DE102014205629A1 - Mehrgrößenzustandsregelung für einen Dampferzeuger eines Dampfkraftwerks - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung von mehreren Zustandsgrößen eines Dampferzeugers (1) eines Dampfkraftwerks (2). Um eine stabile und genaue Regelung der mehreren Zustandsgrößen zu erreichen, geht die Erfindung bei der Regelung der mehreren Zustandsgrößen von einer/einem Mehrgrößenregelung/-regler (3) aus und setzt für diese/-n Mehrgrößenregelung/-regler einen linear quadratischen Regler ein.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung von mehreren Zustandsgrößen eines Dampferzeugers 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.
• Diese (Eingrößen-)Zustandsregelung bei der EP 2 244 011 A1 sieht einen Linear Quadratic Regulator (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 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. Die Auswertung der Versuchsergebnisse 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.
• Die Parametrisierung gestaltet sich (zeit-)aufwändig und ist entsprechend teuer.
• 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)).
• Hierbei, d.h. bei diesen bekannten Mehrgrößenreglern, erweist es sich als nachteilig, dass in der Regel meist nur durch aufwändige Tests Übertragungsfunktionen zwischen den (mehreren) Eingangsgrößen und den mehreren Ausgangsgrößen sowie gegebenenfalls den (mehreren) Störgrößen ermittelbar sind. Darüber hinaus lassen sich hier Nichtlinearitäten oder Lastabhängigkeiten nur schwer berücksichtigen.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Regelung bei einem Dampferzeuger eines Dampfkraftwerks vorzusehen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet, insbesondere welche die mehreren Zustandsgrößen bei einem Dampferzeuger eines Dampfkraftwerks genau als auch stabil regelt sowie welche auch kostengünstig und zeiteffizient umsetzbar und anwendbar ist.
• Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung von mehreren Zustandsgrößen bei einem Dampferzeuger eines Dampfkraftwerks gemäß dem jeweiligen unabhängigen Patentanspruch gelöst.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer dessen nachfolgend erläuterten Weiterbildungen, wie auch das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere geeignet ist, auf der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder einer dessen nachfolgend erläuterten Weiterbildungen ausgeführt zu werden.
• Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen. Die Weiterbildungen beziehen sich sowohl auf das erfindungsgemäße Verfahren als auch auf die erfindungsgemäße Vorrichtung.
• 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.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung von mehreren Zustandsgrößen bei einem Dampferzeuger eines Dampfkraftwerks bzw. bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Regelung von mehreren Zustandsgrößen bei einem Dampferzeuger eines Dampfkraftwerks werden die mehreren Zustandsgrößen unter Verwendung eines Mehrgrößenzustandsreglers (kurz auch nur Mehrgrößenregler) geregelt bzw. ist ein Mehrgrößenzustandsregler (kurz auch nur Mehrgrößenregler) vorgesehen, welcher die mehreren Zustandsgrößen regelt. Der Mehrgrößenregler ist dabei ein linear-quadratischer Regler.
• Als Mehrgrößenzustandsregler (MIMO) kann ein Regler verstanden werden, bei dem mehrere Zustandsgrößen gleichzeitig geregelt werden, wobei eine klare Zuordnung von mehreren Stellgrößen zu mehreren Regelgrößen entfällt. Sämtliche Stell- und Regelgrößen sind (in dem Mehrgrößenzustandsregler) miteinander (über die jeweiligen Regelfehler) verknüpft, wodurch physikalischen Kopplungen zwischen Einzelregelung (SISO) Rechnung getragen wird.
• Der Mehrgrößenregler ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein linear quadratischer Regler.
• Die Erfindung geht so bei der Regelung von mehreren Zustandsgrößen bei einem Dampferzeuger eines Dampfkraftwerks, wie beispielsweise eine (Frisch-)Dampftemperatur/-en bzw. Überhitzeraustrittstemperatur/-en, ein (Frisch-)Dampfdruck und eine Verdampferaustrittsenthalpie, von einer/einem Mehrgrößenregelung/-regler aus. Für diese/-n Mehrgrößenregelung/-regler wird dabei ein linear quadratischer Regler eingesetzt.
• 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. Hierdurch kann sowohl eine genaue als auch stabile Regelung erreicht werden.
• Zur Berechnung einer Regler-Matrix kann eine Rückführmatrix des LQR bei der Mehrgrößenzustandsregelung in einen Satz skalarer Gleichungen, in sogenannte Matrix-Riccati-Gleichungen, überführt werden.
• Hierdurch können in vorteilhafter Weise „mathematische (Rechen-)Bausteine“ einfach gehalten 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.
