DE2363270A1

DE2363270A1 - Verfahren und vorrichtung zur regelung eines dampferzeugers

Info

Publication number: DE2363270A1
Application number: DE19732363270
Authority: DE
Inventors: Leopold Cristian Van Holtz; Adrianus Gerardus Hop
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1972-12-21
Filing date: 1973-12-19
Publication date: 1974-06-27
Also published as: GB1454416A; US3908897A; NO137518C; SE384403B; JPS4989001A; NO137518B; NL7217434A

Description

SHELL IHi¹JiJfECiATIOSALUI HESEAKGH MAAiSOHAPPIJ B.V. Carel van Bylandtlaan 30, Den Haag, Biederlande

betreffend
Verfahren und Vorrichtung -zur 'Regelung eines Dämpfe rs euger-3

Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Dampferzeugers mit wechselnder Belastung: sowie eine für die Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Bei einem Dampf erzeug er mit wechselnder Belaot-ing sind besondere Maßnahmen zur schnellen Anpassung der Dampferzeugung an den unterschiedlichen Bedarf not v/endig. Ss besteht hier die Gefahr, daß die Wärmeerzeugung und damit die Dampferzeugung den Änderungen des Dampfbedarfes sehr stark nacheilt. Die Hacheilung führt zu einem stark schwankenden Dampfdruck. Wenn der Druck übermäßig ansteigt, können Verluste auftreten, während es bei einem zu niedrigen Druck passieren kann, daß die benötigte Dampfmenge nicht sofort geliefert werden kann. Mit Problemen dieser Art muß insbesondere bei einem Dampferzeuger gerechnet v/erden, der einem Dampfturbinensatζ an Bord eines Schiffes zugeordnet ist. Beim Manövern des Schiffes wechselt die Dampf bei astung sprunghaft" und in häufiger .Folge sogar von O auf volle Belastung und umgekehrt.

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Bei einem bekannten Verfahren wird der Verbrennungsvorgang im Dampferzeuger unter Verwendung einer Führungsgröße gesteuert, welche die Surmce des Ausgangssignales des Danpfdruckreglers und eines der Dampf entnahmemenge proportionalen Signals ist. Es wurde jedoch festgestellt, daß diese Regelungsanordnung die o"ben genannten Nachteile mit sich "bringt. Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung der Regelung in dieser Hinsicht.

Entsprechend betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regelung eines Dampferzeugers mit wechselnder Belastung, insbesondere eines einem Dampfturbinensatζ an Bord eines Schiffes zugeordneten Dampferzeugers, bei welchem der Verbrennungsvorgang im Dampferzeuger durch Einstellung der Zufuhr von Brennstoff und Luft unter Verwendung einer Führungsgroße gesteuert wird, welche die Summe des Aus gangs sign al es P des Dampfdruckreglers und eines der Dampfentnahmemenge proportionalen Signales A enthält, und das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß zu der Summe ein der Anderungsgeschwindigkeit der Dampfentnahme proportionales. Signal 3 hinzuaddiert wird.

Addition wird hier im algebraischen Sinn verstanden, was bedeutet, -daß das Signal 3 auch ein negatives Vorzeichen haben kann. -

Das erfindungsg-eraäße Regel verfahr en verwendet eine Kombination aus Proportional- und Different!al-Wirkung, abgeleitet von der Belastung des Dampferzeugers und der Dampfdruckregelung. Diese Signale zusammen stellen die Wärmeerzeugung ein. Dies führt zu einer beträchtlichen Verbesserung der Ansprechgeschwindigkeit des Dampferzeugers. Natürlich wird diese Regelanordnung durch die üblichen, einem Dampferzeuger zugeordneten Regelsysteme ergänzt, so z.B. durch ein Pegelregelsystem, ein Regelsystem für das Brennstoff-Luft-Verhältnis, ein Regelsystem für die Kesselwasserzufuhr, durch ein Regelsystem für die Dampftemperatur usw.

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Sine weitere beträchtliche Verbesserung wird erzielt, wenn das addierte Signal B der erwarteten Änderungsgeschwindigkeit der Dampfentnahme proportional ist und von einem unabhängigen Signalgenerator abgeleitet wird.

