DE19510619A1

DE19510619A1 - Verfahren zur Speisewasserregelung bei Abhitzedampferzeugern

Info

Publication number: DE19510619A1
Application number: DE19510619A
Authority: DE
Inventors: Christoph Ruchti
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG
Priority date: 1995-03-23
Filing date: 1995-03-23
Publication date: 1996-09-26
Also published as: US5771846A; JPH08320105A; FI961334A; FI961334A0

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speisewasserregelung bei Abhitzedampferzeugern, insbesondere Trommelkessel mit Um wälzpumpe und Trommelkessel mit Naturumwälzung, welche in Kombikraftwerken eingesetzt werden, wobei der Wasserstand in der Trommel nach dem Prinzip der Dreikomponentenregelung ge regelt wird.

Stand der Technik

Bei einem Kombikraftwerk wird Umgebungsluft angesaugt und durch ein Filtersystem in den Verdichter der Gasturbine ge führt. Die Luft wird dort verdichtet, anschließend mit Brennstoff vermischt und in der Brennkammer verbrannt. Die dabei entstehenden Verbrennungsgase treiben die Turbine an. Durch den mit der Gasturbine gekoppelten Generator wird elek trische Energie erzeugt.

Die heißen Abgase der Gasturbine gelangen über den Abgaska nal in den Abhitzekessel. Dort wird ihnen der größte Teil der noch vorhandenen Wärme entzogen und auf einen Wasser/ Dampf-Kreislauf übertragen, bevor sie durch einen Kamin in die Atmosphäre gelangen.

Der Abhitzekessel besteht aus verschiedenen Wärmetauscherpar tien. Zunächst wird das Wasser im Economizer fast bis zur Sättigungstemperatur erwärmt. Dann wird es im Verdampfer in Dampf umgewandelt. Der Sattdampf wird anschließend im Über hitzer weiter erhitzt. Der gewonnene Frischdampf gelangt nun mehr in die Dampfturbine, wo er entspannt wird. Dabei wird thermische Energie in mechanische Energie umwandelt. Die Dampfturbine ist ihrerseits mit einem Generator gekoppelt, der Strom erzeugt.

Der Abdampf wird nach Verlassen der Dampfturbine in einem Kondensator in Wasser umgewandelt. Dieses wird in den Speise wassertank geführt, in dem auch die nichtkondensierbaren Gase entfernt werden. Der Speisewassertank nimmt die Volumen schwankungen des Wasser/Dampf-Kreislaufes auf. Über Speise wasserpumpen wird das Wasser unter Druck in den Abhitzekessel zurückgeführt.

Die Anforderungen an die Güte der Dampferzeugungsregelung sind im oben beschriebenen Fall sehr hoch, da höchste Verfüg barkeit verlangt wird. Außerdem müssen rasche Leistungsände rungen der Gasturbine beherrscht werden. Neben der Dampftem peraturregelung am Kesselaustritt ist vor allem eine Speise wasserregelung notwendig, um eine optimale Füllung des Kes sels mit Speisewasser zu erreichen. Bei Abweichungen des Trommelniveaus vom Sollwert wird der Speisewasserstrom zum Kessel mehr oder weniger stark gedrosselt. Die Bezeichnung Speisewasserregelkreis ist nicht ganz korrekt, da der Speise wasserstrom nur die Stellgröße für die Regelung des Wasser standes in der Trommel ist, aber diese Bezeichnung wird übli cherweise verwendet.

