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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Regelsystem und ein Regelverfahren
zur Regelung einer Dampfturbine.
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In
Dampfturbinen wird primär thermische in mechanische Energie
umgewandelt. Diese mechanische Energie kann, beispielsweise über
Generatoren, wiederum in elektrische Energie umgesetzt werden. Hierzu
ist es erforderlich, die Drehzahl der Dampfturbine entsprechend
der Solldrehzahl der von ihr angetriebenen Generatoren, beispielsweise
der Synchrondrehzahl, zu regeln. In anderen Anwendungsfällen
wird beispielsweise die abgegebene Leistung einer Dampfturbine entsprechend
externer Anforderungen, aber auch interner Randbedingungen wie etwa
zulässiger Höchstdrehzahlen oder dergleichen geregelt.
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Zu
diesen Zwecken ist es bekannt, den die Dampfturbine durchströmenden
Dampfmassenstrom über ein Stellorgan, beispielsweise ein
oder mehrere Dampfregelventile, zu regeln. Mit Hilfe solcher Stellorgane
ist es daher auch möglich, Dampfmassenströme energieeffizient,
schnell und mit hoher Regelgüte zu beeinflussen.
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Bei
der Regelung von Dampfturbinen ist einer Mehrzahl verschiedener
Regelziele Rechnung zu tragen. So dürfen beispielsweise
bestimmte Turbinendrehzahlen nicht überschritten werden,
um die Bauteile nicht durch zu hohe Kreiselkräfte zu überlasten.
Um zu hohe Belastungen des Materials zu vermeiden, kann auch die
umgesetzte Leistung nach oben beschränkt sein. Auf der
anderen Seite können Mindestdrehzahlen und/oder -leistungen
vorgegeben sein, um beispielsweise einen Trip durch den Rückleitungsschutz
eines Generators zu verhindern.
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Neben
diesen Extremalregelzielen, i. e. dem Einhalten bestimmter Maximal-
und Minimalwerte, können auch sogenannte Betriebsregelziele
verfolgt werden. So kann beispielsweise die umgesetzte Leistung
entsprechend des zur Verfügung stehenden Dampfmassenstromes,
dessen Ein- und/oder Austrittsdruck, der Dampfmenge und/oder -geschwindigkeit
oder dergleichen geregelt werden. Gleichermaßen kann der
durch Stellorgane wie beispielsweise die vorgenannten Dampfregelventile
beeinflussbare Dampfmassenstrom entsprechend externer Leistungsanforderungen
geregelt werden.
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Somit
sind beim Betrieb einer Dampfturbine regelmäßig
mehrere unterschiedliche Regelstrecken zu berücksichtigen.
So kann beispielsweise die externe Leistungsanforderung an die Dampfturbine eine
Erhöhung und gleichzeitig die Temperaturüberwachung
eine Verringerung des zugeführten Dampfmassenstromes erfordern.
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Zur
Berücksichtigung der unterschiedlichen Regelstrecken ist
es bisher bekannt, für jede Regelgröße,
beispielsweise die abgegebene Leistung und die Temperatur der Dampfturbine,
eine Differenz zwischen Soll- und Istwert zu bilden und diesen einer
Extremalauswahl aufzuschalten. Das Ergebnis dieser Extremalauswahl,
beispielsweise die größte Soll-Ist-Differenz aller
Regelstrecken, wird dann als Regeldifferenz einem einzigen Proportional-Integral-Regler
(PI-Regler) zugeführt. Somit wird eine Vielzahl von Regelstrecken über
einen einzigen PI-Regler bedient.
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Ein
solcher Regler kann daher, was seine Regelgüte, insbesondere
Stabilität, Führungsverhalten, Ansprechzeit und
dergleichen betrifft, nur suboptimal ausgelegt werden. Da die optimale
Auswahl der Regelparameter, beispielsweise der Proportional- und
Integralkonstanten eines PI-Reglers, von der jeweiligen Regelstrecke
abhängt, kann ein Regler, der alle Regelstrecken bedienen
muss, stets nur einen Kompromiss aus für einzelne Regelstrecken optimierten
Einzelreglern darstellen.
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Die
DE 195 28 601 A1 schlägt
ein Regelsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Ansteuerung
eines Stellventils einer Dampfturbine mit einer Einzelregler-Anordnung
mit zwei Einzelreglern vor. Ein erster Einzelregler in Form eines
P-Reglers regelt die Drehzahl der Turbine während des Netzbetriebs.
Wird ein Lastabwurf erkannt, wird auf einen zweiten Einzelregler
in Form eines PI-Reglers umgeschaltet, der die Turbine während
eines Leerlauf- oder Inselbetriebs regelt. Um dem Stellventil stets
die gleiche Stellgröße zuzuführen, wird
im Leerlauf- oder Inselbetrieb der erste Einzelregler entsprechend
der Stellgröße des zweiten Einzelreglers nachgeführt.
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Die
DE 195 28 601 A1 kann
damit nicht das einleitend dargestellte Problem lösen,
unterschiedliche, gegebenenfalls miteinander konkurrierende Regelstrecken
zu bedienen. Es wird je nach Betriebssituation Netzbetrieb oder
Leerlauf-/Inselbetrieb stets derselbe Einzelregler durchgeschaltet.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Regelung
für eine Dampfturbine zur Verfügung zu stellen,
die unterschiedliche Regelstrecken besser berücksichtigt.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe ist ein Regelsystem nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale weitergebildet. Anspruch
10 stellt das zugehörige Regelverfahren unter Schutz.
