DE2118028A1

DE2118028A1 - Verfahren und anordnung zur regelung an einem waermeaustauscher

Info

Publication number: DE2118028A1
Application number: DE2118028A
Authority: DE
Inventors: Ladislaus Dipl Ing Borsi; Helmuth Dipl Ing Dingler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-04-14
Filing date: 1971-04-14
Publication date: 1973-03-15
Also published as: FI52398C; FI52398B; US3774396A; CA959562A; GB1387716A; BE782175A; FR2133672A1; SE7204787L; FR2133672B1; ZA722332B; IT957176B; AT317929B

Description

SIEMENS AKiIENGESELISCHAPT Erlangen, den -/.APR. 197 I Berlin und München Werner-von-Siemens-Str.

Unser Zeichen:

7173530

Verfahren und Anordnung zur Regelung an einem Wärmeaustauscher

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung an einem V«^rasserdampf erzeugenden Wärmeaustauscher, insbesondere an einem Zwangsdurchlaufkessel, sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, an einem Zv/angsdurchlaufkessel, z. B. an einem Bensonkessei, eine Anzahl von Hauptregelkreisen anzuordnen, mit deren Hilfe beispielsweise der Speisewasserdurchfluß, der Ausgangsdruck des abgegebenen Dampfes, die Temperatur des erzeugten Dampfes und der Druck im Feuerraum geregelt werden. Pur die Regelung an Zwangsdurchiaufkesseln hat es sich nun als zweckmäßig erwiesen, zusätzlich einen Regelkreis vorzusehen, der zur schnellen Ermittlung und Kompensation von Beheizungsstörungen dient.

Es ist ein derartiger Zusatzregelkreis bekannt, bei dem die Ist-Temperatur T. des Wasserdampfes im Zwangsdurchlaufkessel an einem Ort gemessen wird, wo sich der Dampf in einem schwach überhitzten Zustand befindet. Die Bezeichnung "Dampf im schwach überhitzten Zustand" soll sich hier und im folgenden auf einen Dampf beziehen, dessen Temperatur T im Bereich 370° G + 40° C, dessen Druck ρ im Bereich 1Sü at + 100 at und dessen spezifische Enthalpie i im Bereich 640 kcal/kg +60 kcal/kg liegt. Bei dem bekannten Zusatzregelkreis liegt der Meßort für die Ist-Temperatur T. am Ausgang dos Verdampfers. Messungen haben ergeben, daß man hier die günstigste Stellübe r gang üf unk fei on und auch normalerweise die günstigste Störübergangsfunktion erhält, d. h. am Ausgang des 7er-

VPA 9/366/0501, Nm/Bz - 2 -

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dampf er s macht sich eine Bebe izungs störung, die durch eine Änderung der Leistungsabgabe des Energieträgers (Erdöl, Gas, Kohle) bewirkt wird, am schnellsten bemerkbar. Die hier ermittelte Ist-Temperatur T. wird mit einer vorgegebenen Soll-Temperatur T verglichen, und die sich ergebende Temperaturdifferenz; δT = T. - T wird als Korrekturgröße für einen unterlagerten Regelkreis, z. B. für die Speisewasserdurchflußregelung, herangezogen. Dank dieser bekannten Maßnahmen war bisher eine gewisse Kontrolle des schwach überhitzten Dampfes in einem Zwangsdurchlaufkessel bei eintretenden Beheizungsstörungen möglich.

Es hat sich nun gezeigt, daß ein derart aufgebauter zusätzliche ϊ Regelkreis einige Nachteile aufweist.

Zunächst einmal ergibt sich aus einer Betrachtung des. Enthalpie-Temperatur-Diagramms (i-T-Diagramm) für Wasser, daß eine ζ. B. durch eine Beheizungsstörung verursachte Temperaturänderung ΔΤ des schwach überhitzten Dampfes am Ausgang des Verdampfers zur Beheizungsstörung nicht proportional ist. Die zu dieser Temperaturänderung äT proportionale Änderung der Ausgangsgröße des Regelkreises führt zu einer proportionalen Änderung der Aufgabengrößa, z. B. zu einer proportionalen Änderung nMy des Speisewasse rdurchflusses, aber nicht zu einer proportionalen Korrektur der Beheizungsstörung. Diese Nichtlinearität ist ■ auch dann vorhanden, wenn der Druck ρ des überhitzten Dampfes konstantgehalten wird, da die spezifische Wärme C von schwach überhitztem Dampf bei konstantem Druck ^: temperaturabhängig ist. Zwei Beispiele sollen das verdeutlichen: ' -"""'" ■■■■··■'·■"

a) Der schwach überhitzte Dampf befinde sich in einem

ersten Zustand a, der durch die Temperatur T_ - 37u"° G und den Druck p_o = 200 at charakterisiert ist-. Aus

el

dem i-T-Diagramm ergibt sich, daß dann seine Enthalpie

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i = 61o kcal/kg "beträgt. Eine Enthalpie zunähme &i

30 kcal/kg (z. B. infolge einer Beheizungsstörung)

führt bei festem Druck V_n zu einer Temperaturänderung

= 10 G. Die Rechnung zeigt, daß diese Temperatur-

änderung AT„ durch eine relative Änderung AM^/M™ des Speisewasserdurchflusses HL· von 8 °/a kompensiert werden kann.

b) Der Dampf befinde sich in einem zweiten Zustand "b, der durch die Temperatur T-J₃ = 4uO° C und durch den Druck p, = 2üO at charakterisiert ist. Gegenüber üem ersten Zustand a ist also der Druck nicht geändert worden (p = p^). Aus dem i-T-Diagraram ergibt sich eine Enthalpie i-k = 68U kcal/kg. Wird dieser Wert gleichfalls um Δί, = 3U kcal/kg vergrößert, so ergibt sich eine Temperaturänderung &1V =27 C. Um diese Temperaturänderung ΔΤ-, vollständig zu kompensieren, wird gleichfalls eine relative Änderung AM_W/M_W des Speisewasserdurchflusses von ö % benötigt, da M = Ai^ beträgt.