Bekannt ist eine Dreikomponentenregelung (G. Klefenz: "Die Regelung von Dampfkraftwerken", Bibliographisches Institut Mannheim/Wien/Zürich, B.I.-Wissenschaftsverlag, 1983, S. 111) des Speisewasserregelkreises für Trommelkessel, bei der neben dem Trommelwasserstand als Regelgröße auch der temperatur korrigierte Dampf- und Speisewasserstrom in die Regelung ein bezogen wird. Wie in K. J. Thom´-Kozmiensky "Thermische Ab fallbehandlung", EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik, Berlin, 1994, S. 404 beschrieben, ist dann der Trommelwasser stand konstant, wenn sich Dampf- und Speisewasserstrom die Waage halten. Die Differenz wird auf den Eingang des Reglers aufgeschaltet, wobei der Speisewasserstrom hierbei die Regel größe ist und der Dampfstrom die Führungsgröße ist, die den Sollwert bestimmt. Der Wasserstand ist nur korrigierend auf geschaltet.

Der Trommelwasserstand stellt sich ein, indem der Höhenstand des Trommelwassers gemessen und über ein Zulaufwasser-Regel ventil als Stellglied geregelt wird. Bei plötzlicher Lastän derung wird die Abweichung zwischen Dampf- und Speisewasser strom sofort ausgeglichen. Der Niveauregler selbst reagiert nur langsam als Feinkorrektur. Seine Geschwindigkeit ist durch die Turbulenzen der Niveaumessung - welche eine ent sprechende Dämpfung erfordert - und vor allem durch die Füll zeit von Trommel und Verdampfer begrenzt.

In einer modifizierten Schaltung (siehe Fig. 1, Stand der Technik) wird das Niveau unabhängig von allen Störeinflüssen immer auf den gewünschten Sollwert eingeregelt. Ein unterge ordneter Durchflußregler (z. B. P- oder PD-Regler) für den Speisewasserstrom wird vom Dampfstrom geführt. Zusätzlich wird der Sollwert des Durchflußreglers noch vom übergeordne ten Niveauregler (z. B. PI- oder PID-Regler) so verschoben, daß das Niveau, also die Höhe des Wasserstandes in der Trom mel, auf dem gewünschten Wert eingeregelt wird. Damit werden alle eventuell vorhandenen Unstimmigkeiten in den Signalen von Dampf- und Speisewasserstrom durch diesen Regler korri giert.

Die gemäß dem Stand der Technik bei der Dreikomponentenrege lung verwendete Durchflußmessung des Frischdampfes bzw. Sattdampfes mittels Meßdüsen hat eine Reihe von Nachteilen. Eine Frischdampfmessung ist teuer und verursacht unerwünsch ten Druckabfall, welcher die Leistung der Anlage vermindert. Weiter versagt das auf einer Massenstrombilanz aufgebaute Konzept der Dreikomponentenregelung im Anfahrbetrieb, bei dem sich der Masseninhalt des Verdampfers signifikant ändert. Die im vorher mit Wasser gefüllten Verdampfer entstehenden Dampf blasen verdrängen einen großen Teil des Wassers. In dieser Phase ist die von der Frischdampfmessung gelieferte Informa tion bedeutungslos, und es wird auch meistens auf eine Ein- oder Zweikomponentenregelung umgeschaltet. Solche Strukturum schaltungen im Regelkreis sind schwer zu beherrschen.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine einheitliche Niveauregelung mittels Dreikomponentenregelung bei Abhitzedampferzeugern, insbesondere Trommelkessel der o. g. Art für Kombikraftwerke zu schaffen, welche keinen Druckabfall hervorruft, und welche den Übergang vom Anfahrbetrieb zum geregelten Lastbetrieb oh ne Strukturumschaltung in der Regelung bewerkstelligt.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren zur Speisewas serregelung bei Abhitzedampferzeugern, insbesondere Trommel kessel mit Umwälzpumpe und Trommelkessel mit Naturumlauf, welche in Kombikraftwerken eingesetzt werden, wobei durch eine Dreikomponentenregelung mittels übergeordnetem Niveau regler und einem dem Niveauregler untergeordneten Durchfluß regler für den Speisewasserstrom der Sollwert des Durchfluß reglers vom Niveauregler so verschoben wird, daß das Niveau in der Trommel oder Flasche unabhängig von Störeinflüssen immer auf den Sollwert eingeregelt wird, dadurch erreicht, daß der Durchflußregler für den Speisewasserstrom von der Wärmemenge im Abgasstrom der Gasturbine geführt wird.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem im Wegfall der bisher üblichen Durchflußmessung des Sattdampfes bzw. Frischdampfes zu sehen. Dadurch kann der messungsbedingte Druckabfall, der zu einer Leistungsverminderung der Anlage führt, verhindert werden. Außerdem können die nach dem Stand der Technik notwendigen, aber teuren Meßdüsen zur Dampf strommessung eingespart werden. Die Wärmemenge im Abgasstrom, die anstelle des Dampfstromes zur Regelung benutzt wird, ist in der Gasturbinen-Regelung verfügbar, so daß der Regelungs aufwand minimiert wird.