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Ein
Regelsystem für eine Dampfturbine zur Ansteuerung eines
Stellorgans der Dampfturbine nach einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung umfasst eine Einzelregler-Anordnung mit wenigstens zwei
Einzelreglern. Jeder Einzelregler weist einen Eingang für
eine Soll-Ist-Differenz zwischen einem Soll- und einem Istwert und
einen Ausgang für eine Stellgröße auf.
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Damit
kann jeder Regelstrecke ein eigener Einzelregler zugeordnet werden,
der für die jeweilige Regelstrecke optimiert ist. So kann
beispielsweise ein Drehzahlregler besonders rasch auf einen plötzlichen
Lastabwurf reagieren, um ein Durchgehen der Turbine zu verhindern.
Ein Temperaturregler kann hingegen so ausgelegt werden, dass einer
kontinuierlichen Annäherung an eine zulässige
Maximaltemperatur möglichst sanft entgegengewirkt wird.
Ein Leistungsregler kann beispielsweise ein optimiertes Integralverhalten
zeigen.
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Das
Regelsystem umfasst weiter ein Reglerauswahlmittel zur Auswahl eines
Einzelreglers aus der Einzelregleranordnung und ein Reglerumschaltmittel,
mit dem die Stellgröße des ausgewählten
Einzelreglers auf das Stellorgan ausgegeben werden kann.
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Erfindungsgemäß umfasst
das Reglerauswahlmittel ein Maximalauswahlmittel zur Auswahl eines
maximalen Wertes aus wenigstens zwei mit je einer Proportionalverstärkung
multiplizierten Soll-Ist-Differenzen und/oder ein Minimalauswahlmittel
zur Auswahl eines minimalen Wertes aus wenigstens zwei mit je einer
Proportionalverstärkung multiplizierten Soll-Ist-Differenzen
sowie ein Durchschaltmittel zum Durchschalten desjenigen Einzelreglers auf
das Reglerumschaltmittel, dessen mit seiner Proportionalverstärkung
multiplizierte Soll-Ist-Differenz von dem Maximalauswahlmittel und/oder
dem Minimalauswahlmittel ausgewählt ist. Vorzugsweise wählt
dabei das Maximalauswahlmittel einen betragsmäßig
maximalen Wert, das Minimalauswahlmittel einen betragsmäßig
minimalen Wert.
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Damit
wird der Auswahl desjenigen Einzelreglers, der auf das Reglerumschaltmittel
durchgeschaltet wird, so dass seine Stellgröße
auf das Stellorgan ausgegeben wird, eine – durch die jeweilige Proportionalverstärkung
des Einzelreglers gewichtete – Soll-Ist-Differenz der für
diesen Einzelregler maßgeblichen Größe
zugrunde gelegt. Somit wird stets derjenige Einzelregler durchgeschaltet,
bei dem eine Regelung zum Erreichen bzw. Einhalten des Regelziels
der zugehörigen Regelstrecke vordringlich ist. Unterschiedlichen
Größenordnungen oder Prioritäten kann
dabei durch die Proportionalverstärkung unter Berücksichtigung
der Regelstrecke Rechnung getragen werden, so dass beispielsweise
eine quantitativ kleinere Abweichung einer wichtigeren Regelstrecke
Vorrang vor einer quantitativ größeren Abweichung
einer nachrangigen Regelstrecke erhält.
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Mit
einem Regelsystem nach diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung
kann daher einerseits jeder Einzelregler optimal an die von ihm
beeinflusste Regelstrecke angepasst werden. Insbesondere können
unterschiedliche Reglerstrukturen für unterschiedliche
Reglerstrecken eingesetzt werden. Gleichermaßen können
bei Einzelreglern gleicher Struktur unterschiedliche Parameter gewählt
werden, um beispielsweise das Führungs-, Ansprech- und/oder Folgeverhalten
an die jeweilige Regelstrecke anzupassen. Wird ein Einzelregler
verändert, beispielsweise seine Regelparameter geändert,
so wirkt sich dies nicht auf die anderen, insofern unabhängigen Einzelregler
aus, was die Stabilität des Regelsystems deutlich erhöht.
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Bevorzugt
können Einzelregler daher auch unabhängig voneinander
getestet, optimiert oder überprüft werden.
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Andererseits
wird aus den einzelnen Regelstrecken automatisch diejenige ausgewählt,
bei der eine Regelung vordringlich ist, da hier eine besonders große
Abweichung vorliegt. Durch die Multiplikation mit der Proportionalverstärkung
des jeweiligen Einzelreglers können die Soll-Ist-Differenzen
dabei untereinander normiert und gewichtet werden.
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Nach
einer Ausführung der vorliegenden Erfindung umfassen ein
oder mehrere Einzelregler je wenigstens einen Betriebsregler, der
die Dampfturbine entsprechend prozesstechnischer Anforderungen des
Betreibers regelt. So kann beispielsweise eine Leistungsregelung,
eine Vordruckregelung und/oder eine Nachdruckregelung jeweils eine
Regelstrecke mit einem Betriebsregler bilden. Ein solcher Betriebsregler
kann bevorzugt einen Proportionalregler, einen Differentialregler
und/oder einen Integralregler umfassen, es sind also besonders bevorzugt
P-, PI- und PID-Regler als Betriebsregler einsetzbar.
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Zusätzlich
oder alternativ können ein oder mehrere Einzelregler einen
Grenzregler umfassten. Ein Grenzregler verhindert das Über-
bzw. Unterschreiten bestimmter vorgegebener Grenzwerte. So kann
beispielsweise eine Maximaltemperatur und/oder eine Minimaldrehzahl
der Dampfturbine gewährleistet werden.