Diese beiden Beispiele zeigen, daß auch dann, wenn der Druck bei einer Enthalpie änderung Δχ , Δί-^ konstantgehalten wird (ρ = p_b = konst), eine bestimmte relative Änderung /iM^/M·^ (z. B. von 8 $) des Speisewasserdurchflusses M^, die durch eine geänderte Einstellung des Stellventila hervorgerufen wird, je nach Zustand a oder b des schwach überhitzten Dampfes eine andere Temperaturänderung Δ.Ϊ zur Folge hat. Darüberhinaus ergibt sich aus dem i-T-Diagramm, daß die Temperaturänderung δ T nichtlinear von der Ausgangsgröße des bekannten zusätzlichen Regelkreises abhängig ist. Daraus folgt, daß die Streckenverstärkung vom Zustand des Dampfes abhängig ist, so daß eine lineare Regelung z. B. über die Regelung des Speisewasserstromes nicht möglich ist.

Ein weiterer Nachteil des bisher üblichen Regelverfahrens besteht darin, daß auch Zustandsänderungen des schvach

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überhitzten Dampfes, die nicht auf einer Beheizungsstörung beruhen, als eine solche Beheizungsstörung erfaßt und fälschlicherweise durch eine Änderung der Einstellung des Stellglieds (z. B. für den Speisewasserdurchfluß) kompensiert werden. Eine Temperaturänderung Δ Τ im schwach überhitzten Dampf in einem Wärmeaustauscher kann nämlich nicht nur durch eine Beheizungsstörung verursacht werden; sie kann auch durch eine Druckänderung Λρ hervorgerufen werden, die durch eine Änderung der Dampfentnahme bedingt ist. Ein Beispiel soll das wiederum verdeutlichen:

c) Der achwach überhitzte Dampf befinde sich in einem w Zustand c, der durch die Temperatur T = 370° G, durch den Druck p_n = 180 at und durch die spezifische Enthaipie i = 650 kcal/kg definiert sei. Eine Druckänderung ΔΡ« = ¹5 at, die z. B. durch eine geänderte Dampfentnähme zustande gekommen sei, führt bei nicht geänderter Beheizung, d. h. bei konstanter Enthalpie i , zu einer Tempereturänderung ΔΤ. = 10 C, die - obwohl sie nicht aus einer Beheizungsstörung resultiert - bei dem bekannten Regelkreis zwangsläufig einen unnötigen Regeleingriff zur Folge hat.

Druckänderungen dieser Art treten sehr oft auf, insbeb sondere dann, wenn der Dampferzeuger im Gleitdruck betrieben wird, d. h. wenn sich der Druck p. bei einer Änderung der Belastung ändert, oder aber wenn sein Speichervermögen stark beansprucht wird, d. h. wenn die abgegebene Dampfleistung z. B. durch die übergeordnete Regelung der elektrischen Leistung eines angeschlossenen Turbogenerators in einem größeren Druckbereich vorgegeben wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Wärmeaustauscher, insbesondere für einen Zwangsdurchlaufkessel, ein verbessertes Regelverfahren und eine Anordnung zur

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Durchführung des Verfahrens anzugeben, die zum frühzeitigen Erkennen und Kompensieren einer Betriebsstörung, insbesondere einer Beheizungsstörung, herangezogen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die spezifische Ist-Enthalpie i- des schwach überhitzten Dampfes fortlaufend ermittelt und als Hilfsregelgröße verwendet wird.

Eine bevorzugte Ausbildung des Verfahrens ist dadurch gegeben, daß an einem Ort des Wärmeaus tauschers mit schwach überhitztem Dampf fortlaufend der Druck p. und die Temperatur T- des Dampfes gemessen werden, daß aus diesen gemessenen Ist-Werten p*, T^ mittels einer Rechenschaltung die Regelabweichung χ . der spezifischen Ist-Enthalpie i. von ihrem Soll-Wert i ermittelt wird, und daß die Regelabweichung χ . der spezifischen Enthalpie als Korrekturgroße für die Eingangsgröße eines an ein Stellgerät angeschlossenen Reglers benutzt wird.

Werden die Stelleingriffe eines Stellgeräts in der angegebenen Weise von der Regelabweichung ar . der spezifischen Enthalpie abgeleitet, so ist die bezogene Streckenverstärkung - was als besonderer Vorteil angesehen wird in jedem Arbeitspunkt T_Q konstant. Wird also z. B. ein Speisewasserstellventil als Stellglied verwendet, so ist die Größe (Δ1/(δΜ,,/Μ-. )) für jede Temperatur T konstant. Anders ausgedrückt: eine Enthalpieänderung hi ist der ■ Änderung ΔΜ^/ΔΜ^, dee Speisewasserstroms direkt proportional. Im Gegensatz zu dem bekannten Regelverfahren, bei dem nur die Ist-Temperatur T. des schwach überhitzten Dampfes gemessen wird, tritt also eine Nichtlinearität in der Verstärkung der Temperatur-Regelstrecke (Arbeitspunkt- und Aussteuerungsabhängigkeit) nicht auf.

