DE10221594B4 - Vorrichtung und Verfahren zur wirkungsgradoptimierten Regelung einer Turbine - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur wirkungsgradoptimierten Regelung einer Turbine Download PDF

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Abstract

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 fG;
einen Umformer (6) zur Anpassung der Generatorfrequenz fG an eine vorgegebene Netzspannung fN 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 nT, ist für die Turbinendrehzahl,
dadurch gekennzeichnet,
daß weitere Meßsensoren (15, 17, 19) vorgesehen...

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.
    •
  • 1 zeigt in schematischer Darstellung einen nach diesem bekannten Stand der Technik offenbarten Dampfkreislauf zur Wandlung von thermischer in elektrische Energie.
  • In 1 bezieht sich das Bezugszeichen 1 auf einen Heizkessel. Diesem Heizkessel 1 wird eine Wärmemenge Qzu zugeführt. Der dabei erzeugte Frischdampf weist eine Temperatur T0 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 5 mit variabler Drehzahl nT an. Dieser erzeugt eine Ausgangsspannung mit variabler Ausgangsfrequenz fG. Diese Ausgangsspannung wird mittels eines Umrichters 6 in eine Spannung mit vorgegebener konstanter Netzfrequenz fN umgewandelt und in ein Stromnetz eingespeist.
  • Der aus der Turbine 4 mit Druck pab und der Temperatur Tab austretende Dampf wird in einen Kondensator 7 (optional) eingespeist. Diesem wird über eine Kühlschlange 8 (optional) ein Kühlmittel mit dem Massenstrom dmK/dt zugeführt. Dadurch wird die Wärmemenge Qab aus dem Dampf abgeführt.
  • Das den Kondensator mit dem Druck pab' und der Temperatur Tab' verlassende Kondensat wird sodann von einer durch einen Motor 9 (optional) mit der Pumpendrehzahl np 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, pD, TD, pab('), Tab(') gekennzeichnet.
  • Bei der in 1 gezeigten Vorrichtung ist die starre mechanische Kopplung zwischen Turbinendrehzahl nT und Netzfrequenz fN aufgegeben. Die Drehzahl nT der Turbine (sowie die Generatorfrequenz fG) 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 nT aufgebaut. Die Regelstrecke umfaßt einen Meßsensor 12 zur Erfassung des aktuellen Istwerts der Turbinendrehzahl nT, 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 nT zu regeln.
  • Durch Ausregelung der Drehzahl nT der Turbine 4 durch das Stellventil 3 kann nun aber der Frischdampfdruck p0 des in das Stellventil 3 einströmenden Mediums nicht mehr ausge regelt werden.
  • Deshalb sind die in Verbindung mit 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.
  • Aus der EP 0 128 593 A2 ist weiterhin bekannt ein Verfahren zur softwaregesteuerten Regelung eines Wärmekraftwerks zur Erzeugung elektrischer Energie. Dabei sind verschiedene Messsensoren für unterschiedliche Prozessparameter in einem Dampfkreislauf vorgesehen, um eine softwaregesteuerte Regelung des Öffnungsgrads eines Stellventils im Dampfkreislauf zu bewirken. Diese Entgegenhaltung verfolgt mit der softwaregesteuerten Regelung des Öffnungsgrad des Stellventils aber den Zweck, die thermischen Belastungen, die beim schnellen Anfahren eines "kalten" Kraftwerks auf Betriebstemperatur auf die eingesetzten Bauteile einwirken, so zu minimieren, dass einerseits eine möglichst kurze Aufwärmphase beim Starten durchlaufen wird, andererseits aber die Gesamtlebensdauer des Kraftwerks maximiert wird. Die genannte Entgegenhaltung bezieht sich jedoch nicht auf den wirkungsgradoptimierten Dauerbetieb einer Turbine zur Stromerzeugung.
  • Die DE 42 17 625 A1 zeigt ebenfalls ein Verfahren zur Regelung einer Turbinen-Generator-Anordnung in Kraftwerken. Das in dieser Entgegenhaltung vorgestellte Regelungsverfahren dient der Lösung der Aufgabe, Netzschwankungen oder Änderungen der Schlupffrequenz auszugleichen und Leistungspendlungen in einem Kraftwerk zu dämpfen. Dies wird in dieser Entgegenhaltung dadurch erreicht, dass die erste Stellgröße für ein Turbinenstellglied aus mindestens zwei Teilstellgrößen zusammengesetzt ist, wobei eine Teilstellgröße aus dem Vergleichswert zur Bildung der zweiten Stellgröße für das Erregerstellglied abgeleitet wird.