Dadurch wird in Bezug auf die Einstellung der Wärmeerzeugung die neue zu erwartende Situation vorweggenommen. Sobald man den Dampf bedarf zu ändern wünscht, wird dann dem Signal vom Dampfdruckregler und dem. Signal A, welche Signale stets vorhanden sind, das Signal B hinzuaddiert. Dadurch beginnt sich die gelieferte Dampfmenge zu ändern, wenn das Signal B bereits seinen vollen Einfluß auf die Steuerung des Verbrenmmgsvorgarigs ausübt. Die Wärmeerzeugung stellt sich bereits auf den neuen Zustand ein, wodurch die oben erwähnte Hacheilung. vermindert wird» Die Größe des Signals B läßt sich der erwarteten Änderungsgeschwindigkeit der Dampfentnahme durch manuelle Einstellung des unabhängigen Signalgenerators oder durch Ankopplung dieses Signalgenerators an den Signalgenerator für den Dampfbedarf anpassen.

Das Signal B wird also nicht durch'Ableitung von der gemesse- ■nen Dampf entnahme erhalten. Dies hat den Vorteil, daß das Signal B frei von Störungen ist und daher das Feuer in der Brennkammer ruhiger wird.

Es sind Anordnungen zur Regelung eines Dampferzeugers bekannt, bei welchen die Anderungsgeschwindigkeit der Dampfentnahme auf bestimmte Extremx-rerte begrenzt'ist. Dadurch ist sichergestellt, daß eine plötzlich erforderliche Änderung der Dampfentnahme 'nicht zu einer Beschädigung der Dampfturbine und/oder des Kessels führt, wie es sonst bei Antriebseinheiten für Schiffe insbesondere dann geschehen könnte, wenn die Antriebseinheit von der Brücke aus ohne Beteiligung technischen Personals bedient wird. Um sicherzustellen, daß die erwähnten Extremwerte nicht überschritten werden, kann die Änderungsgeschwindigkeit der Ventilstellung in der Dampfleitung

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zur Turtine auf einen positiven oder negativen Maximalwert begrenzt werden. Die Absolutwerte dieser Extremwerte können, müssen aber nicht notwendigerweise gleich sein. Die Geschwindigkeit der Abnahme der Belastung kann höher seih. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann das Signal B bei einer derartigen He gel anordnung einen festen positiven bzw. einen f&sten negativen V/ert haben, wobei das Vorzeichen dem Vorzeichen der Änderung der Dampfentnähme entspricht und der feste Wert selbsttätig von einem unabhängigen Signalgenerator abgeleitet und dem Signal A hinzuaddiert wird, sobald der Dampfbedarf geändert wird. Die zuvor gegebene Erläute~ rung trifft auch hier zu. Jedoch kann hier ein fester Wert des Signals 3 genügen, da beispielsweise während des Manöverns eines Schiffes Änderungen des Dampfbedarfes in einem solchen Ausmaß auftreten, daß sich die Stellung des Danipfventiles in Übereinstimmung mit den erlaubten Extremwerten ändert.

Der Verbrennungsvorgang folgt den gewünschten Änderungen nooh enger, wenn die Summe der Signale nicht nur als 5ührungs große dezi Regelsystem für die Brennstoffzufuhr und dem Regelsystem für die Luftzufuhr zugeführt wird, sondern außerdem den Ausgangssignal des Luftreglers hinzuaddiert und der Luftstrom-Korrektureinheit zugeführt wird. Bei Anwendung dieser Regelanordnung ändert sich die Menge der Luftzufuhr und damit auch der Brennstoffzufuhr sehr schnell, was zu einer weiteren Verringerung der Nacheilung der Dampferzeugung hinter den Bedarfsänderungen führt. Außerdem wurde festgestellt, daß die Ansprechgeschwindigkeit desJDampferzeugers mit einem Regelverfahren nach der Erfindung um einen Faktor von mindestens 1,5 gegenüber üblichen Regelverfahren bei gleichen ilnderungen des Kesseldrucks und des Wasserstandes in beiden Fällen verbessert werden kann.