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' ■ ■'■ ^: ■ ■ - - 6 - VPA 9/366/U5O1

Eine v/eitere Ausbildung des Verfahrens ist erfinduhgäge— ^: maß dadurch gegeben, daß die Regelabweichung χ . der ^!spezifischen Enthalpie aus den gemessenen Ist-Werten ρ. und ^: T. und aus vorgegebenen Soll—V/er ten für den Druck ρ und _; für die Temperatur 3? ermittelt wird.

Die für das G-Ieichgewicht zwischen Wärmezufuhr und Speisewasserstrom maßgebliche spezifische Enthalpie i ist eine eindeutige Funktion der Temperatur T und des Druckeo p:

i = i (P, T) ' , (D

Diese Punktion ist nichtlinear und nur durch komplizierte empirische Näherungsgleichungen im betrachteten Bereich schwacher Überhitzung explizit anzugeben, z. B. durch die Koch'sohe Zustandsgleichung, Die Herleitung der Regelabweichung χ . kann jedoch aufgrund folgender Überlegungen allgemein vorgenommen werden:
Es wird das totale Differential der Funktion (1) gebildet:

di = (όΐ/6ρ)_φ dp + (Oi/6 T) dT (2)

^χό ^po.

Für die Abweichung (i - i ) vom gewünschten Sollzustand, der durch die Größen i , T und ρ festgelegt sei, erhält man daraus angenähert:

i - i % (5i/6p) · (p - ρ ) + (ii/6T) · (T - T) (3)

j-₀ <j ^₀

Mit den in der Regelungstechnik gebräuchlichen Definitionen χ . = i. - i für die Regelabweichung spezifische Enthalpie, χ = p^ - p₀ für die Regelabweichung Druck und Xm= T₁ - T_Q für die Regelabweichung Temperatur ergibt sich daraus

Die rait dem Index i bezeichneten Größen i, ρ und T sind dabei die Ist-Werte. Für kleine Änderungen um einen fe—

309811/0289 ~ ^? "

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sten Arbeitspunkt i_Q, p_Q, T_Q dürfen die in Gleichung (4) enthaltenen partiellen Differentiaiquotienten als Konstanten "betrachtet v/erden. Setzt man also K = (oi/cp)m

^p ο und K_rp = (6i/tT) , so erhält man als Bestimmungsgleichung

für die Regelabweichung spezifische Enthalpie:

^xwi ⁼ h ^xwp ^{+ Κ}ΐ

Eine Weiterbildung des erfindungsgeraäßen Verfahrens zur Regelung an einem Wärmeaustauscher ist demzufolge dadurch gegeben, daß die Regelabweichung χ . von der spezifischen Enthalpie nach dor angegebenen Gleichung (5)

^xwi = ^Kp ^xwp ^{+ 2}T ^Xv,T

berechnet wird, worin K und Km Torgegebene Werte sind, und worin χ die Regelabv/eichung (p^ - ρ ) des Druckes und χ „ die Regelabweichung (T^ - T) der Temperatur be deuten.

Soll die Regelabweichung χ . für einen größeren Arbeitsbereich bestimmt werden, so können die Parameter K und L· nicht mehr als Konstanten angesehen werden. Eine weitere Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht folglich für diesen Pail vor, daß die Vierte K und Km lastabhängig geführt werden, insbesondere in Abhängigkeit von dem Soll-Wert P der elektrischen Leistung eines an den Wärmeaustauscher angeschlossenen Turbogenerators. Entsprechend können auch der Soll-Wert ρ des Druckes und der Soll-Wert T der Temperatur geführt weraen. Auf diese Weise läßt sxch also auch eine Regelung im Gleitdruckbetrieb realisieren. Im speziellen Pail, in aem alle vier Werte K , L·, ρ und T gleichzeitig lastabhängig geführt werden, z. E. von dem Soll-Wert P für die elektrische Leistung des Turbogenerators, nimmt Gleichung (5) die 3?orm an:

- β 309811/0289

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Me Enthalpieabweichung χ . läßt sich, also für diesen speziellen Fall nach. Gleichung (6) bestimmen.

Im folgenden sollen weitere Möglichkeiten sur kontinuierlichen Ermittlung einer kleinen Regelabweichung χ · vom

VY-*-

Arbeitspunkt A (Sollzustand i , ρ , T ) des schwach überhitzten Dampfes erläutert werden. Dabei wird wieder vom totalen Differential (G-leichung (2)) der spezifischen Enthalpie i ausgegangen. Da allgemein

(oi/oT) - (ύΤ/6ρ) · (ορ/ώΐ) = -1 (7)

gilt, ergibt sich nach Einsetzen in Gleichung (2) und bei Betrachtung

angenähert:

Betrachtung einer kleinen Regelabweichung χ . == i^ - i

Vl ⁼ (^δ1/δε)_ό · (T₁ - (T₀ + (άτ/5P)₁ · (P₁ - P₀)) (8)

¹O O

Der rechte Klainmerausdruck in Gleichung (S) ist eine druckabhängige Größe, die als druckabhängige Hilfs- oder Soll-Temperatur T_a aufgefaßt werden kann:

T_s =, T₃ (P₁) = T₀ + a_To>
po (P₁ - _Po) ' (9)

mit a = (άΤ/Αρ). . (10)

¹O' ^po ¹O

Die Näherung besteht nun darin,, daß anstelle der Kurve gleichen Wärmeinhalts i_Q = i (p, T) = konst deren Tangente im Arbeitspunkt, A (i_Q, p_Q, T_Q) für die Sollwertbildung verwendet wird.

Setzt man

-ο' ^po

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' * " - 9 - VPA 9/366/0501

so ergibt sich, für die Re ge labwei ellung X^₁ der spezifischen Enthalpie: .

