DE10221594A1

DE10221594A1 - Vorrichtung und Verfahren zur wirkungsgradoptimierten Regelung einer Turbine

Info

Publication number: DE10221594A1
Application number: DE2002121594
Authority: DE
Inventors: Rudolf Keiper
Original assignee: Kuehnle Kopp and Kausch AG
Current assignee: Howden Turbo GmbH
Priority date: 2002-05-15
Filing date: 2002-05-15
Publication date: 2003-11-27
Anticipated expiration: 2022-05-16
Also published as: DE10221594B4

Abstract

Es werden Vorrichtungen und Verfahren offenbart zum wirkungsgradoptimierten Betreiben eines durch eine Turbine (4) angetriebenen Generators (5), der Ausgangsspannungen mit variabler Ausgangsfrequenz (f¶G¶) erzeugt, aus der durch Umrichten eine konstante Netzspannung (f¶N¶) erzeugt wird. DOLLAR A Aus vor und hinter der Turbine ermittelten thermodynamischen Prozeßparamtern (P¶0¶, T¶0¶, P¶D¶, T¶D,¶ P¶ab(')¶, T¶ab(')¶) eines Dampfkreislaufs werden aufgrund empirisch vorbekannter Zusammenhänge wirkungsgradoptimierte Sollwerte für die Turbinendrehzahlen n¶T,soll¶ ermittelt. DOLLAR A Durch Vergleich zwischen wirkungsgradoptimierten Sollwerten n¶T,soll ¶und Istdrehzahlen n¶T,ist ¶der Turbine (4) und durch Variieren der Öffnungsstellung eines Stellventils (3) vor der Turbine (4) erfolgt eine wirkungsgradoptimierte Regelung des Dampfstroms im Turbinen-Generatorblock. DOLLAR A Durch Verfolgung von "Open-valve"-Konzepten ist zudem ein gleichzeitiges leistungsmaximiertes und wirkungsgradoptimiertes Betreiben des Turbinen-Generatorblocks möglich. Dabei wird die Öffnungsstellung des Stellventils (3) immer etwas unterhalb des maximal möglichen Stellwinkels gehalten und weitere Prozeßparameter werden ausgeregelt, wie insbesondere eine Kühlmitteldurchflußrate dm¶K¶/dt in einem Kondensator (7) und/oder eine Pumpdrehzahl n¶p¶ für den Rücktransport des Kondensats zu einem Heizkessel (1) und/oder die Wärmezufuhr Q¶zu¶ zum Heizkessel (1).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Regelung einer Turbine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Beim Antrieb eines Generators durch eine Entspannungsturbine zum Zwecke der Stromerzeugung ist in der Regel die Turbinendrehzahl konstant und an die Netzfrequenz des Spannungsnetzes gekoppelt, in welches die durch den Generator erzeugte erzeugte elektrische Spannung eingespeist wird. Nach der Synchronisierung von Turbinendrehzahl und Netzfrequenz wird der Druck des die Turbine antreibenden Frischdampfdruckes über ein an der Turbine angebrachtes Stellventil ausgeregelt.

Nachteilig bei dieser Vorgehensweise ist, daß bei konstanter Drehzahl der Turbine thermodynamische Prozeßparameter wie insbesondere Frischdampfdruck und -temperatur nicht wirkungsgradoptimiert angepaßt werden können. Der Wirkungsgrad einer solchen Anordnung zur Wandlung von thermischer Energie in elektrische Energie ist suboptimal. Im Dauerbetrieb einer solchen Turbine liegen damit insbesondere auch die Betriebskosten höher als dies bei wirkungsgradoptimierter Betriebsweise der Fall wäre.

Es sind deshalb Entwicklungsbemühungen unternommen worden, die starre mechanische Kopplung zwischen der Drehzahl der Turbine und der Netzfrequenz aufzuheben und den Wirkungsgrad bei der Umwandlung von thermischer in elektrische Energie zu verbessern.

Hierfür verwendete bekannte Vorrichtungen und Verfahren nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 6 sind z. B. in "Magnetgelagerte Turbogeneratoren (MTG)" von G. Willmroth in VDI Berichte Nr. 1141, 1994, S. 125 ff. offenbart.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen nach diesem bekannten Stand der Technik offenbarten Dampfkreislauf zur Wandlung von thermischer in elektrische Energie.

In Fig. 1 bezieht sich das Bezugszeichen 1 auf einen Heizkessel. Diesem Heizkessel 1 wird eine Wärmemenge Q_zu zugeführt. Der dabei erzeugte Frischdampf weist eine Temperatur auf und steht unter einem Druck p₀. Er wird über eine Dampfleitung 2 zu einem Stellventil 3 geführt und tritt durch dieses hindurch in eine Turbine 4 ein.

Die Turbine 4 treibt einen Generator S mit variabler Drehzahl n_T an. Dieser erzeugt eine Ausgangsspannung mit variabler Ausgangsfrequenz f_G. Diese Ausgangsspannung wird mittels eines Umrichters 6 in eine Spannung mit vorgegebener konstanter Netzfrequenz f_N umgewandelt und in ein Stromnetz eingespeist.

Der aus der Turbine 4 mit Druck p_ab und der Temperatur T_ab austretende Dampf wird in einen Kondensator 7 (optional) eingespeist. Diesem wird über eine Kühlschlange 8 (optional) ein Kühlmittel mit dem Massenstrom dm_K/dt zugeführt. Dadurch wird die Wärmemenge Q_ab aus dem Dampf abgeführt.