• D.h., die Erfindung realisiert – mit ihrem linear quadratischen Regler bzw. „Linear Quadratic Regulator“ (LQR) bei der Mehrgrößenregelung – so einen „sauber durchgeführten“ nicht linearen MIMO-Ansatz für die hoch komplexe Zustandsregelung eines (ganzen) Dampferzeugers. Damit können alle Verkopplungen des (Dampferzeugungs-)Prozesses berücksichtigt – und so die klassischen Entkopplungen, die sonst notwendig wären, um jeden einzelnen SISO-Regelkreis für sich zu optimieren, gespart werden.
• Durch das erfindungsgemäße Verfahren sowie durch die erfindungsgemäße Vorrichtung werden somit die Vorteile, welche (einerseits) ein linear quadratischer Regler bietet, d.h. dessen Regelqualität, dessen Robustheit sowie der geringe Aufwand zur Inbetriebnahme, in eine Mehrgrößenzustandsregelung – mit andererseits dortigen Vorteilen, wie die gleichzeitige Regelbarkeit gekoppelter Zustandsgrößen einbezogen bzw. dorthin „übertragen“ – und dadurch die bekannten Nachteile der ursprünglichen, bekannten Mehrgrößenzustandsregelung, wie deren aufwändige Bestimmung der Übertragungsfunktionen und der beschränkte Berücksichtigbarkeit von Nichtlinearitäten oder Lastabhängigkeiten, überwunden.
• Weiter reduziert sich durch die Erfindung Rechenzeit-, Rechenbausteine und Speicherplatzbedarf, was somit auch mit einer deutlichen Kostenreduktion einhergeht.
• Nach einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass als Regelstrecke bei dem Mehrgrößenzustandsregler ein Modell des Dampferzeugers des Dampfkraftwerks verwendet wird.
• 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.
• Bevorzugt kann weiter auch vorgesehen sein, dass die mehreren durch den Mehrgrößenzustandsregler geregelten Zustandsgrößen (Regelgrößen) zumindest eine (Frisch-)Dampftemperatur/-en bzw. Überhitzeraustrittstemperatur/-en (Temperaturregler/-regelung), ein (Frisch-)Dampfdruck (Druckregler/-regelung) und eine Verdampferaustrittsenthalpie (Enthalpieregler/-regelung) sind.
• Anders ausgedrückt, der Mehrgrößenzustandsregler umfasst/“kombiniert“ in diesem Fall die (mehreren) Regelkreise (Frisch-)Dampftemperatur bzw. Austritttemperaturen von Überhitzern (über Einspritzungen), (Frisch-)Dampfdruck und Verdampferaustrittsenthalpie.
• Insbesondere wenn so – zu dem Mehrgrößenzustandsregler – zu „kombinierende“, einzelne Regelkreise/Regler, wie die beispielhaft vorstehend genannten, gleichartige Strukturen, wie Beobachter für Zustände und/oder Störgrößen, eine „quasistationäre“ Aufschaltung von Störgrößen als statische Vorsteuerung zur Vermeidung bleibender Regelabweichungen, eine Berechnung von Sollzuständen gemäß der Vorsteuerung oder einen Zustandsregler, welcher auf die Sollzustände regelt und die dafür gewünschte Dynamik einbringt, aufweisen, ist deren Kombination besonders einfach.
• Eine Anzahl von Stellgrößen bei dem Mehrgrößenzustandsregler kann von einer Ausgestaltung des Dampferzeugermodells abhängen. Bevorzugt können die Stellgrößen des Mehrgrößenzustandsreglers zumindest ein Brennstoffmassenstrom, ein Einspritzmassenstrom (oder mehrere Einspritzmassenströme) und ein Speisewassermassenstrom sein.
• Zumindest eine, zwei oder mehrere von den Stellgrößen, insbesondere aber alle Stellgrößen, können dabei, insbesondere statisch oder dynamisch, vorgesteuert werden.
• D.h., eine – beispielsweise im Falle der statischen Vorsteuerung – statische Vorsteuerung generiert die Stellgröße/-n, die den Dampferzeuger in einem aktuellen Arbeitspunkt hält/halten. Es ist so ein Mehrgrößenzustandsregler vorgesehen, der aus zwei „unabhängigen Bausteinen“ besteht, nämlich der statischen Vorsteuerung und dem (eigentlichen) Mehrgrößenzustandsregler, wobei dieser dann „Rest“-Abweichungen (aus der statischen Vorsteuerung) zum aktuellen Arbeitspunkt ausregelt.
• Auf diese Weise werden die Vorteile der (Mehrgrößen-)Zustandsregelung hinsichtlich der Ausregelung von Störungen mit der stationären Genauigkeit einer klassischen PI-Regelung kombiniert.
• Auch kann, insbesondere für die Mehrgrößenzustandsregelung in Kombination mit der statischen Vorsteuerung, vorgesehen sein, Sollwerte der Regelgrößen zentral vorzugeben (zentrale Sollwertvorgabe).
• Die zentrale Sollwertvorgabe kann so zweierlei Aufgaben erfüllen: Zum Einen besteht sie aus einer statischen Führungs- und Störgrößenaufschaltung. Diese generiert die Stellgrößen, die das Regelungssystem in den Sollzustand bringen. Zum Anderen wird für jeden Zustand des Modells der zugehörige Sollwert berechnet. Diese Sollwerte werden dann für den Soll-Istwert-Abgleich in der Mehrgrößenzustandsregelung verwendet.