(12)

Die Größe (Δϊ/δΤ) kann darin nicht als konstant angenommen werden; sie hängt vom Betrag und vom Vorzeichen von χ',ρ = T. - T (p.) ab. Das soll an einem Beispiel verdeutlicht werden:

d) Der schwach überhitzte Dampf befinde sich in einem Zustand d, der durch den Druck ρ ^ = 220 at und durch die spezifische Enthalpie i^ = 630 kcal/kg charakterisiert ist. Erfährt der Dampf eine negative Temperaturänderung von AT. = -7° C bei konstant gehaltenem Druck p^, so ist damit eine Enthalpie änderung &i-, = -20 kcal/kg verknüpft. Man erhält somit für die Größe (Δί-,/ΔΤ,,),, =

Q ti T) - ' · -

2,86 kcal/⁰ G · kg. _t °

Beim gleichen Arbeitspunkt p-,, i-, ist dagegen eine positive Temperaturanaerung ΔΤ-,, = +9° G gleichbedeutend mit einer betragstaäßig gleich großen Enthalpieänderung von ^i,, = 20 kcal/kg = -Δΐ^, d. h. man erhält in diesem Fall für die Größe (Δ^,/δ^,) = 2,22 kcal/° G kg

Die Größe (Ai/nT) ist bei konstanter Soll-Enthalpie i_Q praktisch nur eine°Funktion von x'm und im wesentlichen unabhängig vom Druck ρ , d. h. man erhält für jeden Druck ρ bei

fester Soll-Enthalpie i denselben Viert für (^i/AT) . Eine

Betrachtung des i-T-Diagramms zeigt nämlich, daß die Isoba-r ren bei fester Soll-Enthalpie i in guter Näherung parallellaufen.

Ausgehend von Gleichung (12) gibt es nun erfindungegemäß zwei weitere Möglichkeiten, die Regelabweichung χ . der

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spezifischen Enthalpie zu bestimmen und diese' Größe £ irr Regelzwecke zu verwenden:

Die erste dieser beiden Ausführungsformen umfaßt den ,all- _v gemeineren Fall und ist für den GIeitdruokhetrieb· Cp₀Ta- _; - ^:\ riabel) des Wärmeaustauschers und für konstante Soll-Enthalpie I_ des schwach überhitzten Dampfes .vorgesehsenv Sie zeichnet sich dadurch aus, daß eine als druckahhän- .= -.--.-. gige Soll-Temperatur T bezeichnete Hilfsgräße alsJ?unktion des gemessenen Ist-Druckes p^ gebildet wird, daß. eine Temperatürabweichung (T^ - T₃) durch,Subtraktion dieser Soil-femperatur T von der gemessenen Ist-Tempe- , „· ratur 1. ermittelt wird, und daß die Regelabweichung x.£ _ der spezif ischen En"i?halpie als Punktion der Temperaturab-weichung (T- - T₃) bestimmt wird. In einer Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens werden die GrößenT_ und (Δί/ΔΤ) am zweckmäßigsten in ie einem

funktionsgenerator gebildet.

Die. zweite lusführungsfarm eignet sich insbesondere für' den Eestdruckbetrieb (p- annähernd konst) des Wärmeaustauschers und für konstante Soll-Enthalpie i_Q des schwach, überhitzten Dampfes;· sie zeichnet sich dadurch aus, daß die Regelabweichung χ ,der spezifischen Enthalpie nach der Gleichung (12)

berechnet wird, wobei die Große (Äi/ATV" als vom Arbeits

punkt (1-, p = .j T) des schwach überhitzten Dampfes abhängige Größe yorgeg§bon, und die druckabhängige Soll-Temperatur Tg nach, der Gleichung (9).

^aT_o,p_o

mit festem a^j, - ermittelt wird .,In einer Schaltungaan-

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Ordnung zur Durchführung dieses Verfahrens wird die Abhängigkeit der Größe (Ai/ΔΤ) durch einen Funktionsgenerator berücksichtigt. Die druckabhängige Hilfsgröße T kann dagegen gemäß Gleichung (9) in einer einfachen Rechenschaltung bestimmt werden.

-¹O

Abschließend soll ein weiterer Fall behandelt werden, bei dem die Soll-Enthalpie i des schwach überhitzten Dampfes nicht als konstant, sondern als um einen mittleren Soll-Wert ϊ schwankend angenommen wird. Eine Änderung Ai = i - ϊ von der mittleren Soll-Enrhalpie ϊ kann beim Betrieb eine.'3 Wärmeaustauschers absichtlich herbeigeführt; werden. Eine derartige beabsichtigte Änderung Δ1 kann z, B. durch Steuerung erfolgen, falls die SoIl-Enfchalpie i lastabhängig geführt wird; sie kann aber auch durch den Eingriff eines übergeordneten Reglers bewirkt werden,,-,...falls sich, beispielsweise nach dem Rußblasen, die Aufteilung des Wärmestromes auf die einzelnen Heizflächen des Wärmeaustauschers geändert hat.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung für den EaIl, daß der 7/ärme aus tauscher bei um einen mittleren Soll-Wert I variierender Soll-Enthalpie i betrieben wird, ist dadurch gegeben, daß eine druckabhängige Soll-Temperatur T als !Funktion des gemessenen Ist-Druckes p_± gebildet wird, daj3 eine Tcraperaturabweichung (T. - T„) durch Subtraktion der druckabhangigen Soll-Temperatur T von der gemessenen Ist-Temperatur T^ ermittelt wird, daß eine Enthalpieabweichung x*^ als Funktion dieser Tenjperaturabweichung (Tj^ - T_s) bestimmt wird, und daß zwecks Bildung einer wirksamen Abweichung x_vii> die als Hilfsregelgröße verwendet wird, von der so bestimmten Enthalpieabweichung x*.

wX

die boabsioh (,igte Enthalpieändorung Δ1 = i - I i?ubtrahiört wird. Die beabsichtigte Enthalpieänderung Ai kann dabei lastabhängig g.„»führt worden, z. B. in Abhängigkbit'vom Soil·-Wert P der o. leictrischen Leistung ei-

3 O 9 8 t 1 / O 2 8 9 BAD ORIGINAL ¹² ~

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nes an den γ/ärmeaustauscher angeschlossenen Turbogenerators.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in acht Figuren dargestellt. Sie werden im folgenden näher erläutert.