Das den Kondensator mit dem Druck p_ab' und der Temperatur T_ab' verlassende Kondensat wird sodann von einer durch einen Motor 9 (optional) mit der Pumpendrehzahl n_p angetriebenen Pumpe 10 (optional) zurück in den Heizkessel 1 gepumpt. Dort wird es für einen erneuten Durchlauf des Dampfkreislaufs erneut erhitzt.

Als Medium im Dampfkreislauf vom Heizkessel 1 über die Turbine 4, den Kondensator 7 und die Pumpe 10 zurück zum Heizkessel 1 können Erdgas, Wasserdampf usw. verwendet werden.

Thermodynamisch gesehen ist der Dampfkreislauf durch sogenannte Prozeßparameter wie p₀, T₀, p_D, T_D, p_ab('₎, T_ab('₎ gekennzeichnet.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ist die starre mechanische Kopplung zwischen Turbinendrehzahl n_T und Netzfrequenz f_N aufgegeben. Die Drehzahl n_T der Turbine (sowie die Generatorfrequenz f_G) sind somit variable Größen und können immer optimal an die Prozeßparameter angepaßt werden.

Dazu ist zwischen der Turbine 4 und dem Stellventil 3 eine Regelstrecke zur Ausregelung des Öffnungsgrades des Stellventils in Abhängigkeit von der Turbinendrehzahl n_T aufgebaut. Die Regelstrecke umfaßt einen Meßsensor 12 zur Erfassung des aktuellen Istwerts der Turbinendrehzahl n_T,ist. Dieser Istwert wird über eine Meßleitung 13 auf einen Regler 11 gegeben. Der Regler 11 liefert dann eine Stellgröße für den Öffnungsgrad des Stellventils 3 über die Signalleitung 14 auf das Stellventil 3, um so die Dampfströmung durch das Stellventil 3 und damit die Turbinendrehzahl n_T zu regeln.

Durch Ausregelung der Drehzahl n_T der Turbine 4 durch das Stellventil 3 kann nun aber der Frischdampfdruck p₀ des in das Stellventil 3 einströmenden Mediums nicht mehr ausgeregelt werden.

Deshalb sind die in Verbindung mit Fig. 1 diskutierten bekannten Maßnahmen zum Regeln einer in Verbindung mit einem Generator stromerzeugenden Turbine immer noch suboptimal unter dem Gesichtspunkt des Wirkungsgrads bei der Wandlung von thermischer in elektrische Energie.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Regeln einer Turbine bereitszustellen, bei denen die starre, mechanische Koppelung der Turbinendrehzahl mit der Netzfrequenz aufgehoben sind, die Drehzahl der Turbine eine variable Größe ist und eine verbesserte wirkungsgradoptimierende Regelung unter Berücksichtigung der Prozeßparameter im Dampfkreislauf vorliegt.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 bzw. ein Verfahren nach Anspruch 6 gelöst.

Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Erfindungsgemäß werden Vorrichtungen und Verfahren offenbart zum wirkungsgradoptimierten Betreiben eines durch eine Turbine 4 angetriebenen Generators 5, der Ausgangsspannungen mit variabler Ausgangsfrequenz f_G erzeugt, aus der durch Umrichten eine konstante Netzspannung f_N erzeugt wird.

Aus vor und hinter der Turbine ermittelten thermodynamischen Prozeßparametern wie insbesondere dem Druck und der Temperatur im Dampfkreislauf werden aufgrund empirisch vorbekannter Zusammenhänge wirkungsgradoptimierte Sollwerte für die Turbinendrehzahlen n_T,soll ermittelt.

Durch Vergleich zwischen wirkungsgradoptimierten Sollwerten n_T,soll und Istdrehzahlen n_T,ist der Turbine 4 und durch Variieren der Öffnungsstellung eines Stellventils 3 vor der Turbine 4 erfolgt eine wirkungsgradoptimierte Regelung des Dampfstroms im Turbinen- Generatorblock.

Durch Verfolgung von "Open-valve"-Konzepten ist zudem ein gleichzeitiges leistungsmaximiertes und wirkungsgradoptimiertes Betreiben des Turbinen-Generatorblocks möglich.

Dabei wird die Öffnungsstellung des Stellventils 3 immer etwas unterhalb des maximal möglichen Stellwinkels gehalten und es werden weitere Prozeßparameter ausgeregelt, wie z. B. eine Kühlmitteldurchflußrate dm_K/dt durch einen Kondensator 7, eine Pumpdrehzahl n_p für den Rücktransport des Kondensats zu einem Heizkessel 1 oder die Wärmezufuhr Q_zuzum Heizkessel 1.

Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Anordnung eines bekannten Dampfkreislaufes zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels einer Turbine mit geregelter variabler Drehzahl unter Verwendung eines Umrichters;
Fig. 2 eine schematische Anordnung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsmäßen Dampfkreislaufes zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels einer Turbine mit wirkungsgradoptimiert geregelter variabler Drehzahl unter Verwendung eines Umrichters;
Fig. 3 eine schematische Anordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsmäßen Dampfkreislaufes zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels einer Turbine mit wirkungsgradoptimiert geregelter variabler Drehzahl unter Verwendung eines Umrichters;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Regelschemas, welches in dem in Fig. 2 bzw. Fig. 3 gezeigten Dampfkreislauf angewandt wird; und
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Regelschemas, welches in dem in Fig. 2 bzw. Fig. 3 gezeigten Dampfkreislauf angewandt wird.
Fig. 2 zeigt einen dem in Fig. 1 gezeigten Dampfkreislauf im Prinzip entsprechenden Grundaufbau. In Fig. 1 und Fig. 2 einander entsprechende Bauteile sind mit identischen Bezugszeichen versehen und zu ihrer Erläuterung wird auf die Ausführungen zu Fig. 1 verwiesen.
Gegenüber dem in Fig. 1 gezeigten Stand der Technik werden bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Spannung mit einer vorgegebenen Netzfrequenz f_N zur Regelung der Turbinendrehzahl von einem schnellen Regler 11 neben dem Istwert n_T,ist der Turbinendrehzahl auch noch weitere Prozeßparameter berücksichtigt und der Ermittlung eines Stellwerts für das Stellventil 3 zugrundegelegt.
Dazu sind bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber Fig. 1 noch zusätzlich vorgesehen:

- Ein Meßsensor 15 zur Erfassung der aktuellen Istwerte p_0,ist, T_0,ist des Frischdampfdruckes und der Frischdampftemperatur in der Dampfleitung vor dem Stellventil 3. Die vom Meßsensor 15 erfaßten Meßwerte werden über eine Meßleitung 16 auf den Regler 11 gegeben.
- Ein Meßsensor 17 zur Erfassung der aktuellen Istwerte p_D,ist, T_D,ist von Druck und Temperatur des durch das Stellventil 3 hindurchgetretenen Dampfes in der Dampfleitung 2 zwischen dem Stellventil 3 und der Turbine 4. Die vom Meßsensor 17 erfaßten Meßwerte werden über eine Meßleitung 18 auf den Regler 11 gegeben.
- Ein Meßsensor 19 zur Erfassung der aktuellen Istwerte p_ab'_,ist, T_ab'_,ist von Druck und Temperatur des durch den Kondensator 7 hindurchgetretenen Kondensats in der Dampfleitung 2. Alternativ (vgl. Fig. 3) könnte der Meßsensor 19 auch zwischen dem Dampfauslaß der Turbine 4 und dem Eingang des Kondensators 7 liegen, um die aktuellen Istwerte p_ab,ist, T_ab,ist von Druck und Temperatur des aus der Turbine 4 austretenden entspannten Dampfes zu messen. Die vom Meßsensor 19 erfaßten Meßwerte werden über eine Meßleitung 20 auf den Regler 11 gegeben.