    •
  • Im Gegensatz zu diesem Stand der Technik werden erfindungsgemäß Vorrichtungen und Verfahren offenbart zum wirkungsgradoptimierten Betreiben eines durch eine Turbine 4 angetriebenen Generators 5, der Ausgangsspannungen mit variabler Ausgangsfrequenz fG erzeugt, aus der durch Umrichten eine konstante Netzspannung fN 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 nT, soll ermittelt.
  • Durch Vergleich zwischen wirkungsgradoptimierten Sollwerten nT, soll und Istdrehzahlen nT, 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 dmK/dt durch einen Kondensator 7, eine Pumpdrehzahl np für den Rücktransport des Kondensats zu einem Heizkessel 1 oder die Wärmezufuhr Qzu zum Heizkessel 1.
    •
  • Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Anordnung eines bekannten Dampfkreislaufes zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels einer Turbine mit geregelter variabler Drehzahl unter Verwendung eines Umrichters;
  • 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;
  • 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;
  • 4 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Regelschemas, welches in dem in 2 bzw. 3 gezeigten Dampfkreislauf angewandt wird; und
  • 5 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Regelschemas, welches in dem in 2 bzw. 3 gezeigten Dampfkreislauf angewandt wird.
  • 2 zeigt einen dem in 1 gezeigten Dampfkreislauf im Prinzip entsprechenden Grundaufbau. In 1 und 2 einander entsprechende Bauteile sind mit identischen Bezugszeichen versehen und zu ihrer Erläuterung wird auf die Ausführungen zu 1 verwiesen.
  • Gegenüber dem in 1 gezeigten Stand der Technik werden bei der in 2 gezeigten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Spannung mit einer vorgegebenen Netzfrequenz fN zur Regelung der Turbinendrehzahl von einem schnellen Regler 11 neben dem Istwert nT, ist der Turbinendrehzahl auch noch weitere Prozeßparameter berücksichtigt und der Ermittlung eines Stellwerts für das Stellventil 3 zugrundegelegt.
  • Dazu sind bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber 1 noch zusätzlich vorgesehen:
    • – Ein Meßsensor 15 zur Erfassung der aktuellen Istwerte p0, ist, T0, 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 pD, ist, TD, 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 pab', ist, Tab', ist von Druck und Temperatur des durch den Kondensator 7 hindurchgetretenen Kondensats in der Dampfleitung 2. Alternativ (vgl. 3) könnte der Meßsensor 19 auch zwischen dem Dampfauslaß der Turbine 4 und dem Eingang des Kondensators 7 liegen, um die aktuellen Istwerte pab, ist, Tab, 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 2 und 3 gezeigten beiden Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung werden von den Meßsensoren 15, 17, 19 erfaßte aktuelle Istwerte der thermodynamischen Prozeßparameter p0, T0, pD, TD, pab, Tab (bzw. pab', Tab') 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 pD, TD) und hinter (z.B. pab, Tab und/oder pab', Tab') der Entspannungsturbine zu messen und ausgehend von diesen Meßwerten basierend auf empirisch vorbekannten Zusammenhängen zu diesen Meßgrößen gehörige wirkungsgradoptimierte Sollwerte nT, soll für die Turbinendrehzahlen zu ermitteln.
  • Optional können bei den in 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 ins besondere die Einstellung des Kühlmittelstroms dmK/dt auf die Kühlschlange 8 betreffen und/oder Stellsignale zur Einstellung der Pumpdrehzahl np der durch den Motor 9 angetriebenden Pumpe 10 und/oder aber auch z.B. Stellgrößen für die dem Heizkessel zugeführte Wärmemenge Qzu. Auch diese optionalen Varianten werden weiter unten noch ausführlicher erläutert.
  • Es versteht sich für den Fachmann von selbst, daß anstelle der in 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 3 sind solche Stellmittel für die Regulierung des Kühlmittelflusses dmK/dt durch die Kühlschlange 7 oder die dem Heizkessel 1 zuzuführende Wärmemenge Qzu nicht gezeigt.