Gleiche Bauteile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.

Es zeigen

Figur 1 einen Signalflußplan für die Speisewasserregelung an einem Bensonkessei,

Figur 2 eine Rechenschaltung zur Ermittlung der Regelabweichung χ . der spezifischen Enthalpie bei festem Arbeitspunlct p_Q, T_Q des schwach überhitzten Dampfes,

Figur 3 eine Rechenschaltung zur Ermittlung der Regelabweichung χ . der spezifischen Enthalpie bei lastabhängiger Steuerung der Sollwerte ρ und T für Druck und- Temperatur,

Figur 4 eine weitere Rechenschaltung zur Ermittlung der Regelabweichung χ . bei variablem Arbeitspunlct des schwach überhitzten Dampfes,

Figur 5 eine Rechenschaltung zur Ermittlung der Regelabweichung χ .. bei konstanter Soll-Enthalpie i_Q und variablem Druck ρ (Gleitdruckbetrieb),

Figur 6 eine Rechenschaltung zur Ermittlung der Regelabweichung χ . bei konstanter Soll-Enthalpie i und festem Druck ρ (Festdruckbetrieb),

Figur 7 eine Rechenschaltung zur Ermittlung der wirksamen Regelabweichung χ . unter Berücksichtigung einer

VVJ--

beabsichtigten Änderung Δχ der mittleren Soll-Enthalpie T , und

Figur β einen Signalflußpian für die Speisewasserregelung an einem Bensonkessel mit P-Aufschaltung der wirksamen spezifischen Enthalpieabweichung gemäß Figur 7.

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In Figur 1 ist ein Bensonkessel 1 dargestellt, dem durch einen Energieträger 2 (z. B. Erdöl, Gaa, Kohle) thermische Energie zwecks Verdampfung des einströmenden Speisewassers 3 zugeführt wird. Nach Durchtritt durch ein Speisewasserventil 4, das mit einem steuerbaren elektromotorischen Stellantrieb 5 verbunden ist, wird aus dem Speisewasser 3 ein Einspritzwaaserstrora 6 abgezweigt. Der Durchfluß des Speisewassera 7 ohne Einspritzwasser 6 wird an einem Durchflußmesser 8 (Meßblende) bestimmt und über einen Meßumformer 9 in eine elektrische Meßgröße M„ umgeformt, Nach Durchgang durch den Durchflußmesser 8 wird das Speisewasser 7 in. bekannter Weise in einem Vorwärmer

10 des Bensonkessels 1 vorgewärmt und in einem Verdampfer

11 verdampft. Der den Verdampfer 11 verlassende Dampf ist schwach überhitzt. Er wird in bekannter Weise in einen ersten Dampfüberhitzer 12 geleitet. Von dort gelangt er über einen Einspritzkühler 13, dem über ein Einspritzwasserventil 14 das abgezweigte Einspritzwasser 6 zugeleitet wird, in einen weiteren Dampfüberhitzer 15. Der den Bensonkessel 1 verlassende Dampf 16 wird anschließend einem (nicht dargestellten) Turbogenerator zugeführt.

Zwischen dem Verdampfer 11 und dem ersten Dampfüberhitzer

12 ist ein Temperaturmeßgeber 17 angeordnet, der fortlaufend den Ist-Wert der Temperatur des schwach überhitzten Dampfes mißt. Ein angeschlossener Meßwertumformer formt diosen Wert in eine elektrische Größe T- um. An derselben Stelle ist auch ein Druckmeßgeber 19 zur fortlaufenden Messung des Ist-Werts des Druckes angeordnet. Ein angeschlossener Meßwertumformer 20 formt ihn in eine-entsprechende Größe p. um. In einer Rechensohaltung 21 wird aus den beiden Größen T^ und p, fortlaufend eine elektrische Ausgangsgröße X^₁ gebildet, die ein Maß für die Abweichung der spezifischen Ist-Enthalpie I^ von der spezifischen Soll-Enthalpie i_Q ist. In dem in Figur 1 dargestellten Prinzipschaltbild erfolgt die Bildung der Aus-

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gangsgröße χ . unter Zu.bilfenab.mG von zwei fest vorgegebenen elektrischen Größen T und ρ , die nach Maßgabe der Soll-Tempera tür und des Soll-Drucks des schwach, überhitzten Dampfes in Sollwertgebern 22 und 23 erzeugt werden. Ins einzelne gehende Aiiöführungsf ormen der Rechenschaltung 21, die einer vorgegebenen Aufgabenstellung angepaßt sind, werden in den nachfolgenden Figuren ausführlich, beschrieben.

