Steuereinrichtung 18 eine vorausschauende Abschätzung betreffend
die Änderungen
der Temperaturverteilungen innerhalb der betroffenen Wände durchgeführt. Diese
vorausschauende Abschätzung wird
dann von dem Leitrechner 19 dazu eingesetzt, die instationären Fahrweisen
geeignet zu steuern. Der zeitliche Verlauf der Temperaturänderungen
in den betroffenen Wänden
ist während
eines Ausgleichsvorgangs von den Werkstoffeigenschaften, einer Anfangstemperaturverteilung
und dem zeitlichen Verlauf des Wär meeintrags
in die jeweils betroffene Wand abhängig. Zur hinreichend genauen
Abschätzung
der Änderungen
der Temperaturverteilungen werden in dem Vorausschaurechner der
Steuereinrichtung 18 mathematische Modelle der Anwärmungs-
und Abkühlungsprozesse
sowie der betroffenen Wände
eingesetzt.The occurrence of harmful thermal stresses can be limited by optimally controlling the transient modes of operation. This is done in the control device 18 carried out a predictive estimation regarding changes in temperature distributions within the affected walls. This predictive estimate is then provided by the host computer 19 used to suitably control the unsteady driving style. The temporal course of the temperature changes in the affected walls is during a compensation process of the material properties, an initial temperature distribution and the time course of the heat meeintrags in each affected wall dependent. For a sufficiently accurate estimation of the changes in the temperature distributions are in the look-ahead computer of the controller 18 mathematical models of the heating and cooling processes and the affected walls used.
Der
enthält
der Vorausschaurechner der Steuereinrichtung 18 enthält zwei
Module, mit denen das vorausschauende Berechnen der Temperaturverteilungen
der Wände
durchgeführt
wird. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Vorausschaurechners 20 mit
einem Vorausschaumodul 21 und einem Echtzeitmodul 22.
Die Funktionen der beiden Module 21 und 22 sind
vorteilhafterweise mittels einer Software in der Steuereinrichtung 18 realisiert. Die
beiden Module 21, 22 umfassen jeweils ein Modell 23 derjenigen
Wand, für
die die Temperaturverteilung prognostiziert werden soll. Das Modell 23 ist hier
in beiden Modulen 21, 22 gleich. In dem Modell 23 der
Wand ist die Wand in mehrere Schichten unterteilt.It contains the forecasting computer of the control device 18 contains two modules with which the predictive calculation of the temperature distributions of the walls is carried out. 2 shows a schematic representation of a look-ahead computer 20 with a preview module 21 and a real-time module 22 , The functions of the two modules 21 and 22 are advantageously by means of software in the control device 18 realized. The two modules 21 . 22 each include a model 23 the wall for which the temperature distribution is to be predicted. The model 23 is here in both modules 21 . 22 equal. In the model 23 The wall is divided into several layers.
3 zeigt
eine schematische Darstellung eines Abschnitts der Turbinengehäusewand 15 in
der Form eines Hohlzylinders. Der Abschnitt ist durch eine Abschnittslänge L, einen
inneren Radius r, einen äußeren Radius
R und einen äußeren Radius
einer Isolierung RISOL charakterisiert.
Die Gehäusewand 15 ist
in mehrere Schichten 241 –24n unterteilt. Die Unterteilung erfolgt
nach gleichem Werkstoffgewicht der einzelnen Schichten 241 –24n . 3 shows a schematic representation of a portion of the turbine housing wall 15 in the form of a hollow cylinder. The section is characterized by a section length L, an inner radius r, an outer radius R and an outer radius of insulation R ISOL . The housing wall 15 is in several layers 24 1 - 24 n divided. The division is made according to the same material weight of the individual layers 24 1 - 24 n ,
Das
Vorausschaumodul 21 des in der 2 gezeigten
Vorausschaurechners 20 der Steuereinrichtung 18 enthält einen
Funktionsblock 25, der ein Berechnen eines Massestroms ṁ des
als Arbeitsmedium dienenden Dampfes durchführt. Damit wird derjenige Massestroms ṁ berechnet,
der zum Erreichen eines von dem Leitrechner 19 vorgegebenen
Kriteriums für
den Betrieb der Turbinenanlage 1 notwendig ist. Ein solches
Kriterium kann beispielsweise eine bestimmte Zeit sein, innerhalb
der die Turbinenanlage 1 von einer aktuellen Leistung auf
eine andere Leistung gefahren werden soll. Das Berechnen dieses notwendigen
Dampfmassestroms ṁ erfolgt für einen vorgegebenen Vorausschauzeitbereich,
für den
die Temperaturverteilung in der Gehäusewand 15 vorausschauend
bestimmt werden soll. Der vorgegebene Vorausschauzeitbereich kann
beispielsweise der Zeitbereich sein, bis zu dem die gewünschte Leistung
der Turbinenanlage erreicht ist. Der von dem Funktionsblock 25 berechnete
notwendige Dampfmassestroms ṁ wird in dem Vorausschaumodul 21 an
das Schichtenmodell 23 übermittelt.The lookahead module 21 in the 2 shown prediction calculator 20 the control device 18 contains a function block 25 which performs a calculation of a mass flow ṁ of the steam serving as the working medium. Thus, that mass flow ṁ is calculated, which is to reach one of the master computer 19 given criterion for the operation of the turbine system 1 necessary is. Such a criterion may be, for example, a certain time within which the turbine plant 1 from a current performance to another performance. The calculation of this necessary steam mass flow ṁ takes place for a predefined look-ahead time range for which the temperature distribution in the housing wall 15 intended to be determined in a forward-looking manner. The predefined look-ahead time range can be, for example, the time range up to which the desired power of the turbine system is reached. The one from the function block 25 calculated required mass steam flow ṁ is in the look-ahead module 21 to the layer model 23 transmitted.