  • Das Stellmittel für die Regulierung der Pumpdrehzahl np 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 Qzu.
  • Bei bevorzugten Ausführungsformen der in 2 bzw. 3 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtungen wird die Drehzahl nT der Turbine 4 so über den schnellen elektronischen Regler 11 geregelt, daß dieser die Ist-Drehzahl nT, ist der Turbine 4 über den Meßsensor 12 erfaßt und bei Abweichungen von einer aufgrund von vorimplementierten, prozeßparameterbasierten Regelungsalgorithmen vorermittelten wirkungsgradoptimierten Solldrehzahl nT, soll ein Stellsignal bildet, welches über die Signalleitung 14 auf das Stellventil 3 einwirkt.
  • Dadurch wird die Abweichung zwischen Ist-Drehzahl nT, ist und wirkungsgradoptimierter Solldrehzahl nT, soll der Turbine 4 ausgeregelt, so daß je nach Öffnungsgrad des Stellventils 3 der Turbinendruck pD und die Turbinentemperatur TD und damit die Drehzahl nT der Turbine 4 variieren kann.
  • Die Ermittlung der prozeßparameterabhängigen wirkungsgradoptimierten Solldrehzahl nT, soll der Turbine 4 wird weiter unten in Verbindung mit 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,
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung eines in den in 2 bzw. 3 gezeigten Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielhaft angewandten Regelschemas.
  • Ein solches Regelschema kann in dem in 2 bzw. 3 gezeigten Regler 11 z.B. mittels in Form von Software implementierten Regelalgorithmen realisiert werden.
  • Funktionsblock 30 in 4 symbolisiert, wie dem Regler 11 (2 bzw. 3) über geeignete Meßleitungen 16, 18, 20 (2 bzw. 3) beispielhaft folgende Werte zugeführt werden:
    • – die aktuellen Ist-Werte für Druck p0, ist und Temperatur T0, ist des im Heizkessel 1 erzeugten Dampfes;
    • – die aktuellen Ist-Werte für Druck pD, ist und Temperatur TD, ist des durch das Stellventil 3 hindurchgetretenen Dampfes; und
    • – die aktuellen Ist-Werte für Druck pab', ist und Temperatur Tab', ist des aus dem Kondensator 7 austretenden Kondensats (vgl. 2) bzw. die aktuellen Ist-Werte für Druck pab, ist und Temperatur Tab, ist des aus der Entspannungsturbine 4 austretenden Dampfes (vgl. 3).
  • Im Regler 11 sind geeignete Algorithmen softwaremäßig implementiert (Funktionsblock 31), die weiter unten ausführlicher erläutert werden und welche dazu dienen, einen Sollwert nT, soll für die Turbinendrehzahl nT basierend auf den im Funktionsblock 30 zugeführten aktuellen Istwerten für die erfaßten Prozeßparameter zu ermitteln.
  • Der so im Funktionsblock 31 ermittelte Sollwert nT, soll für die Turbinendrehzahl nT wird wiederum einer Drehzahlregelung (Funktionsblock 32) zugeführt. Dabei findet ein Vergleich des Sollwerts nT, soll für die Turbinendrehzahl mit einem über einen Meßsensor 12 (2) ermittelten aktuellen Istwert nT, ist für die Turbinendrehzahl statt.
  • Im Funktionsblock 32 wird basierend auf diesem Vergleich ein Stellwert für den Hub (Stellposition) des Stellventils 3 (2 und 3) ermittelt.
  • Wie bereits erläutert, wird dieser Stellwert vom Regler 11 über die Signalleitung 13 auf das in 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 nT, soll und einem aktuell gemessenen Istwert nT, 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 nT, soll für die Turbinendrehzahl im Funktionsblock 31 in 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 pab' 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 nT, soll für die Turbinendrehzahl sofort berechnet werden, da gilt: U = const.·c0 (Gl. 2)
  • Der gewünschte wirkungsgradoptimierte Sollwert nT, soll für die Turbinendrehzahl ergibt sich aus der so ermittelten Umfangsgeschwindigkeit sofort unter Berücksichtigung des turbinentypspezifischen Leitschaufeldurchmessers.