Gemäß Figur 1 ist die Auegangsgröße χ - der Rechenschaltung 21 einer Vergleichesteile 24 aufge schaltet, die mit einem Regler 25 verbunden ist. Der Regler 25 steuert naoh Haßgabe seiner Eingangsgröße e den Stellantrieb 5 des Speisewasserventils 4« In der Vergleichsstelle 24 wird die vom Meßwerturaformer 9 gelieferte Meßgröße ML, für den Speisewasserdurchfluß mit einem Soll-Wert M™ verglichen, der entweder an einem (nicht gezeigten) Sollwertsteller fest eingestellt ist oder lastabhängig geführt wird. Die Eingangsgröße e des Reglers 25 ist ein Maß für die Abweichung des gemessenen Durchflusses vom eingestellten Soll-Durchfluß; die vom Regler 25 abgegebene Stellgröße y wirkt auf das Speisewasserventil 4 im Sinne einer minimalen Abweichung des Speisewasserdurchflusses von seinem Soll-Wert ein. Liegt jedoch eine Beheizungsstörung vor, z. B. eine momentane Änderung des Heizwertes des Energieträgers 2, so macht sich diese sehr schnell als eine Änderung der spezifischen Enthalpie i. des schwach überhitzten Dampfes am Ausgang des Verdampfers 11 bemerkbar, und die der Vergleichsstelle 24 aufgeschaLtete Ausgangsgröße χ .der Rechenschaltung 21 bewirkt über den Regler 25 eine Änderung de« SpeiHowasserdurchflustJus im Sinne einer Konstanthaltung der speiii.fisohen Enthalpie i.. Die Ausgangsgröße x , dor Reihenschaltung 21 dient, also itn Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ala Korrekturgröße für die Eingangsgröße e des Reglers 25.

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In Figur 2 ist eine Reohensohaltung 21a dargestellt, die sich für einen Wärmeaustauscher "bzw. Zwangsdurchlaufkessel eignet, hei dem der durch Druck und Temperatur bestimmte Arbeitspunkt des schwach überhitzten Dampfes im wesentlichen fest, also nicht geführt ist. Zur Vereinfachung der Beschreibung werden hier und im folgenden die in den elektrischen Schaltungen auftretenden elektrischen Größen (Ströme, Spannungen)-, die den physikalischen Meßwerten (Druck, Temperatur) bzw. Größen (spezifische Enthalpie) proportional oder zugeordnet sind, wie die physikalischen Meßwerte und Größen selbst bezeichnet.

Die Regelabweichung χ · der spezifischen Enthalpie wird in aer Rechenschaltung 21 gemäß Figur 2 nach der angegebenen Gleichung (5)

^xwi = ^Kp ^Xwp ^{+ K}T

ermittelt; die Werte Z und Κ_φ sind hier dem Arbeitspunkt angepaßte Konstanten. Vom fortlaufend gemessenen Ist-Wert p. des Druckes wird an einer Subtraktionsstelle 26 der eingestellte Soll-Wert ρ des Druckes abgezogen. Die Differenz χ = p. - ρ wird an einer Muitiplikationssteile

W J) -L O

mit der Konstanten K multipliziert. Das Produkt K χ wird dem ersten Eingang einer Additionsstelie 28 zugeführt. Gleichzeitig wird an einer Subtraktionsstelle 29 vom fortlaufend gemessenen Ist-Wert T. der Temperatur der Soll-Wert T₀ abgezogen, und die Differenz x_v/T = T_± - T_Q wird an einer weiteren Multiplikationsstelle 30 mit der Konstanten K^ multipliziert. Das Produkt Κ™ χ ™ wird dem anderen Eingang der Additionsstelle 28 zugeführt. Am Ausgang der Additionsstelle 28 und damit am Ausgang der Rechenschaltung 21 erscheint die nach Gleichung (5) ermittelte Regelabweichung χ . der spezifisohen Enthalpie. Ein Beispiel soll verdeutlichen, wie dio Konstanten K und K™ für einen festen Arbeitspunkt bestimmt werden:

811/0289 ^BÄD ORIGINAL ¹⁶ "

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e) Der Arbeitspunkt A dea schwach überhitzten Wasserdampfes sei durch die Temperatur T = 370° C, durch den Druck ρ = 180 at und somit durch die spezifische Enthalpie i = 650 kcal/kg gegeben. Aus dem i-T-Diagramm läßt sich entnehmen, daß bei konstantem Druck ρ = 180 at eine Temperaturänderung &T = 1° G eine Enthalpieänderung /j-i - 2,18 kcal/kg zur Folge hat. Für die Konstante K™ ergibt sich damit K™ = (Ai-Za¹S)' -

2,18 kcal/kg grd. Aus dem i-T-Diagramm läßt sich weiterhin entnehmen, daß bei konstanter Temperatur T = 370 C die infolge einer Druckänderung Δρ = 1 at auf-

^ tretende Enthalpieänderung Ai = -1,45 kcal/kg beträgt.

* Damit folgt für die Konstante K ein Wert X = -1,45 kcal/ kg at. Nach Einsetzen dieser Werte in Gleichung (5) erhält man die Bestimmungsgleichung für χ ·:

Γ" ~1 " Γ—I f 1

χ . kcal/kg = -1,45 * x „ lat + 2.18 x, ™ grd

wi Q j wp Qj ^vjT ir j

Figur 3 zeigt ein j Rechenschaltung 21 b zur Ermittlung der Regelabweichung x ^, bei der der Drucksollwert ρ und der Temperatursollwert T nicht mehr fest vorgegebene Konstanten des schwach überhitzten Dampfes sind; sie werden vielmehr über Funktionogeneratoren 31 bzw. 32 in Abhängigkeit von der elektrischen Leistung P geführt, die ein an den fc Wärmeaustauscher angeschlossener Turbogenerator erzeugen soll.