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. Eine Vorrichtung zur Regelung eines Dampfe raeLigers mit wechselnder Belastung, insbesondere eines einem Dampfturbineηsata an Bord eines Schiffes zugeordneten Dampferzeugers, die zur Durchführung des neuen Verfahrens geeignet ist, ist in ihrer erfindungsgeoiäßen Ausbildung im Anspruch 5 gekennzeichnet. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Vorrichtung gehen aus den Ansprüchen 6 bis 9 hervor. ' _s

Tm folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematise*! dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schemadarstellung einer Regelvorrichtung für einen Dampferzeuger,

Fig. 2 und 3 Schemadarstellungen von Vorrichtungen zur Erzeugung des Signals B,

Fig. 4 eine Schemadarsteilung eines Regel s.ystems für die Brennstoff- und Luftzufuhr,

Fig. 5 und 6 Diagramme zur Erläuterung eines Vergleichs zwischen den mit einem üblichen Regelverfahren und den mit dem erfindungsgemäßen Regelverfahren erhaltenen Ergebnissen.

Gemäß Fig. 1 wird ein Kessel 1 zur Erzeugung von Dampf mittels einer Flamme 2 beheizt«, Die Brennstoffzufuhr wird mittels eines Ventils 3 eingestellt, der Luftstrom mittels eines Ventils 4, Der Dampf verläßt den Kessel über eine Leitung 5 und passiert anschließend einen Überhitzer 6. Dieser kann beispielsweise mit den Rauchgasen vom Kessel beheizt werden. Außerdem kann ein Überhitzer 7 vorgesehen sein, hinter welchem der überhitzte Dampf über eine Abgabeleitung 8 seiner Bestimmung, z.B. einer Schiffsturbine zugeführt wird. Im Kessel ist auch ein Wärmetauscher

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angeordnet, durch den überhitzter Dampf vom Überhitzer 6 zur Abgabeleitung 8 hindurchgeleitet werden kann. Wenn die Temperatur des Wassers und des Dampfes im Kessel niedriger als die Temperatur des den Überhitzer 6 verlassenden Dampfes' ist, wird dieser Dampf beim Passieren des Wärmetauschers 9 gekühlt. Die Menge des durch den Wärmetauscher 9 hindurchgeleiteten Dampfes kann mittels Ventilen 10 und 11 eingestellt werden. Ein Druckmesser 12 mißt den Druck in der Abgabeleitung 8. Das Signal von diesem Druckmesser gelangt zu einem Regler 13 und wird dort mit einem Sollwert des Druckes verglichen. Das Ausgangssignal P des Reglers 13 gelangt zu einem Addierer 14. Ein Strömungsmesser 15 mißt die Menge oder Geschwindigkeit des über die Leitung 8 abgegebenen Dampfes. Das Signal von diesem Strömungsmesser gelangt ebenfalls zum Addierer 14. Es ist das Signal A. Außerdem erhält der Addierer 14 ein Signal 3.

Das auf diese V/eise erhaltene Summensignal gelangt als. !führungsgröße zu einem Hegler 16 für die Brennstoffzufuhr und zu einem Regler 17 für die Luftzufuhr. Diese Regler erhalten Signale vom Strömungsmesser 18, welcher den Brennstoffstrom erfaßt, bsw. vom Strömungsmesser 19_} welcher den Luftstrom erfaßt. Die Ventile oder Stellglieder 3 und 4 werden mittels der entsprechenden Ausgangssignale eingestellt, ·

Das Ausgangssignal des Druckreglers 13 kann auch zur Einstellung des Ventils 10 herangezogen werden. Das Ventil 11 kann mittels eines Dampftemperaturreglers eingestellt werden.

' Auf diese Weise bleibt das Verhältnis zwischen dem Brennstoffstrom und dem Luftstrom konstant. Dies kann auch auf andere, an sich bekannte Weise erreicht werden, z.B. mittels eines Verhältnisreglers. Jedoch bestimmt in jedem Falle das Ausgangssignal des Addierers 14 die Größe des Brennstoff- und des Luftstromes. Was den üblichen Teil der Regelanordnung betrifft, können

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verschiedene, hier nicht näher erläuterte Abwandlungen angewandt und mit dem Regelverfahren nach der Erfindung kombiniert werden.

Das Signal B kann dein Addierer 14 vermittels eines Signalgenerators zugeführt werden, welcher das den Dampfbedarf repräsentierende Signal liefert; auch hier ist jedoch die Anwendung anderer Verfahren möglich.

In den folgenden Figuren haben die verwendeten-Bezugszeichen die^ gleiche Bedeutung wie "zuvor. .

G-emäS Fig. 2 wird das Signal 3 durch Weiterleitung des Signals vom Strömungsmesser 15 zu einer Rechnereinheit 20 erhalten, von welcher ein Signal abgegeben wird, das dor Ableitung des Dampfst ro rues in der Leitung 8 nach der Zeit entspricht.