Bei den in Fig. 2 und 3 gezeigten beiden Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung werden von den Meßsensoren 15, 17, 19 erfaßte aktuelle Istwerte der thermodynamischen Prozeßparameter p₀, T₀, p_D, T_D, p_ab, T_ab (bzw. p_ab', T_ab') an den Regler 11 geliefert. Dieser ermittelt dann aufgrund von vorgegebenen Regelungsschemata, die weiter unten ausführlicher besprochen werden, eine Stellgröße für den Öffnungsgrad des Stellventils 3. Diese Stellgröße wird über die Signalleitung 14 vom Regler 11 auf das Stellventil 3 gegeben.
Im einfachsten Fall einer Umsetzung des der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Regelungsgedankens ist es ausreichend, jeweils einen Druck sowie eine Temperatur jeweils vor (z. B. p₀, T₀ und/oder p_D, T_D) und hinter (z. B. p_ab, T_ab und/oder p_ab', T_ab') der Entspannungsturbine zu messen und ausgehend von diesen Meßwerten basierend auf empirisch vorbekannten Zusammenhängen zu diesen Meßgrößen gehörige wirkungsgradoptimierte Sollwerte n_T,soll für die Turbinendrehzahlen zu ermitteln.
Optional können bei den in Fig. 2 und 3 gezeigten beiden Ausführungsformen Stellsignalleitungen 21 bzw. 22 vorgesehen sein, über die vom Regler 11 Stellsignale für weitere den Dampfkreislauf bestimmende Parameter ausgegeben werden. Diese Stellgrößen können insbesondere die Einstellung des Kühlmittelstroms dm_K/dt auf die Kühlschlange 8 betreffen und/oder Stellsignale zur Einstellung der Pumpdrehzahl n_p der durch den Motor 9 angetriebenden Pumpe 10 und/oder aber auch z. B. Stellgrößen für die dem Heizkessel zugeführte Wärmemenge Q_zu. Auch diese optionalen Varianten werden weiter unten noch ausführlicher erläutert.
Es versteht sich für den Fachmann von selbst, daß anstelle der in Fig. 2 und 3 gezeigten Meßsignal- bzw. Stellsignalleitungen 16, 18, 20 bzw. 14, 21, 22 auch nicht kabelgebundene Übertragungsschnittstellen (z. B. Infrarotschnittstellen) oder andere geeignete Signalübertragungsmittel verwendet werden können.
Mittels von im Regler 11 implementierten Regelungsalgorithmen werden somit Stellgrößen ermittelt, die auf geeignete Stellmittel gegeben werden, um auf die Prozeßparameter im Dampfkreislauf so einzuwirken, daß die Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie mittels Turbine 4 und Generator 5 wirkungsgradoptimiert erfolgt.
In Fig. 3 sind solche Stellmittel für die Regulierung des Kühlmittelflusses dm_K/dt durch die Kühlschlange 7 oder die dem Heizkessel 1 zuzuführende Wärmemenge Q_zu nicht gezeigt.
Das Stellmittel für die Regulierung der Pumpdrehzahl n_p und damit der Förderrate des Kondensats aus dem Kondensator 7 zurück zum Heizkessel 1 ist der Motor 9. Alternativ hierzu könnte zur Regelung der Förderrate des Kondensats aus dem Kondensator 7 zurück zum Heizkessel auch ein Stellventil (nicht gezeigt) in der Dampfleitung 2' vorgesehen sein oder eine regelbare Bypass-Leitung neben der Dampfleitung 2' zurück zum Heizkessel.
Es versteht sich von selbst, daß über weitere geeignete Stellmittel weitere thermodynamische Prozeßparameter beeinflußt werden können, wie insbesondere die dem Heizkessel 1 zugeführte Wärmemenge Q_zu.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der in Fig. 2 bzw. 3 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtungen wird die Drehzahl n_T der Turbine 4 so über den schnellen elektronischen Regler 11 geregelt, daß dieser die Ist-Drehzahl n_T,ist der Turbine 4 über den Meßsensor 12 erfaßt und bei Abweichungen von einer aufgrund von vorimplementierten, prozeßparameterbasierten Regelungsalgorithmen vorermittelten wirkungsgradoptimierten Solldrehzahl n_T,soll ein Stellsignal bildet, welches über die Signalleitung 14 auf das Stellventil 3 einwirkt.
Dadurch wird die Abweichung zwischen Ist-Drehzahl n_T,ist und wirkungsgradoptimierter Solldrehzahl n_T,soll der Turbine 4 ausgeregelt, so daß je nach Öffnungsgrad des Stellventils 3 der Turbinendruck P_D und die Turbinentemperatur T_D und damit die Drehzahl n_T der Turbine 4 variieren kann.
Die Ermittlung der prozeßparameterabhängigen wirkungsgradoptimierten Solldrehzahl n_T,soll der Turbine 4 wird weiter unten in Verbindung mit Fig. 4 und insbesondere dem dort gezeigten Funktionsblock 31 erläutert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Regelstrategie werden alle Prozeßparameter im Dampfkreislauf als bekannt vorausgesetzt. Durch die Ausnutzung bekannter thermodynamischer Gesetzmäßigkeiten lassen sich sodann geeignete Regelalgorithmen ableiten, die basierend auf den durch Meßsensoren ermittelten Istwerten der Prozeßparameter geeignete Stellgrößen liefern, um gezielt Regeleingriffe in den Dampfkreislauf so durchzuführen, daß die Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie im Turbinen-Generatorblock in wirkungsgradoptimierter Weise erfolgt. Dies steht im Gegensatz zu dem eingangs diskutierten Stand der Technik nach G. Willmroth, wo der Frischdampfdruck p₀ nicht ausgeregelt werden kann,
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines in den in Fig. 2 bzw. Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielhaft angewandten Regelschemas.
Ein solches Regelschema kann in dem in Fig. 2 bzw. 3 gezeigten Regler 11 z. B. mittels in Form von Software implementierten Regelalgorithmen realisiert werden.
Funktionsblock 30 in Fig. 4 symbolisiert, wie dem Regler 11 (Fig. 2 bzw. 3) über geeignete Meßleitungen 16, 18, 20 (Fig. 2 bzw. 3) beispielhaft folgende Werte zugeführt werden:

- die aktuellen Ist-Werte für Druck p_0,ist und Temperatur T_0,ist des im Heizkessel 1 erzeugten Dampfes;
- die aktuellen Ist-Werte für Druck P_D,ist und Temperatur T_D,ist des durch das Stellventil 3 hindurchgetretenen Dampfes; und
- die aktuellen Ist-Werte für Druck p_ab'_,ist und Temperatur T_ab'_,ist des aus dem Kondensator 7 austretenden Kondensats (vgl. Fig. 2) bzw. die aktuellen Ist-Werte für Druck p_ab,ist und Temperatur T_ab,ist des aus der Entspannungsturbine 4 austretenden Dampfes (vgl. Fig. 3).

Im Regler 11 sind geeignete Algorithmen softwaremäßig implementiert (Funktionsblock 31), die weiter unten ausführlicher erläutert werden und welche dazu dienen, einen Sollwert n_T,soll für die Turbinendrehzahl n_T basierend auf den im Funktionsblock 30 zugeführten aktuellen Istwerten für die erfaßten Prozeßparameter zu ermitteln.
Der so im Funktionsblock 31 ermittelte Sollwert n_T,soll für die Turbinendrehzahl n_T wird wiederum einer Drehzahlregelung (Funktionsblock 32) zugeführt. Dabei findet ein Vergleich des Sollwerts n_T,soll für die Turbinendrehzahl mit einem über einen Meßsensor 12 (Fig. 2) ermittelten aktuellen Istwert n_T,ist für die Turbinendrehzahl statt.
Im Funktionsblock 32 wird basierend auf diesem Vergleich ein Stellwert für den Hub (Stellposition) des Stellventils 3 (Fig. 2 und 3) ermittelt.
Wie bereits erläutert, wird dieser Stellwert vom Regler 11 über die Signalleitung 13 auf das in Fig. 2 gezeigte Stellventil 3 gegeben.
Insbesondere kann es sich bei der im Funktionsblock 32 stattfindenden Ermittlung einer Stellgröße für den Hub des Stellventils 3 um eine Differenzreglung handeln, bei der die Differenz zwischen dem im Funktionsblock 31 ermittelten Sollwert n_T,soll und einem aktuell gemessenen Istwert n_T,ist für die Turbinendrehzahl auf Null oder auf ein Minimum geregelt wird.
Im weiteren soll ein praktisches Beispiel zur Vorgehensweise zur Ermittlung von wirkungsgradoptimierten Sollwerten n_T,soll für die Turbinendrehzahl im Funktionsblock 31 in Fig. 4 vorgestellt werden.
Es ist bekannt, daß für eine wirkungsgradoptimierte Fahrweise der Turbine 3 je nach Turbinentyp optimale Schnelläufigkeiten existieren, mit denen optimale Wirkungsgrade für die Wandlung von thermischer in elektrischer Energie im Turbinen-Generatorblock erzielbar sind.
Für die Umfangsgeschwindigkeit U und die isentrope Dampfgeschwindigkeit c₀ gilt dabei der funktionale Zusammenhang:

U/c₀ = const. (Gl. 1)
Dabei hängt die Konstante vom Turbinentyp ab.
Die isentrope Dampfgeschwindigkeit c₀ ist eine Funktion des Druckes p₀ und der Temperatur T₀ vor der Leitschaufelreihe (z. B. Düse) und des Expansionsenddruckes p_ab' nach dem Turbinenläufer in der Turbine 4. Für ideales Gas gilt eine einfache Formel. Für andere Medien müssen entsprechend korrigierte Korrelationen (z. B. über sogenannte Dampftafeln) zur Berechnung verwendet werden.
Ist diese Berechnung zur Ermittlung der einschlägigen Konstanten "const." durchgeführt, so kann die Umfangsgeschwindigkeit U und damit der gewünschte wirkungsgradoptimierte Sollwert n_T,soll für die Turbinendrehzahl sofort berechnet werden, da gilt:

U = const..c₀ (Gl. 2)
Der gewünschte wirkungsgradoptimierte Sollwert n_T,soll für die Turbinendrehzahl ergibt sich aus der so ermittelten Umfangsgeschwindigkeit sofort unter Berücksichtigung des turbinentypspezifischen Leitschaufeldurchmessers.
Der so ermittelte wirkungsgradoptimierte Sollwert n_T,soll wird der im Funktionsblock 32 in Fig. 3 gezeigten Drehzahlregelung vorgegeben.
Durch Öffnen oder Schließen des Stellventils 3 in Fig. 2 wird dann die Differenz zwischen Sollwert n_T,soll und Istwert n_T,ist für die Drehzahl der Turbine 4 auf Null bzw. auf ein Minimum ausregelt.
Die Berechnung nach Gleichung (Gl. 2) wird zweckmäßigerweise in einem Industrie-PC (IPC) ausgeführt, der auch die eigentliche Regelungsaufgabe übernehmen kann.
Anstelle der auf der Auswertung der Gleichungen (Gl. 1) bzw. (Gl. 2) beruhenden Ermittlung von wirkungsgradoptimierten Sollwerten n_T,soll für die Turbinendrehzahl und die Öffnungsstellung des Stellventils 3 können auch spezielle weitere Regelstrategien angewendet werden. Bei solchen Regelstrategien ist erfindungsgemäß wichtig, daß dabei jeweils ein "Bediener" nach festen Regeln arbeitet, mittels derer vor und hinter der Entspannungsturbine 4 erfaßte thermodynamische Prozeßparameter mit einem wirkungsgradoptimierten Sollwerte n_T,soll für die Turbinendrehzahl verknüpft werden und dann der aktuell gemessene Istwert n_T,ist für die Turbinendrehzahl nach einem solchen wirkungsgradoptimierten Sollwert n_T,soll ausgeregelt wird.
Generell gesagt erfolgt im Funktionsblock 31 somit eine Selbstadaption des Algorithmus zur Ermittlung wirkungsgradoptimierter Sollwerte n_T,soll für die Turbinendrehzahl und die Öffnungsstellung des Stellventils 3.
Ein weiteres Ziel in der Praxis ist nun nicht allein eine wirkungsgradoptimierte Fahrweise des Dampfkreislaufes. Vielmehr möchte man dem Dampfkreislauf auch die maximale Leistung entnehmen. Es sollen also in einem Dampfkreislauf möglichst gleichzeitig der Wirkungsgrad bei der Umsetzung von thermischer in elektrischer Energie in einem Turbinen- Generatorblock optimiert und die Abgabe elektrischer Leistung durch den Generator maximiert werden.
Hierzu ist das in Fig. 4 gezeigte Regelschema hin zu dem in Fig. 5 gezeigten Regelschema zu erweitern.
Das Ziel einer wirkungsgradoptimierten und leistungsmaximierten Fahrweise des Dampfkreislaufes ist nur erreichbar, wenn der maximal mögliche Massenstrom an Dampf dem Heizkessel entnommen wird und Drosselverluste in den Stelleinrichtungen minimiert sind.
Um die Drosselverluste klein zu halten, sollte das Stellventil 3 (Fig. 2 bzw. 3) möglichst weit geöffnet sein. Die Ventilposition darf aber auch nicht zu groß sein, damit eine Regelung überhaupt noch möglich ist und das Stellventil 3 nicht seinen Endanschlag erreicht. Ein guter Vorgabewert wäre also z. B. bei 80% der Maximalöffnungsstellung des Stellventils 3.
Hierzu wird die durch die Funktionsblöcke 30, 31 und 32 vorgegebene Differenzregelung zwischen Istwert n_T,ist und wirkungsgradoptimiertem Sollwert n_T,soll der Turbinendrehzahl durch die in den Funktionsblöcken 33 und 34 in Fig. 5 schematisch dargestellte "Open- valve"-Regelung (Regelung mit weitmöglichst geöffnetem Stellventil 3) ergänzt.
Hierzu wird im Funktionsblock 33 abgefragt, ob die Öffnungsstellung des Stellventils 3 einen relativ großen, aber nicht 100% der Maximalstellung entsprechenden Vorgabewert (z. B. 80% der Maximalstellung) einnimmt.
Wenn nein, wird durch den Funktionsblock 34 eine entsprechende Einstellung der Ventilöffnung auf den Vorgabewert bewirkt.
Wenn ja, erfolgen im Funktionsblock 35 weitere Regeleingriffe in den Dampfkreislauf, da der in Verbindung mit Fig. 4 diskutierte Regeleingriff am Stellventil 3 bei der Turbine 4 nur die Regelung der Drehzahl n_T der Turbine 3 ermöglicht.
Dies geschieht im Funktionsblock 35 beispielhaft dadurch, daß z. B. zusätzlich Stellgrößen für eine optimierte Pumpendrehzahl n_p und/oder einen optimierten Kühlmitteldurchsatz dm_K/dt und/oder die dem Heizkessel zuzuführende Wärmemenge Q_zu berechnet werden. Die dabei ermittelten Stellgrößen werden bei den in Fig. 2 bzw. 3 gezeigten Dampfkreisläufen vom Regler 11 über Signalleitungen 21 bzw. 22 auf ein Stellventil (nicht gezeigt) in der Kühlmittelschlange 8 zur Regulierung des Kühlmittelflusses dm_K/dt bzw. auf den die Pumpe 10 antreibenden Motor 9 gegeben.
Dadurch läßt sich unter Zugrundelegung des oben erläuterten "Open-valve"-Konzepts eine leistungsmaximierte und wirkungsgradoptimierte Fahrweise des Dampfkreislaufs erzielen.
Bei der Berechnung der Stellgrößen im Funktionsblock 35 in Fig. 5 ist folgendes zu beachten:
Die maximal mögliche Dampfmenge und der zugehörige Frischdampfzustand (Druck p₀, Temperatur T₀ vor dem Stellventil 3) sind über die Bedingungen im Heizkessel 1 miteinander gekoppelt.
Es gilt:

f(m_p, p₀, T₀, p_ab('₎, Ta_b('₎, Medium, Q_zu, Q_ab) = 0 (Gl. 3)

m_p = Massenstrom des Dampfes aus dem Heizkessel 1
p₀ = Frischdampfdruck vor dem Stellventil 3
T₀ = Frischdampftemperatur vor dem Stellventil 3
p_ab('₎ = Abdampfdruck hinter der Turbine 4 (hinter/vor Kondensator)
T_ab('₎ = Abdampftemperatur hinter der Turbine 4 (hinter/vor Kondensator)
Q_zu = dem Heizkessel 1 zugeführte Wärmemenge
Q_ab = die im Kondensator 7 abgeführte Wärmemenge
Das heißt, es besteht ein in Form eines geschlossenen algebraischen Ausdrucks darstellbarer funktionaler Zusammenhang f zwischen den als Argumenten der Funktion auftretenden, für ein bestimmtes Medium (z. B. Erdgas, Wasserdampf) charakteristischen Prozeßparametern.
Wenn wenig Heizwärme Q_zu zur Verfügung steht, kann dennoch die Verdampfung bei hohem Druck durchgeführt werden.
Die kleine Dampfmenge wird dann durch Drosselung im Stellventil 3 der Turbine 4 eingestellt. Dadurch entsteht ein großer Druckverlust Δp = p₀ - p_ab.
Besser wäre es hier, den Verdampferdruck zu reduzieren (Gleitdruckregelung und/oder Steuerung), damit das Stellventil 3 möglichst offen bleibt.
Weitere Regeleingriffe können dann, wie durch den Funktionsblock 35 in Fig. 5 beispielhaft symbolisiert, durch Regeleingriffe an der Speisewasserpumpe 10 für den Heizkessel 1 und/oder durch Regelung der Kühlung des Kondensators erfolgen. Durch letzteren werden der Druck nach dem Kondensator, p_ab', und damit auch das Temperatur- und druckgefälle im Dampfkreislauf gezielt beeinflußt. Die zur Ermittlung von geeigneten Stellgrößen für die Pumpdrehzahl n_p bzw. den Kühlmittelstrom dm_K/dt benötigten funktionalen Zusammenhänge können über eine Kreisprozeßrechnung oder durch Messungen am Dampfkreislauf ermittelt werden.
Für die Erfassung dieser weiteren thermodynamischer Prozeßgrößen können optional nochmals Sensoren (nicht gezeigt) vorgesehen sein, um insbesondere n_p,ist und/oder dm_K/dt_ist und/oder Q_zu erfassen zu können.
Temperatur T_D und/oder Druck P_D vor Turbine 4 können dann über eine Korrelation, wie z. B. eine Druckerhöhung an der Speisewasserpumpe 10 an die erforderlichen leistungsmaximierten und wirkungsgradoptimierten Bedingungen angepaßt werden.
Hier sind Grenzwerte zu beachten, damit der Druck im Kessel 1 bei Entnahme nicht beeinflußt wird. Auch die Dampfnässe nach der Turbine ist hier begrenzend. Solche Korrelationen lassen sich aber empirisch ermitteln und im Regelalgorithmus im Funktionsblock 35 berücksichtigen, damit möglichst geringe Verluste im Stellventil 3 entstehen, wodurch Leistung und Wirkungsgrad der Turbine 4 gleichzeitig maximiert werden. Bezugszeichenliste 1 Heizkessel
Q_zu zugeführte Wärmemenge
2, 2' Dampfleitung (vor/hinter der Turbine)
p_0,ist Dampfdruck in der Dampfleitung 2 (Ist-Wert)
T_0,ist Temperatur in der Dampfleitung (Ist-Wert)
3 Stellventil
4 Turbine
p_D,ist Dampfdruck am Turbineneinlaß (Ist-Wert)
T_D,ist Temperatur am Turbineneinlaß (Ist-Wert)
n_T,ist Turbinendrehzahl ((Ist-Wert)
5 Generator
f_G (variable) Ausgangsfrequenz des Generators
6 Umrichter
f_N (feste) Netzfrequenz
p_ab,ist Dampfdruck am Turbinenauslaß (Ist-Wert)
T_ab,ist Temperatur am Turbinenauslaß (Ist-Wert)
7 Kondensator
8 Kühlschlange
dm_K/dt_ist Kühlmitteldurchsatz (Ist-Wert)
Q_ab abgegebene Wärmemenge
p_ab'_,ist Druck am Kondensatorauslaß (Ist-Wert)
T_ab'_,ist Temperatur am Kondensatorauslaß (Ist-Wert)
9 Motor
10 Pumpe
n_p,ist Pumpendrehzahl
11 Regler
12 Meßsensor für Turbinendrehzahl n_T, ist
13 Meßsignalleitung für Turbinendrehzahl n_T, ist
14 Stellsignalleitung für den Öffnungsgrad des Stellventils 3
15 Meßsensor für p_0,ist, T_0,ist
16 Meßsignalleitung für p_D,ist, T_D,ist
17 Meßsensor für p_D,ist T_D,ist
18 Meßsignalleitung für p_0,ist, T_0,ist
19 Meßsensor für p_ab,ist, T_ab,ist bzw. p_ab'_,ist, T_ab'_,ist
20 Meßsignalleitung für p_ab,ist T_ab,ist bzw. p_ab'_,ist T_ab'_,ist