• Da zurückgeführte Mediumszustände der Mehrgrößenzustandsregelung, insbesondere die Temperatur, der Druck und/oder die Enthalpie des Dampfes entlang des, insbesondere mehrstufigen, Überhitzers, nicht messbar sind, können die mehreren Mediumszustände des Dampfes mittels eines Beobachters ermittelt bzw. „geschätzt“ werden (Zustandsbeobachter), insbesondere mittels eines Beobachters, welcher unabhängig vom Mehrgrößenzustandsregler arbeitet.
• Darüber hinaus können auch Störungen bzw. Störgrößen – definiert als weitere (Prozess-)Zustände – mit Hilfe eines solchen Beobachters 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 Beobachters geschätzt werden.
• Dieser (Zustands-/Störgrößen-)Beobachter hat die Aufgabe, über ein zu Grunde liegendes Modell, wie das Dampferzeugermodell, mit Hilfe von Messdaten die Zustandsgrößen und/oder die Störgrößen des Systems zu beobachten bzw. zu schätzen.
• Die Begriffe „schätzen“, „berechnen“ und „ermitteln“ werden im Folgenden im Zusammenhang mit dem Beobachter als Synonyme verwendet.
• Der Vorteil dieses „Beobachter-Konzepts“ besteht darin, dass sehr schnell und akkurat auf Störungen, die – verwendet man als Modell den Dampferzeuger – auf den Dampferzeuger wirken, reagiert werden kann.
• Versteht man so den Mehrgrößenzustandsregler als Regelkreis, der die Regelgrößen auf der Grundlage einer Zustandsraumdarstellung regelt, kann der Zustand der Regelstrecke durch den Beobachter der Regelstrecke zugeführt werden, also zurückgeführt werden.
• Die Rückführung, die zusammen mit der Regelstrecke den Regelkreis bildet, geschieht durch den Beobachter, der eine Messeinrichtung ersetzt, und den eigentlichen Mehrgrößenzustandsregler.
• Der Beobachter kann so die Zustände des Systems, in diesem Fall beispielsweise des Dampfs im bzw. entlang des Dampferzeugers, sowie die Störgrößen berechnen.
• Der Beobachter kann eine Zustands-Differentialgleichung, eine Ausgangsgleichung und einen Beobachtervektor umfassen. Der Ausgang des Beobachters wird mit dem Ausgang der Regelstrecke verglichen. Die Differenz wirkt über den Beobachtervektor auf die Zustands-Differentialgleichung.
• Vorzugsweise kann als Beobachter ein Kalman-Filter (kurz KF) verwendet 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) verwendet werden, welcher eine Erweiterung des KF 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- und Störgrößenbeobachter eingesetzt werden.
• In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Beobachter ein Kalman-Filter, der auf die linear-quadratische bzw. lineare Zustandsrückführung ausgelegt ist. Das Zusammenspiel des – vereinfachten/modifizierten – linear-quadratischen, d.h. des linearen Reglers mit dem Kalman-Filter wird als LQG (Linear Quadratic Gaussian)-Algorithmus bezeichnet.
• Nach einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass bei dem Beobachter, mittels dessen die mehreren Mediumszustände des Dampfes (Zustandsbeobachter) und/oder die Störgrößen (Störgrößenbeobachter) ermittelt werden, das Modell der Regelstrecke des Dampferzeugers verwendet wird.
• Die Beobachtung von sonstigen Störungen, z.B. im Falle von Rußblasen, Brennstoffwechseln o.ä., wird hier keinesfalls eingeschränkt.
• Das 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 Beobachters 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 der erfindungsgemäßen Mehrgrößenzustandsregelung 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 dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder mit der Vorrichtung gemäß dem jeweiligen unabhängigen Anspruch kombinierbar.
• Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.
• 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 Verdampferaustrittsenthalpieregeler mit gemessenen und beobachteten (gestrichelt) Größen (regelungstechnisches Prozessmodell) und
• 10 einen Frischdampfdruckregler mit gemessenen und beobachteten (gestrichelt) Größen (regelungstechnisches Prozessmodell).
• 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 14, Einsp2/Einspritzung 2 15).
• 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 so 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.
• Ein Dampferzeugermodell, dessen anlagen-technische (Modell-)Struktur in 1 verdeutlicht ist, basiert u.a. 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).
• 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 Mehrgrößenzustandsreglung 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 Einzelregelung (SISO, Frischdampfdruckregelung, Verdampferaustrittsenthalpieregelung und Überhitzeraustrittstemperaturenregelung) Rechnung getragen wird.
• Der Mehrgrößenzustandsregler 3 ist, wie 2 auch verdeutlicht, ein linear quadratischen 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 ist 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)_VE,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_m(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: dΔx / dt = A_deΔx + B_deΔu,