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In
einer bevorzugten Ausführung werden nun die jeweils mit
der Proportionalverstärkung des Einzelreglers multiplizierten
Soll-Ist-Differenzen aller Betriebsregler und aller Grenzregler,
die ein weiteres Entlasten der Dampfturbine verhindern sollen, dem Maximalauswahlmittel
zugeführt, das hieraus den maximalen Wert auswählt.
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Dabei
korreliert bevorzugt die mit der Proportionalverstärkung
multiplizierte Soll-Ist-Differenz eines Grenzreglers, der ein weiteres
Entlasten der Dampfturbine verhindern soll, mit dem von diesem Einzelregler
angestrebten Dampfmassenstrom, beispielsweise dem Öffnungsgrad
eines Dampfregelventils. So liefert beispielsweise ein Grenzregler,
der eine Mindestdrehzahl der Dampfturbine gewährleisten
soll, eine umso größere Stellgröße,
i. e. einen umso größeren Dampfmassenstrom, je
mehr sich die Ist-Drehzahl dieser vorgegebenen Mindestdrehzahl von
oben annähert. Beispielsweise kann hierzu die Differenz
zwischen einem Nennwert, der größer als der vorgegebene
Minimalwert gewählt ist, und dem Istwert mit der Proportionalverstärkung
multipliziert werden. Als Nennwert kann besonders bevorzugt ein Soll-
oder ein Maximalwert für die jeweilige zu regelnde Größe
vorgegeben werden.
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Erfordert
nun ein Grenzregler, um ein weiteres Entlasten der Dampfturbine
zu verhindern, einen größeren Dampfmassenstrom
als die Betriebsregler, wird dieser Grenzregler von dem Maximalauswahlmittel
ausgewählt. Ergibt sich umgekehrt bei einem Betriebsregler
eine größere mit dessen Proportionalverstärkung
multiplizierte Soll-Ist-Differenz, so wird im allgemeinen dieser
Betriebsregler einen Dampfmassenstrom anstreben, der auch ausreicht,
ein weiteres Entlasten der Dampfturbine zu verhindern. Dementsprechend
wird an Stelle des Grenzreglers in diesem Fall der Betriebsregler
von dem Maximalauswahlmittel ausgewählt.
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Somit
wird in dieser ersten Stufe durch das Maximalauswahlmittel derjenige
Einzelregler ausgewählt, dessen Einsatz am vordringlichsten
ist.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung werden nun die jeweils mit der Proportionalverstärkung
des Einzelreglers multiplizierten Soll-Ist-Differenzen des von dem
Maximalauswahlmittel ausgewählten Einzelreglers und aller
Grenzregler, die ein weiteres Belasten der Dampfturbine verhindern
sollen, dem Minimalauswahlmittel zugeführt, das hieraus
den minimalen Wert auswählt.
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Dabei
korreliert bevorzugt die mit der Proportionalverstärkung
multiplizierte Soll-Ist-Differenz eines Grenzreglers, der ein weiteres
Belasten der Dampfturbine verhindern soll, mit dem von diesem Einzelregler
angestrebten Dampfmassenstrom, beispielsweise dem Öffnungsgrad
eines Dampfregelventils. So liefert beispielsweise ein Grenzregler,
der eine Maximaltemperatur der Dampfturbine gewährleisten
soll, eine umso kleinere Stellgröße, i. e. einen umso
kleineren Dampfmassenstrom, je mehr sich die Ist-Temperatur dieser
vorgegebenen Maximaltemperatur von unten annähert. Beispielsweise
kann hierzu die Differenz zwischen dem vorgegebene Maximalwert und
dem Istwert mit der Proportionalverstärkung multipliziert
werden.
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Erfordert
also ein Grenzregler, um ein weiteres Belasten der Dampfturbine
zu verhindern, einen kleineren Dampfmassenstrom als der in der ersten Stufe
ausgewählte Einzelregler, wird dieser Grenzregler von dem
Minimalauswahlmittel ausgewählt. Ergibt sich umgekehrt
bei dem in der ersten Stufe ausgewählten Einzelregler eine
kleinere mit dessen Proportionalverstärkung multiplizierte
Soll-Ist-Differenz, so wird im allgemeinen dieser Einzelregler einen
Dampfmassenstrom anstreben, der auch ausreicht, ein weiteres Belasten
der Dampfturbine zu verhindern.
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Somit
wird in dieser zweiten Stufe durch das Minimalauswahlmittel derjenige
Einzelregler ausgewählt, dessen Einsatz insgesamt am vordringlichsten ist.
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Besonders
bevorzugt ist also das Minimalauswahlmittel dem Maximalauswahlmittel
nachgeschaltet, wobei die jeweils mit der Proportionalverstärkung
des Einzelreglers multiplizierten Soll-Ist-Differenzen aller Betriebsregler
und aller Grenzregler, die ein weiteres Entlasten der Dampfturbine
verhindern sollen, dem Maximalauswahlmittel zugeführt, und
anschließend die jeweils mit der Proportionalverstärkung
des Einzelreglers multiplizierten Soll-Ist-Differenzen des von dem
Maximalauswahlmittel ausgewählten Einzelreglers und aller
Grenzregler, die ein weiteres Belasten der Dampfturbine verhindern
sollen, dem Minimalauswahlmittel zugeführt werden.
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Sind
keine Grenzregler vorgesehen, die ein weiteres Belasten der Dampfturbine
verhindern sollen, kann die zweite Stufe entfallen. Sind umgekehrt keine
Grenzregler vorgesehen, die ein weiteres Entlasten der Dampfturbine
verhindern sollen, können die erste Stufe entfallen und
die jeweils mit der Proportionalverstärkung multiplizierten
Soll-Ist-Differenzen aller Betriebsregler und der Grenzregler, die
ein weiteres Belasten der Dampfturbine verhindern sollen, dem Minimalauswahlmittel
zugeführt werden. Sind überhaupt keine Grenzregler
vorgesehen, so werden bevorzugt die jeweils mit der Proportionalverstärkung
multiplizierten Soll-Ist-Differenzen aller Betriebsregler dem Maximalauswahlmittel
zugeführt, um so den Einzelregler durchzuschalten, der
am vordringlichsten ist, da seine mit der Proportionalverstärkung
gewichtete Regelabweichung am größten ist.