21 Stellsignalleitung für den Kühlmitteldurchfluß durch die Kühlschlange
22 Stellsignalleitung für die Pumpdrehzahl n_p
30 Funktionsblock für Meßwert-(Istwert)-Zufuhr von Prozeßparametern
31 Funktionsblock zur Sollwertberechnung der Turbinendrehzahl n_T
32 Funktionsblock zur Ermittlung der Stellgröße für das Stellventil 3
33 Funktionsblock zur Abfrage der "Open-valve"-Implementierung
34 Funktionsblock zur Implementierung des "Open-valve"- Konzepts
35 Funktionsblock zur Ermittlung der Stellgrößen für die Pumpendrehzahl n_p und den Kühlmittelstrom dm_K/dt
U Umfangsgeschwindigkeit der Turbinenschaufeln
c₀ isentrope Dampfgeschwindigkeit
m_p Massenstrom des Dampfes aus dem Heizkessel 1
Dp = p₀ - p_ab Druckverlust

Claims

1. Vorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Spannung mit einer vorgegebenen Netzfrequenz, wobei die Vorrichtung einen Dampfkreislauf umfaßt mit:
einem Heizkessel (1) zur Erhitzung eines Dampfes aus einem Medium;
eine Frischdampfleitung (2) zur Zuführung des Dampfes mit einem Dampfdruck p₀ und einer Temperatur T₀ zu einem Stellventil (3),
eine hinter dem Stellventil (3) angebrachte Entspannungsturbine (4),
einen von der Turbine (4) angetriebenen Generator (5) zur Erzeugung elektrischer Spannung mit variabler Frequenz f_G;
einen Umformer (6) zur Anpassung der Generatorfrequenz f_G an eine vorgegebene Netzspannung f_N eines Energienetzes;
eine Abdampfleitung (2') zur Zurückführung des aus der Turbine austretenden entspannten Dampfes zum Heizkessel (1);
einer zwischen der Turbine (4) und dem Stellventil (3) aufgebauten Regelstrecke zur Ausregelung des Öffnungsgrades des Stellventils (3) in Abhängigkeit von von einem Meßsensor (12) ermittelten Istwerten n_T,ist für die Turbinendrehzahl,
dadurch gekennzeichnet,
daß weitere Meßsensoren (15, 17, 19) vorgesehen sind für die Prozeßparameter Druck p und Temperatur T im Dampfkreislauf vor (p₀, T₀ und/oder p_D, T_D) der Turbine (3) und nach (p_ab('₎, T_ab('₎ bzw. p_ab, T_ab) der Turbine (4),
sowie Meßwertübertragungsmittel (16, 18, 20) zur Übermittlung von durch die weiteren Meßsensoren (15, 17, 19) ermittelten Meßwerte auf einen Regler (11), der zur Ermittlung von Stellgrößen dient für die Öffnungsstellung des Stellventils (3) unter Berücksichtigung der Istwerte n_T,ist und von wirkungsgradoptimierten Sollwerten n_T,soll, wobei letztere auf Basis empirisch vorbekannter Zusammenhänge zwischen den von den Meßsensoren (15, 17, 19) für die Prozeßparameter gelieferten Meßwerten und wirkungsgradoptimierter Turbinendrehzahlen festgelegt sind;
sowie Signalübertragungsmittel (14), welche der Übermittlung der vom Regler (11) ermittelten Stellgrößen für die Öffnungsstellung des Stellventils (3) auf dasselbe dienen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abdampfleitung (2') ein mit einem Kühlmittelstrom dm_K/dt gespeister Kondensator (7) zur weiteren Abkühlung des aus der Turbine (4) austretenden Mediums vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine motorgetriebene Pumpe (10) zum Zurückführen des aus dem Kondensator (7) austretenden Kondensats zum Heizkessel (1) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (11) einen Differenzregler (32) umfaßt zur Ermittlung der Stellgrößen für das Stellventil (3) auf Grundlage eines Vergleichs zwischen den aktuellen Istwerten n_T,ist und den aus den Meßwerten der weiteren Meßsensoren (15, 17, 18) ermittelten wirkungsgradoptimierten Sollwerten n_T,soll für die Turbinendrehzahl.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiteres Signalübertragungsmittel (21, 22) vorgesehen ist, um vom Regler (11) Stellgrößen für mindestens einen weiteren Prozeßparameter, wie insbesondere Pumpdrehzahl n_p und/oder Kühlmitteldurchfluß dm_K/dt im Kondensator (7) und/oder Wärmezufuhr Q_zu zum Heizkessel (1) auf Stellmittel zu geben, welche diesen mindestens einen weiteren Prozeßparameter ausregeln können.

