DE10345922B3

DE10345922B3 - Verfahren und Einrichtung zum Regeln der HD-Dampftemperatur eines Dampferzeugers

Info

Publication number: DE10345922B3
Application number: DE2003145922
Authority: DE
Inventors: Andreas Dennewitz
Original assignee: Steag Encotec GmbH
Current assignee: VGB POWER TECH E.V., 45136 ESSEN, DE
Priority date: 2003-10-02
Filing date: 2003-10-02
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2023-10-03
Also published as: WO2005033581A1

Abstract

Der Dampf wird durch Speisewassereinspritzung in einem Kühler (1) gekühlt und sodann in einem Überhitzer (2) überhitzt. Stromab des Überhitzers (3) sind drei konventionelle Thermoelemente (4) angeordnet, die an eine Einrichtung zur Mittelwertbildung (zwei von drei) angeschlossen ist. Ferner ist stromab des Überhitzers (3) ein selbstkalibrierendes Thermoelement (5) angeordnet, das über einen Industrie-PC (6) mit einer Einrichtung (8) in Verbindung steht, der auch der von den drei konventionellen Thermoelementen gelieferte Mittelwert zugeführt wird. Die Einrichtung (8) bildet die Differenz aus dem Mittelwert und dem vom selbstkalibrierenden Thermoelement (5) gelieferten Wert und addiert diese Differenz zum Mittelwert. Der so erzeugte Temperaturwert wird einer mit Streckennachbildung und Störgrößenbeobachtung arbeitenden Regelstruktur (9) zugeführt. Der Ausgang der Regelstruktur wird mit der Temperatur hinter dem Kühler (1) verglichen und dient dann dazu, ein Speisewasser-Einspritzventil (2) zu steuern.

Description

Aus der DE 199 01 656 A1 ist ein Verfahren zum Regeln der HD-Dampftemperatur am Austritt eines Dampfüberhitzers bekannt, wobei der Dampf durch Einspritzen von Speisewasser gekühlt, anschließend überhitzt und die Einspritzmenge in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Druck des Dampfes stromab der Überhitzung geregelt wird.

Zur Erzielung optimaler Wirkungsgrade ist man bestrebt, die Material-Temperaturgrenze so weit wie möglich auszunutzen. Allerdings zwingt die Genauigkeit der Meßwerterfassung zur Einhaltung eines Sicherheitsabstands. Ferner bedingen unvermeidbare, aus der Regelungstechnik resultierende Temperaturschwankungen eine mittlere Arbeitstemperatur, die noch deutlich unterhalb des Sicherheitsabstandes verläuft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mittlere Arbeitstemperatur des Dampferzeugers und damit den Wirkungsgrad des Prozesses zu erhöhen.

Hierzu schafft die Erfindung ein Verfahren zum Regeln der HD-Dampftemperatur eines Dampferzeugers, wobei

– der Dampf durch Einspritzen von Speisewasser gekühlt und anschließend überhitzt wird,
– die Einspritzmenge des Speisewassers von einer Regelstruktur in Abhängigkeit von der Temperatur stromab der Überhitzung geregelt wird und
– der Regelstruktur Temperaturwerte aufgegeben werden, die aus den Meßwerten mindestens eines konventionellen Thermoelements, abgeglichen mit den Meßwerten eines selbstkalibrierenden Thermoelements, resultieren.

Hat man bisher mit Meßunsicherheiten von ±5K arbeiten müssen, besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, den Sicherheitsabstand auf 1K zu vermindern. Eine Erhöhung der mittleren Arbeitstemperatur führt zu einer Wirkungsgradsteigerung von ca. 0,04 % pro K. Die Verwendung des selbstkalibrierenden Thermoelements macht ständige externe Kalibrierungsmaßnahmen überflüssig, die sonst einen erheblichen Aufwand darstellen. Ein selbstkalibrierendes Thermoelement ist beispielsweise aus der DE 199 41 731 A1 bekannt.