In
dem Echtzeitmodul 22 gemäß der 2 wird ein
kontinuierliches Bestimmen von aktuellen Temperaturen der einzelnen
Schichten 241 –24n der Gehäusewand 15 in
Abhängigkeit
von der aktuell bestimmten Temperatur TAM und
einem aktuell bestimmten Massestroms ṁAM des
an die erste Wandschicht 241 angrenzenden,
wärmeführenden
Dampfes durchgeführt.
Die Messwerte der aktuellen Temperatur TAM und
des aktuellen Massestroms ṁAM werden
von der Messstelle 14 ermittelt. Diese beiden Messwerte
TAM und ṁAM dienen
daher als Eingangswerte zu dem Schichtenmodell 23 des Echtzeitmoduls 22.
In dem Vorausschaumodul 21 wird das vorausschauende Bestimmen
der Temperaturen der einzelnen Schichten 241 –24n , d. h. der Temperaturverteilung in
der Gehäusewand 15, über den
vorgegebenen Vorausschauzeitbereich durchgeführt. Als Eingangswerte werden
dem Funktionsblock 25 dazu ein aktueller Druck pABD des Abdampfs, d. h. des aus der Turbine 2 austretenden
Dampfes, eine aktuelle Drehzahl nDT der
Dampfturbine 2 und die aktuelle Temperatur TAM des
Dampfes zugeleitet. Zusätzlich wird
dem Funktionsblock 25 eine Angabe GA zu der gewünschten
Betriebsweise der Turbinenanlage 1 zugeführt. Die
Angabe GA gibt beispielsweise vor, ob das vorgegebene Kriterium
schnell oder langsam erreicht werden soll. Der Vorausschaurechner 20 der Steuereinrichtung 18 erhält verschiedene
weitere Angaben PA zu Parametern, die für das Berechnen der vorausschauenden
Temperaturverteilung erforderlich sind. Solche Angaben sind z. B.
Werkstoffdaten, Flächenangaben
und Alpha-Zahlen, d. h. Wärmeübertragungskoeffizienten,
etc. Über
ein Signal AK wird der Vorausschaurechner 20 aktiviert.
Das Vorausschaumodul 21 berechnet zyklisch die vorausschauende
Temperaturverteilung in der Gehäusewand 15.
Dabei werden zu Beginn eines jeden Zyklus' die kontinuierlich von dem Echtzeitmodul 22 bestimmten
aktuellen Temperaturen der einzelnen Schichten 241 –24n berücksichtigt. Dem Vorausschaumodul 21 und
dem Echtzeitmodul 22 werden dazu ein Startsignal ST zugeführt, mit
dem die von dem Echtzeitmodul 22 ermittelte aktuelle Temperaturverteilung
in der Gehäusewand 15 von
dem Schichtenmodell 23 des Echtzeitmoduls 22 an
das Schichtenmodell 23 des Vorausschaumoduls 21 übergeben
wird. Das Schichtenmodell 23 des Vorausschaumoduls 21 bestimmt
dann die vorausschauende Temperaturverteilung mit den prognostizierten
Temperaturen der einzelnen Schichten 241 –24n und gibt diese an seinem Ausgang aus
dem Vorausschaurechner 20 aus. Die Steuereinrichtung 18 übermittelt
die berechnete vorausschauende Temperaturverteilung anschließend an
den Leitrechner 19.In the real-time module 22 according to the 2 is a continuous determination of actual temperatures of the individual layers 24 1 - 24 n the housing wall 15 depending on the currently determined temperature T AM and a currently determined mass flow ṁ AM of the first wall layer 24 1 adjacent, heat-carrying steam carried out. The measured values of the current temperature T AM and the current mass flow ṁ AM are from the measuring point 14 determined. These two measured values T AM and ṁ AM therefore serve as input values for the layer model 23 of the real-time module 22 , In the preview module 21 is the predictive determination of the temperatures of the individual layers 24 1 - 24 n ie the temperature distribution in the housing wall 15 , carried out over the predefined look-ahead time range. Input values are the function block 25 to a current pressure p ABD of Abdampfs, ie from the turbine 2 exiting steam, a current speed n DT of the steam turbine 2 and the current temperature T AM of the steam supplied. In addition, the function block 25 an indication GA to the desired operation of the turbine system 1 fed. The specification GA specifies, for example, whether the predetermined criterion should be reached quickly or slowly. The forecasting calculator 