6. Verfahren, insbesondere zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welches folgende Schritte umfaßt:
Erhitzen eines Dampfes aus einem Medium und Bereitstellen des Dampfes in einem geschlossenen Dampfkreislauf;
Zuführen des Dampfes mit einem Dampfdruck p₀ und einer Temperatur T₀ zu einem Stellventil (3), welches den Dampfstrom reguliert;
Entspannen des durch das Stellventil (3) regulierten Dampfes in einer Entspannungsturbine (4),
Antreiben eines Generators (5) durch die Turbine (4) zur Erzeugung elektrischer Spannung mit variabler Frequenz f_G;
Zuführen der durch den Generator (5) erzeugten elektrischen Spannung mit variabler Frequenz f_G zu einem Umformer (6) zur Anpassung der Generatorfrequenz f_G an eine vorgegebene Netzspannung f_N eines Energienetzes;
Zurückführen des aus der Turbine (4) austretenden entspannten Dampfes an den Ort (1) der Erhitzung und abermaliges Erhitzen;
Ausregeln des Öffnungsgrades des Stellventils (3) zur Regulierung des Dampfstroms und damit der Turbinendrehzahl n_T in Abhängigkeit von aktuell ermittelten Istwerten n_T,ist für die Turbinendrehzahl,
gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:
Erfassen von aktuellen Istwerten für Druck p und Temperatur T im Dampfkreislauf vor (p₀, T₀) dem Stellventil (3) und/oder zwischen (p_D, T_D) Stellventil (3) und Turbine (4) sowie hinter (p_ab('₎, T_ab('₎) der Turbine (4);
Berechnen von Stellgrößen für die Öffnungsstellung des Stellventils (3) unter Berücksichtigung der Istwerte n_T,ist und von wirkungsgradoptimierten Sollwerten n_T,soll, wobei letztere auf Basis empirisch vorbestimmter Zusammenhänge zwischen den erfaßten Istwerten (p₀, T₀, P_D, T_D, p_ab('₎, T_ab('₎) für Druck p und Temperatur T im Dampfkreislauf und wirkungsgradoptimierter Turbinendrehzahlen ermittelt werden oder worden sind;
Übertragen der so ermittelten Stellgrößen für die Öffnungsstellung des Stellventils (3) auf dasselbe.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Turbine (4) austretende Dampfstrom mit einem Kühlmittelstrom dm_K/dt so gekühlt wird, daß sich ein Kondensat bildet.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensat zum Ort (1) des Erhitzens des Mediums zurückgepumpt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Stellgrößen für das Stellventil (3) eine Differenzreglung auf Grundlage eines Vergleichs zwischen den aktuellen Istwerten n_T,ist für die Turbinendrehzahl und den aus den Istwerten für Druck p und Temperatur T im Dampfkreislauf vor (P₀, T₀) dem Stellventil (3), zwischen (p_D, T_D) Stellventil (3) und Turbine (4) und hinter der Turbine (p_ab('₎, T_ab('₎) ermittelten wirkungsgradoptimierten Sollwerten n_T,soll für die Turbinendrehzahl durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß neben den Istwerten (p₀, T₀, p_D, T_D, p_ab('₎, T_ab('₎) für Druck p und Temperatur T sowie den Istwerten n_T, ist für die Turbinendrehzahl zumindest ein weiterer Prozeßparameter, wie insbesondere eine Pumprate n_p und/oder eine Kühlmittelflußrate dm_K/dt und/oder eine Wärmezufuhr Q_zu erfaßt wird,
daß das Stellventil (3) immer in einer Stellung betrieben wird, die etwas unterhalb der maximalen Öffnungsstellung liegt,
und daß aufgrund empirisch vorbekannter Zusammenhänge Stellgrößen für den zumindestens einen weiteren beobachteten Prozeßparameter berechnet werden, die so auf Stellmittel für diesen zumindestens einen weiteren beobachteten Prozeßparameter einwirken, daß die Umwandlung von thermischer in elektrische Energie im Turbinen-Generatorblock leistungsmaximiert und wirkungsgradoptimiert ausgeregelt wird.