  • Der so ermittelte wirkungsgradoptimierte Sollwert nT, soll wird der im Funktionsblock 32 in 3 gezeigten Drehzahlregelung vorgegeben.
  • Durch Öffnen oder Schließen des Stellventils 3 in 2 wird dann die Differenz zwischen Sollwert nT, soll und Istwert nT, 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 nT, 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 nT, soll für die Turbinendrehzahl verknüpft werden und dann der aktuell gemessene Istwert nT, ist für die Turbinendrehzahl nach einem solchen wirkungsgradoptimierten Sollwert nT, soll ausgeregelt wird.
  • Generell gesagt erfolgt im Funktionsblock 31 somit eine Selbstadaption des Algorithmus zur Ermittlung wirkungsgradoptimierter Sollwerte nT, 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 4 gezeigte Regelschema hin zu dem in 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 (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 nT, ist und wirkungsgradoptimiertem Sollwert nT, soll der Turbinendrehzahl durch die in den Funktionsblöcken 33 und 34 in 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 4 diskutierte Regeleingriff am Stellventil 3 bei der Turbine 4 nur die Regelung der Drehzahl nT der Turbine 3 ermöglicht.
  • Dies geschieht im Funktionsblock 35 beispielhaft dadurch, daß z.B. zusätzlich Stellgrößen für eine optimierte Pumpendrehzahl np und/oder einen optimierten Kühlmitteldurchsatz dmK/dt und/oder die dem Heizkessel zuzuführende Wärmemenge Qzu berechnet werden. Die dabei ermittelten Stellgrößen werden bei den in 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 dmK/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 5 ist folgendes zu beach ten:
    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(mp, p0, T0, pab('), Tab('), Medium, Qzu, Qab) = 0 (Gl. 3)
    • mp
    = Massenstrom des Dampfes aus dem Heizkessel 1
    p0
    = Frischdampfdruck vor dem Stellventil 3
    T0
    = Frischdampftemperatur vor dem Stellventil 3
    pab(')
    = Abdampfdruck hinter der Turbine 4 (hinter/vor Kondensator)
    Tab(')
    = Abdampftemperatur hinter der Turbine 4 (hinter/vor Kondensator)
    Qzu
    = dem Heizkessel 1 zugeführte Wärmemenge
    Qab
    = 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 Qzu 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 – pab.
  • 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 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, pab', und damit auch das Temperatur- und druckgefälle im Dampfkreislauf gezielt beeinflußt. Die zur Ermittlung von geeigneten Stellgrößen für die Pumpdrehzahl np bzw. den Kühlmittelstrom dmK/dt benötigten funktionalen Zusam menhänge 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 np, ist und/oder dmK/dtist und/oder Qzu erfassen zu können.
  • Temperatur TD und/oder Druck pD 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.
    • 1
    Heizkessel
    Qzu
    zugeführte Wärmemenge
    2, 2'
    Dampfleitung (vor/hinter der Turbine)
    p0, ist
    Dampfdruck in der Dampfleitung 2 (Ist-Wert)
    T0, ist
    Temperatur in der Dampfleitung (Ist-Wert)
    3
    Stellventil
    4
    Turbine
    pD, ist
    Dampfdruck am Turbineneinlaß (Ist-Wert)
    TD, ist
    Temperatur am Turbineneinlaß (Ist-Wert)
    nT, ist
    Turbinendrehzahl ((Ist-Wert)
    5
    Generator
    fG
    (variable) Ausgangsfrequenz des Generators
    6
    Umrichter
    fN
    (feste) Netzfrequenz
    pab, ist
    Dampfdruck am Turbinenauslaß (Ist-Wert)
    Tab, ist
    Temperatur am Turbinenauslaß (Ist-Wert)
    7
    Kondensator
    8
    Kühlschlange
    dmK/dtist
    Kühlmitteldurchsatz (Ist-Wert)
    Qab
    abgegebene Wärmemenge
    pab', ist
    Druck am Kondensatorauslaß (Ist-Wert)
    Tab', ist
    Temperatur am Kondensatorauslaß (Ist-Wert)
    9
    Motor
    10
    Pumpe
    np, ist
    Pumpendrehzahl
    11
    Regler
    12
    Meßsensor für Turbinendrehzahl nT, ist
    13
    Meßsignalleitung für Turbinendrehzahl nT, ist
    14
    Stellsignalleitung für den Öffnungsgrad des Stellventils 3
    15