20 the control device 18 receives various further indications PA on parameters that are required for calculating the predictive temperature distribution. Such information is z. As material data, area information and alpha numbers, ie heat transfer coefficients, etc. About a signal AK is the prediction calculator 20 activated. The lookahead module 21 cyclically calculates the anticipatory temperature distribution in the housing wall 15 , In doing so, at the beginning of each cycle, they are continuously from the real-time module 22 certain current temperatures of the individual layers 24 1 - 24 n considered. The look-ahead module 21 and the real-time module 22 For this purpose, a start signal ST is supplied to which the real-time module 22 determined current temperature distribution in the housing wall 15 from the layer model 23 of the real-time module 22 to the layer model 23 of the preview module 21 is handed over. The layer model 23 of the preview module 21 then determines the predictive temperature distribution with the predicted temperatures of the individual layers 24 1 - 24 n and gives it at its exit from the look-ahead calculator 20 out. The control device 18 then transmits the calculated predictive temperature distribution to the master computer 19 ,
4 zeigt
zwei aufeinander folgende, durch den Leitrechner 19 gesteuerte
Prozessabschnitte beim Betrieb der Turbinenanlage 1. Ein
erster Prozessabschnitt 26 umfasst ein Hochfahren der Turbinenanlage 1 von
einer Anwärmdrehzahl
auf eine Nenndrehzahl sowie eine anschließende Synchronisation mit einem
Stromnetz, das mit dem Generator 3 verbunden ist. Ein zweiter
Prozessabschnitt 27 umfasst ein Belasten der Turbinenanlage 1 auf Sollleistung.
Die beiden Prozessabschnitte 26, 27 stellen vorgegebene
Vorausschauzeitbereiche dar, über
die die Steuereinrichtung 18 vorausschauende Temperaturverteilungen
ermittelt. Die vorausschauenden Temperaturverteilungen sollen hier
in der Gehäusewand 15 des
Hochdruckteils 2a der Dampfturbine 2 ermittelt
werden. 4 shows two consecutive, through the host computer 19 controlled process sections during operation of the turbine system 1 , A first process section 26 includes a startup of the turbine plant 1 from a warm-up speed to a nominal speed and subsequent synchronization with a power grid connected to the generator 3 connected is. A second process section 27 includes a loading of the turbine plant 1 on target power. The two process sections 26 . 27 represent predetermined look-ahead time ranges over which the controller 18 anticipatory temperature distributions determined. The predictive temperature distributions are here in the housing wall 15 of the high pressure part 2a the steam turbine 2 be determined.
In
dem ersten Prozessabschnitt 26 erfolgt zunächst ein
Anwärmen
der Turbine 2 auf die Anwärmdrehzahl. Dies ist in der 4 durch
einen Funktionsblock 28 dargestellt. Ausgehend von dem Erreichen
der Anwärmdrehzahl
steuert der Leitrechner 19 das Hochfahren auf die Nenndrehzahl
der Turbine 2. Dies ist durch einen Funktionsblock 29 kenntlich
gemacht. Das Echtzeitmodul 22 der Steuereinrichtung 18 bestimmt
kontinuierlich während
des Hochfahrens auf die Nenndrehzahl die ak tuelle Temperaturverteilung
in den Schichten 241 –24n der Gehäusewand 15 in Abhängigkeit
von der aktuell und kontinuierlich gemessenen Temperatur TAM des Dampfes und dem Dampfmassestrom ṁAM. Dies ist in der 4 durch
einen Funktionsblock 30 deutlich gemacht. Dem Vorausschaumodul 21 wird
von dem Leitrechner 19 ein vorgegebenes Kriterium übermittelt,
auf dessen Grundlage das Vorausschaumodul 21 eine für das Hochfahren
auf die Nenndrehzahl benötigte
Dampfmenge oder einen benötigten
Dampfmassestrom bestimmt. Im Beispiel nach 4 ist das vorgegebene
Kriterium eine Drehzahländerungsgeschwindigkeit
dn/dt, die die Turbine 2 beim Hochfahren einhalten soll.
