DE2358550A1 - System zur getrennten oder gemeinsamen steuerung von kraftmaschinen - Google Patents

Description

Dr. rer. nat. Horst Schüler PATENTANWALT

6 Frankfurt/Main 1,22. November I973

Niddastraße 52 WK/Rg

Telefon (0611) 237220 Postscheck-Konto: 282 420 Frankfurt/M. Bank-Konto: 225/0389 ^:

Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

2548-17TU-2268

GENERAL ELECTRIC COHPANY

1 River Road .
SCHENECTADY, N.Y./U.S.A.

System zur getrennten oder gemeinsamen Steuerung von Kraftmaschinen

Die Erfindung betrifft allgemein ein Steuer- oder Regelsystem zur Steuerung einer Vielzahl von Kraftmaschinen, beispielsweise Dampfturbinen, unabhängig voneinander oder gemeinsam. Insbesondere betrifft die Erfindung ein verbessertes System zur Kombination der Zweckmäßigkeit einer gemeinsamen Steuerung von Kraftmaschinen mit den Schutzwirkungen einer getrennten oder unabhängigen Steuerung von Kraftmaschinen.

409823/0833

HmIIl JAWtX

Ss sind Steuer- oder Regelsysteme bekannt zum Anfahren und zur Belastung von großen Dampfturbinen-Generatoren. Solche Systeme sind sehr kompliziert geworden, um einerseits den Turbinen-Generatorsatz vor Beschädigung zu schützen und andererseits eine kontinuierliche Leistung für die Abnehmer zu gewährleisten. Ein Beispiel für ein solches Steuersystem ist ersichtlich aus der ÜS-Patentschrift 3 3¹K) 883. In dieser Patentschrift wird das Ventil einer Dampfturbine mit Hilfe eines Signals gesteuert, welches das kleinere von zwei in einer Torsteuerungs- oder Gattereinrichtung verglichenen Signalen darstellt.

Obwohl sich die Kapazität von Dampfturbinen im Laufe der Jahre erhöht hat, übersteigt die potentielle Kapazität von Dampferzeugern mit Dampfkesseln oder mit Reaktor die Kapazität der größten Dampfturbine. Die Verwendung von zwei oder mehr Turbinen mit einem einzigen Dampfkessel oder Reaktor ist in hohem Maße erwünscht und die vorliegende Erfindung ist auf ein verbessertes Steuersystem für zwei oder mehr Dampfturbinen gerichtet, welche aus einer einzigen Dampfquelle betrieben werden. Sie ist jedoch nicht auf eine einzige Dampfquelle beschränkt.

Es wurden bereits Vorschläge für Steuersysteme, mit gemeinsamer Steuerung von zwei oder mehr Kraftmaschinen gemacht. Ein Beispiel hierfür wird in der US-Patentschrift 3 233 412 gegeben. Hier ist ein System mit einem übergeordneten und einem nachgeordneten Teil (master-slave system) beschrieben, bei dem eine Anzahl von Turbinen mit mechanischen Steuerungen einer einzigen (übergeordneten) Hauptturbine untergeordnet sind, welche eine, fortschrittlichere elektrische Steuerung besitzt. Die nachgeordneten Turbinen werden dabei durch Bezugseinstellwerte gesteuert, welche einstellbare Bruchteile eines ausgewählten Gesamtsignals darstellen'. In ähnlicher Weise ist in der US-Patentschrift 3 391 539 eine integrierte Steuerung einer Vielzahl von Dampfturbinen vorgesehen, bei welcher der Strom von den Turbinen gemäß ausgewählten Bruchteilen des Stroms von den verschiedenen Turbinen aufrechterhalten wird. Bei diesen Anwendungsfällen ist

409823/0833

eine Aufteilung eines Signals vorhanden, wenn die Dampfmaschinen gemeinsam gesteuert werden. Im Gegensatz; hierzu wird in dem * System nach der vorliegenden Anmeldung das Steuersignal während der gemeinsamen Steuerung der Kraftmaschinen voll der Gruppe zugeführt. ' .

