DE102014205627B3 - Zustandsbeobachter für einen Dampferzeuger eines Dampfkraftwerks - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zustandsbeobachter (10) für einen Dampferzeuger (1) eines Dampfkraftwerks (2). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Zustandsbeobachter (10) ein Mehrgrößenzustandsbeobachter ist, welcher einen auf eine linear-quadratische Zustandsrückführung ausgelegten Kalman-Filter (13) aufweist. Der Zustandsbeobachter kann zu einer Validierung von Messgrößen des Dampferzeugers des Dampfkraftwerks eingesetzt werden, wobei Messgrößen des Dampferzeugers (1) mit Ausgangsgrößen des Zustandsbeobachters (10) verglichen werden.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Zustandsbeobachter für einen Dampferzeuger eines Dampfkraftwerks.
• Dampfkraftwerke sind weithin bekannt, beispielsweise aus http://de.wikipedia.org/wiki/Dampfkraftwerk (erhältlich am 21.03.2014).
• Ein Dampfkraftwerk ist eine Bauart eines Kraftwerks zur Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen, bei der eine thermische Energie von Wasserdampf in meist einer mehrteiligen Dampfturbine in Bewegungsenergie umgesetzt und weiter in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt wird.
• Bei einem solchen Dampfkraftwerk wird ein Brennstoff, beispielsweise Kohle, in einem Brennerraum verbrannt, wodurch Wärme frei wird.
• Die dadurch frei werdende Wärme wird von einem Dampferzeuger, d. h. in einem Kraftwerkskessel, bestehend aus einem Verdampfer(-teil), kurz nur Verdampfer, und einem (gegebenenfalls mehrstufigen) Überhitzer(-teil), kurz nur Überhitzer, aufgenommen.
• Im Verdampfer wird dort eingespeistes, zuvor gereinigtes und aufbereitetes (Speise-)Wasser in Wasserdampf/Hochdruckdampf umgewandelt.
• Durch weiteres Erwärmen des Wasserdampfes/Hochdruckdampfes im Überhitzer wird der Dampf auf die für den „Verbraucher” notwendige Temperatur gebracht, wobei Temperatur und spezifisches Volumen des Dampfes zunehmen. Die Überhitzung des Dampfes erfolgt dadurch, dass der Dampf in mehreren Stufen durch beheizte Rohrbündel geleitet wird – den so genannten Überhitzerstufen.
• Der so erzeugte Hochdruck(-frisch-)dampf tritt weiter in eine – meist mehrteilige – Dampfturbine bei dem Dampfkraftwerk ein und verrichtet dort unter Entspannung und Abkühlung mechanische Arbeit.
• Es ist bekannt zur Regelung von Dampfkraftwerken, d. h. zur Regelung von dortigen (physikalischen) Zustandsgrößen, wie Temperatur oder Druck, des Speisewassers bzw. (Frisch-)Dampfes, für jede Regelaufgabe grundsätzlich einen einzelnen und eindeutig zugeordneten Regler vorzusehen (Eingrößenzustandsregler/-regelung; Single-Input-Single-Output-Regler/-Regelkreis (SISO)).
• Eine solche (Eingrößenzustands-)Regelung der Dampftemperatur (Regelgröße) bei einem Dampfkraftwerk erfolgt beispielsweise durch Einspritzen von Wasser (Stellgröße) in die Dampfleitung vor dem Dampferzeuger bzw. vor dem Verdampfer und den Überhitzerstufen über entsprechende Einspritzventile eines Einspritzkühlers. Eine (weitere) (Eingrößenzustands-)Regelung des Dampfdrucks (Regelgröße) bei dem Dampfkraftwerk erfolgt beispielsweise durch Zuführung von Brennstoff/-massenstrom (Stellgröße) in den Brennerraum des Dampferzeugers.
• Aus der EP 2 244 011 A1 ist eine solche (Eingrößen-)Zustandsregelung der Dampftemperatur (mit dem Einspritzmassenstrom als Stellgröße) bei einem Dampfkraftwerk bekannt.
• Aus der EP 0 128 593 B1 ist ein Verfahren zum Steuern eines Betriebs eines thermoelektrischen Kraftwerks mit einem Kessel zur Dampferzeugung und einer mit diesem Dampf angetriebenen Dampfturbine bekannt, wobei Schätzungen verschiedener für die Steuerung relevanter Größen stattfinden. Neben der Temperatur des erzeugten Dampfes und der Temperaturverteilung wird auch die erwartete thermische Spannung in einem ausgewählten Spannungs-Auswertabschnitt des Kessels oder der Turbine geschätzt.
• In der US-amerikanischen Patentanmeldung US 2007/0156288 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schätzung und/oder Regelung von Quecksilber-Emissionen in einer Dampferzeugereinheit offenbart. Ein Modell der dampferzeugenden Einheit wird genutzt, um die Quecksilber-Emissionen vorauszusagen. Ein Optimierer kann in Verbindung mit dem Modell, welches eine Vielzahl von Eingangsgrößen für die Stellgrößen und Störvariablen der Dampferzeugereinheit erhält, genutzt werden, um optimale Sollwerte für die Stellgrößen zu bestimmen.
• In dem US-amerikanischen Patent US 7,401,577 B2 ist eine Echtzeit-Optimierung und Regelung einer sauerstoffgestützten Verbrennung in einem Dampferzeuger eines Dampfkraftwerks offenbart, in welcher ein Mehrgrößenregler, der ein linear quadratischer Regler (LQR) ist, zur Anwendung kommt.
• Aus dem US-amerikanischen Patent US 5,991,525 ist ein Verfahren zur Schätzung von Zustandsvariablen eines nichtlinearen Systems mit exogenen Eingängen basierend auf einem erweiterten Kalmann-Filter (Extended Kalman Filtering EKF) bekannt. Damit ist eine Zustands-Schätzung und -Regelung eines nichtlinearen Systems in Echtzeit möglich.
• Die (Eingrößen-)Zustandsregelung bei der EP 2 244 011 A1 sieht auch einen linearen quadratischen Regler (LQR) vor.
• Bei dem LQR, handelt es sich um einen Zustandsregler, dessen Parameter derart bestimmt werden, dass ein Gütekriterium für die Regelqualität optimiert wird.
• Das Gütekriterium für die linear-quadratische Regelung beachtet dabei auch den Zusammenhang der Größen, Stellgröße u und Regelgröße y. Dabei können Prioritäten durch die Q_y- und R-Matrix bestimmt werden. Der Gütewert J bestimmt sich nach:

  
• Das statische Optimierungsproblem dazu, das durch die linear quadratische Regelung gelöst wird, lautet (mit K als Reglermatrix und x₀ als Anfangszustand):