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Bevorzugt
kann jedem Einzelregler ein Aktivierungssignal von dem Durchschaltmittel
zugeführt werden.
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Insbesondere
kann dem ausgewählten Einzelregler ein erstes Aktivierungssignal
und jedem anderen Einzelregler der Einzelregler-Anordnung ein zweites
Aktivierungssignal und die von dem Reglerumschaltmittel ausgegebene
Stellgröße zugeführt werden. Dies ermöglicht
es, die nicht ausgewählten Einzelregler der Einzelregler-Anordnung
entsprechend der an das Stellorgan ausgegebenen Stellgröße
nachzuführen. Hierzu kann beispielsweise der I-Anteil dieser
Einzelregler mit der Differenz (ausgegeben Stellgröße
minus mit der Proportionalverstärkung multiplizierte Soll-Ist-Differenz
dieses Reglers) nachgeführt werden.
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Wird
aufgrund einer geänderten Betriebssituation, beispielsweise
einer geänderten Sollleistung der Dampfturbine, nun einer
der bisher nicht ausgewählten Einzelregler von dem Reglerauswahlmittel ausgewählt,
so entspricht die von diesem neu ausgewählten Einzelregler
ausgegebene Stellgröße zum Zeitpunkt des Umschaltens
auf diesen Einzelregler der bisher von dem Reglerumschaltmittel
ausgegeben Stellgröße. Hierdurch kann das Umschalten
zwischen verschiedenen Einzelreglern stoßfrei erfolgen. Zudem
kann der nun durchgeschaltete Einzelregler unverzüglich
eingreifen und muss nicht erst, beispielsweise durch einen langen
Integrationsvorgang, auf die aktuelle Stellgröße
des Stellorgans hingeführt werden.
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Beispielsweise
bei Entnahme-Dampfturbinen können durch eine Verbundregelung
minimale und/oder maximale Stellgrößenbegrenzungen
dynamisch oder statisch vorgegeben werden, um die Leistungen der
einzelnen Turbinen des Verbundes zu optimieren. Beispielsweise kann
der Dampfmassenstrom einer Dampfturbine durch die Verbundregelung begrenzt
werden, um eine andere Dampfturbine stärker auszulasten.
In diesem Fall gibt die Verbundregelung extern eine entsprechende
maximale Stellgrößenbegrenzung vor, die den Dampfmassenstrom
auf einen geringeren Wert begrenzt als der ausgewählte Einzelregler
des Regelsystems.
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Daher
weist in einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden
Erfindung das Durchschaltmittel ein Stellgrößenbegrenzungsmittel
zum Durchschalten einer maximalen oder minimalen Stellgröße auf
das Reglerumschaltmittel auf. Wenn die von dem ausgewählten
Einzelregler ausgegebene Stellgröße einen, beispielsweise
extern durch eine Verbundregelung, vorgegeben Extremwert über-
bzw. unterschreitet, wird eine maximale bzw. minimale Stellgröße
auf das Reglerumschaltmittel durchgeschaltet, um an Stelle der Stellgröße
des durchgeschalteten Einzelreglers auf das Stellorgan ausgegeben
zu werden. Damit kann das Regelsystem unabhängig von den
Einzelreglern auch externe Stellgrößenbegrenzungen
umsetzen.
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Bevorzugt
wird, wenn die von dem ausgewählten Einzelregler ausgegebene
Stellgröße einen vorgegeben Extremwert über-
bzw. unterschreitet, jedem Einzelregler der Einzelregler-Anordnung
das zweite Aktivierungssignal von dem Durchschaltmittel und die
von dem Reglerumschaltmittel ausgegebene Stellgröße
zugeführt wird. Somit wird jeder Einzelregler, entsprechend
der von dem Reglerumschaltmittel ausgegebenen Stellgröße
nachgeführt, so dass jeder der Einzelregler stoßfrei
durchgeschaltet werden kann, sobald erkannt wird, dass der von dem
Regerlauswahlmittel ausgewählte Einzelregler eine Stellgröße
ausgibt, die innerhalb der durch das Stellgrößenbegrenzungsmittel
vorgegebenen Grenzen, i. e. über einer minimalen Stellgröße
und/oder unter einer maximalen Stellgröße liegt,
der Einzelregler also die Grenze wieder in zulässiger Richtung
verlassen will.
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Hierzu
können die Einzelregler, denen das zweite Aktivierungssignal
zugeführt wird, wie vorstehend beschrieben nachgeführt
werden.
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Bevorzugt
verhindert die erfindungsgemäße Regelung, dass
im Fall transienter Vorgänge, beispielsweise einem Öffnen
eines Generator-Leistungsschalters die Drehzahl der Dampfturbine
so stark ansteigt, dass ein Überdrehzahltrip ausgelöst wird.
Insbesondere zu diesem Zweck kann das Reglerumschaltmittel ein Sonder-Stellgrößen-Ausgabemittel
zur Ausgabe einer von den Stellgrößen der Einzelregler
unabhängigen Stellgröße umfassen.