Geraäß Fig. 3 wird das Signal B durch Verbindung eines Schalters 21 mit einem der beiden Signalgeneratoren 22 oder 23 erhalten, welche Signale mit entgegengesetzten Vorzeichen und ,möglicherweise dem gleichen Wert liefern können.\Der Schalter 21 wird gleichzeitig mit der notwendigen Änderung der Dampfmenge von der Leitung 8 betätigt, was durch die gestrichelte Linie 24 angedeutet ist.

Gemäß dem detailierteren Schemabild der Fig. 4, die sich auf die Brennstoff- und Luftregelung bezieht, ist in der Luftleitung eine Flügelpumpe 25 vorgesehen, welche mittels eines Motors 26 antreibbar ist. Dieser Motor kann eine Dampfturbine sein. Ss kann aber auch ein .Elektromotor- verwendet werden. Die Luftzufuhr zur Pumpe 25 kann nicht nur durch Einstellung der Leistung des Motors 26, sondern auch mittels eines -Luftregisters 27 gesteuert werden. Für den Fall, daß der Motor 26 eine Dampfturbine ist,·.. = wird die Dampfzufuhr mittels eines Ventils 28 eingestellt. Die Drehzahl der Dampfturbine wird mittels eines Drehzahlmessers 29

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erfaßt und mittels eines Reglers 30 geregelt, der auf das Ventil 28 einwirkt. Die zugeführte Luftmenge wird mittels des Strömungsmessers 19 gemessen. Das Signal vom Strömungsmesser gelangt zum Kegler 17, welcher als führungsgröße das Ausgangs signal des Addierers 14 erhält. Das Ausgangssignal des Reglers gelangt zu einem weiteren Addierer 31, ebenso das Ausgangssignal des Addierers 14. Die Summe dieser Signale stellt das Luftregister 27 ein. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß das Luftregister sofort auf das Signal B anspricht, das, wie zuvor erläutert, der Änderungsgeschwindigkeit oder der erwarteten Änderungsgeschwindigkeit der abzugebenden Dampfmenge entspricht. Der Regler 17 hat hierbei im wesentlichen die SHihktion eines Ausgleich regle rs. Das Ausgangssignal vom zweiten Addierer- 31 gelangt außerdem zum Eingang des iieglers 30 und st"el!t den Sollwert für diesen Regler dar, so daß'auch der-luotor 26 schnell auf das Signal B anspricht.

Das Ausgangssignal des Addierers 14 gelangt x^reiterhin zu einem I\^Tiedrigsignal-¥ähler 32, ebenso das Signal vom Strömungsmesser 19. Dadurch ist erreicht, daß bei einer Vergrößerung der Belastung des Dampferzeugers zuerst die Luftzufuhr zur Brennkam-; er und danach die Brennstoffzufuhr vergrößert wird, was unter dem Gesichtspunkt-der Sicherheit und der Luftverunreinigung wünschenswert ist.

In den Fig. 5 und 6 sind Ergebnisse dargestellt. Die horizontalen Achsen repräsentieren in jedem Schaubild den gleichen Zeitmaßstab, Die Kurvenbilder der Fig. 5 wurden mittels einer üblichen Regelanordnung und die Kurvenbilder der J?ig. 6 mit einer Regelanordnung nach der Erfindung, namentlich mit einer Regelung nach den Ansprüchen 3 und 8 erhalten.

Die mit BL bezeichneten Kurven zeigen die zeitliche Änderung des Dampfbedarfes. Große Änderungen nach oben und nach unten sind in J?ig. 5 mit einer Geschwindigkeit von 1,3 }O/s und in Ji¹Xg. 6

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sogar mit einer Geschwindigkeit von 4 ^l/«/s aufgetragen. Die anderen Kurven beziehen sich auf das Anspreohverhalten gegenüber diesen Änderungen, wobei die Kurven SDP den Druck in der Dampft rom«! el, die Kurven SOP den Dampfdruck am Auslaß der Überhitzers, die Kurven SOT die Dampfteraperatur an der gleichen Stelle (Leitung. in Fig. 1), die Kurven DL den Wasserstand in der Dampftrommel und die Kurven H3? die unter der Trommel erzeugte V/arme repräsentieren.