Es ist ebenfalls im Stand der Technik bekannt, daß bei einer Steuerung von Kraftmaschirien hinsichtlich der Belastung die individuellen Sicherheitsvorkehrungen, beispielsweise Abschalteinrichtungen, bei überdrehzahl betriebsfähig bleiben. Die vorliegende Anmeldung beinhaltet jedoch eine kontinuierliche Steuerung der Lasteinstellwerte-für einzelne Kraftmaschinen und auch eine gemeinsame Steuerung dieser Werte.

Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Steuersystem für den individuellen oder gemeinsamen Betrieb von zwei oder mehr Kraftmaschinen zu schaffen.

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der nachstehenden. Beschreibung einer bevorzugten Äusführungsform, weichein den Abbildungen beispielhaft dargestellt ist ο

Figur 1 enthält ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Steuersystems, welches für die unabhängige oder gemeinsame Steuerung von zwei Dampfturbinen geeignet ist..

Figur 2 enthält eine vereinfachte Schaltzeichnung eines Typs der Einrichtung zur Lasteinstellung und zur Torsteuerung.

Figuren 3 und 4 sind Kurvendarstellungen und zeigen das Arbeitsprinzip.

Kurz gesagt, sieht das Steuersystem Einrichtungen zur Erzeugung einer Anzahl von individuellen Lasteinstellsignalen für die individuellen Kraftmaschinen und auch ein gemeinsames Lasteinstellsignal vor. Die Signale werden über Einrichtungen zugeführt, welche für den Fall eines Leistungsausfalls das zuvor eingestell-

409823/0833

te Signal beibehalten oder aufbewahren. Jedes individuelle Lasteinstellsignal wird zusammen mit dem gemeinsamen Lasteinstellsignal einer Einrichtung zugeführt, welche das kleinste Signal auswählt und es als ein Lastsollwertsignal für die einzelne Kraftmaschine verwendet. Die individuelle oder gemeinsame Lastwerteinstellung kann gemäß der erwünschten Logik für den Betrieb der Kraftmaschine verringert oder vergrößert werden.

Figur 1 zeigt als Kraftmaschine eine Dampfturbine 1 und eine zweite unabhängige Kraftmaschine, beispielsweise eine Dampfturbine 2, welche jeweils zur Leistungsabgabe an eine entsprechende Last, beispielsweise Generatoren 3 und ^J, angeschlossen sind. Die Generatoren 3 und 4 sind elektrisch mit einem gemeinsamen Kraftnetz verbunden. Die Turbinen 1 und 2 werden mit Dampf aus einem gemeinsamen Dampfgenerator 5 versorgt. Dabei wird der Dampfstrom zu den entsprechenden Turbinen durch die Öffnung der Ventile 6 und 7 gesteuert. Die vorstehend aufgeführten Komponenten sind selb-stverständlich nur eine verkürzte Darstellung einer Anordnung, welche eine äußerst komplizierte Kraftstation sein kann. Dabei kann gegebenenfalls jede der wiedergegebenen Dampfturbinen 1 und 2 eine Anzahl von getrennten Turbinengehäusen darstellen, wobei eine Wiedererhitzung des Dampfes zwischen den Gehäusen erfolgt, und selbstverständlich können auch viele andere Arten von Steuervorrichtungen und zusätzlichen Ventilen für Notsteuerbetrieb und andere Zwecke normalerweise enthalten sein. Diese sind jedoch nicht gezeigt; da sie für die Erfindung nicht wesentlich sind. Der Dampfgenerator 5 kann entweder ein konventioneller Dampfkessel sein, welcher mit Fossilbrennstoff beheizt wird, oder es kann ein Dampfgenerator sein, welcher durch einen Kernreaktor erhitzt wird. In umfassenderen Aspekten sind auch die Dampfventile 6 und 7 nur repräsentativ für Einrichtungen zur Steuerung der zeitlich an irgendeine Kraftmaschine, beispielsweise Gasturbinen, Dieselmotoren usw., abgegebenen Energiemenge. In diesem Falle würden dann die Ventile 6 und 7 anstelle der Steuerung der Dampfmenge den Zustrom von Brennstoff zu den Kraftmaschinen steuern.