    Meßsensor für p0, ist, T0, ist
    16
    Meßsignalleitung für p0, ist, T0, ist
    17
    Meßsensor für pD, ist, TD, ist
    18
    Meßsignalleitung für pD, ist, TD, ist
    19
    Meßsensor für pab, ist, Tab, ist bzw. pab', ist, Tab', ist
    20
    Meßsignalleitung für pab, ist, Tab, ist bzw. pab', ist, Tab', ist
    21
    Stellsignalleitung für den Kühlmitteldurchfluß durch die Kühl
    schlange
    22
    Stellsignalleitung für die Pumpdrehzahl np
    30
    Funktionsblock für Meßwert-(Istwert)-Zufuhr von Prozeßparame
    tern
    31
    Funktionsblock zur Sollwertberechnung der Turbinendrehzahl nT
    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 Pumpen
    drehzahl np und den Kühlmittelstrom dmK/dt
    U
    Umfangsgeschwindigkeit der Turbinenschaufeln
    c0
    isentrope Dampfgeschwindigkeit
    mp
    Massenstrom des Dampfes aus dem Heizkessel 1
    Δp = p0 – pab
    Druckverlust

Claims (10)

  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 fG; einen Umformer (6) zur Anpassung der Generatorfrequenz fG an eine vorgegebene Netzspannung fN 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 nT, 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 pD, TD) der Turbine (3) und nach (pab('), Tab(') bzw. pab, Tab) 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 nT, ist und von wirkungsgradoptimierten Sollwerten nT, soll für die Turbinendrehzahlen, um eine optimale Umsetzung von thermischer Energie in elektrische Energie zu erzielen, wobei die wirkungsgradoptimierten Sollwerte nT, soll für die Turbinendrehzahlen 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 dmK/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 Kondensators (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 nT, ist und den aus den Meßwerten der weiteren Meßsensoren (15, 17, 18) ermittelten wirkungsgradoptimierten Sollwerten nT, 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 np und/oder Kühlmitteldurchfluß dmK/dt im Kondensator (7) und/oder Wärmezufuhr Qzu 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 fG; Zuführen der durch den Generator (5) erzeugten elektrischen Spannung mit variabler Frequenz fG zu einem Umformer (6) zur Anpassung der Generatorfrequenz fG an eine vorgegebene Netzspannung fN 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 nT in Abhängigkeit von aktuell ermittelten Istwerten nT, 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 (pD, TD) Stellventil (3) und Turbine (4) sowie hinter (pab('), Tab(')) der Turbine (4); Berechnen von Stellgrößen für die Öffnungsstellung des Stellventils (3) unter Berücksichtigung der Istwerte nT, ist und von wirkungsgradoptimierten Sollwerten nT, soll, 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 nT, ist und von wirkungsgradoptimierten Sollwerten nT, soll für die Turbinendrehzahlen, um eine optimale Umsetzung von thermischer Energie in elektrische Energie zu erzielen, wobei die wirkungsgradoptimierten Sollwerte nT, soll für die Turbinendrehzahlen auf Basis empirisch vorbestimmter Zusammenhänge zwischen den erfaßten Istwerten (p0, T0, pD, TD, pab('), Tab(')) für Druck p und Temperatur T im Dampfkreislauf und wir kungsgradoptimierter 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 dmK/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 nT, ist für die Turbinendrehzahl und den aus den Istwerten für Druck p und Temperatur T im Dampfkreislauf vor (p0, T0) dem Stellventil (3), zwischen (pD, TD) Stellventil (3) und Turbine (4) und hinter der Turbine (pab('), Tab(')) ermittelten wirkungsgradoptimierten Sollwerten nT, soll für die Turbinendrehzahl durchgeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Istwerten (p0, T0, pD, TD, pab('), Tab(') für Druck p und Temperatur T sowie den Istwerten nT, ist für die Turbinendrehzahl zumindest ein weiterer Prozeßparameter, wie insbesondere eine Pumprate np und/oder eine Kühlmittelflußrate dmK/dt und/oder eine Wärmezufuhr Qzu 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.
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