Es ist zweckmäßig, wenn das Ausgangssignal des Durchfluß reglers für den Speisewasserstrom begrenzt ist, wobei als Funktion der Wärmemenge im Abgasstrom zwischen einem Grenz wert für den Anfahrbetrieb und einem Grenzwert für den norma len Regelbetrieb ausgewählt wird. Die Umschaltung vom Anfahr-Grenzwert auf den normalen Grenzwert erfolgt über ein Zeit glied mit einer der Dauer des Anfahrens bis zum Abschluß des Wasserausstoßes entsprechenden Totzeit. Das hat den Vorteil, daß die allgemein übliche Strukturumschaltung in der Rege lung umgangen werden kann. Die Wärmemenge des Abgasstromes kann dazu verwendet werden, einen maximalen Speisewasserstrom festzulegen, der den unterschiedlichen Anforderungen während des Anfahrens und während des Lastbetriebes gerecht wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand des Speisewasserregelkreises (Dreikomponentenregelung) eines Trommelkessels mit Umwälzpumpe, welcher in einem Kombi kraftwerk eingesetzt wird, dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Regelschema für die Speisewasserregelung eines Trommelkessels mit Umwälzpumpe nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 ein Regelschema für die Speisewasseregelung eines Trommelkessels mit Umwälzpumpe gemäß der Erfin dung;

Fig. 3 ein detaillierteres Regelschema, welches die Vor kehrungen für den Anfahrbetrieb zeigt.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind beispielsweise der Speisewassertank, der Kondensator und die Turbinen des Kombikraftwerkes.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len und der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt das Regelschema für den speisewasserkreislauf eines Trommelkessels in einer Dreikomponentenschaltung nach dem Stand der Technik.

Vom hier nicht dargestellten Speisewassertank wird über die Speisewasserpumpe 1 in der Speisewasserleitung 2 Speisewasser in den Economiser 3 geleitet, in dem es fast bis zur Sätti gungstemperatur erwärmt wird, und dann in die Trommel 6 ge führt wird. Wasser aus der Trommel 6 gelangt durch die Fall rohre 10 und die Umwälzpumpe 9 in den Verdampfer 4, wo es un ter Zuführung von Wärme aus dem Abgasstrom teilweise ver dampft. Das Wasser-Dampf-Gemisch gelangt aus dem Verdampfer 4 über die Leitung 5 in die Trommel 6, wo das Wasser abgeschie den wird. Der Sattdampf wird über die Leitung 7 in den Über hitzer 8 geleitet und dort weiter erhitzt, um anschließend als Frischdampf in die nicht dargestellte Turbine zu gelan gen. Mittels Durchflußmeßdüse 11 wird die Speisewasser strommenge _S und mit Hilfe der Durchflußmeßdüse 12 die Dampfstrommenge _D gemessen.

Die Füllung der Trommel 6 wird durch den zugeführten Speise wasserstrom m_S beeinflußt. Ein dem Trommelniveau entspre chendes Ist-Signal wird mit dem Sollwertsignal verglichen und die Differenz einem proportional-integral wirkenden PI-Regler oder einem PID-Regler 13 aufgeschaltet.