409823/0833

— tz _

Das Ventil 6 wird mit Hilfe eines elektrohydraulischen Servomechanismus 8 gem-äß einem bei 9 zugeführten elektrischen "Last-.s ollwert "-Signal eingestellt. Ein ähnlicher Servomechanismus dient*zur Einstellung der Lage des Ventils 7 gemäß einem elektrischen "Lastsollwert"-Signal, welches bei 11 zugeführt wird. In der dargestellten Ausfuhrungsform sind die Servomechanismen 8, 10 vorzugsweise jeweils eine Anordnung von Pestkörper-Analogschaltkreisen, welche Operatorverstärker und Servoventile zur Steuerung von hydraulischen Hochdruckkolbenstangen verwenden. Sie dienen zur Umsetzung der bei 9 und 11. zugeführten Lastsollwert-Signale in entsprechende Stellungen der hydraulischen Kolbenstangen oder Stößel zur Steuerung der Öffnung der Ventile 6 _t 7. Die Ventilöffnung ist umso größer, je höher das Lastsollwert-Signal· ist. Wenn man annimmt, daß die Hauptanschlüsse der Generatoren 3, ^ mit einem Kraftnetz verbunden sind, welches die Drehzahlen der"beiden Einheiten im wesentlichen konstant hält, dann bestimmen die entsprechenden Ventilstellungen die entspre- ■ chenden Lastgrößen, welche von den Turbinen 1, 2 übernommen werden.

Eine erwünschte Lastwerteinstellung für eine oder beide Turbinen 1, 2 wird dem Steuersystem aus einer äußeren Quelle 12 mitgeteilt welche mit einem Wahlpult 13 für die Auswahl der Betriebsweise verbunden ist. Mit Hilfe von Schalterkreisen dient das Wahlpult 13 zur Befähigung oder Außerfunktionssetzung einer ersten Logikschaltung 14 für die Lastwerteinstellung der Turbine 1, einer zweiten Logikschaltung 15 für die Lastwerteinstellung für die Turbine 2 und/oder einer Hauptlogikschaltung .16" für die Lastwerteinstellung für beide Turbinen. Jede Logikschaltung ist so angeordnet, daß sie einen umkehrbaren Motor antreibt, wie dies bei 17» 18 und*19 angedeutet ist. Die Motoren dienen ihrerseits zum Antrieb von Stellungswandlern, beispielsweise Potentiometern, welche einzeln oder gemeinsam die erwünschten Lastwerteinstellungen für die Turbinen erhöhen oder· verringern. Weiterhin sind Vorkehrungen getroffen, um die Lastwerteinstellungen entweder für Einzelturbinen oder beide Turbinen mit Hilfe von Schaltungen 20, 21 für eine "Rückführung" (runback) der Last au vermin-

AO9823/0833

dem. Ein Beispiel für eine solche Schaltungsanordnung zur "Rückführung" ist eine Schaltungsanordnung, welche die Geschwindigkeit der Lastverminderung dadurch nachstellt, daß ein Lastbezugswertsignal zur Steuerung eines Dampfsteuerveritils so nachgestellt wird, daß der Dampfverlust einer Turbine mit einer ausgefallenen Komponente in der Dampferzeugungsschleife zum weiteren Betrieb der Turbine kompensiert wird.

Diese "Rückführung" kann durch äußere Signale bewirkt werden, welche durch die Verhältnisse in dem elektrischen Netzwerk bei 22, 23 bestimmt sind, oder sie kann die Dampfturbine vor überdrehzahlen schützen. Ein Beispiel für diesen letzteren Fall ist ein Relais für ein Lastungleichgewicht für jede der Einheiten bei 24, 25· Ein Beispiel hierfür ist ersichtlich aus der US-Patentschrift 3 198 954..

Eine elektrische Unabhängigkeit zwischen den einzelnen Kanälen zur Lastwerteinstellung für jede Turbine wird mittels eines getrennten Tachometergenerators 26, 27 auf jeder Welle aufrechterhalten. Sie ergeben beide ein getrenntes Drehzahlsignal und liefern Leistung an das Wahlschaltpult 13 zur Auswahl der Betriebsweise.