  
• Ferner ist es bekannt, bei einer (Eingrößen-)Zustandsregelung verwendete, aber nicht messbare Zustandsgrößen, wie Dampfzustände/-temperaturen im Überhitzer, mittels einer Beobachterschaltung bzw. mittels eines Beobachters zu schätzen (Zustandsbeobachter).
• Als Beobachter – für solche nicht messbaren Dampfzustände/-temperaturen im Überhitzer des Dampfkraftwerks – wird bei der EP 2 244 011 A1 ein Kalman-Filter verwendet, der ebenfalls nach dem LQR-Prinzip ausgelegt wird. Das Zusammenspiel des LQR mit dem Kalman-Filter wird als LQG(Linear Quadratic Gaussian)-Algorithmus bezeichnet.
• Das – nach der EP 2 244 011 A1 – eingesetzte LQG-Verfahren bezieht sich aber auf ein lineares Regelungsproblem, wohingegen der Einspritzmassenstrom als Stellgröße der (Eingrößen-)Zustandsregelung in nichtlinearer Weise auf die Regelgröße Temperatur wirkt.
• Durch eine, nach der EP 2 244 011 A1 weiter auch vorgesehene – konsequente Umrechnung aller Temperaturmess- und -sollwerte auf Enthalpien wird eine Linearisierung des Regelungsproblems erreicht, da zwischen dem Einspritzmassenstrom und der Dampfenthalpie ein linearer Zusammenhang besteht.
• Die Umrechnung – von Temperatur in Enthalpie – erfolgt dabei mit Hilfe entsprechender Wasser-/Dampf-Tafel-Beziehungen unter Verwendung eines gemessenen Dampfdruckes.
• Die Berechnung einer Rückführmatrix beim Zustandsregler (Reglermatrix), wie auch der entsprechenden Rückführmatrix beim – entsprechend nach dem LQR-Prinzip des Zustandsreglers – aufgebauten Beobachter (Beobachtermatrix), durch welche letztlich der Regler dargestellt wird, erfolgt bei der EP 2 244 011 A1 ständig online unter Verwendung jeweils aktueller Messwerte.
• Damit passt sich der Regler bei der EP 2 244 011 A1 ständig an die tatsächlichen Betriebsbedingungen des Dampfkraftwerks an. Beispielsweise wird dadurch einer lastabhängigen Änderung des dynamischen Überhitzerverhaltens automatisch Rechnung getragen.
• Durch diese Online-Berechnung der Rückführmatrix wird so bei der EP 2 244 011 A1 eine Erhöhung der Robustheit des Regelalgorithmus erzielt.
• Störungen, die direkt auf den Überhitzer wirken, drücken sich dadurch aus, dass sich eine Aufwärmspanne, d. h. ein Verhältnis der Enthalpien zwischen Überhitzeraus- und -eintritt, verändert.
• Die EP 2 244 011 A1 sieht hier deshalb vor, dass nicht nur die Zustände bzw. die Temperaturen entlang des Überhitzers geschätzt werden (Zustandsbeobachter), sondern zusätzlich die Störung bzw. eine Störgröße als weiterer Zustand definiert und mit Hilfe des Beobachters geschätzt wird (Störgrößenbeobachter).
• Damit ist eine sehr schnelle, akkurate aber gleichzeitig robuste Reaktion auf entsprechende Störungen möglich.
• Aufgrund der Tatsache, dass dieser Regleralgorithmus nach der EP 2 244 011 A1 durch die beschriebenen Maßnahmen (Linearisierung, Onlineberechnung, Störgrößenschätzung) sehr robust ist, müssen bei der Inbetriebsetzung eines Dampfkraftwerks nur sehr wenige Parameter eingestellt werden. Inbetriebsetzungszeit und -aufwand ist daher erheblich reduziert.
• Da aber die mehreren, aber einzelnen Regelkreise der einzelnen (Eingrößen-)Zustandsregelungen – wie beispielsweise bei dem Dampfkraftwerk – über eine gemeinsame Regelstrecke, wie den Dampferzeuger, miteinander verkoppelt sind, kommt es zwangsläufig zu einer gegenseitigen Beeinflussung der einzelnen Regler.
• Beispielsweise wird die Regelung des Druckes in dem Feuerraum des Dampfkraftwerks über einen Saugzug stark durch die Regelung einer Frischluftzufuhr über den Frischlüfter des Dampfkraftwerks beeinflusst. Auch hat ein erhöhter Brennstoffmassenstrom bei dem Dampfkraftwerk nicht nur eine erhöhte Dampfproduktion zur Folge, sondern er beeinflusst auch die Dampftemperatur bei dem Dampfkraftwerk, die mit Hilfe von Einspritzungen konstant gehalten werden soll. Auch die Regelung des Speisewassermassenstroms mit Hilfe der Speisepumpe und die Regelung des Speisewasserdruckes mit Hilfe des Speisewasserregelventils stehen in Abhängigkeit zueinander.
• Ein Ansatz zur Berücksichtigung solcher auftretenden Querbeeinflussungen bzw. Kopplungen zwischen den einzelnen Regelungen liegt in einer gezielten Berücksichtigung der Verkoppelungen und deren gezielten Aufschaltung.
• Dies erfolgt regelungstechnisch durch die Verwendung von so genannten Entkopplungsnetzwerken mit Entkopplungszweigen in den Regelstrukturen bzw. zwischen den Regelkreisen.
• Eine Auslegung, d. h. eine Parametrierung, der Entkopplungszweige ist von einem tatsächlichen dynamischen Prozessverhalten der betrachteten Systeme abhängig und muss bei einer Inbetriebnahme der (Kraftwerks-)Regelung durchgeführt werden.
• Bei der Parametrisierung werden Anlagenversuche durchgeführt und (dabei) Messwerte an der Anlage ermittelt. Die Auswertung der Versuchsergebnisse bzw. Messwerte liefert dann eine Erkenntnis darüber, welche Parameter inwiefern zu verändern sind. Die Parameter werden dann so lange händisch verstellt, bis die Regelung eine bestmögliche Entkopplung erreicht.
• Ein weiterer, anderer Ansatz zur Berücksichtigung der auftretenden Querbeeinflussungen zwischen den einzelnen Reglern/Regelungen liegt in einer Verwendung von Mehrgrößenreglern, bei welchen mehrere Zustandsgrößen gleichzeitig geregelt werden (Multiple-Input-Multiple-Output-Regler/-Regelkreis (MIMO)).
• Auch hier ist eine Auslegung, d. h. eine Parametrierung, eines solchen Mehrgrößenzustandsreglers von einem tatsächlichen dynamischen Prozessverhalten des betrachteten Systems abhängig.
• So werden auch hier Anlagenversuche/Tests gefahren und (dabei) Messwerte der Anlage ermittelt, mittels welchen Übertragungsfunktionen zwischen den (mehreren) Eingangsgrößen und den mehreren Ausgangsgrößen sowie gegebenenfalls den (mehreren) Störgrößen bei dem Mehrgrößenzustandsregler ermittelt werden.
• Unabhängig davon, ob man nun für die Regelaufgabe eines solchen Systems/Anlage eingesetzte Einzelregelungen entkoppelt oder einen Mehrgrößenzustandsregler entwirft, sind Anlagenversuche/Tests und dadurch ermittelte Messwerte der Anlage notwendig, um die bzw. den Regler einzustellen.
• Unterliegen aber solche (realen) Anlagenmesswerte Messungenauigkeiten (oder können nur schwer oder überhaupt nicht gemessen werden), hängt auch eine Reglergüte von der Güte der Messwerte (bzw. deren Verfügbarkeit) ab.
• Eine diesbezügliche Validierung von Messdaten ist somit für einen Reglerentwurf für die Regelung einer Anlage/eines Prozesses, wie des Dampfkraftwerks bzw. des Dampferzeugers bei dem Dampfkraftwerk, hilfreich.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Validierung von, insbesondere zu einer Reglererstellung zur Regelung eines Dampfkraftwerks bzw. eines Dampferzeugers eines Dampfkraftwerks verwendeten, Messdaten zu ermöglichen. Insbesondere soll ein Zustandsbeobachter angegeben werden, bei dem mehrere Zustandsgrößen gleichzeitig beobachtet werden können.
• Diese Aufgabe wird durch einen Zustandsbeobachter für ein Dampfkraftwerk, insbesondere für einen Dampferzeuger eines Dampfkraftwerks, gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst.
• Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
• Die Erfindung und die beschriebenen Weiterbildungen können sowohl in Software als auch in Hardware, beispielsweise unter Verwendung einer speziellen elektrischen Schaltung oder eines (Rechen-)Bausteins, realisiert werden.
• Ferner ist eine Realisierung der Erfindung oder einer beschriebenen Weiterbildung möglich durch ein computerlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm gespeichert ist, welches die Erfindung oder die Weiterbildung ausführt.
• Auch können die Erfindung und/oder jede beschriebene Weiterbildung durch ein Computerprogrammerzeugnis realisiert sein, welches ein Speichermedium aufweist, auf welchem ein Computerprogramm gespeichert ist, welches die Erfindung und/oder die Weiterbildung ausführt.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Zustandsbeobachter ein Mehrgrößenzustandsbeobachter ist, welcher einen auf eine linear-quadratische Zustandsrückführung ausgelegten Kalman-Filter aufweist (LQG-Mehrgrößenzustandsbeobachter).
• Als Mehrgrößenzustandsbeobachter kann ein Zustandsbeobachter verstanden werden, bei dem – auf Basis mehrerer Eingangsgrößen – mehrere Zustandsgrößen gleichzeitig beobachtet bzw. geschätzt werden, wobei eine klare Zuordnung von den (mehreren) Eingangsgrößen zu den (mehreren) Zustandsgrößen entfällt. Sämtliche Eingangs- und Zustandsgrößen sind (in dem Mehrgrößenzustandsbeobachter) miteinander verknüpft, wodurch physikalischen Kopplungen zwischen den einzelnen Größen Rechnung getragen wird.
• Die Begriffe „schätzen”, „berechnen” und „ermitteln” werden im Folgenden im Zusammenhang mit dem Zustandsbeobachter als Synonyme verwendet.
• Der Mehrgrößenzustandsbeobachter basiert auf einem Kalman-Filter. Dieser Kalman-Filter ist auf eine linear-quadratische Zustandsrückführung ausgelegt. Das Zusammenspiel der linear-quadratischen Zustandsrückführung mit dem Kalman-Filter wird als LQG(Linear Quadratic Gaussian)-Algorithmus bezeichnet.