Eine weitere Steigerung der mittleren Arbeitstemperatur kann in Weiterbildung der Erfindung dadurch erzielt werden, daß die Regelstruktur mit Streckennachbildung und Störgrößenbeobachtung oder mit Prädiktion und Lerneffekten arbeitet. Eine sehr sanfte Regelung ist die Folge, und zwar mit dem Ergebnis, daß sich die Temperaturschwankungen vermindern und daß die mittlere Arbeitstemperatur näher an diejenige Temperaturlinie heranwandert, die den Sicherheitsabstand zur Materialgrenze definiert.

Ferner wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß die der Regelstruktur aufgegebenen Temperaturwerte sich ergeben aus den Meßwerten des konventionellen Thermoelements zuzüglich der Differenz zwischen den Meßwerten des konventionellen Thermoelements und den Meßwerten des selbstkalibrierenden Thermoelements.

Während der Rekalibrierungsphase liefert das selbstkalibrierenden Thermoelement keine für die Regelstruktur brauchbaren Meßwerte. Aus diesem Grunde verbietet es sich. auch, auf den Einsatz eines oder mehrerer konventioneller Thermoelemente zu verzichten. In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß während der Rekalibrierungsphase der letzte Meßwert des selbstkalibrierenden Thermoelements bzw. die letzte Differenz zwischen dem Meßwert des konventionellen Thermoelements und dem Meßwert des selbstkalibrierenden Thermoelements als weiterhin gültig angenommen wird. Die Totzeit des selbstkalibrierenden Thermoelements während der Rekalibrierungsphase wird auf diese Weise problemlos überbrückt. Der Rekalibrierungsphase gleichzusetzen sind Störungen der Elektronik und des selbstkalibrierenden Thermoelements.

Alternativ dazu besteht die ebenfalls bevorzugte Möglichkeit, der Regelstruktur während der Rekalibrierungsphase Temperaturwerte aufzugeben, die die Entwicklung der Abweichung zwischen dem konventionellen Thermoelement und dem selbstkalibrierenden Thermoelement berücksichtigen. Sofern die Entwicklung der Abweichungen registriert worden ist, kann also eine Extrapolation durchgeführt werden, die die Überbrückung der Totzeit als Fortsetzung der bisherigen Entwicklung darstellt.

Der Abgleichung mit den Meßwerten des selbstkalibrierenden Thermoelements werden vorzugsweise Mittelwerte (zwei aus drei) aus den Meßwerten von drei konventionellen Thermoelementen zugrundegelegt. Dies trägt dazu bei, die Meßgenauigkeit weiter zu verfeinern.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Selbstkalibrierung des selbstkalibrierenden Thermoelements über eine Miniatur-Fixpunktzelle erfolgt, deren Inhalt durch Beheizung zu einer als Haltepunkt im Temperatur-Zeit-Verlauf erfaßbaren Phasenumwandlung bei definierter Temperatur angeregt wird. Der bekannten Gleichgewichtstemperatur bei der Phasenumwandlung wird also ein Thermospannungswert zugeordnet, der eine Kalibrierung des selbstkalibrierenden Thermoelements und damit der gesamten Meßkette zuläßt. Die Phasenumwandlungstemperatur liegt vorzugsweise geringfügig oberhalb des Meßbereichs.

In Lösung der gestellten Aufgabe schafft die Erfindung ferner eine Einrichtung zum Regeln der HD-Dampftemperatur eines Dampferzeugers mit

– einem Kühler zum Einspritzen von Speisewasser in den Dampf,
– einer Regelstruktur zum Regeln der Einspritzmenge des Speisewassers,
– einem stromab des Kühlers angeordneten Überhitzer,
– mindestens einem stromab des Überhitzers angeordneten konventionellen Thermoelement,
– einem stromab des Überhitzers angeordneten selbstkalibrierenden Thermoelement und
– einer Einrichtung zum Abgleichen der Meßwerte des konventionellen Thermoelements mit den Meßwerten des selbstkalibrierenden Thermoelements.

Die beiden Thermoelemente werden vorzugsweise in enger Nachbarschaft zueinander angeordnet, um auf gleiche Dampftemperaturen ansprechen zu können.