Die logische Schaltungsanordnung, mit.deren Hilfe die erwünschten individuellen Lastwerteinstellungen für die Turbinen vermehrt oder verringert werden, ist sehr kompliziert und überschreitet den Umfang der vorliegenden Beschreibung. Beispielsweise kann die erwünschte Lastwerteinstellung einer einzelnen-Turbine gemäß den Einschränkungen vermindert werden, welche durch Zugbelastungen in dem Turbinenrotor gemäß US-Patentschrift 3 446 224 gegeben sind. Die Lasteinstellwerte können auch vermindert werden bei Vorliegen bestimmter Verhältnisse eines Ungleichgewichtes gemäß US-Patentschrift 3 601 617. Einige Arten von Belastungs- oder EntlastungsSignalen können für beide Turbinen gemeinsam erwünscht sein, und andere Arten solcher Signale können für individuelle Turbinen erwünscht sein.

409823/0833

Gemäß der vorliegenden Erfindung treibt der Motor 17 eine erste * Einrichtung zur Erzeugung eines individuellen Lasteinstellsignals für die erste Turbine an. In der hier gezeigten Ausführungsform ist dieses Signal ein elektrisches Gleichspannungspotential, welches auf der Leitung 29 erscheint. In ähnlicher Weise treibt der Motor 18 eine zweite Einrichtung zur Erzeugung eines zweiten individuellen Lasteinstellsignals an, das bei 31 vorliegt. Der Motor 19 treibt dagegen ein Paar ähnliche Einrichtungen 32* 33 über eine gemeinsame mechanische verbindung zur Erzeugung eines Paars elektrisch isolierter Lasteinstellsignale an, welche bei 34, 35 erscheinen und eine erwünschte gemeinsame Last auf den Turbinen 1 und 2 darstellen* Die Signale 29, 34 werden in einer Torsteuerungseinrichtung 36 für niedrige Lasteinstellung verglichen, welche das kleinste Lasteinstellsignal auswählt; Dieses wird dann das Lastsollwertsignal für die Turbine 1, welches bei 9 zugeführt wird. Eine zweite Torsteuerungseinrichtung 37 für die niedrigere Lasteinstellung führt den gleichen Vergleich aus zur Zuführung eines Lastsollwertsignals bei 11, ·

Figur 2 zeigt eine anschauliche Darstellung einer vereinfachten ' Schaltung zur Lieferung eines analogen Lastsollwertsignals an die Turbine 1. Der umkehrbare Motor 17 treibt eine Leitspindel 40 an, welche die Einstellung eines einstellbaren Potentiometers 41 bestimmt und dadurch die Amplitude eines Gleichspannungspotentials auf dem Anschluß 4l einstellt.

Der Motor 19 treibt eine Leitspindel 43 an, welche die Einstellwerte auf einem Paar elektrisch isolierter einstellbarer Potentiometer 44 und 45 bestimmt. Diese Anordnung ist jedoch nur eine der vielen dem Fachmann bekannten Möglichkeiten zur Erzielung elektrisch isolierter Signale mit Hilfe einer gemeinsamen mechanischen Antriebseinrichtung. Auf diese Weise wird ein. Gleichspannungssignal auf dem Anschluß 46 und ein weiteres Gleichspannungspotential auf dem Anschluß 47 eingestellt. Das Signal am Anschluß 42 ist die erwünschte individuelle Lasteinstellung auf der Turbine 1, wie sie durch die logische Schaltung 14 (Figur 1). für die Turbine 1 bestimmt ist. Die Lasteinstellsignale an den

409823/0833

Anschlüssen 46, 47 sind die erwünschten gemeinsamen Lasteinstellsignale, welche durch den logischen Hauptkreis 16 bestimmt sind.