Es kann auch alternativ oder zusätzlich
eine Hochlaufzeit tHOCH als vorgegebenes
Kriterium vorgegeben sein, während
der das Hochfahren auf die Nenndrehzahl erfolgen soll. Dadurch kann die
zum Hochfahren unter den vorgegebenen Rahmenbedingungen benötigte Dampfmenge
oder der benötigte
Dampfmassestrom bestimmt werden. Die Vorgabe des vorgegebenen Kriteriums
ist in der 4 durch einen Funktionsblock 31 dargestellt. Das
Vorausschaumodul 21 übernimmt
zyklisch während
des Hochfahrens auf die Nenndrehzahl von dem Echtzeitmodul 22 die
aktuelle Temperaturverteilung in der Gehäusewand 15 und berechnet
mit dieser aktuellen Temperaturverteilung als Startwert die vorausschauende
Temperaturverteilung. Diese wird dem Leitrechner 19 zugeführt, der überprüft, ob bei der
berechneten vorausschauenden Temperaturverteilung vorgegebene zulässige Temperaturdifferenzen
eingehalten oder überschritten
werden. Dies ist in der 4 durch einen Funktionsblock 32 dargestellt.
Wird festgestellt, dass zulässige
Temperaturdifferenzen nicht eingehalten werden, so steuert der Leitrechner 19 geeignet
den Hochfahrvorgang, damit die zulässigen Temperaturdifferenzen
eingehalten werden können.
Wird festgestellt, dass die zulässigen
Temperaturdifferenzen eingehalten werden, so steuert der Leitrechner 19 den
Betrieb der Turbinenanlage in den zweiten Prozessabschnitt 27.In the first process section 26 First, a warming of the turbine 2 to the heating speed. This is in the 4 through a function block 28 shown. Based on the achievement of the Anwärmdrehzahl controls the host computer 19 the ramp up to the rated speed of the turbine 2 , This is through a functional block 29 indicated. The real-time module 22 the control device 18 continuously determines the current temperature distribution in the layers during startup to the rated speed 24 1 - 24 n the housing wall 15 depending on the current and continuously measured temperature T AM of the steam and the steam mass flow ṁ AM . This is in the 4 through a function block 30 made clear. The look-ahead module 21 is from the host computer 19 transmits a predetermined criterion, on the basis of which the look-ahead module 21 determines a quantity of steam required for starting up to the rated speed or a required steam mass flow. In the example below 4 the default criterion is a speed change rate dn / dt that is the turbine 2 to comply with the startup. It can also be alternatively or additionally an acceleration time t HIGH be specified as a predetermined criterion, during which the start up to the rated speed is to take place. As a result, the amount of steam required for starting up under the given conditions or the required steam mass flow can be determined. The specification of the given criterion is in the 4 through a function block 31 shown. The lookahead module 21 cyclically adopts the rated speed from the real time module during startup 22 the current temperature distribution in the housing wall 15 and uses this current temperature distribution as starting value to calculate the anticipatory temperature distribution. This becomes the host computer 19 which checks whether predetermined permissible temperature differences are maintained or exceeded in the calculated anticipatory temperature distribution. This is in the 4 through a function block 32 shown. If it is determined that permissible temperature differences are not met, the master computer controls 19 suitable for the start-up process so that the permissible temperature differences can be maintained. If it is determined that the permissible temperature differences are adhered to, the master computer controls 19 the operation of the turbine plant in the second process section 27 ,
In
dem zweiten Prozessabschnitt 27 erfolgt zunächst ein
Anwärmen
der Turbine 2 am Leistungsniveau nach der Synchronisierung.
Dies ist in der 4 durch einen Funktionsblock 33 dargestellt. Ausgehend
von dem Anwärmen
am Leistungsniveau nach der Synchronisierung steuert der Leitrechner 19 das
Belasten der Turbine 2 bis zur Leistungssollwertvorgabe.
Dies ist durch einen Funktionsblock 34 kenntlich gemacht.
Das Echtzeitmodul 22 der Steuereinrichtung 18 bestimmt
kontinuierlich während
des Belastens die aktuelle Temperaturverteilung in den Schichten 241 –24n der Gehäusewand 15 in Abhängigkeit
von der aktuell und kontinuierlich gemessenen Temperatur TAM des Dampfes und dem Dampfmassestrom ṁAM. Dies ist in der 4 durch
einen Funktionsblock 35 deutlich gemacht. Dem Vorausschaumodul 21 wird
von dem Leitrechner 19 ein anderes vorgegebenes Kriterium übermittelt,
auf dessen Grundlage das Vorausschaumodul 21 eine für das Belasten
benötigte
Dampfmenge oder einen benötigten
Dampfmassestrom bestimmt. Im Beispiel nach 4 ist das
vorgegebene Kriterium eine Leistungsänderungsgeschwindigkeit, oder
ein Leistungsgradient, dP/dt oder eine Belastungszeit tBEL,
während
der die Turbine 2 belastet werden soll. Die Vorgabe des
vorgegebenen Kriteriums ist in der 4 durch
einen Funktionsblock 36 dargestellt. Das Vorausschaumodul 21 übernimmt
zyklisch während
des Belastens von dem Echtzeitmodul 22 die aktuelle Temperaturverteilung
in der Gehäusewand 15 und berechnet
damit die vorausschauende Temperaturverteilung. Diese wird dem Leitrechner 19 zugeführt, der überprüft, ob bei
der berechneten vorausschauenden Temperaturverteilung vorgegebene
zulässige Temperaturdifferenzen
eingehalten oder überschritten
werden. Dies ist in der 4 durch einen Funktionsblock 37 dargestellt.