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Wenn
nun ein transienter Vorgang, insbesondere ein Öffnen eines
Generator-Leistungsschalters, erkannt wird, wird von dem Reglerumschaltmittel
auf das Stellorgan diese von den Stellgrößen der Einzelregler
unabhängige Stellgröße ausgegeben. Diese
Stellgröße kann beispielsweise einem nahezu oder
vollständig geschlossenen Stellorgan, insbesondere einem
Dampfregelventil mit 0% Durchlass entsprechen.
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Dies
bewirkt zunächst ein nahezu oder völliges Zufahren
des Stellorgans. Ein anschließend eingeschalteter Drehzahl-Einzelregler
kann dann die Regelung bei nahezu geschlossenem Stellorgan übernehmen
und die Drehzahl der Dampfturbine unter der Auslösedrehzahl
des Turbinenschutzes halten.
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Bevorzugt
werden dabei die Einzelregler entsprechend der von dem Sonder-Stellgrößen-Ausgabemittel
ausgegebenen Stellgröße nachgeführt.
Hierzu werden, wie vorstehend beschrieben, zunächst jedem
Einzelregler das zweite Aktivierungssignal und die ausgegebene Stellgröße
zugeführt. Sobald das Sonder-Stellgrößen-Ausgabemittel
keine Stellgröße mehr ausgibt oder erkannt wird,
dass ein Einzelregler, beispielsweise ein Drehzahl-Einzelregler
eine entsprechende Stellgröße ausgibt, wird dieser
Einzelregler ausgewählt und übernimmt stoßfrei
die Regelung.
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Nach
einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung
ist das Regelsystem modular aufgebaut. Dabei können einzelne
oder alle Einzelregler der Einzelregler-Anordnung, das Reglerauswahlmittel
und/oder das Reglerumschaltmittel modular ausgebildet sein.
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Da
der jeweilige Einzelregler, dessen Stellgröße
dem Stellorgan zugeführt wird, von dem Reglerauswahlmittel
ausgewählt wird, können einfach Einzelregler entfernt,
durch andere Einzelregler ersetzt und/oder weitere Einzelregler
hinzugefügt werden, wozu das Reglerauswahlmittel und/oder
das Reglerumschaltmittel vorteilhafterweise entsprechende weitere
Anschlüsse aufweisen können. Alternativ können
das Reglerauswahlmittel und/oder das Reglerumschaltmittel auch durch
entsprechende Mittel ausgetauscht werden, die für die entsprechende Anzahl
an Einzelreglern vorgesehen sind. Gleichermaßen können
auch Reglerauswahlmittel und/oder Reglerumschaltmittel durch entsprechende
Mittel ersetzt werden, die ein Stellgrößenbegrenzungsmittel und/oder
ein Sonder-Stellgrößen-Ausgabemittel aufweisen.
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Ausführungsbeispielen.
Hierzu zeigt, teilweise schematisiert, die einzige
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1 ein
Regelsystem nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt
ein Regelsystem nach einer Ausführung der vorliegenden
Erfindung mit vier Einzelreglern 10_i (i = 1 bis 4), die
zusammen eine Einzelregler-Anordnung 10 bilden.
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Dabei
umfasst der erste Einzelregler 10_1 einen Betriebsregler
in Form eines PI-Reglers zur Regelung der Kupplungsleistung einer
Dampfturbine (nicht dargestellt). Dem Einzelregler 10_1,
dessen Proportionalregler eine Proportionalverstärkung
kp_1 aufweist, wird eine Soll-Ist-Differenz xd_1 zwischen einer
variablen, extern vorgebbaren Sollleistung und einer an einem mit
der Dampfturbine gekoppelten Generator (nicht dargestellt) gemessenen
Ist-Leistung zugeführt, die der Integralregler des Einzelreglers 10_1 numerisch
integriert. Der I-Anteil dient dazu, über der Zeit die
angeforderte Leistung abzugeben. Dieser PI-Regler ist für
die Regelstrecke Dampfmassenstrom → Dampfturbine → Getriebe → Generator
optimiert.
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Der
zweite Einzelregler 10_2 umfasst einen PID-Regler zur Drehzahlregelung
der Dampfturbine, dessen Proportionalregler eine Proportionalverstärkung
kp_2 aufweist. Dem Einzelregler 10_2 wird eine Soll-Ist-Differenz
xd_2 zwischen einer – beispielsweise durch die Synchrondrehzahl
des Generators vorgegebenen – Soll-Drehzahl und einer an
der Abtriebswelle der Dampfturbine gemessenen Ist-Drehzahl zugeführt,
die der Differentialregler des Einzelreglers 10_2 numerisch
differenziert. Der D-Anteil dient dazu, ein Überschwingen
beim Einregeln der Soll-Drehzahl zu dämpfen. Dieser PID-Regler
ist für die Regelstrecke Dampfmassenstrom – Drehzahl
der Dampfturbine mit gekoppeltem Generator in einer elektrischen
Insel (nicht am öffentlichen Netz) optimiert.
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Der
dritte Einzelregler 10_3 realisiert einen Grenzregler zur Überwachung
des Dampfmassenstromes. Fällt dieser plötzlich
stark ab, kann es zu einem starken Druckabfall verbunden mit einer
starken Absenkung der Dampftemperatur kommen.
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Trifft
dann kalter Dampf auf die noch heiße Turbinenwelle, kann
dies zu Schäden an der Dampfturbine führen. Da
ein zu großer Druckabfall die Dampfturbine somit beschädigen
würde, soll dieser Grenzregler ein langsames Absenken des
Frischdampfdruckes bewirken (Somit wird eine starke Temperaturabsenkung
verhindert).