Die Verstärkung und Auswahl des kleineren der beiden Signale an den Anschlüssen 42, 46 wird erhalten mit Hilfe eines ersten Operatorverstärkers 48 und eines zweiten Operatorverstärkers 49,-bei denen jeweils der Ausgang über die Dioden 50, 51 mit einer gemeinsamen Leitung 52 verbunden ist. Eine zusätzliche Leistungsverstärkerstufe 53 gestattet einen negativen Wert des durch^elassenen Ausgangssignals und verbindet die Leitung 52 mit einer Leitung 53 zur Versorgung eines Anschlusses 54. Die einzelnen Ansprechempfindlichkeiten der Verstärker 48, 49 werden durch die Wahl von Rückkopplungsimpedanzen bei 55, 56 eingestellt. Es sind Vorkehrungen zur Einführung zusätzlicher Signale in die Torsteuerungsschaltung getroffen, wie dies durch eine mit der Leitung 52 verbundene Diode 57 angedeutet ist. Beispielsweise können über die Diode 57 nicht nur die Lasteinstellwerte, sondern auch die Laststeigerungsgeschwindigkeiten für eine einzelne Turbine eingeführt werden. Ein Beispiel für eine solche Anordnung ist ersichtlich aus der vorerwähnten US-Patentschrift 3 340 883. Die Punktion der in Figur 2 abgebildeten Schaltung besteht darin, die Signale an den Anschlüssen 42, 46 zu verstärken, das kleinere der beiden Signale mit Hilfe der Torsteuerungsdioden 50, 51 auszuwählen und das durchgelassene Signal weiter zu verstärken, das anschließend am Anschluß 54 als Lastsollwertsignal erscheint.

Die Arbeitsweise der Anordnung nach der Erfindung wird veranschaulicht durch die Kurven der Figuren 3 und 4. Die Figur 3 stellt eine angenommene zeitliche Sequenz der Lasteinstellwerte dar, welche von den Einrichtungen 28, 30, 32 und 33 als Eingangsgrößen für die Torschaltungen 36, 37 zur Auswahl der kleineren Lasteinstellung geliefert werden. Beispielsweise wird die erwünschte Lastwerteinstellung der Turbine 1 entlang einer zeitlich ansteigenden Rampe 60 auf einen letztendlichen Lasteinstellwert 6l gesteigert. Die Turbine 2 wird infolge möglicher verschiedener Einschränkungen gemäß einer anderen Rampe 62 auf eine Lastwerteinstellung 63 gesteigert. Der Lasteinstellwert für die

409823/0833

Turbine 2 vd.ru bei 64 infolge äußerer Bedingungen abrupt vermindert, und sie erholt sich dann längs einer Kurve 65 auf einen konstanten Lasteinstellwert 66.

Der Laupt-Lasteinsteilwert steigt in.einer Rampe 67.auf einen konstanten geringeren Last einstellwert 68 an, wird bei 69 auf einen zweiten Sinstellwert 70 erhöht, bei 71 auf den ursprünglichen Einstellwert 72 verringert und dann bei 73 vermindert.

Figur i\ zeigt das Lastsollwerts.ignal, das am Ausgang der entsprechenden· Torschaltungen .36, 37 für den kleineren Wert erscheint. Dii das Aus gangs signal von der Torschaltung 3:6 stets der kleinere der beiden Einstellwertie, des Haupteinstellwertes oder des Lasteinstellwertes, für die Turbine 1 sein wird, .ersch_eint das Lastsollwertsignal 9 von der Einrichtung 36 gemäß der Darstellung in der Kurve JU. In gleicher Weise erscheint das am Ausgang der Torschaltung 37 auftretende Lastsollwertsignal 11 für die Turbine 2 gemäß der Darstellung der Kurve 75 in Figur 4. Es ist zu beachten, daß die Verminderungen der Lasteinstellwerte für einzelne Turbinen widergespiegelt werden. Dies ist bei 76 angedeutet, wo der Lasteinstellwert für die Turbine 1 unter den Hauptlasteinstellwert vermindert wurde.