Vorteilhafterweise sind drei konventionelle Thermoelemente vorgesehen und an eine Einrichtung zur Mittelwertbildung angeschlossen.

Ferner wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß das selbstkalibrierende Thermoelement eine beheizbare Miniatur-Fixpunktzelle aufweist und an einen Meßumformer angeschlossen ist, der über eine digitale Schnittstelle mit einem Rechner verbunden ist. In der Software des Rechners sind die Kalibrierkurven gespeichert. Anstelle einer digitalen Schnittstelle wäre auch eine analoge Schnittstelle denkbar, jedoch genügt diese weniger den hohen Genauigkeitsanforderungen. Gleiches gilt für die Schnittstelle, über die der Rechner mit der Abgleich-Einrichtung in Verbindung steht.

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal besteht darin, daß die Regelung von einer der erfindungsgemäß einsetzbaren Regelstrukturen auf eine konventionelle Regelstruktur, beispielsweise auf eine Kaskadenregelung, umschaltbar ist. Bei etwaigen Störungen bietet dies die Möglichkeit, die Regelung über die konventionelle Regelstruktur fortzusetzen, wenn auch mit geringerer Regelqualität.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung;
2 ein selbstkalibrierendes Thermoelement mit zugehöriger Meßkette;
3 eine Erstausführungsform einer erfindungsgemäß eingesetzten Regelstruktur;
4 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäß eingesetzten Regelstruktur.
Die Einrichtung nach 1 weist einen Kühler 1 auf, in welchem der Dampf durch Speisewassereinspritzung gekühlt wird. Die Einspritzmenge wird von einem Einspritzventil 2 gesteuert. Stromab des Kühlers wird der Dampf in einem Überhitzer 3 überhitzt.
Hinter dem Überhitzer sind drei konventionelle Thermoelemente 4 sowie ein selbstkalibrierendes Thermoelement 5 angeordnet. Letzteres ist an einen Industrie-PC 6 angeschlossen. Die drei konventionellen Thermoelement stehen mit einer Einrichtung 7 zur Mittelwertbildung (zwei von drei) in Verbindung. Der Mittelwert wird einer Einrichtung 8 zugeführt, an die auch der Industrie-PC 6 angeschlossen ist. Diese Einrichtung bildet die Differenz zwischen dem Mittelwert der drei konventionellen Thermoelemente 4 und dem Meßwert des selbstkalibrierenden Thermoelements 5 und addiert diese Differenz auf den Mittelwert auf. Der so erzeugte Temperaturwert wird einer erfindungsgemäß eingesetzten Regelstruktur 9 aufgegeben, die mit Streckennachbildung und Störgrößenbeobachtung arbeitet. Diese erzeugt ihrerseits einen Ausgang, der mit der Temperatur stromab des Kühlers verglichen und sodann zur Steuerung des Einspritzventils verwendet wird.
Parallel zur erfindungsgemäß eingesetzten Regelstruktur ist eine konventionelle Regelstruktur 10 vorgesehen, auf die im Störungsfall umgeschaltet werden kann.
2 zeigt das selbstkalibrierenden Thermoelement 5, das mit einer beheizbaren Miniatur-Fixpunktzelle ausgerüstet ist. Es ist an einen Meßumformer angeschlossen, der die Heizung steuert und den Meßwert der Temperatur der Phasenumwandlung des Mediums innerhalb der Miniatur-Fixpunktzelle erfaßt. Das Ausgangssignal des Meßumformers 11 wird über eine digitale Schnittstelle dem Industrie-PC 6 zugeführt, in dessen Software die Kalibierkurven abgelegt sind. Der Industrie-PC 6 ist seinerseits über eine digitale Schnittstelle mit der Einrichtung 8 verbunden.
Der Einsatz des selbstkalibrierenden Thermoelements 5 in Verbindung mit den drei konventionellen Thermoelementen 4 gestattet es, der Regelung sehr genaue Temperaturmeßwerte zugrundezulegen, so daß also der Sicherheitsabstand zur Materialgrenze vermindert werden kann. Ferner gestattet es die erfindungsgemäß eingesetzte, sehr sanfte Regelstruktur 9, die mittlere Arbeitstemperatur anzuheben.
Wie erwähnt, arbeitet die Regelstruktur 9 mit Streckennachbildung und Störgrößenbeobachtung. Eine entsprechende Struktur ist in 3 dargestellt.
4 zeigt als Alternative eine Regelstruktur 9, die mit Prädiktion und Lerneffekten arbeitet.