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Hierzu
wird die Differenz xd_3 zwischen einem Dampfmassenstrom-Nennwert
(dem Sollwert), der größer als ein Dampfmassenstrom-Minimalwert gewählt
ist, bei dem ein zu starker Druckabfall verhindert wird, und beispielsweise
einem maximal zulässigen Dampfmassenstrom oder dem Dampfmassenstrom
bei maximal geöffnetem Dampfregelventil entsprechen kann,
und einem tatsächlich gemessenen eintrittsseitigen Dampfmassenstrom
(dem Istwert) mit der Proportionalverstärkung kp_3 multipliziert. Die
mit der Proportionalverstärkung kp_3 multiplizierte Soll-Ist-Differenz
xd_3 entspricht dem von diesem Einzelregler 10_3 angestrebten
Dampfmassenstrom bzw. der Öffnung eines Dampfregelventils:
je mehr sich der gemessene Dampfmassenstrom von dem Dampfmassenstrom-Nennwert,
beispielsweise einem maximal zulässigen Dampfmassenstrom
hin zu einem kleineren Dampfmassenstrom entfernt und damit umgekehrt
dem zulässigen Minimaldampfmassenstrom nähert,
i. e. je größer die Soll-Ist-Differenz xd_3 wird,
desto stärker will der Grenzregler 10_3 die Dampfzufuhr
zur Turbine erhöhen.
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Alternativ
kann die Stellgröße u_3 des Grenzreglers 10_3 beispielsweise
auch einem exponentiellen Zusammenhang gehorchen, beispielsweise
kp_3 × exd_3, oder einem ähnlichen
Zusammenhang, beispielsweise kp_3 × tan (π/2 – xd_3),
gehorchen, wobei xd_3 jeweils geeignet normiert ist, so dass der
Grenzregler erst in der Nähe von xd_3 = 0 eine entsprechend
große Stellgröße, etwa u_3 = 100% ausgibt.
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Bei
dem vierten Einzelregler 10_4 handelt es sich um einen
Grenzregler zur Überwachung der Temperatur. Hierzu wird
ein an einer thermisch hochbelasteten Stelle der Dampfturbine gemessene
Temperatur T mit einer zulässigen Maximaltemperatur T_max
verglichen. Da ein größerer Massenstrom an heißem
Dampf die Dampfturbine weiter aufheizt, soll dieser Grenzregler
eine weitere Belastung der Dampfturbine verhindern. Hierzu wird
dem Einzelregler 10_4 die Differenz xd_4 zwischen der vorgegebene
Maximaltemperatur T_max und der gemessenen Temperatur T zugeführt.
Die mit einer Proportionalverstärkung kp_4 multiplizierte
Soll-Ist-Differenz xd_4 entspricht dem von diesem Einzelregler 10_4 angestrebten
Dampfmassenstrom bzw. der Öffnung eines Dampfregelventils:
je mehr sich die gemessene der zulässigen Maximaltemperatur
nähert, i. e. je kleiner die Soll-Ist-Differenz xd_4 wird,
desto geringer will der Grenzregler 10_4 die Dampfzufuhr
zur Turbine einstellen. Auch hier kann beispielsweise an Stelle
des linearen ein exponentieller Zusammenhang zwischen Regeldifferenz
xd_4 und Stellgröße u_4 vorgegeben sein, wie vorstehend
mit Bezug auf den Grenzregler 10_3 beschrieben.
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Die
mit der jeweiligen Proportionalverstärkung kp_1, kp_2 bzw.
kp_3 multiplizierten Soll-Ist-Differenzen xd_1, xd_2 und xd_3 der
beiden Betriebsregler 10_1 und 10_2 bzw. des Grenzreglers 10_3 werden
einem Maximalauswahlmittel 20.1 zugeführt. Dieses
wählt den Einzelregler aus, dessen mit der jeweiligen Proportionalverstärkung
multiplizierte Soll-Ist-Differenzen am größten
ist.
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Nimmt
beispielsweise durch eine Störung bei der Dampferzeugung
der Dampfmassenstrom ab, so würde zunächst die
Turbinendrehzahl und in der Folge die Kupplungsleistung der Dampfturbine
absinken. Gleichzeitig würde sich der Dampfmassenstrom von
dem Dampfmassenstrom-Nennwert entfernen. Dementsprechend würden
sich die Soll-Ist-Differenzen xd_1 bis xd_3 vergrößern.
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Rein
exemplarisch sei angenommen, dass dabei die Turbinendrehzahl am
sensibelsten reagiert, i. e. am raschesten und stärksten
abnimmt. Dann wäre die mit der Proportionalverstärkung
kp_2 multiplizierte Soll-Ist-Differenz xd_2 am größten,
so dass das Maximalauswahlmittel 20.1 den zweiten Einzelregler 10_2 auswählt.
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Die
von diesem Einzelregler ausgegeben Stellgröße
u_2 würde zu einer Vergrößerung des Dampfmassenstromes
führen, die groß genug wäre, auch ein
Absinken des Dampfmassenstromes unter den Dampfmassenstrom-Minimalwert
zu verhindern. Denn der entsprechende dritte Einzelregler 10_3 würde,
um eine weitere Entlastung der Dampfturbine zu verhindern, aufgrund
der kleineren gewichteten Soll-Ist-Differenz xd_3 × kp_3
nur eine geringere Stellgröße u_3 ausgeben, i.
e. einen kleineren Dampfmassenstrom einstellen. Daher reicht die
von dem ausgewählten zweiten Einzelregler 10_2 ausgegeben
Stellgröße u_2 hierfür erst recht. Gleiches
gilt entsprechend für den ersten Einzelregler 10_1 und die
abgegeben Turbinenleistung.
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Somit
wird in der ersten Stufe vorteilhafterweise der vordringlichste
Einzelregler 10_2 ausgewählt, seine mit der Proportionalverstärkung
kp_2 multiplizierten Soll-Ist-Differenz xd_2 bildet die maximale
gewichtetet Soll-Ist-Differenz (xd × kp)_max der ersten
Stufe.