In Figur 4 ist eine Rechenschaltung 21c dargestellt, mit deren Hilfe die Enthalpieabweichung ^x _wj(P_o) nach der angegebenen Gleichung (6) bestimmt wird. Im Gegensatz zu der Rechonachaltung von Figur 3 werden nunmehr auch die Werte K und K₁, in Abhängigkeit von der elektrischen Solleistung P₀ über Funktionngeneratoren 33 bzw. 34 geführt. Die dargestellte Rechöhsohartuiig 21 ist' von besonderer Bedeutung für den Fäll, daß'die Regelabweichung χ . für einen größeren Arbeiibberoich' bestimmt' werden' «oll, bei dem aie

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Werte K und Κ™ nicht mehr als Konstanten betrachtet werden dürfen.

Figur 5 zeigt eine Rechenschaltung 21d, bei der die Regelabweichung χ . der spezifischen Enthalpie unter Zugrundelegung von Gleichung (12) bei Gleitdruckbetrieb (p variabel) und konstanter Soll-Enthalpie i des Wärmeaustauschers ermittelt wird. Mit dem Funktionsgenerator 35 wird als Hilfsgröße eine Soll-Temperatur T₃, die eine Funktion des Ist-Druckes p. ist, bestimmt. Diese druckabhängige Soll-Temperatur T wird anschließend an einer Subtraktionsstelle 36 von der gemessenen Ist-Temperatur T- abgezogen. Ein weiterer Funktionsgenerator 37 bildet die Größe (Δϊ/ΔΤ)_η * (T^ - ^T _s)> ^die allein eine

^po
Funktion der ermittelten Temperaturdifferenz (T- - 3L) ist.

Die in Figur 6 aufgezeichnete Rechenschaltung 21e unterscheidet sich von der vorherigen nur in der Realisierung der druckabhängigen Soll-Temperatur T_g. Sie ist anwendbar im Festdruckbetrieb (p = kon3t), nämlich dann, wenn der Wärmeinhalt des schwach überhitzten Dampfes (z. B. am Ausgang des Verdampfers 11 in Figur 1) konstantgehalten werden soll. Die Druckaufschaltung erfolgt hier linear ohne Verwendung des in Figur 5 gezeigten Funktionsgenerators 35. Dazu wird zunächst der gemessene Ist-Druck P₁ mit einer Konstanten a_m in einer Multiplikationsstelle

multipliziert. In einer Additionsstelle 39 erfolgt anschließend die Summenbildung a™ p. + 3L - a. ρ_Λ gemäß

o'^po o'^po

Gleichung (9). Die auf diese Weise gebildete Summe, die gleich der druckabhängigen Soll-Temperatur T ist, wird wie in Figur 5 der Subtraktionsstelle 36 zugeführt.

Es gibt Anwendungsfälle, bei denen die Soll-Enthalpie i des schwach überhitzten Dampfes nicht als konstant angenommen werden kann, sondern z. B. durch übergeordnete Reg-

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ler absichtlich geändert wird. Für diese Fälle ist die in Figur 7 abgebildete Schaltungsanordnung vorgesehen. Die schaltungstechnische Bestimmung einer mit x*. bezeichneten Enthalpieabweichung erfolgt in einer Rechen— schaltung 21 f, welche der in Figur 5 dargestellten Rechenschaltung 21d entspricht. Die als Hilfsregelgröße wirksame Regelabweichung χ . entsteht an einer Subtraktionsstelle 40 durch Subtraktion einer beabsichtigten Enthalpieänderung Δί von der schaltungstechnisch aus den Werten p^ und T. bestimmten Enthalpieabweichung x*j_· Die beabsichtigte Enthalpieänderung &i -wird ihrerseits an einer Additionsstelle 41 aus einem ersten Enfehalpiewert Ai¹ und e'inem zweiten Enthalpiewert Ai'¹ gebildet. Der erste Enthalpiewert ΔίΙ wird von einem Regler.42 nach Maßgabe einer Enthalpieabweichung x*|, die z. B. in Figur 1 am Ausgang des dem Verdampfer 11 nachgeschalteten Dampf Überhitzers 12 gemessen wird, an die Additionsstelle 41 abgegeben. Die zweite Enthalpiegröße Ai'¹ wird z. B. von einem Funktionsgenerator-43 in Abhängigkeit vom Leistungssollwert P des dem Wä:
teten Turbogenerators bestimmt.

Leistungssollwert P des dem Wärmeaustauscher nachgesclial-

In Figur β ist wiederum eine E.e ge !schaltung an einem Wärmeaustauscher dargestellt. Es handelt sich hierbei um eine Variante der üblichen Speisewasserregelung an einem Ben- ^ sonkessel 1 unter Heranziehung der spezifischen Enthalpie ™ für Regelzwecke. Die in Figur 1 im Prinzip gezeigte Regelschaltung ist im wesentlichen durch die in Figur 7 dargestellte Schaltungsanordnung ergänzt und abgeändert worden. Am Ausgang des PI-Reglers 42 erscheint hier eine Enthalpiegröße Δί', die über den PI-Regler 42 aus der -Abweichung x_t ^f ,„ der über dem Einspritzkühler 13 gemessenen Temperaturdifferenz von ihrem Soll-Wert gebildet wird.

Die in der Schaltrungaanordnung gemäß Figur 7 ermittelte wirksame Enthalpieabwcichung χ . wird an einer Multipli-

Wl

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kationssteile 44 mit einem Soll-Wert P , der ζ. B, gleich ißt dem Leistungssollv/ert. des dem Bensonkessel 1 nachgeschaiteten Turbogenerators, zum Soll-Wert M., des Speisewasnordurchflusses verknüpft. Der gemessene Speisev/asserdurchfluß M^ wird in einer Subtraktionsstelle 45 mit diesem Soll-V/ert M^ verglichen, und die dort gebildete Differenz (I4y, - M-. ) wird einem PI-Regler 46 aufgeschaltet. Nach Maßgabe der vom PI-Regler 46 abgegebenen Stellgröße y v/ird. der Stellantrieb 5 des Speisewasserventils 4 gesteuert.