Claims

Verfahren zum Regeln der HD-Dampftemperatur eines Dampferzeugers, wobei – der Dampf durch Einspritzen von Speisewasser gekühlt und anschließend überhitzt wird, – die Einspritzmenge des Speisewassers von einer Regelstruktur in Abhängigkeit von der Temperatur stromab der Überhitzung geregelt wird und – der Regelstruktur Temperaturwerte aufgeben werden, die aus den Meßwerten mindestens eines konventionellen Thermoelements, abgeglichen mit den Meßwerten eines selbstkalibrierenden Thermoelements, resultieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Regelstruktur aufgegebenen Temperaturwerte sich ergeben aus den Meßwerten des konventionellen Thermoelements zuzüglich der Differenz zwischen den Meßwerten des konventionellen Thermoelements und den Meßwerten des selbstkalibrierenden Thermoelements.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Rekalibrierungsphase der letzte Meßwert des selbstkalibrierenden Thermoelements bzw. die letzte Differenz zwischen dem Meßwert des konventionellen Thermoelements und dem Meßwert des selbstkalibrierenden Thermoelements als weiterhin gültig angenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelstruktur während der Rekalibrierungsphase Temperaturwerte aufgegeben werden, die die Entwicklung der Abweichung zwischen dem konventionellen Thermoelement und dem selbstkalibrierenden Thermoelement berücksichtigen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgleichung mit den Meßwerten des selbstkalibrierenden Thermoelements Mittelwerte aus den Meßwerten von drei konventionellen Thermoelementen zugrunde gelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbstkalibrierung des selbstkalibrierenden Thermoelements über eine Miniatur-Fixpunktzelle erfolgt, deren Inhalt durch Beheizung zu einer als Haltepunkt im Temperatur-Zeit-Verlauf erfaßbaren Phasenumwandlung bei definierter Temperatur angeregt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenumwandlungstemperatur geringfügig oberhalb des Meßbereichs liegt.
Einrichtung zum Regeln der HD-Dampftemperatur eines Dampferzeugers mit – einem Kühler (1) zum Einspritzen von Speisewasser in den Dampf, – einer Regelstruktur (9) zum Regeln der Einspritzmenge des Speisewassers, – einem stromab des Kühlers (1) angeordneten Überhitzer (3), – mindestens einem stromab des Überhitzers (3) angeordneten konventionellen Thermoelement (4), – einem stromab des Überhitzers (3) angeordneten selbstkalibrierenden Thermoelement (5) und – einer Einrichtung (8) zum Abgleichen der Meßwerte des konventionellen Thermoelements (4) mit den Meßwerten des selbstkalibrierenden Thermoelements (5).
Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß drei konventionelle Thermoelemente (4) vorgesehen und an eine Einrichtung (7) zur Mittelwertbildung angeschlossen sind.
Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das selbstkalibrierende Thermoelement (5) eine, beheizbare Miniatur-Fixpunktzelle aufweist und an einen Meßumformer angeschlossen ist, der über eine digitale Schnittstelle mit einem Rechner (6) verbunden ist.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (6) über eine digitale Schnittstelle mit der Abgleich-Einrichtung (8) in Verbindung steht.
Einrichtung nach einem der Anspruche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelstruktur (9) mit Streckennachbildung und Störgrößenbeobachtung arbeitet.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelstruktur (9) mit Prädiktion und Lerneffekten arbeitet.
Einrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung von der Regelstruktur (9) nach Anspruch 12 oder 13 auf eine konventionelle Regelstruktur 10 umschaltbar ist.