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Diese
wird zusammen mit der mit der Proportionalverstärkung kp_4
multiplizierten Soll-Ist-Differenz xd_4 des Grenzreglers 10_4 einem
nachgeschalteten Minimalauswahlmittel 20.2 zugeführt.
Dieses wählt den Einzelregler aus, dessen mit der jeweiligen
Proportionalverstärkung multiplizierte Soll-Ist-Differenzen
am kleinsten ist.
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In
dem angenommenen Beispiel sinkt aufgrund des verringerten Dampfmassenstromes
zunächst die Temperatur in der Dampfturbine leicht ab. Der
vierte Einzelregler 10_4 würde daher, um eine weitere
Belastung der Dampfturbine zu verhindern, aufgrund der entsprechend
kleinen gewichteten Soll-Ist-Differenz xd_4 × kp_4 eine
große Stellgröße u_4 ausgeben, i. e.
einen großen Dampfmassenstrom zulassen.
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Rein
exemplarisch sei angenommen, dass der von dem ausgewählten
zweiten Einzelregler 10_2 angestrebte Dampfmassenstrom,
der aufgrund des P-Reglers des Betriebsreglers 10_2 im
Wesentlichen mit dessen gewichteter Soll-Ist-Differenz (xd × kp)_max
korrespondiert, kleiner ist als der von dem vierten Einzelregler 10_4 als
zulässig erachtete. Dann wäre die maximale gewichtetet
Soll-Ist-Differenz (xd × kp)_max der ersten Stufe kleiner
als die gewichteten Soll-Ist-Differenz xd_4 × kp_4 des
vierten Einzelreglers 10_4, so dass das Minimalauswahlmittel 20.2 wiederum
den zweiten Einzelregler 10_2 auswählt.
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Daher
schaltet ein Durchschaltmittel 20.3 schließlich
diesen Einzelregler 10_2 auf ein Reglerumschaltmittel 30 durch.
Sofern keine weiteren Randbedingungen vorliegen, die nachfolgend
näher erläutert werden, gibt dementsprechend das
Reglerumschaltmittel 30 die entsprechende Stellgröße
u = u_2 des ausgewählten Einzelreglers 10_2 auf
ein Dampfregelventil (nicht dargestellt) der Dampfturbine aus. Dieses
stellt den durch die Stellgröße u, die im Ausführungsbeispiel
dem Öffnungsgrad des Dampfregelventils entspricht, vorgegebenen
Dampfmassenstrom ein.
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Aufgrund
der vorstehend erläuterten Auswahl des Einzelreglers ist
sichergestellt, dass der vordringlichste Einzelregler durchgeschaltet
wird und regelnd auf die Dampfturbine einwirkt. Zudem befriedigt,
wie vorstehend ausgeführt, dieser Regeleingriff auch die
Regelziele der anderen Einzelregler.
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Das
Durchschaltmittel 20.3 führt jedem Einzelregler 10_i ein
Aktivierungssignal a_i zu. Dem durch das Reglerauswahlmittel 20 ausgewählten Regler,
im oben erläuterten Beispiel dem zweiten Einzelregler 10_2,
wird ein erstes Aktivierungssignal TRUE zugeführt (a_2
= TRUE), das diesen Einzelregler aktiviert. Der aktivierte Einzelregler 10_2 arbeitet
im normalen Regelmodus, i. e. gibt eine Stellgröße
u_2 entsprechend der ihm zugeführten Soll-Ist-Differenz
xd_2, seiner Proportionalverstärkung kp_2, seiner Differentialverstärkung
und der durch Zeitdifferentiation der Soll-Ist-Differenz xd_2 gewonnenen
Soll-Ist-Änderungsdifferenz d(xd_2)/dt aus.
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Den
nicht ausgewählten Einzelreglern 10_1, 10_3, 10_4 wird
ein zweites Aktivierungssignal FALSE zugeführt (a_1 = FALSE,
a_2 = FALSE bzw. a_3 = FALSE). Dieses zweite Aktivierungssignal
schaltet den jeweiligen Einzelregler in einen Nachführmodus.
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In
diesem Nachführmodus wird die Stellgröße
des jeweiligen Einzelreglers auf die auf das Stellglied ausgegebene
Stellgröße, beispielsweise mit der Differenz zwischen
der durchgeschalteten Stellgröße u und der gewichteten
Stellgröße des Einzelreglers nachgeführt.
Hierzu wird beispielsweise im ersten Betriebsregler dessen Integral-Anteil
mit der Differenz u – kp_1 × xd_1 nachgeführt.
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Im
oben dargestellten Beispielsfall eines Abfalls des Dampfmassenstromes
führt die durchgeschaltete Stellgröße
des zweiten Einzelreglers 10_2, i. e. des Drehzahlreglers
dazu, dass die Dampfturbine mit einem höheren Dampfmassenstrom
versorgt wird. Dies kann, wiederum rein exemplarisch, dazu führen,
dass die Temperatur T der Dampfturbine sich zunehmend der maximal
zulässigen Temperatur T_max nähert. Infolgedessen
verringert sich die gewichtete Soll-Ist-Differenz kp_4 × xd_4,
i. e. der Dampfmassenstrom, den der vierte Einzelregler 10_4 einstellen
würde, um die Temperatur unterhalb der maximal zulässigen
Temperatur zu halten.