Wird festgestellt, dass zulässige
Temperaturdifferenzen nicht eingehalten werden, so steuert der Leitrechner 19 geeignet
den Belastungsvorgang, damit die zulässigen Temperaturdifferenzen
eingehalten werden können.
Wird festgestellt, dass die zulässigen
Temperaturdifferenzen eingehalten werden, so beendet der Leitrechner 19 den Anfahrvorgang.
Dies ist mit einem Funktionsblock 38 dargestellt.In the second process section 27 he follows first a warm up of the turbine 2 at the level of performance after synchronization. This is in the 4 through a function block 33 shown. Based on the warm-up at the power level after synchronization, the host computer controls 19 the loading of the turbine 2 to the power setpoint. This is through a functional block 34 indicated. The real-time module 22 the control device 18 continuously determines the current temperature distribution in the layers during loading 24 1 - 24 n the housing wall 15 depending on the current and continuously measured temperature T AM of the steam and the steam mass flow ṁ AM . This is in the 4 through a function block 35 made clear. The look-ahead module 21 is from the host computer 19 transmits another predetermined criterion, on the basis of which the look-ahead module 21 determined a required for the loading of steam or a required steam mass flow. In the example below 4 For example, the predetermined criterion is a rate of change of performance, or a power gradient, dP / dt or a load time t BEL , during which the turbine 2 should be charged. The specification of the given criterion is in the 4 through a function block 36 shown. The lookahead module 21 takes over cyclically during the loading from the real-time module 22 the current temperature distribution in the housing wall 15 and thus calculates the anticipatory temperature distribution. This becomes the host computer 19 which checks whether predetermined permissible temperature differences are maintained or exceeded in the calculated anticipatory temperature distribution. This is in the 4 through a function block 37 shown. If it is determined that permissible temperature differences are not met, the master computer controls 19 suitable for the loading process, so that the permissible temperature differences can be maintained. If it is determined that the permissible temperature differences are complied with, the master computer terminates 19 the starting process. This is with a function block 38 shown.
5 zeigt
ein schematisches Blockschaltbild zum Berechnen des zum Hochfahren
der Turbine 2 auf die Nenndrehzahl während des ersten Prozessabschnitts 26 benötigten Dampfmassestroms ṁAM. Dieses Berechnen wird in dem Funktionsblock 25 des
Vorausschaumoduls 21 durchgeführt. Als Eingangswerte erhält der Funktionsblock 25 hier
das von dem Leitrechner 19 vorgegebene Kriterium der Drehzahländerungsgeschwindigkeit
dn/dt, die Wellenträgheit
und die aktuelle Turbinendrehzahl, die im Moment des Starts der
Berechnung herrschende, aktuelle Dampftemperatur TAM und
den Abdampfdruck pABD. Der benötigte Dampfmassestrom ṁAM wird mittels des Funktionsblocks 25 für jeden
zyklischen Zeitschritt des Vorausschauzeitbereichs berechnet, d.
h. hier für
das Hochfahren auf die Nenndrehzahl. Mittels des bestimmten Dampfmassestroms ṁAM und der aktuellen Dampftemperatur TAM kann dann ein Wärmestrom bestimmt werden, der
dem interessierenden Kontrollvolumen, der Gehäusewand 15, beim Hochfahren
zugeführt
wird. Ein im Echtzeitmodul 22 berechneter Wärmestrom,
der dem Kontrollvolumen, der Gehäusewand 15,
zugeführt
wird, wird direkt aus der gemessenen Dampftemperatur TAM und
dem Dampfdurchsatz ṁAM ermittelt. 5 shows a schematic block diagram for calculating the startup of the turbine 2 to the rated speed during the first process section 26 required steam mass flow ṁ AM . This calculation is done in the function block 25 of the preview module 21 carried out. The function block is received as input values 25 here from the master computer 19 predetermined criterion of the speed change speed dn / dt, the shaft inertia and the current turbine speed, the prevailing at the moment of the calculation of the current steam temperature T AM and the exhaust steam pressure p ABD . The required steam mass flow ṁ AM is determined by means of the function block 25 is calculated for each cyclic time step of the look-ahead time range, ie here for ramping up to the rated speed. By means of the determined steam mass flow ṁ AM and the current steam temperature T AM , a heat flow can then be determined which corresponds to the control volume of interest, the housing wall 15 , is supplied at startup. One in the real-time module 22 calculated heat flow, the control volume, the housing wall 15 , is directly determined from the measured steam temperature T AM and the steam flow rate ṁ AM .