• Anders ausgedrückt, der Entwurf des Kalman-Filters bei dem „LQG-Mehrgrößenzustandsbeobachter” kann über das Konzept des dualen Systems auf den Entwurf eines „Linear Quadratic Regulator” (LQR) zurückgeführt werden. Dieser Entwurf basiert auf der Lösung von Matrix-Riccati-Differentialgleichungen.
• D. h., bei dem LQR handelt es sich um einen (Zustands-)Regler, dessen Parameter derart bestimmt werden können, dass ein Gütekriterium für die Regelqualität optimiert wird.
• Zur Berechnung einer Regler-Matrix kann eine Rückführmatrix des LQR in einen Satz skalarer Gleichungen, in die sogenannten Matrix-Riccati-Gleichungen, überführt werden.
• Diese Matrix-Riccati-Gleichungen entstehen aus linear-quadratischen optimalen Steuerungsproblemen auf kontinuierlichem, einseitig unbeschränktem Zeitintervall, wenn man an diese Probleme, wie hier, mit einem „feedback”-Ansatz, d. h. mit einer (Zustands-)Zurückführung, herangeht.
• Diese Matrix-Riccati-Gleichungen werden dann beim Entwurf des Kalman-Filters für den „LQG-Mehrgrößenzustandsbeobachter” gelöst.
• Die Erfindung realisiert – mit ihrem „LQG-Mehrgrößenzustandsbeobachter” – so einen einfachen Ansatz, um mehrere Zustände eines hoch komplexen technischen Prozesses, wie in einem Dampferzeuger eines Dampfkraftwerks, gleichzeitig beobachten/schätzen zu können, wobei alle prozesstechnischen Verkopplungen (zwischen den Größen/Zustandsgrößen) bei einem solchen (Dampferzeugungs-)Prozess (durch einen/in einem einzigen Zustandsbeobachter) berücksichtigt werden können.
• Der Mehrgrößenzustandsbeobachter kann so (mehrere) Einzelbeobachter kombinieren und so diese (durch einen Einzigen) ersetzen. Insbesondere wenn – zu dem LQG-Mehrgrößenzustandsbeobachter – zu „kombinierende”, einzelne Beobachter gleichartige Strukturen aufweisen, wie der „LQG”-Ansatz, ist deren Kombination besonders einfach.
• Dadurch reduziert sich durch die Erfindung Rechenzeit-, Rechenbausteine und Speicherplatzbedarf, was somit auch mit einer deutlichen Kostenreduktion einhergeht.
• Auch werden durch den erfindungsgemäßen „LQG-Mehrgrößenzustandsbeobachter” die Vorteile, welche (einerseits) ein „LQG”-Ansatz bietet, d. h. dessen Wertequalität, dessen Robustheit sowie der geringe Aufwand zur Inbetriebnahme, in eine Mehrgrößenzustandsbeobachtung – mit andererseits dortigen Vorteilen, wie die gleichzeitige „Beobachtung” gekoppelter Zustandsgrößen – einbezogen bzw. dorthin „übertragen”.
• Insbesondere nicht messbare Mediumszustände, wie Temperatur, Druck und/oder Enthalpie eines Mediums bzw. des Dampfes entlang/über einen Dampferzeuger, insbesondere über einen Verdampfer und/oder über einen (mehrstufigen) Überhitzers, bei einem Dampfkraftwerk können mittels des Zustandsbeobachters ermittelt bzw. „geschätzt” werden („Zustandsbeobachter”).
• Darüber hinaus können auch Störungen bzw. Störgrößen – definiert als weitere (Prozess-)Zustände – mit Hilfe des Zustandsbeobachters geschätzt werden („Störgrößenbeobachter”).
• Solche Störgrößen können dabei beispielsweise sowohl tatsächliche Störgrößen bei dem Dampferzeuger, wie ein schwankungsbehafteter Wärmestrom, der vom Rauchgas übertragen wird, als auch weitere nicht explizit modellierte Größen, wie die Einspritzmassenströme oder ein Ausgangsmassenstrom, sein.
• Auch Zustände, die zwar gemessen werden können, aber deren Messungen Ungenauigkeiten aufweisen, können mittels eines/des Zustandsbeobachters geschätzt werden.
• Dieser (Zustands-/Störgrößen-)Beobachter kann so dann – über ein ihm zu Grunde liegendes Modell einer Anlage/eines Systems, wie ein Dampferzeugermodell, – mit Hilfe von (dortigen realen) Messdaten, wie beispielsweise Ein- und/oder Ausgangsgrößen bei dem System/bei der Anlage bzw. bei dem Dampferzeuger, die Zustandsgrößen und/oder die Störgrößen des Systems/der Anlage beobachten bzw. schätzen.
• Lassen sich so durch die Erfindung bzw. den erfindungsgemäßen „LQG”-Mehrgrößenzustandsbeobachter Zustands-/Störgrößen für einen Dampferzeuger eines Dampfkraftwerks generieren, so können diese dann mit (realen) Messgrößen, wie insbesondere „nur ungenau messbaren Messgrößen”, bei dem Dampferzeuger verglichen werden, wodurch sich diese Messdaten validieren bzw. deren Güte bestimmen lässt.
• D. h., die Erfindung schafft hier eine effiziente und effektive Möglichkeit Messgrößen hochkomplexer Anlagen, wie dem Dampferzeuger eines Dampfkraftwerks, zu validieren und deren Güte einzuschätzen.
• Bei einer bevorzugten Weiterbildung kann so vorgesehen werden, dass Eingangsgrößen des Zustandsbeobachters Ein- und/oder Ausgangsgrößen bei einem Dampferzeuger eines Dampfkraftwerks sind.
• Solche Eingangsgrößen des Zustandsbeobachters können eine Temperatur, ein Druck und/oder eine Enthalpie eines in den Dampferzeuger, in einen Verdampfer des Dampferzeugers und/oder in einen Überhitzer des Dampferzeugers ein- und/oder austretenden Mediums (Speisewasser/Frischdampf) sein.
• Auch können solche Eingangsgrößen des Zustandsbeobachters Mediumsmassenströme eines in den Dampferzeuger, in einen Verdampfer des Dampferzeugers und/oder in einen Überhitzer des Dampferzeugers ein- und/oder austretenden Mediums sein (Einspritzmassenströme).
• Weiterhin kann eine solche Eingangsgröße des Zustandsbeobachters ein Brennstoffmassenstrom sein.
• Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann so vorgesehen sein, dass Ausgangsgrößen des Zustandsbeobachters (beobachtete Zustände) Zustands- und/oder Störgrößen bei dem Dampferzeuger sind.
• Solche Ausgangsgrößen des Zustandsbeobachters können eine Temperatur, ein Druck und/oder eine Enthalpie eines den Dampferzeuger, einen Verdampfer des Dampferzeugers und/oder einen Überhitzer des Dampferzeugers durchströmenden Mediums sein.
• Auch können solche Ausgangsgrößen des Zustandsbeobachters Feuerungszustände bei dem Dampferzeuger sein.
• Weiterhin können solche Ausgangsgrößen bzw. kann eine solche Ausgangsgröße des Zustandsbeobachters Einspritzmassenströme bei dem Dampferzeuger und/oder ein Wärmestrom bei dem Dampferzeuge sein.
• Ferner können solche Ausgangsgrößen des Zustandsbeobachters auch die Temperatur, der Druck und/oder die Enthalpie eines in den Dampferzeuger, in einen Verdampfer des Dampferzeugers und/oder in einen Überhitzer des Dampferzeugers ein- und/oder austretenden Mediums sein.
• Die Ein- und/oder Ausgangsgrößen des Zustandsbeobachters können von einem bei dem Zustandsbeobachter verwendeten Prozess-/Anlagenmodell, wie von einem Dampferzeugermodell eines Dampferzeugers eines Dampfkraftwerks, sein.
• Nach einer Weiterbildung kann so vorgesehen sein, dass der Zustandsbeobachter ein Modell des Dampferzeugers des Dampfkraftwerks verwendet.
• Der zu modellierende Dampferzeuger – und so auch dann das entsprechende Modell – kann dabei zumindest einen Verdampfer(-teil), kurz nur Verdampfer, und einen (gegebenenfalls mehrstufigen, beispielsweise einen drei-, vier- oder auch fünfstufigen) Überhitzer(-teil), kurz nur Überhitzer umfassen. Gegebenenfalls kann der Dampferzeuger – so dann auch mitmodelliert – auch einen Erwärmer(-teil), kurz nur Erwärmer, und/oder einen Kessel aufweisen.
• Besonders bevorzugt kann bei dem Dampferzeugermodell der Dampferzeuger in mehrere (massen- und/oder volumenbehaftete) Elemente, insbesondere mit konstantem Volumen, örtlich diskretisiert werden.
• Für die (Volumen-)Elemente können Energie- und/oder Massenbilanzen aufgestellt bzw. gelöst werden. Auch können die (Volumen-)Elemente durch jeweils eine Enthalphie beschrieben werden (Energiespeicher).
• Um eine Berohrung bei dem Dampferzeuger abzubilden, und damit eine Verzögerung einer Wärmeübertragung vom Rauchgas auf den Dampf, kann den (Volumen-)Elementen jeweils eine Eisenmasse zugeordnet werden.
• Die (Volumen-)Elemente können miteinander über die Massenströme sowie die Enthalpien verkoppelt sein/werden.
• Basiert ein solches Dampferzeugermodell aus diesen verkoppelbaren (Volumen-)Elementen, so kann hierdurch ein beliebig skalierbares Modell realisiert werden, welches für verschieden konstruierte Dampferzeuger (Anzahl und Größe der Überhitzer, Anzahl der Einspritzungen, mehrsträngige Anlagen) konfiguriert werden kann.
• Ein Druck p kann bei dem Dampferzeugermodell über einen konzentrierten Druckspeicher modelliert werden.
• Da ein Wärmestrom Q(P) der Feuerung des Dampferzeugers „nur” eine interne Größe ist und aus einem Brennstoffmassenstrom resultiert, kann das Dampferzeugermodell entsprechend diesbezüglich um ein Feuerungsmodell erweitert werden.
• Setzt der (einfache/klassische) Kalman-Filter ein lineares System voraus und sind Modelle, wie das Modell des Dampferzeugers, meist jedoch nicht linear, so kann ein Erweitertes Kalman-Filter (kurz EKF) bei dem LQG-Mehrgrößenzustandsbeobachter verwendet werden, welcher eine Erweiterung des Kalman-Filters linearer Modelle auf nichtlineare Modelle darstellt.
• Diese Erweiterung bei dem EKF besteht in einer Linearisierung des (nicht linearen) Modells, die in jedem Zeitschritt neu berechnet werden kann, d. h. das Modell wird um seinen aktuellen Zustand linearisiert.
• Dieser erweiterte Kalman-Filter kann so als Zustands-/Störgrößenbeobachter bzw. bei dem Mehrgrößenzustandsbeobachter eingesetzt werden.