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Daher
würde im weiteren Verlauf das Minimalauswahlmittel 20.2 nun
den vierten Einzelregler 10_4 auswählen. Dementsprechend
schaltet nun das Durchschaltmittel 20.3 diesen Einzelregler 10_4 auf das
Reglerumschaltmittel 30 durch, das nun die entsprechende
Stellgröße u = u_4 des ausgewählten Einzelreglers 10_4 auf
das Dampfregelventil der Dampfturbine ausgibt. Dieses stellt den
durch die Stellgröße u, die im Ausführungsbeispiel
dem Öffnungsgrad des Dampfregelventils entspricht, vorgegebenen
Dampfmassenstrom ein und verhindert damit ein unzulässiges
Ansteigen der Temperatur, wobei ein gewisses Absinken der Drehzahl
und der Leistung in Kauf genommen wird.
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Somit
wird wiederum der vordringlichste Einzelregler durchgeschaltet.
Der erste, zweite und dritte, nicht ausgewählte Einzelregler 10_1, 10_2 bzw. 10_3 erhält
nun das zweite Aktivierungssignal a_1 = FALSE, a_2 = FALSE bzw.
a_3 = FALSE und wird somit in den Nachführmodus geschaltet,
während dem vierten, nun ausgewählten Einzelregler 10_4 das
erste Aktivierungssignal a_4 = TRUE zugeführt wird.
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Da
der vierte Einzelregler 10_4 zunächst auf die
Stellgröße u des zweiten Einzelreglers 10_2 nachgeführt
worden ist, solange dem zweiten Einzelregler das erste Aktivierungssignal
a_2 = TRUE und dem vierten Einzelregler 10_4 das zweite
Aktivierungssignal a_4 = FALSE zugeführt wurde, entspricht in
dem Moment, in dem der vierte Einzelregler 10_4 ausgewählt
und durchgeschaltet wird, dessen Stellgröße u_4
der bisher auf das Stellorgan ausgegeben Stellgröße
u_2. Somit erfolgt das Umschalten zwischen zweitem und viertem Einzelregler
stoßfrei, was vorteilhafterweise plötzliche Sprünge
in der Stellgröße und damit verbundene reglerinduzierte
Schwingungen und Belastungen des Stellorgans vermeidet.
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Weiterhin
exemplarisch sei angenommen, dass der vierte Einzelregler 10_4 aufgrund
eines weiteren Temperaturanstieges, beispielsweise aufgrund steigender
Umgebungsbedingungen, seine Stellgröße u_4 soweit
verringert, dass eine minimale Stellgröße erreicht
wird, die von einer externen Verbundregelung (nicht dargestellt)
vorgegeben ist. Die externe Verbundregelung kann beispielsweise
einen minimalen Dampfmassenstrom durch die Dampfturbine vorsehen,
um die Dampfmassenströme im Verbundsystem geeignet zu verteilen
und eine Überlastung anderer Dampfturbinen zu vermeiden.
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In
diesem Fall schaltet ein Stellgrößenbegrenzungsmittel
(nicht dargestellt) diese extern vorgegebene minimale Stellgröße
auf das Reglerumschaltmittel 30 durch, die infolgedessen
an Stelle der Stellgröße u_4 des ausgewählten
Einzelreglers 10_4 auf das Stellorgan ausgegeben wird.
Auf diese Weise kann die Regelung der einzelnen Dampfturbine durch
die Verbundregelung übersteuert werden.
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Schließlich
sei, wiederum exemplarisch, angenommen, dass ein Generator-Leistungsschalter (nicht
dargestellt) geöffnet wird. Dieser transiente Vorgang führt
zu einer Erhöhung der Drehzahl der Turbine. Um nun einen Überdrehzahltrip
zu verhindern, gibt, sobald der transiente Vorgang erkannt wird,
ein Sonder-Stellgrößen-Ausgabemittel (nicht dargestellt)
eine von den Stellgrößen der Einzelregler 10_i unabhängige
Stellgröße, beispielsweise u = 0% Öffnung
aus. Dies bewirkt ein Zufahren des Dampfregelventils und verhindert
den Überdrehzahltrip. Anschließend übernimmt
der zweite Einzelregler 10_2, der die Drehzahl überwacht,
die Regelung bei (nahezu) geschlossenem Dampfregelventil.
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Hierdurch
kann die Drehzahl der Dampfturbine stets unterhalb der Auslösedrehzahl
des Turbinenschutzes gehalten werden. Ohne das Sonder-Stellgrößen-Ausgabemittel,
dass bei Erkennen des transienten Vorganges die von den Stellgrößen der
Einzelregler unabhängige Stellgröße,
hier exemplarisch 0% ausgibt, damit das Dampfregelventil nahezu
schließt und eine Erhöhung der Dampfturbinendrehzahl
auf die Auslösedrehzahl des Turbinenschutzes verhindert,
könnte die Turbinendrehzahl beim Öffnen des Generator-Leistungsschalters
bereits auf diese Auslösedrehzahl ansteigen, bevor einer
der Einzelregler, insbesondere der zweite Einzelregler 10_2,
stark genug regelnd eingreift. Durch die Ausgabe einer geeigneten,
von der Soll-Ist-Differenz unabhängigen Stellgröße
kann so vorausschauend geregelt werden, ohne dass bereits eine entsprechende Soll-Ist-Differenz
vorliegen muss.
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Bevorzugt
wird allen Einzelreglern das zweite Aktivierungssignal und die von
den Stellgrößen der Einzelregler unabhängige
Stellgröße zugeführt, sobald das Sonder-Stellgrößen-Ausgabemittel
den transienten Vorgang erkennt und die die von den Stellgrößen
der Einzelregler unabhängige Stellgröße ausgibt.
Somit werden alle Einzelregler zunächst auf diese Stellgröße
nachgeführt und können anschließend die
Regelung der Dampfturbine übernehmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19528601
A1 [0009, 0010]