6 zeigt
ein schematisches Blockschaltbild zum Berechnen des beim Belasten
der Turbine 2 während
des zweiten Prozessabschnitts 27 benötigten Dampfmassestroms ṁAM. Dieses Berechnen wird in dem Funktionsblock 25 des
Vorausschaumoduls 21 durchgeführt. Als Eingangswerte erhält der Funktionsblock 25 hier
das von dem Leitrechner 19 vorgegebene Kriterium der Leistungsänderungsgeschwindigkeit
dP/dt, die Startleistung P0 bei Nenndrehzahl, die im Moment des
Starts der Berechnung herrschende, aktuelle Dampftemperatur TAM und den Abdampfdruck pABD.
Der benötigte
Dampfmassestrom ṁAM wird mittels
des Funktionsblocks 25 für jeden zyklischen Zeitschritt
des Vorausschauzeitbereichs berechnet, d. h. hier für die Lastaufnahme.
Mittels des bestimmten Dampfmassestroms ṁAM und
der aktuellen Dampftemperatur TAM kann dann
ein Wärmestrom
bestimmt werden, der dem interessierenden Kontrollvolumen, der Gehäusewand 15,
beim Belasten zugeführt
wird. Ein im Echtzeitmodul 22 berechneter Wärmestrom,
der dem Kontrollvolumen, der Gehäusewand 15,
zugeführt
wird, wird direkt aus der gemessenen Dampftemperatur TAM und
dem Dampfdurchsatz ṁAM ermittelt. 6 shows a schematic block diagram for calculating the loading of the turbine 2 during the second process section 27 required steam mass flow ṁ AM . This calculation is done in the function block 25 of the preview module 21 carried out. The function block is received as input values 25 here from the master computer 19 predetermined criterion of the rate of change of performance dP / dt, the starting power P0 at nominal speed, the moment of the start of the calculation prevailing, current steam temperature T AM and the exhaust steam pressure p ABD . The required steam mass flow ṁ AM is determined by means of the function block 25 calculated for each cyclic time step of the prediction time range, ie here for the load pickup. By means of the determined steam mass flow ṁ AM and the current steam temperature T AM , a heat flow can then be determined which corresponds to the control volume of interest, the housing wall 15 , is supplied when loading. One in the real-time module 22 calculated heat flow, the control volume, the housing wall 15 , is directly determined from the measured steam temperature T AM and the steam flow rate ṁ AM .
7 zeigt
ein schematisches Blockschaltbild des Schichtenmodells 23 zum
vorausschauenden Berechnen von einzelnen Temperaturen T1–Tn der Schichten 241 –24n der Gehäusewand 15. Dabei wird
für die
einzelnen Schichten 241 –24n jeweils eine gleiche Temperatur T1–Tn angenommen. Das Schichtenmodell 23 enthält ein Modul 39 zum
Berechnen eines Wärmeübertragungskoeffizienten
Alpha und einer Sättigungstemperatur.
Der Wärmeübertragungskoeffizient
Alpha ist relevant für
die Übertragung
von Wärme
von dem Arbeitsmedium in die erste Schicht der Gehäusewand 15.
Das Schichtenmodell 23 enthält ferner n Module 401 –40n für
die Berechnung der jeweiliger mittlerer Schichttemperaturen T1–Tn der n einzelnen Schichten der Gehäusewand 15.
Darüberhinaus
ist ein Modul 41 zur Berechnung einer mittleren integralen
Temperatur Tmit_int der Gehäusewand 15 vorhanden.
Diese mittlere integrale Temperatur Tmit_int wird
zum Berechnen der in der Gehäusewand 15 auftretenden
Spannungen eingesetzt. In den einzelnen Modulen werden die Temperaturabhängigkeiten
der Wärmeleitungskoeffizienten λ = f(T) und
der spezifischen Werkstoffwärme
c = f(T) berücksichtigt. 7 shows a schematic block diagram of the layer model 23 for predictively calculating individual temperatures T 1 -T n of the layers 24 1 - 24 n the housing wall 15 , This is for the individual layers 24 1 - 24 n each assumed a same temperature T 1 -T n . The layer model 23 contains a module 39 for calculating a heat transfer coefficient alpha and a saturation temperature. The heat transfer coefficient alpha is relevant to the transfer of heat from the working medium into the first layer of the housing wall 15 , The layer model 23 also contains n modules 40 1 - 40 n for the calculation of the respective mean layer temperatures T 1 -T n of the n individual layers of the housing wall 15 , In addition, there is a module 41 for calculating a mean integral temperature T mit_int the housing wall 15 available. This mean integral temperature T mit_int is used to calculate the in the housing wall 15 occurring voltages used. In the individual modules, the temperature dependencies of the heat conduction coefficients λ = f (T) and the specific material heat c = f (T) are taken into account.