  
• – 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 (A_de, 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:

  

  Q . = Q₀(1 0 0)·x_feuer 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.
• – 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 Gesamtbeobachter 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:

  
• 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_lqr ^–1B'P_lqr wobei P_lqr 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

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

DSP

Druckspeicher

VE

Volumenelement

L

Beobachtungsverstärkung/-er

[/]

Zustandsgröße

[\]

Eingangsgröße

P

Prozess

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 2244011 A1 [0011, 0012, 0017, 0018, 0019, 0021, 0022, 0023, 0025, 0027]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• http://de.wikipedia.org/wiki/Dampfkraftwerk [0002]

Claims (12)

1. Verfahren zur Regelung von mehreren Zustandsgrößen in einem Dampferzeuger (1) eines Dampfkraftwerks (2), dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Zustandsgrößen unter Verwendung eines Mehrgrößenzustandsreglers (3) geregelt werden und der Mehrgrößenzustandsregler (3) ein linear quadratischer Regler ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren durch den Mehrgrößenzustandsregler (3) geregelten Zustandsgrößen eine Temperatur, ein Druck und/oder eine Enthalpie eines Dampferzeugermediums des Dampferzeugers, insbesondere zumindest ein Frischdampfdruck, eine Verdampferaustrittsenthalpie und Überhitzeraustrittstemperaturen des Dampferzeugers (1), sind.
3. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Stellgrößen des Mehrgrößenzustandsreglers (3) Massenströme des Dampferzeugers (1), insbesondere zumindest ein Brennstoffmassenstrom, ein Speisewassermassenstrom und ein Einspritzmassenstrom in einen Überhitzer (4, 5, 6) oder Einspritzmassenströme in Überhitzer (4, 5, 6), sind.
4. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Stellgrößen des Mehrgrößenzustandsreglers (3) statisch vorgesteuert werden (8).
5. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Mehrgrößenzustandsregler (3) ein örtlich diskretisiertes Dampferzeugermodell (9) verwendet wird.
6. Verfahren 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.
7. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Mehrgrößenzustandsregelung (3) ein Gesamtbeobachter (10) verwendet wird, unter Verwendung dessen Zustandsgrößen und/oder Störgrößen bei dem Dampferzeuger (1) geschätzt werden.
8. Verfahren nach mindestens dem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Gesamtbeobachter (10) ein Kalman-Filter (13) oder ein Erweitertes Kalman-Filter verwendet wird.
9. Verfahren nach mindestens dem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalman-Filter, insbesondere das Erweiterte Kalman-Filter, auf eine linear-quadratische Zustandsrückführung ausgelegt ist.
10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 6 und mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Gesamtbeobachter (10) das örtlich diskretisierte Dampferzeugermodell (9) verwendet wird.
11. Verfahren nach mindestens dem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Mehrgrößenzustandsregelung (3) Sollwerte zentral vorgegeben werden (11), welche für eine Vorsteuerung (8) und für eine Zustandsregelung (12) bei der Mehrgrößenzustandsregelung (3) verwendet werden.
12. Vorrichtung zur Regelung von mehreren Zustandsgrößen bei einem Dampferzeuger eines Dampfkraftwerks, gekennzeichnet mit einem Mehrgrößenzustandsregler (3), welcher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 die mehreren Zustandsgrößen regelt und welcher ein linear-quadratischer Regler ist.

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