15 Patentansprüche
α Figuren

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Claims

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Patentansprüche

.) Verfahren zur Regelung an einem Wasserdampf erzeugenden Wärmeaustauscher, insbesondere an einem Zwangsdurchlaufkessel, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische Ist-Enthalpie (i^) des schwach überhitzten Dampfes fortlaufend ermittelt und als Hilfsregelgröße verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ort des Wärmeaustauschers (1) mit sehwach überhitztem Dampf fortlaufend der Druck (p^) und die Temperatur (T.) des Dampfes gemessen werden, daß aus diesen gemessenen Ist-Werten (p^, T.) mittels einer Rechenschaltung (21) die Regelabweichung (x.) der

• spezifischen Ist-Enthalpie (ij) von ihrem Soll-Wert (i ) ermittelt wird, und daß die Regelabweichung (x .) der spezifischen Enthalpie als Eorrekturgröße für die Eingangsgröße (e) eines an ein Stellgerät (4, 5) angeschlossenen Reglers (25) benutzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelabweichung (x_wj) der spezifischen Enthalpie aus den gemessenen Ist-Werten (p-, T.) und aus vorgegebenen Sollr-Werten für den Druck (p_o) und für die Temperatur (T_Q) ermittelt wird (figur 1).

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelabweichung (x_w4) der spezifischen Enthalpie nach der Gleichung (5)

wp ^{+ Ä}T ^xwT

berechnet wird, worin K und Em vorgegebene Werte sind, und worin χ die Regelabweichung (p^ - p_Q) des Druckes und X^₃, die Regelabweichung (T^ - T_Q) der Temperatur ber deuten (Figur 2),

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5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch, gekennzeichnet, daß die Werte ρ und T_Q und/
abhängig geführt werden.

die Werte p_Q und T_Q und/oder die Werte K und K^ last-

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte p₀, T und/oder K , K™ in Abhängigkeit von dem Soll-Wert (P₀) der elektrischen Leistung eines an den Wärmeaustauscher (1) angeschlossenen Turbogenerators geführt werden (Figur 3 und Figur 4).

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Gleitdruckbetrieb (p_Q variabel) und für konstante Soll-Enthalpie (i_Q) des schwach überhitzten Dampfes eine druckabhärigige Hilfsgröße (Soll-Temperatur (T_ß)) als Funktion des gemessenen Ist-Druckes (pj) gebildet wird, daß eine Temperaturabweichung (T^ - T) durch Subtraktion dieser Soll-Temperatur (T₈) von der gemessenen Ist-Temperatur (T.)■ ermittelt wird, und daß die Regelabweichung (^x _wj) der spezifischen Enthalpie als Funktion der Temperaturabweichung (T- - T_) bestimmt wird (Figur 5).

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Festdruckbetrieb (p annähernd konstant) und für konstante Soll-Enthalpie (i_Q) des schwach überhitzten Dampfes die Regelabweichung (x .) der spezifischen Enthalpie nach der Gleichung (12)

P₀

berechnet wird, wobei die Größe (Δί/ΔΤ) als vom Ar-Po

beitspunkt (i_Q, p_Q, T_Q) des schwach überhitzten Dampfes abhängige Größe vorgegeben und die druckabhängige Soll-Temporatur (T_g) nach der Gleichung (9)

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mit festem a_{m n} ermittelt wird (Figur 6). V^po

Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den Betrieb des Wärmeaustauschers (1) bei um einen mittleren Soll-Wert (i_Q) variierender Soll-Enthalpie (i ) des schwach überhitzten Dampfes eine druckabhängige Soll-Temperatur (T_s) als Punktion des gemessenen Ist-Druckes (p·) gebildet wird, daß eine Temperaturabweichung· (T. - T_) durch Subtraktion der druckabhängigen Soll-Temperatur (T ) von der gemessenen Ist-Temperatur (Tj) ermittelt wird, daß eine Enthalpieabweichung (x*.) als Punktion dieser Temperaturabweichung (T. - T„)

Wl J. α

bestimmt wird, und daß zwecks Bildung einer wirksamen Regelabweichung (x .) von der Enthalpieabweichung (χί eine beabsichtigte Enthalpieänderung (Ai_n = I_n - I_n) subtrahiert wird (Figur 7).

10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die beabsicht
geführt wird.

die beabsichtigte Enthalpieänderung (Ai ) lastabhängig

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beabsichtigte Enthalpieänderung (Ai ) in Abhängigkeit vom Soll-Wert (P_n) der elektrischen Leistung eines an den Wärmeaustauscher (1) angeschlossenen Turbogenerators geführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die beabsichtigte Enthalpieänderung (Δί_η) von einem übergeordneten Regler (42), der die Zustandsänderung (T| - T') des stark überhitzten Dampfes im Wärmeaustauscher (1) erfaßt, korrigiert wird.

13. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet j daß die Meßgeber (19, 1?) für 'Druck (p·) und Temperatur (T-) am Ausgang des Ver-

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dampfera (11) angeordnet sind.

14. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellgerät ein mit einem Stellantrieb (5) versehenes Stellventil (4) für das dem Wärmeaustauscher (1) zugeführte Speisewasser (3) ist.

15. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellgerät eine Stelleinrichtung für die dem Wärmeaustauscher (1) durch einen Energieträger (z. B. Erdöl, Sas, Kohle) zugeführte Wärmeleistung ist.

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