Dem
Modul 39 werden als Eingangsgrößen der zuvor für den interessierenden
Vorschauzeitbereich ermittelte Dampfmassestrom ṁAM (5, 6),
der aktuelle Dampfdruck pAM und die aktuelle Dampftemperatur
TAM zugeführt. Ferner wird die von dem
Modul 401 vorausschauend ermittelte
Temperatur T1 der ersten Schicht 241 auf den Eingang des Moduls 39 zurückgekoppelt.
Aus diesen Eingangsgrößen ermittelt
das Modul 39 den Wärmeübertragungskoeffizienten
Alpha für
die Übertragung
der Wärme von
dem Arbeitsmedium in die erste Schicht 241 der Gehäusewand 15.
Im Fall der Dampfkondensation wird ein konstanter Wärmeübertragungskoeffizient angenommen.
Die dem Druck entsprechende Sättigungstemperatur
wird aus der Sättigungfunktion
bestimmt. Bei Vorhandensein von überhitztem
Dampf wird der Wärmeübertragungskoeffizient
als Funktion des Dampfdurchsatzes berechnet. Der genaue Aufbau des
Moduls 39 ist anhand eines in der 8 schematisch
dargestellten Blockschaltbilds des Moduls 39 gezeigt.The module 39 are used as input variables of the steam mass flow ṁ AM (previously determined for the relevant preview time range). 5 . 6 ), the current steam pressure p AM and the current steam temperature T AM supplied. Furthermore, that of the module 40 1 anticipatory determined temperature T 1 of the first layer 24 1 on the entrance of the module 39 fed back. The module determines from these input variables 39 the heat transfer coefficient alpha for the transfer of heat from the working medium in the first layer 24 1 the housing wall 15 , In the case of steam condensation, a constant heat transfer coefficient is assumed. The saturation temperature corresponding to the pressure is determined from the saturation function. In the presence of superheated steam, the heat transfer coefficient is calculated as a function of the steam flow rate. The exact structure of the module 39 is based on a in the 8th schematically illustrated block diagram of the module 39 shown.
Der
von dem Modul 39 ermittelte Wärmeübertragungskoeffizient Alpha
wird dem Modul 401 als Eingangsgröße übermittelt.
Alpha repräsentiert
einen vorausschauend ermittelten Wärmestrom q .AM_1,
der von dem Arbeitsmedium in die erste Schicht 241 übertritt.
Dem Modul 401 werden ferner die
aktuelle Dampftemperatur TAM, die von dem
Modul 402 vorausschauend ermittelte
Temperatur T2 der zweiten Schicht 242 und die von dem Echtzeitmodul 22 aktuell berechneten
Temperaturen TANF der Schichten der Gehäusewand 15 als
Eingangsgrößen zugeführt. Das
Modul 401 gibt als Ausgangsgrößen die
vorausschauend ermittelte Temperatur T1 und
einen vorausschauend ermittelten Wärmestrom q .1-2 aus,
der von der ersten Schicht 241 in
die zweite Schicht 242 übertritt.
Der genaue Aufbau des Moduls 401 ist
anhand eines in der 9 schematisch dargestellten
Blockschaltbilds des Moduls 401 gezeigt.The one from the module 39 determined heat transfer coefficient alpha is the module 40 1 transmitted as input. Alpha represents a predictive heat flow q. AM_1 , from the working medium to the first layer 24 1 transgresses. The module 40 1 Furthermore, the current steam temperature T AM , that of the module 40 2 anticipatory determined temperature T 2 of the second layer 24 2 and that of the real-time module 22 currently calculated temperatures T ANF of the layers of the housing wall 15 supplied as input variables. The module 40 1 gives as output variables the anticipated determined temperature T 1 and a forward-looking heat flow q. 1-2 off, from the first layer 24 1 in the second layer 24 2 transgresses. The exact structure of the module 40 1 is based on a in the 9 schematically illustrated block diagram of the module 40 1 shown.
Die
von dem Modul 401 ausgegebenen
Größen T1 und q .1-2 werden
dem Modul 402 als Eingangsgrößen zugeführt. Als
weitere Eingangsgrößen erhält das Modul 402 die von dem Modul 403 vorausschauend
ermittelte Temperatur T3 der dritten Schicht 243 und die von dem Echtzeitmodul 22 aktuell
berechneten Temperaturen TANF. Das Modul 402 gibt als Ausgangsgrößen die
vorausschauend ermittelte Temperatur T2 und
einen vorausschauend ermittelten Wärmestrom q .2-3 aus,
der von der zweiten Schicht 242 in die
dritte Schicht 243 übertritt.