• Das Kalman-Filter bzw. das Erweiterte Kalman-Filter kann über zwei (konstante) Gewichtungsfaktoren – in Form von Gewichtungsmatrizen – eingestellt werden.
• Eine erste diagonal besetzte Kovarianzmatrix kann die Kovarianz des Zustandsrauschens des Beobachtermodells angeben (erste Gewichtungsmatrix). Für Zustände, die durch Modellgleichungen gut beschrieben werden, kann ein kleiner Wert gewählt werden. Weniger exakt modellierten Zuständen sowie reinen Störgrößen können aufgrund der höheren stochastischen Abweichungen größere Werte in der Kovarianzmatrix zugeordnet werden.
• Ebenfalls diagonal besetzt werden kann die Kovarianzmatrix des Messrauschens (zweite Gewichtungsmatrix). Große Werte bedeuten hier stark verrauschte Messungen, sodass eher einer Prädiktion durch das Modell vertraut wird. Bei kleinen Werten (und damit zuverlässigen Messungen) können Beobachterfehler entsprechend schärfer korrigiert werden.
• Um eine Geschwindigkeit des Mehrgrößenzustandsbeobachters einzustellen, kann das Verhältnis der zwei Gewichtungs-/Kovarianzmatrizen zueinander, insbesondere mittels eines Faktors, variiert werden. Die Gewichtungen der einzelnen Zustände und Messgrößen innerhalb der Matrizen können auch vertrimmt werden. Das Zusammenspiel ist jedoch komplex, sodass aus Gründen einfacher Parametrierbarkeit einem Tuning über den Faktor Vorzug gegeben werden kann.
• Vorteilhafterweise werden Berechnungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Mehrgrößenzustandsbeobachter durch eine Leittechnik des Dampfkraftwerks ausgeführt. Die Leittechnik kann hierbei ein Steuersystem sein, das das Dampfkraftwerk in ihrem regulären Betrieb steuert.
• Die bisher gegebene Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung enthält zahlreiche Merkmale, die in den einzelnen Unteransprüchen teilweise zu mehreren zusammengefasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale wird der Fachmann jedoch zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
• Insbesondere sind diese Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder mit einer weitergebildeten Vorrichtung, insbesondere gemäß dem jeweiligen abhängigen Anspruch, kombinierbar.
• Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Figuren dargestellt sind. Gleiche/funktionsgleiche Elemente in den Figuren weisen gleiche Bezugszeichen auf.
• Es zeigen:
• 1 eine Prinzipdarstellung eines Dampferzeugers (/auch Dampferzeugermodell) bei einem Kraftwerksblock/eines Dampfkraftwerks mit einem Verdampfer und drei Überhitzern (auch Regelstrecke),
• 2 ein Schema einer Mehrgrößenzustandsregelung,
• 3 eine Gesamtregelstruktur einer/-s Mehrgrößenzustandsregelung/-reglers mit statischer Vorsteuerung und Mehrgrößenzustandsregelung sowie mit einem Gesamtsystembeobachter (Zustands-/Störgrößenbeobachter),
• 4 eine Prinzipdarstellung eines Dampferzeugermodells,
• 5 eine Prinzipdarstellung eines Erweiterten Kalman-Filters als Gesamtsystembeobachter,
• 6 eine Auflistung von Größen einer/-s Mehrgrößenzustandsregelung/-reglers,
• 7 ein erweitertes Dampferzeugermodell mit Kohleverbrennung,
• 8 einen Temperaturregler/Überhitzeraustrittstemperaturenregler mit gemessenen und beobachteten (gestrichelt) Größen (regelungstechnisches Prozessmodell),
• 9 einen Verdampferaustrittsenthalpieregler mit gemessenen und beobachteten (gestrichelt) Größen (regelungstechnisches Prozessmodell),
• 10 einen Frischdampfdruckregler mit gemessenen und beobachteten (gestrichelt) Größen (regelungstechnisches Prozessmodell) und
• 11 eine Prinzipdarstellung zur Verdeutlichung einer Validierung von Messgrößen bei einem Dampferzeuger unter Verwendung eines Erweiterten Kalman-Filters als Gesamtsystembeobachter.
• LQG-Mehrgrößenzustandsbeobachter bei einer Mehrgrößenzustandsregelung zur Blockregelung eines Kohlekraftwerksblocks
• – Dampferzeugeraufbau
• 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts aus einem Dampfkraftwerk 2, in diesem Fall eines Kohlekraftwerkblocks, mit einem Dampferzeuger 1 (1 auch Modelldarstellung des Dampferzeugers 1).
• Der Dampferzeuger 1 besteht aus einem Verdampfer (VD, 7) und einem Überhitzer (UH, 4, 5, 6), hier einem dreistufigen Überhitzer (bezeichnet im Folgenden der Einfachheit halber als erster, zweiter und dritter Überhitzer (UH1 4, UH2 5, UH3 6)), mit zwei Einspritzungen (in den zweiten und dritten Überhitzer, Einsp1/Einspritzung 1 15, Einsp2/Einspritzung 2 16).
• Speisewasser (SPW) strömt in den Verdampfer 7 ein und wird dort durch Aufnahme von Wärme Q verdampft. Über ein Regelventil (nicht dargestellt) kann der einströmende Speisewassermassenstrom (m(P)_SPW) eingestellt werden.
• Weiter wird der (weiterströmende) Dampf (D) – durch weitere Aufnahme von Wärme Q – in den drei Überhitzern 4, 5, 6 des Dampferzeugers 1 zu Frischdampf (FD) überhitzt und strömt aus den Überhitzern 4, 5, 6/dem dritten Überhitzer 6 bzw. aus dem Dampferzeuger 1 aus (m(p)_FD).
• Die Aufnahme bzw. Übertragung der Wärme bzw. deren Höhe im Verdampfer VD 7 bzw. in den Überhitzern 4, 5, 6 ist über den Brennstoffmassenstrom (m(P)_b) einstellbar.
• Anschließend, nach Austritt aus den Überhitzern 4, 5, 6,/dem dritten Überhitzer 6 bzw. dem Dampferzeuger 1 wird der Frischdampf (FD) der Dampfturbine (nicht dargestellt) zugeführt.
• Mittels zwei Einspritzkühlungen 15, 16 wird Wasser – in dem zweiten und dritten Überhitzer 5, 6 – in den Dampf eingespritzt und kühlt diesen so. Die Menge des in den jeweiligen (zweiten oder dritten) Überhitzer 5, 6 eingespritzten Wassers (Einspritzmassenstrom/-ströme, m(P)_{Einsp1 bzw. 2}) wird durch ein entsprechendes Regelventil (nicht dargestellt) eingestellt.
• Lediglich zur besseren Unterscheidung wird im Folgenden der Dampf (nach dem Verdampfer 7 und) vor den Überhitzern 4, 5, 6/dem ersten Überhitzer 4 als Dampf (D) und der Dampf nach den Überhitzern 4, 5, 6/dem dritten Überhitzer 6 als Frischdampf (FD) bezeichnet (vor dem Verdampfer 7 ist das Medium Speisewasser (SPW)), wobei hervorgehoben wird, dass die Erfindung in der im Folgenden beschriebenen Ausführungsform auf Dampf, den man gegebenenfalls nicht als Frischdampf bezeichnen würde, selbstverständlich ebenfalls anwendbar ist.
• Temperatursensoren (nicht dargestellt) und Drucksensoren (nicht dargestellt) messen die Temperaturen T_SPW, T_VD bzw. die Drücke p_SPW, p_VD des Speisewassers bzw. des Dampfes vor und nach dem Verdampfer 7. Ein Temperatursensor (nicht dargestellt) und ein Drucksensor (nicht dargestellt) messen die Frischdampftemperatur T_FD bzw. den Frischdampfdruck p_FD des Dampfs nach den Überhitzern 4, 5, 6. Ein Sensor (nicht dargestellt) misst den Speisewassermassenstrom m(P)_SPW.
• Enthalpiewerte h können mit Hilfe der Wasser-Dampf-Tafel aus dem Temperatur- und dem Druckwert berechnet werden, sodass durch diese Sensorik auch mittelbar die Speisewasserenthalpie bzw. Verdampfereintrittsenthalpie h_SPW und die Frischdampfenthalpie bzw. Überhitzeraustrittsenthalpie h_FD „gemessen” werden können.
• Der Verdampfer 7 kann einen nicht dargestellten Vorwärmer umfassen. Dies ist jedoch für die Erfindung unerheblich, und es wird im Folgenden unter dem Begriff „Verdampfer” auch ein System aus einem Verdampfer mit einem Vorwärmer verstanden.
• – Blockregelung
• Die Blockregelung bei dem Kohlekraftwerksblock erfolgt über eine Mehrgrößenzustandsregelung 3, der die Regelkreise, Frischdampfdruck, Verdampferaustrittsenthalpie und Überhitzeraustrittstemperaturen (über die Einspritzungen), umfasst (vgl. 8 bis 10).
• 2 zeigt ein Prinzip dieses Mehrgrößenzustandsreglers 3 mit seinen Regel- und Stellgrößen.
• Bei diesem Mehrgrößenzustandsregler (MIMO) 3 werden die Zustands- bzw. Regelgrößen, Frischdampfdruck p_FD, Verdampferaustrittsenthalpie h_VD und Überhitzeraustrittstemperaturen T_UH1/2/3, gleichzeitig geregelt, wobei eine klare Zuordnung von den Stellgrößen, Brennstoffmassenstrom m(P)_b, Überhitzereinspritzmassenströme m(P)_i,UH2/UH3 und Speisewassermassenstrom m(P)_spw, zu den Regelgrößen, Frischdampfdruck, Verdampferaustrittsenthalpie und Überhitzeraustrittstemperaturen, entfällt.
• Sämtliche Stell- und Regelgrößen sind (in dem Mehrgrößenzustandsregler 3) miteinander (über die jeweiligen Regelfehler) verknüpft, wodurch physikalischen Kopplungen zwischen Einzelregelungen (SISO, Frischdampfdruckregelung, Verdampferaustrittsenthalpieregelung und Überhitzeraustrittstemperaturenregelung) Rechnung getragen wird.
• Der Mehrgrößenzustandsregler 3 ist, wie 2 auch verdeutlicht, ein linear quadratischer Regler bzw. „Linear Quadratic Regulator” (LQR). D. h., die Rückführmatrix des Mehrgrößenzustandsreglers wird derart ermittelt, dass er die Regelgüte eines linear-quadratischen Reglers aufweist.
• Bei einem solchen linear quadratischen Regler bzw. „Linear Quadratic Regulator” (LQR) handelt es sich um einen (Zustands-)Regler, dessen Parameter derart bestimmt werden können, dass ein Gütekriterium für die Regelqualität optimiert wird.
• Das Gütekriterium für die linear-quadratische Regelung beachtet dabei auch den Zusammenhang der Größen, Stellgröße u und Regelgröße y. Dabei können Prioritäten durch die Q_y- und R-Matrix bestimmt werden. Der Gütewert J bestimmt sich nach:

  
• Das statische Optimierungsproblem dazu, das durch die linear quadratische Regelung gelöst wird, lautet (mit K als Reglermatrix und x₀ als Anfangszustand):

  
• Zur Berechnung der Regler-Matrix wird die Rückführmatrix des LQR bei der Mehrgrößenzustandsregelung 3 in einen Satz skalarer Gleichungen, in sogenannte Matrix-Riccati-Gleichungen, überführt und gelöst.
• Diese Matrix-Riccati-Gleichungen entstehen aus linear-quadratischen optimalen Steuerungsproblemen auf kontinuierlichem, einseitig unbeschränktem Zeitintervall, wenn man an diese Probleme, wie hier, mit einem „feedback”-Ansatz, d. h. mit der (Zustands-)Zurückführung, herangeht.
• 3 zeigt die Gesamtregelstruktur der Mehrgrößenzustandsregelung/-reglers 3 mit seinen Komponenten, Dampferzeuger/-modell 9, Gesamtsystembeobachter (Zustands-/Störgrößenbeobachter) 10, zentrale Sollwertvorgabe 11 und (den eigentlichen) Mehrgrößenzustandsregler (kurz dann nur Zustandsregler 12).
• Im Folgenden kennzeichnen auch folgende Nomenklaturen verwendete Größen:
  Gemessene Größen sind durch die Nomenklatur „mess”, Sollwerte durch die Nomenklatur „soll”, Steuergrößen durch die Nomenklatur „steuerung”, Regelgrößen durch die Nomenklatur „regelung” und Beobachtergrößen durch die Nomenklatur „obs” gekennzeichnet. „b” steht für Brennstoff, „SPW” für Speisewasser, „FD” für Frischdampf, „p” für Druck, „h” für Enthalpie, „m” für Masse”, „Q” für Wärme und „T” für Temperatur. Ströme sind über (P) gekennzeichnet.
• 6 listet auch verwendete Größen für die Gesamtregelstruktur der Mehrgrößenzustandsregelung/-reglers 3 auf.
• – Dampferzeugermodell 9 (Fig. 1, Fig. 4)
• Das Dampferzeugermodell 9, dessen anlagen-technische (Modell-)Struktur 1 verdeutlicht, basiert auf einer örtlichen Diskretisierung des Dampferzeugers 1 (aus dem Verdampfer 7 und den drei Überhitzern 4, 5, 6) in Elemente mit konstantem Volumen (im Folgenden mit „VE” für Volumenelemente bezeichnet) sowie einem konzentrierten Druckspeicher DSP.
• 4 verdeutlicht diesen „VE/DSP”-Aufbau des Dampferzeugermodells 9. Eingangsgrößen und Zustandsgrößen bei dem Dampferzeugermodell 9 bzw. bei den Volumenelementen VE und dem Druckspeicher DSP sind durch entgegengerichtete Durchstriche gekennzeichnet (Eingangsgrößen (\), Zustandsgrößen (/).
• Ein VE mit den Index k besteht aus einem Energiespeicher, beschrieben durch die Enthalpie h_a,k. Zudem ist es durch seine Masse m_a,k und sein Volumen V_a,k definiert.
• Der Einfachheit halber werden „Ströme” bei den Zustandsgrößen/Eingangsgrößen durch (P) bzw. durch aufgesetzten Punkt gekennzeichnet.
• Die Eingangsgrößen sind die äußere Wärmezufuhr Q(P)_k durch das Rauchgas, die von außen zu- bzw. nach außen abfließenden Massenströme m(P)_i,k und m(P)_o,k sowie die zum Massenstrom m(P)_i,k gehörende spezifische Enthalpie h_i,k.
• Enthalpiewerte können mit Hilfe der Wasser-Dampf-Tafel aus dem Temperatur- und dem Druckwert berechnet werden.
• Um die Berohrung abzubilden, und damit die Verzögerung der Wärmeübertragung vom Rauchgas auf den Dampf, ist jedem VE eine Eisenmasse zugeordnet. Die Eisenmassen sind durch ihre Temperatur T_E,k und ihre Masse m_E,k gekennzeichnet.
• Sie sind jedoch keine weiteren Zustandsgrößen des Dampferzeugermodells 9, sondern können als Hilfsgrößen in der Berechnung aufgefasst werden.
• Der Wärmestrom, der von den Eisenmassen auf den Dampf wirkt, wird mit Q(P)_E,k bezeichnet. Die Enthalpie eines jeden VE ist somit zusätzlich von Q(P)_E,k abhängig.
• Der Druck p wird über den konzentrierten Druckspeicher DSP modelliert. Die VE sind miteinander über die Massenströme m(P)_VE,k sowie die Enthalpien h_a,k verkoppelt: Bei n VE gibt es daher n + 1 Zustände (Druck und Enthalpien) und n – 1 Massenströme zwischen einzelnen VE.
• Zunächst werden weiter die über die für die Volumenelemente VE aufgestellten Massen- und Energiebilanzen aufgestellten Modellgleichungen des Dampferzeugermodells 9 angegeben, welche anschließend in Matrizendarstellung überführt werden.
• – Modellgleichungen
• Über die Massenbilanz eines Volumenelementes VE mit der Masse m_a,k:

  

  sowie der Energiebilanz für ein Volumenelement VE:

  

  ergibt sich für die Zustandsgleichung für jedes Volumenelement VE:

  

  wobei die unbekannten Größen in der Massen- bzw. Energiebilanz die Massenströme zwischen den VE m(P)_VE,k-1 und m(P)V_E,k sind, welche über die Druckabhängigkeit der in den VE gespeicherten Massen mit Hilfe der Wasserdampftafel bestimmt werden können.
• Im Falle von drei Volumenelementen bekommt man damit drei Gleichungen für drei Unbekannte, nämlich die zwei Massenströme zwischen den VE und die zeitliche Ableitung des Drucks.
• Damit sind alle Größen eindeutig bestimmt.
• Aus den Modellgleichungen folgt, dass das Dampferzeugermodell 9 beliebig skalierbar ist. Das bedeutet, dass das Dampferzeugermodell 9 für verschieden konstruierte Dampferzeuger (Anzahl und Größe der Überhitzer, Anzahl der Einspritzungen, mehrsträngige Anlagen) konfiguriert werden kann.
• – Matrizendarstellung
• Die Überführung der Massenbilanz in Matrizendarstellung liefert: dm / dt = F₊m(P)_m – F_–m(P)_m + F_im(P)_i – F₀m(P)₀ = Fm(P)_m + F_im(P)_i – F₀m(P)₀.
• Die Überführung der Energiebilanz in Matrizendarstellung liefert: d(Hm) / dt = H dm / dt + M dh / dt = FH_mm(P)_m + F_iH_im(P)_i – F₀H₀m(P)₀ + Q(P) – α dh / dt
• Daraus lässt sich die Matrixgleichung des Modells angeben mit: dx / dt = D_im(P)_i – D₀m(P)₀ + D_QQ(P) D_i = ⌊–C_pB^–1 _pmB_i; A_i – A_mC_mB^–1 _pmB_i⌋ D₀ = ⌊–C_pB^–1 _pmB₀; A₀ – A_mC_mB^–1 _pmB₀⌋ D_Q = ⌊–C_pB^–1 _pmB_Q; A_Q – A_mC_mB^–1 _pmB_Q⌋
• Die Matrizen D_i, D_o und D_Q hängen von den Enthalpien und dem Druck, also den Zuständen ab, jedoch weder von den zu- und abfließenden Massenströmen noch von den Wärmeströmen. Fasst man die Größen in einem Vektor zusammen ergibt sich für das nichtlineare Dampferzeugermodell 9: dx / dt = G_nl(x)u, G_nl(x) = ⌊D_i, – D₀, D_Q⌋, u = (m(P)_i, m(P)₀, Q(P))'
• Für den (Gesamt-)Beobachterentwurf muss das Dampferzeugermodell 9 um den aktuellen Arbeitspunkt x_o, u_o linearisiert werden 17. Die linearisierten Gleichungen lauten:

  
• – Gesamtsystembeobachter (Fig. 5) 10
• 5 verdeutlicht den als Zustands- wie auch als Störgrößenbeobachter 10 (Gesamtsystembeobachter, kurz auch nur Beobachter 10) eingesetzten Erweiterten Kalman-Filters (EKF) 13.
• Beim (klassischen) Kalman-Filter handelt es sich um einen Zustands- und Störgrößenbeobachter. Dieser hat die Aufgabe, über ein zu Grunde liegendes Modell mit Hilfe von Messdaten die Zustandsgrößen sowie Störgrößen des Systems zu beobachten bzw. zu schätzen.
• Das klassische Kalman-Filter setzt ein lineares System voraus.
• Da das Modell des Dampferzeugers jedoch nichtlinear ist, kommt im vorliegenden Fall ein Erweitertes Kalman-Filter 13 zum Einsatz.
• 5 zeigt mit durchgezogenen Linien den Aufbau des klassischen „linearen” Kalman-Filters; gestrichelte Signalpfade und Blöcke symbolisieren die Erweiterung auf nichtlineare Modelle.
• Diese Erweiterung besteht in einer Linearisierung des Modells 17, die in jedem Zeitschritt neu berechnet wird, d. h. das (nicht lineare) Modell 21 wird um seinen aktuellen Zustand linearisiert 17. Anders ausgedrückt, der Beobachteransatz basiert auf einem nicht linearen Beobachter 21, der in jedem Zeitschritt um den Arbeitspunkt linearisiert wird 17 und so die Systemmatrizen für den Beobachter 10 und den Regler 3 bzw. 12 liefert.
• Die Eingangsgrößen des EKF 13 sind die gemessenen Ein- und Ausgangsgrößen des Systems. Die vom Beobachter 10 ausgegebenen Zustands- und Störgrößen sind, Feuerung (x_Feuer), Druck (p), Enthalpie (h) – Zustandsgrößen; Einspritzungen (m(p)_Einsp, Frischdampfmassenstrom (m(P)_FD), Wärmestrom (Q(P)_n) – Störgrößen).
• Wie 5 zeigt, wird aus dem linearisierten Modell 17 (Ade, B_de), dem Feuerungsmodell 18 sowie dem Störgrößenmodell 19 das Beobachtermodell (A_ds', B_ds') 20 gebildet.
• Auf Basis dieses Beobachtermodells 20 wird die Beobachterverstärkung L berechnet.
• Über diese Beobachterverstärkung L werden die Beobachterfehler e_obs, d. h. Abweichungen zwischen Messdaten und Modellausgängen, auf das nichtlineare Modell 17 aufgeschaltet.
• Diese aufgeschalteten Korrekturterme Le_obs bestehen zum Einen aus Korrekturen der Zustände des nichtlinearen Modells, zum Anderen aus den geschätzten Störgrößen, die auf das Modell wirken.
• Durch die Aufschaltung werden Abweichungen zwischen Modell und realem Prozess ausgeglichen.
• Der Entwurf eines Kalman-Filters kann über das Konzept des dualen Systems auf den Entwurf eines LQR zurückgeführt werden. Dieser Entwurf basiert auf der Lösung der Matrix-Riccati-Differentialgleichung 22:

  

  wobei sich L aus der Lösung P_obs gemäß: L = (R_obs ^–1B_ds'P_obs)' ergibt.
• Im Beobachter 10 wird das beschriebene Dampferzeugermodell 9 (vgl. 1) verwendet.
• Da der Wärmestrom Q(P) nur eine interne Größe ist und aus dem Brennstoffmassenstrom m(P)_b resultiert, muss das Dampferzeugermodell 9 entsprechend diesbezüglich erweitert werden.
• 7 zeigt das diesbezüglich erweiterte Dampferzeugermodell 9'.
• Die Kohleverbrennung und Wärmeentbindung, d. h. das Übertragungsverhalten vom Brennstoffmassenstrom m(P)_b auf den Wärmestrom Q(P) werden durch ein Verzögerungsglied dritter Ordnung 14 mit der Zeitkonstanten T_feuer beschrieben.
• Der Ausgang des eigentlichen PT3-Gliedes 14 ist eine skalare Größe, wird aber über eine konstante Verteilmatrix Q₀ auf die einzelnen VE aufgeteilt.
• Das Feuerungsmodell 18 bzw. die Differentialgleichung des PT3-Gliedes 14 ist wie folgt:

  

  wobei die Zustände des PT3-Gliedes dabei mit x_feuer (Feuerung) bezeichnet sind.
• Der Zustandsvektor im Beobachter 10 ist folglich um x_feuer erweitert und daher folgendermaßen aufgebaut:

  
• Neben der Zustandsbeobachtung dient das EKF 13 als Störgrößenbeobachter.
• Als Störgrößen gelten dabei sowohl tatsächliche Störgrößen wie beispielsweise der schwankungsbehaftete Wärmestrom, der vom Rauchgas übertragen wird, als auch weitere nicht explizit modellierte Größen. Dies trifft hier auf die Einspritzmassenströme zu. Einspritzmassenströme werden zwar gemessen, aufgrund der mangelnden Genauigkeit wird hier aber eine Schätzung durch das EKF 13 vorgezogen. Gleiches gilt für den Ausgangsmassenstrom m(P)_FD, der ebenfalls geschätzt wird.
• Die beobachteten Zustandsgrößen sowie die geschätzten Störgrößen sind gleichzeitig die Ausgangsgrößen des Beobachters 10.
• Die diagonal besetzte Kovarianzmatrix Q_obs gibt die Kovarianz des Zustandsrauschens des Beobachtermodells an. Für Zustände, die durch die Modellgleichungen gut beschrieben werden, wird ein kleiner Wert gewählt. Weniger exakt modellierten Zuständen sowie reinen Störgrößen werden aufgrund der höheren stochastischen Abweichungen größere Werte in der Kovarianzmatrix zugeordnet.
• Ebenfalls diagonal besetzt ist die Kovarianzmatrix des Messrauschens R_obs. Große Werte bedeuten stark verrauschte Messungen, sodass eher der Prädiktion durch das Modell vertraut wird. Bei kleinen Werten (und damit zuverlässigen Messungen) werden Beobachterfehler entsprechend schärfer korrigiert.
• Die Einträge von Q_obs und R_obs sind dabei jeweils selbst wiederum Diagonalmatrizen, deren Dimension von der Anzahl der Zustände bzw. von der Anzahl der Temperaturmessstellen abhängt.
• Um die Geschwindigkeit des Beobachters 10 einzustellen, wird das Verhältnis der Kovarianzmatrizen zueinander über den Faktor α_obs variiert. Die Gewichtungen der einzelnen Zustände und Messgrößen innerhalb der Matrizen können theoretisch auch vertrimmt werden. Das Zusammenspiel ist jedoch komplex, sodass aus Gründen einfacher Parametrierbarkeit nur über den Faktor α_obs getunt werden sollte.
• Über die Zustands-/Störgrößenschätzung hinaus wird, wie 11 verdeutlicht, der Gesamtbeobachter 10 auch zur Validierung VAL 23 von Messgrößen bei dem Dampferzeuger 1 eingesetzt.
• Hierzu werden wie 11 zeigt, die Messgrößen des Dampferzeugers 1 sowie die durch den Gesamtbeobachter 10 ermittelten Zustands- und Störgrößen einem Validierungsprozess 23 zugeführt, im Rahmen dessen die Messgrößen mit den Zustands- und Störgrößen verglichen werden.
• Hierüber erhält man Aufschluss, über die Güte der Messwerte des Dampferzeugers 1.
• – Konzept Mehrgrößenzustandsregler 3 (vgl. Fig. 2)
• Das Regelkonzept des Mehrgrößenzustandsreglers 3 (2) basiert auf Konzepten einzelner LQG-Beobachter-Regler der/für die Einzelregelungen, Frischdampfdruck, Verdampferaustrittsenthalpie und Überhitzeraustrittstemperaturen (über die Einspritzungen) (vgl. 8 bis 10), welche entsprechend auf das vorliegende Mehrgrößensystem erweitert wurden (der Gesamtbeobacher 10 tritt an die Stelle der Beobachter der einzelnen LQR-Beobachter-Regler).
• Die Regelgrößen sind, Frischdampfdruck, Verdampferaustrittsenthalpie und Überhitzeraustrittstemperaturen.
• Die Leistung (bzw. der Frischdampfmassenstrom) wird über das als ideal angenommene Turbinenventil geregelt. Somit ist der Frischdampfmassenstrom vorgegeben und damit eine Eingangsgröße des Systems.
• Neben dem Brennstoff- und dem Speisewassermassenstrom dienen mehrere Einspritzungen (in die Überhitzer 5, 6) als Stellgrößen. Für die Einspritzmassenströme existiert zudem ein Sollwert, der im stationären Zustand eingehalten werden soll.
• – Einzelregelungen (Frischdampfdruck, Verdampferaustrittsenthalpie und Überhitzeraustrittstemperaturen (über die Einspritzungen) (Fig. 8 bis Fig. 10)
• – Überhitzeraustrittstemperaturenregler/(kurz) Temperaturregler (Fig. 8)
• In einer kaskadierten Struktur der Temperaturregelung (Überhitzeraustrittstemperaturenregelung) generiert, wie 8 zeigt, der Temperaturregler den Sollwert für die unterlagerte Regelung der Einspritzkühlung einer jeden Überhitzerstufe.
• Der Temperaturregler arbeitet mit Enthalpiegrößen, sodass zunächst deren Berechnung (soweit gemessen/messbar, ansonsten durch den Beobachter) aus den gemessenen/beobachteten Temperaturwerten und den zugehörigen Drücken mit Hilfe der Wasser-Dampf-Tafel nötig ist.
• Zur Beobachterschätzung wird die Dampfenthalpie an drei Punkten im Überhitzer 4, 5, 6 durch den Beobachter rekonstruiert (bei räumlicher Drittelung der Länge des Überhitzers).
• 8 zeigt den Temperaturregler (regelungstechnisches Prozessmodell (mit Reglerglieder 14)), wobei die vom Temperaturregler verwendeten beobachteten Größen gestrichelt markiert sind.
• Die Dampfenthalpie nach der Einspritzkühlung h_NK bzw. nach dem Verdampfer h_VD sowie die Austrittsenthalpie h_FD (bzw. h₁) liegen weiterhin als Messgrößen vor, die Zwischengrößen h₂ und h₃ sind durch den Beobachter geschätzte Größen.
• Ein Unterschied existiert jedoch bezüglich der Wärmeleistung des Rauchgases q_F. Diese wird vom Beobachter nicht als spezifische Größe bestimmt, sondern als absoluter Wert. Da der Temperaturregler jedoch eine spezifische Größe erwartet, muss der Wert zunächst mit Hilfe der ebenfalls beobachteten Massenströme m(p) zwischen den Volumenelementen VE berechnet werden.
• – Verdampferaustrittsenthalpieregler/(kurz) Enthalpieregler (Fig. 9)
• Der Enthalpieregler hat die Aufgabe, die Enthalpie am Verdampferaustritt mit Hilfe des Speisewassermassenstromes auf einen Sollwert zu regeln.
• In Analogie zum Temperaturregler benötigt der Enthalpieregler die Enthalpiewerte an drei Punkten im Verdampfer 7. Neben dem gemessenen Wert am Verdampferaustritt rekonstruiert der bestehende Beobachter die Werte der Enthalpie auf 1/3 bzw. 2/3 der Länge des Verdampfers 7.
• Damit auch der Gesamtsystembeobachter 10 der Mehrgrößenzustandsregelung 3 die entsprechenden Enthalpiewerte kennt, muss das Modell mit Vielfachen von drei Zuständen (d. h. Volumenelementen) parametriert sein.
• 9 zeigt das regelungstechnische Prozessmodell des Enthalpiereglers, wobei die von diesem verwendeten beobachteten Größen gestrichelt markiert sind.
• Die Ein- und Ausgangsenthalpien h_vECO und x₁ liegen dem Regler als Messgrößen vor, die Zwischenenthalpien x₂ und x₃ und die Massenströme m(P)₁, m(P)₂, m(P)₃ werden vom Beobachter geschätzt.
• – Frischdampfdruckregler/(kurz) Druckregler (Fig. 10)
• Der Brennstoffmassenstrom m(P)_b dient als Stellgröße zur Regelung des Frischdampfdrucks. Als Störgröße auf den Druck wirkt der auf die Turbine geführte Frischdampfmassenstrom m(P)_FD.
• Die Dynamik der Umsetzung von Brennstoff in Wärmeleistung wird durch Verzögerungsglieder dritter Ordnung 14 abgebildet.
• 10 zeigt das regelungstechnische Prozessmodell des Druckreglers, wobei die von diesem verwendeten beobachteten Größen gestrichelt markiert sind.
• Diese einzelnen LQG-Beobachter-Zustandsregler werden so angepasst, dass sie an Stelle ihres eigenen Beobachters mit dem Gesamtsystembeobachter 10 simuliert werden können. Da sie auf vergleichbaren Modellen basieren sind nur kleinere Anpassungen notwendig.
• Das Regelkonzept des Mehrgrößenzustandsreglers 3 sieht einen Regler vor, der aus zwei unabhängigen Bausteinen besteht, nämlich der statischen Vorsteuerung 8 und dem (eigentlichen) Mehrgrößen-Zustandsregler 12 (kurz dann nur Zustandsregler 12) (vgl. 3).
• Auf diese Weise werden die Vorteile der Zustandsregelung hinsichtlich der Ausregelung von Störungen mit der stationären Genauigkeit einer klassischen PI-Regelung kombiniert.
• – Vorsteuerung 8/zentrale Sollwertvorgabe 11
• Die zentrale Sollwertvorgabe 11 erfüllt, wie 3 verdeutlicht, zweierlei Aufgaben.
• Zum Einen besteht sie aus einer statischen Führungs- und Störgrößenaufschaltung. Diese generiert auf Basis der Führungsgrößen und der Beobachterausgänge die Stellgrößen (u_steuerung), die das System in den Sollzustand bringen 8.
• Zum Anderen wird, wiederum auf Basis der Führungsgrößen und der geschätzten Störgrößen, für jeden Zustand des Modells der zugehörige Sollwert berechnet. Diese Sollwerte umfassen die Zustände des Feuerungsmodells, den Druck sowie die Enthalpien der Volumenelemente. Diese Sollwerte werden für den Soll-Istwert-Abgleich in der Zustandsregelung 12 benötigt.
• Zusammengefasst ergeben sich damit die folgenden Ausgänge der zentralen Sollwertvorgabe 11:

  
• Die Sollwerte bzw. Steuerungsanteile werden dabei anhand der Modellgleichungen berechnet. Aus dem Frischdampfmassenstrom (gegeben) und den Sollwerten für die Einspritzmassenströme ergeben sich alle Massenströme zwischen den Volumenelementen VE sowie der Speisewassermassenstrom. Dies ist in der folgenden Gleichung beschrieben (Die Dimensionen der Matrizen sind im Folgenden zum Teil angegeben.):

  
• Daraus können mit Hilfe der geschätzten Wärmeströme Q(P) die Enthalpiesollwerte aller VE berechnet werden. Dazu werden zunächst die Massenströme in Matrixform gebracht:

  

  womit über die Enthalpiebilanz sämtliche Enthalpiesollwerte (hsoll) berechnet werden können:

  
• Die Enthalpiesollwerte ergeben sich damit zu:

  
• Der Sollwert für den Druck (p_soll) wird von außen vorgegeben und muss somit nicht berechnet werden. Die drei Zustände des Feuerungsmodells 18 haben im stationären Fall den gleichen Sollwert, sodass gilt:

  
• Die Steueranteile sind die berechneten Eingangsmassenströme m(P)_spw und m(P)_i,soll. Für den Brennstoffmassenstrom ist der Steuerungsanteil gleich dem Sollwert des Feuerungsmodells 18 multipliziert mit dem beobachteten Ausgang des Feuerungsmodells 18:

  
• – Zustandsregler 12
• Im Falle eines perfekten Modells sowie eines ungestörten Systems wäre die zentrale Sollwertvorgabe 11 ausreichend. Da dies aber nicht der Fall ist, wird, wie 3 zeigt, die Vorsteuerung 8 um den (eigentlichen) Mehrgrößenzustandsregler 12 (kurz auch nur dann Zustandsregler 12) ergänzt.
• 3 zeigt dessen Verschaltung mit dem Dampferzeugermodell 9, dem Gesamtsystembeobachter 10 und der zentralen Sollwertvorgabe 11.
• Die Sollwerte der Zustände werden mit den beobachteten Zuständen abgeglichen und daraus der Regelfehler ε gebildet. Somit ist der Regelfehler keine skalare Größe, wie beispielsweise im Falle einer klassischen PI-Regelung, sondern eine vektorielle Größe.
• Aus diesem Vektor werden, wie 3 verdeutlicht, Stellgrößen (u_regelung) berechnet, die additiv auf die Steueranteile aufgeschaltet werden. Das Regelgesetz besteht dabei aus einer gewichteten Summe der Regelfehler ε gemäß der folgenden Gleichung: u_regelung = –K'ε mit

  
• Die Reglerverstärkung K wird dabei über die Lösung eines Optimierungsproblems berechnet, bei dem ein Kompromiss aus hoher Regelgüte und geringem Stellaufwand gefunden wird. Bei diesem Optimierungsproblem wird ein Gütefunktional minimiert, welches der folgenden Gleichung genügt:

  
• Die Parametrierung des Zustandsreglers 12 erfolgt über zwei Gewichtungsmatrizen Q_lqr und R_lqr.
• Die zwei Gewichtungsmatrizen Q_lqr und R_lqr sind Bestandteil eines quadratischen Gütefunktionals. Der Regler 12 bzw. die Rückführmatrix K ist das Ergebnis eines Optimierungsproblems, bei dem ein Kompromiss aus Regelgüte und Stellaufwand gefunden wird. Über Q_lqr wird dabei die Regelgüte, über R_lqr der Stellaufwand bewertet.
• Eine stärkere Gewichtung von Q_lqr (kleinere Gewichtung von R_lqr) führt demzufolge zu kleineren quadratischen Abweichungen der Zustandsistwerte von den Sollwerten. Dies wird jedoch durch einen höheren Stellaufwand erkauft. Umgekehrt führen kleinere Werte von Q_lqr zu einer schlechteren Regelgüte, gleichzeitig wird allerdings auch ein ruhigerer Stellgrößenverlauf erzielt.
• Die Gewichtungsmatrizen sind diagonale Matrizen deren Dimension der Anzahl der Zustandsgrößen bzw. der Anzahl der Stellgrößen entspricht. Im nicht normierten Fall spielt bei der Wahl der Gewichtungen auch die Größenordnung der Zustandsvariablen (Stellgrößen respektive) eine Rolle. Prinzipiell sind alle Gewichtungen individuell wählbar, sinnvollerweise werden aber die Gewichtungen innerhalb eines Systemabschnittes (z. B. Verdampfer 7) gleich bewertet.
• Analog zum Beobachterentwurf wird auch hier eine Matrix-Riccati-Differentialgleichung gelöst (22):

  
• Die Lösung erlaubt die Bestimmung der Reglerverstärkung K K' = R_lgr ^–1B'P_lgr wobei P_lgr die Lösung der Matrix-Riccati-Differentialgleichung ist.
• Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
• Bezugszeichenliste

1

Dampferzeuger

2

Dampfkraftwerk

3

Mehrgrößenzustandsregler/-regelung, LQR-Mehrgrößenzustandsregler

4

(erster) Überhitzer

5

(zweiter) Überhitzer

6

(dritter) Überhitzer

7

Verdampfer

8

statische Vorsteuerung

9

(örtlich disketisiertes) Dampferzeugermodell

9'

erweitertes Dampferzeugermodell (von (9))

10

(Gesamt-)Beobachter, Zustands-/Störgrößenbeobachter, LQG-Mehrgrößenzustandsbeobachter

11

zentrale Sollwertvorgabe

12

Zustandsregelung (bei (3))

13

Kalman-Filter, Erweitertes Kalman-Filter

14

Regler, Regelglied, Verzögerungsglied dritter Ordnung, PT3-Glied

15

(erste) Einspritzung

16

(zweite) Einspritzung

17

Linearisierung (um einen Arbeitspunkt), linearisiertes Modell

18

Feuerungsmodell

19

Störgrößenmodell

20

Beobachtermodell

21

linearer Kalman-Filter, lineares Modell/Beobachter

22

Riccati-Löser

23

(Messgrößen-)Validierung

DSP

Druckspeicher

VE

Volumenelement

VAL

Validierung

L

Beobachtungsverstärkung/-er

[/]

Zustandsgröße

[\]

Eingangsgröße

P

Prozess

Claims (10)

1. Zustandsbeobachter (10) eines Dampferzeugers (1) eines Dampfkraftwerks (2) dadurch gekennzeichnet, dass der Zustandsbeobachter (10) ein Mehrgrößenzustandsbeobachter ist, welcher einen auf eine linear-quadratische Zustandsrückführung ausgelegten Kalman-Filter (13) aufweist.
2. Zustandsbeobachter (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalman-Filter (13) ein Erweitertes Kalman-Filter ist.
3. Zustandsbeobachter (10) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustandsbeobachter (10) ein örtlich diskretisiertes Dampferzeugermodell (9) des Dampferzeugers (1) des Dampfkraftwerks (2) verwendet.
4. Zustandsbeobachter (10) nach mindestens dem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem örtlich diskretisierten Dampferzeugermodell (9) Energie- und/oder Massenbilanzen über diskretisierte Volumenelemente (VE) des örtlich diskretisierten Dampferzeugermodells (9) aufgestellt werden.
5. Zustandsbeobachter (10) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Eingangsgrößen des Zustandsbeobachters (10) Ein- und/oder Ausgangsgrößen bei dem Dampferzeuger (1) sind.
6. Zustandsbeobachter (10) nach mindestens dem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsgrößen des Zustandsbeobachters (10) Temperatur, Druck und/oder Enthalpie eines in den Dampferzeuger, in einen Verdampfer des Dampferzeugers und/oder in einen Überhitzer des Dampferzeugers ein- und/oder austretenden Mediums sind und/oder dass die Eingangsgrößen des Zustandsbeobachters (10) Mediumsmassenströme eines in den Dampferzeuger, in einen Verdampfer des Dampferzeugers und/oder in einen Überhitzer des Dampferzeugers ein- und/oder austretenden Mediums sind und/oder dass die Eingangsgrößen des Zustandsbeobachters (10) ein Brennstoffmassenstrom ist.
7. Zustandsbeobachter (10) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Ausgangsgrößen des Zustandsbeobachters (10) Zustands- und/oder Störgrößen bei dem Dampferzeuger (1) sind.
8. Zustandsbeobachter (10) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsgrößen des Zustandsbeobachters (10) Temperatur, Druck und/oder Enthalpie eines den Dampferzeuger, einen Verdampfer des Dampferzeugers und/oder einen Überhitzer des Dampferzeugers durchströmenden Mediums sind und/oder dass Ausgangsgrößen des Zustandsbeobachters (10) Feuerungszustände bei dem Dampferzeuger (1) sind.
9. Zustandsbeobachter (10) nach mindestens einem der zwei voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsgrößen des Zustandsbeobachters (10) Einspritzmassenströme bei dem Dampferzeuger und/oder dass die Ausgangsgrößen des Zustandsbeobachters (10) Temperatur, Druck und/oder Enthalpie eines in den Dampferzeuger, in einen Verdampfer des Dampferzeugers und/oder in einen Überhitzer des Dampferzeugers ein- und/oder austretenden Mediums sind und/oder dass die Ausgangsgrößen des Zustandsbeobachters (10) ein Wärmestrom bei dem Dampferzeuger (1) sind.
10. Zustandsbeobachter eines Dampferzeugers eines Dampfkraftwerks nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, eingesetzt zu einer Validierung von Messgrößen bei dem Dampferzeuger des Dampfkraftwerks, wobei Messgrößen bei einem Dampferzeuger (1) eines Dampfkraftwerks (2) mit Ausgangsgrößen des Zustandsbeobachters (10) verglichen werden.

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