Einem zweiten, dem Niveauregler 13 untergeordneten Durch flußregler 14 (P-Regler oder PD-Regler), wird ein von der Speisewassertrommelmessung abgeleitetes Regelsignal Ist_ein zugeführt und mit dem Sollsignal Soll_ein verglichen. Das Sollsignal Soll_ein wird gebildet von einem dem Dampfmengen strom _D entsprechenden Signal Ist_aus, welches noch vom über geordneten Niveauregler 13 so verschoben wird, daß das Ni veau, also die Höhe des Wasserstandes in der Trommel 6, auf dem gewünschten Wert unabhängig von allen Störeinflußgrößen eingeregelt wird. Die Differenz zwischen Ist_ein und Soll_ein wird dann dem proportional wirkenden Regler 14 bzw. dem PD-Regler 14 aufgeschaltet, der dann die Speisewasserstrommenge _S regelt. Dies geschieht in den meisten Fällen über ein Speisewasser-Regelventil, welches in Fig. 1 nicht speziell hervorgehoben wurde.

Damit werden alle eventuell vorhandenen Unstimmigkeiten in den Signalen von Dampf- und Speisewasserstrom durch diesen Regler 14 korrigiert.

Die Dreikomponentenregelung nach Fig. 1 gemäß dem bisherigen Stand der Technik weist eine Reihe von Nachteilen auf, die bereits oben genannt wurden. Diese können mit der in Fig. 2 und 3 dargestellten erfindungsgemäßen Lösung beseitigt wer den.

Fig. 2 zeigt ein Regelschema für die Speisewasseregelung eines Abhitzetrommelkessels mit Umwälzpumpe 9 gemäß der Er findung. Im Unterschied zu Fig. 1 wird der Sollwert Soll_ein des Durchflußreglers 14 nun nicht mehr von dem aus der Dampfstrommenge _D abgeleiteten Signal Ist_aus bestimmt, son dern von einem Signal Ist′_aus, welches aus der Wärmemenge im Abgasstrom _AG abgeleitet ist.

Die Wärmemenge des Abgasstromes _AG ist in der Gasturbinen regelung verfügbar, denn die Temperatur des Abgases ist eine Regelgröße für den Betrieb der Gasturbine und deshalb genau bekannt. Da auch der Trommeldruck bekannt ist, ist somit auch die Enthalpie des Sattdampfes h′′ bekannt. Ebenfalls bekannt sind der Druck und die Temperatur und damit die Enthalpie h_ein des Speisewasserstromes. Für praktische Zwecke ist die Differenz h′′-h_ein eine durch wenige Stützwerte beschriebene Funktion des Trommeldruckes, so daß die Wärmemenge des Ab gasstromes _AG direkt proportional der Sattdampf- bzw. Frischdampfmenge ist. Die Wärmemenge des Abgasstromes eignet sich deshalb sehr gut zur Regelung des Speisewasserkreis laufes.

In Fig. 3 werden die hauptsächlichen Merkmale des Regelkon zeptes für die Beherrschung des Anfahrvorganges gezeigt. Es werden dieselben Regler 13 und 14 verwendet wie im normalen Lastbetrieb, so daß keine Strukturumschaltung in der Rege lung erfolgt. Der einzig nötige Eingriff besteht in einer Begrenzung der maximal zulässigen Speisemenge am Ausgang des Reglers 14. Im normalen Regelbetrieb ist dieser Grenzwert ₂ ein wenig kleiner als die Kapazität der Speisepumpe 1. Im An fahrbetrieb wird auf einen viel kleineren Grenzwert ₁ be schränkt, der z. B. etwa 10% des Dampfstromes bei Vollast be trägt. Dieser Wert ₁ ist bewußt tiefer gehalten als der durchschnittliche Wert von _Q während des Anfahrens. Deshalb kann der Wasserstand in der Trommel 6 - welcher von Anfang an bewußt zu tief gehalten wird - durch die Speiseregelung nicht nachgefüllt werden. Dies geschieht in Erwartung des Wasserausstoßes aus dem Verdampfer 4, welcher durch die Vo lumenverdrängung des neu gebildeten Dampfes zwangsläufig ent steht. Die Umschaltung vom Anfahr-Grenzwert ₁ auf den norma len Grenzwert ₂ geschieht am einfachsten über ein Zeitglied 16 mit einer Totzeit T. Die Totzeit T entspricht der Dauer des Anfahrvorganges, bis der Wasserausstoß vollendet ist.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das hier ge zeigte Ausführungsbeispiel begrenzt. Sie ist auch anwendbar auf Trommelkessel mit Naturumlauf.