Der genaue Aufbau des Moduls 402 ist
anhand eines in der 10 schematisch dargestellten
Blockschaltbilds gezeigt. Das in der 10 gezeigte
Blockschaltbild gibt den Aufbau der zwischen dem ersten Modul 401 und dem letzten Modul 40n liegenden Module 402 –40n-1 wieder. k stellt dabei eine Variable
für das
jeweilige Modul 402 –40n-1 dar, wobei 2 ≤ k ≤ (n – 1). Wie 7 zeigt, wird
die von dem jeweils nachfolgenden Modul 401 –40n vorausschauend ermittelte Schichttemperatur
T1–Tn an das jeweils vorhergehende Modul 39, 401 –40n-1 als Eingangsgröße zurückgekoppelt. Des Weiteren werden
den Modulen 401 –40n-1 jeweils
die von dem Echtzeitmodul 22 aktuell berechneten Temperaturen
TANF der Schichten der Gehäusewand 15 als
Eingangsgrößen zugeführt.The of the module 40 1 output quantities T 1 and q. 1-2 will be the module 40 2 supplied as input variables. The module receives further input variables 40 2 the one from the module 40 3 anticipatory determined temperature T 3 of the third layer 24 3 and that of the real-time module 22 currently calculated temperatures T ANF . The module 40 2 gives as output variables the anticipated determined temperature T 2 and a forward-looking heat flow q. 2-3 off, the second layer 24 2 in the third layer 24 3 transgresses. The exact structure of the module 40 2 is based on a in the 10 shown schematically block diagram. That in the 10 The block diagram shown gives the structure between the first module 40 1 and the last module 40 n lying modules 40 2 - 40 n-1 again. k represents a variable for the respective module 40 2 - 40 n-1 where 2 ≦ k ≦ (n-1). As 7 shows, that of the subsequent module 40 1 - 40 n anticipated determined layer temperature T 1 -T n to the previous module 39 . 40 1 - 40 n-1 fed back as input. Furthermore, the modules 40 1 - 40 n-1 each from the real-time module 22 currently calculated temperatures T ANF of the layers of the housing wall 15 supplied as input variables.
Die
von dem Modul 40n-1 ausgegebenen Größen Tn-1 und q .(n-1) werden
dem Modul 40n als Eingangsgrößen zugeführt. Als
weitere Eingangsgrößen erhält das Modul 40n die von dem Echtzeitmodul 22 aktuell
berechneten Temperaturen TANF und eine aktuell
gemessene Umgebungstemperatur TUM, die außerhalb
der Gehäusewand 15 herrscht.
Das Modul 40n gibt als Ausgangsgröße die vorausschauend
ermittelte Temperatur Tn aus. Der genaue
Aufbau des Moduls 40n ist anhand
eines in der 11 schematisch dargestellten
Blockschaltbilds gezeigt.The of the module 40 n-1 output quantities T n-1 and q. (n-1) become the module 40 n supplied as input variables. The module receives further input variables 40 n that from the real-time module 22 currently calculated temperatures T ANF and a currently measured ambient temperature T UM , which is outside the housing wall 15 prevails. The module 40 n gives as output the predictive determined temperature T n . The exact structure of the module 40 n is based on a in the 11 shown schematically block diagram.
Wie
die 7 zeigt, basiert das Berechnen der mittleren Temperaturen
T1–Tn der einzelnen Schichten 241 –24n auf der Bilanzierung der ein- und austretenden
Wärmeströme q ..As the 7 1 , the calculation of the average temperatures T 1 -T n of the individual layers is based 24 1 - 24 n on the balancing of incoming and outgoing heat flows q ..
Die
von den Modulen 401 –40n vorausschauend ermittelten Temperaturen
T1–Tn werden dem Modul 41 als Eingangsgrößen zugeführt. Zusätzlich erhält das Modul 41 eine
Angabe über
Gewichte G1–Gn der
einzelnen Schichten 241 –24n . Mittels dieser Eingangsgrößen ermittelt
das Modul 41 die mittlere integrale Temperatur Tmit_int. Dabei werden die einzelnen Temperaturen
T1–Tn mit den Gewichten G1–Gn der einzelnen Schichten gewichtet. Der
genaue Aufbau des Moduls 41 ist anhand eines in der 12 schematisch
dargestellten Blockschaltbilds gezeigt.The of the modules 40 1 - 40 n anticipated temperatures T 1 -T n are the module 41 supplied as input variables. In addition, the module receives 41 an indication of weights G 1 -G n of the individual layers 24 1 - 24 n , By means of these input variables, the module determines 41 the mean integral temperature T mit_int . In this case, the individual temperatures T 1 -T n are weighted with the weights G 1 -G n of the individual layers. The exact structure of the module 41 is based on a in the 12 shown schematically block diagram.