Vorstehend wurde die Erfindung im Hinblick auf eine bevorzugte Ausfuhrungsform unter Verwendung von Analogsignalen beschrieben. Der Fachmann für Steuerungstechnik wird jedoch verstehen, daß sie auch leicht im Umfang der Erfindung unter Verwendung von digitalen Verfahren ausgeführt werden kann,' Die Einfügung von digitalen Gedächtnisspeichern, welche ihre Betriebszustande und damit ihren Signalpegel bei Leistungsverlust beibehalten,'kann Tür die umkehrbaren Motoren' und die Lasteinstellpotentiometer vorgenommen werden. Es kann dann ein Vergleich der digitalen Ziffern in den Lasteinstellreaistern vorgenommen werden und der untere Viert als das Sollwertsignal in ähnlicher Weise ausgewählt werden, wie dies vorstehend für die Torsteuerungseinrichtungen 36, 37 beschrieben ist. Diese auf digitale Weise abgeleiteten Lastsollwertsignale können in einem DigitälT-nach-Änalogwandler

40982370833 ' " ^Λ '

BAD

in- analoge Signale umgewandelt werden zu ihrer Verwendung für analoge elektrohydraulische Servomechanismen oder sie können unmittelbar in digitalen elektrohydraulischen Mechanismen verwendet werden.'

409 8 23/083 3

Claims (3)

1. Pat ent an s prüch-e ·

   / I?)Steuersystem für eine Vielzahl von Kraftmaschinen, die jeweils individuelle Servoeinrichtungen zur· Einstellung des Lastwertes der Kraftmaschine gemäß einem Lastsollwertsignal besitzen, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t , daß es umfaßt: eine erste Einrichtung.(I¹O zur selektiven Erzeugung eines ersten individuellen Lasteinstellsignals für eine erste Kraft- - mas chine (1), -

   eine zweite Einrichtung (15} zur selektiven Erzeugung eines zweiten Lasteinstellsignals für eine zweite Kraftmaschine (2), eine Haupteinrichtung (l6) zur selektiven Erzeugung eines gemeinsamen Las te ins tellsignals für die Vielzahl von Kraftmaschinen;,

   eine erste Torsteuerüngseinrichtung (36) zum Vergleich des ersten Lasteinstellsignals und des Hauptlasteinstellsignals und zur Auswahl des kleinsten Lasteinstellwertes als erstes Lastsollwertsignal für die erste Kraftmaschine (1) und eine zweite Torsteuerungseinrichtung (37) zum Vergleich des zweiten Lasteinstellsignals und des Hauptlasteinstellsignals und zur Auswahl des kleinsten Lasteinstellwertes als zweites Lastsollwertsignal für die zweite Kraftmaschine.
2. 2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupteinrichtung zur Lieferung eines Paars im wesentlichen identischer, aber elektrisch isolierter Hauptlasteinste1!signale zur ersten bzw. zweiten Torsteuerungseinrichtung (36j 37) angeordnet und eingerichtet ist.
3. 3. Steuersystem nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h

   g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die erste Einrichtung₃ die zweite Einrichtung und die Haupt einrichtung jeweils umkehrbiare elektrische Motoren (17, 18, 19) zum Antrieb von Wandlern enthalten,, welche selektiv die Lasteinstellsignale erzeugen» '

   4Q9&23/G8 3 3

   Steuersystem nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ilaupteinrichtung zur Erzeugung eines Paars von im wesentlichen identischen, aber elektrisch isolierten Lastsignalen aber eine gemeinsame mechanische Antriebseinrichtung angeordnet ist.

   Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4,. dadurch gekennzeichnet , daß die erste, zweite und Haupteinrichtung umkehrbare elektrische ,Motoren umfassen zum Antrieb von einstellbaren Potentiometern zur Erzeugung von Gleichspannungssignalen für die Lasteinstellsignale und die erste und zweite Torsteuerungseinrichtung jeweils eine Vielzahl von Operatorverstärkern mit an den Ausgängen angeschlossenen Dioden umfassen, welche mit einer gemeinsamen Leitung zur Auswahl des kleinsten unter den an den Torsteuerungseinrichtungen zugeführten Lasteinstellsignalen angeschlossen sind..

   409823/0 833

   Le er s^ it e