Bezugszeichenliste

1 Speisewasserpumpe
2 Speisewasserleitung
3 Economiser
4 Verdampfer
5 Leitung für Wasser-Dampf-Gemisch
6 Trommel
7 Dampfleitung
8 Überhitzer
9 Umwälzpumpe
10 Leitung für Wasser aus der Trommel
11 Durchflußmeßdüse in der Speisewasserleitung
12 Durchflußmeßdüse in der Dampfleitung
13 Niveauregler
14 Durchflußregler
15 Funktionsbaustein (Hysteresis), der den maximalen Speisewasserstrom bestimmt
16 Funktionsbaustein (Totzeit), der den momentanen Grenzwert erst nach Ablauf der Totzeit T wirksam werden läßt
_S Speisewasserstrom
_D Dampfstrom
₁ maximale Speisemenge während des Anfahrens
₂ maximale Speisemenge während des normalen Betriebes
_Q von Q_AG abgeleitete Frischdampfmenge
T Totzeit
h′′ Enthalpie des Sattdampfes
h_ein Enthalpie des Speisewassers
_AG Wärmemenge im Abgasstrom
Ist dem Trommelniveau entsprechendes Istwertsignal für den Niveauregler 13
Soll Sollwertsignal für den Niveauregler 13
Ist_aus dem Dampfmengenstrom entsprechendes Istwertsignal
Soll_ein Sollwertsignal für den Durchflußregler 14
Ist_ein von der Speisewasserstrommessung abgeleitetes Ist wertsignal der den Durchflußregler 14

Claims

1. Verfahren zur Speisewasserregelung bei Abhitzedampfer zeugern, insbesondere Trommelkessel mit Umwälzpumpe (9) und Trommelkessel mit Naturumlauf, welche in Kombikraft werken eingesetzt werden, wobei durch eine Dreikomponen tenregelung mittels übergeordnetem Niveauregler (13) und einem dem Niveauregler (13) untergeordneten Durchfluß regler (14) für den Speisewasserstrom (_S) der Sollwert (Soll_ein) des Durchflußreglers (14) vom Niveauregler (13) so verschoben wird, daß das Niveau in der Trommel (6) unabhängig von Störeinflüssen immer auf den Sollwert (Soll) eingeregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußregler (14) für den Speisewasserstrom (_S) von der Wärmemenge (_AG) im Abgasstrom der Gasturbine geführt wird.

2. Verfahren zur Speisewasserregelung bei Abhitzedampfer zeugern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Durchflußreglers (14) für den Speisewasserstrom (_S) begrenzt ist, wobei als Funktion der Wärmemenge (_AG) im Abgasstrom zwischen einem Grenzwert (₁) für den Anfahrbetrieb und einem Grenzwert (₂) für den normalen Regelbetrieb ausgewählt wird.

3. Verfahren zur Speisewasserregelung bei Abhitzedampfer zeugern nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung vom Anfahr-Grenzwert (₁) auf den normalen Grenzwert (₂) über ein Zeitglied (16) mit einer der Dauer des Anfahrens bis zum Abschluß des Wasserausstoßes entsprechenden Totzeit (T) erfolgt.