Aus dem Vergleich der mit einer üblichen Regelung erhaltenen Ergebnisse (Fig. 5) mit den mit der erfindungsgemäßen Regelung erhaltenen Ergebnissen (Mg. 6) ergibt sich, daß für gleiche Änderungen des Trommeldruckes und des V/asserstandes die erfindungsgeniäi3e .Regelung einen Betrieb mit einer höheren Anderungsgeschwindigkeit der Menge des abgegebenen Dampfes gestattet.

Pat entansprü ehe

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Claims

Pat e nt a η s ρ r ü ehe

1 .' Verfahren zur Regelung eines Dampferzeuger8 mit wechselnder Belastung, insbesondere eines einem Dampfturbinensatz an Bord eines Schiffes ziige ordnet en Dampferzeugers, bei welchem der Verbrennungsvorgang im Dampferzeuger durch Einstellung der Zufuhr von Brennstoff und Luft unter Verwendung einer Führung sgröiie geregelt wird.,, v/eiche die Summe des Ausgangssignales P des Bampfdruckrsglers und eines der Daföpfsntnahmemenge proportionalen Signal es A enthält, dadurch "' .g ek e na ze i c h'n e' t, daß zu der Summe ein der Anderungsgesohwindigkeit der Bainpfentnahme proportionales Signal B addiert v;ird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß-das addierte Signal B der erwarteten AnIerungsgeschwindigkeit der Dampfentnähme proportional ist und von einem unabhängigen Signalgenerator abgeleitet wird.
3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 für EegelanOrdnungen, bei denen die Anderungsgeschwindigkeit der Dampf entnahme auf bestimmte Extremwerte.begrenzt ist, dadurch gekennze lehnet, daß das addierte Signal B einen festen positiven bzw. einen festen negativen Wert hat, wobei das Vorzeichen dem Vorzeichen der Änderung der Daaipfmenge entspricht, und. daß der feste Wert selbsttätig von einem unabhängigen Signalgenerator abgeleitet und dem Signal A hinzuaddiert wird, sobald der Dampfbedarf geändert wird.

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4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Signale nicht nur als Führungs'größe dem Regelsystem für die Brennstoffzufuhr und dem Regelsystem für die Luftzufuhr zugeführt wird, sondern such dem AusgangsSignal des Luftreglers hinzuaddiert und der Luftstrom-Korrektureinheit zugeführt wird.
5. ■ Vorrichtung zur Regelung eines Dampferzeugers mit wechselnder ν Belastung, insbesondere eines einem. Dampfturbinensatz an Bord eines Schiffes zugeordneten Dampferzeugers, g e k e η η ζ e i c h η e -t durch einen Addierer (14), bei dem ein Eingang an den Ausgang eines Dampfdruokreglers (13),. ein anderer Eingang an den Signalausgang eines Strömungsmessers (15)- zur Erfassung, der abgegebenen Dampf menge und ein .weiterer iiingang an einen Signalgenerator (20; 21-23) angeschlossen ist, der ein der Änderung^geschwindigkeit- der r-.enge des abgegebenen Dampfes proportionales Signal liefert, und.bei dem der Ausgang an den Sollwert eingang des Regel syst eras (16—19) für die Brennstoff- und Luftzufuhr zur Brennkammer des .Dampferzeugers (1) angeschlossen ,ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e ic e η η zeichnet, dais der Signal gene rat or durch eine Rechnereinheit (20) gebildet ist, deren Eingang an den Signalausgang des Strömungsmessers (.15) zur Erfassung der abgegebenen Dampfmenge und deren Ausgang an den Eingang des Addierers (14) angeschlossen ist, welcher das der Anderungsgeschvandigkeit der ..Kange des abgegebenen Dampfes proportionale Signal, erhält, das durch d,ie Bedieneinheit erzeugbar ist (Fig. 2), ....... .

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ORlQiNAL INSPECTED
7. Vorrichtung nach Anspruch. 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgenerator ein unabhängiger Signalgenerator (21-23) ist, der ein Signal abgeben kann, das der erwarteten Änderungsgeschwin&igkeit der. Menge des abgegebenen Dampfes proportional ist, wobei der Ausgang des Signalgenerators an den entsprechenden Eingang des Addierers (14) angeschlossen ist.
8. _t "Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 7 mit einem Kegler, mittels welchem die Änderungsgeschwindigkeit der Dampfentnähme auf bestimmte Extremwerte begrenzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgenerator ein unabhängiger Signalgenerator (21-23) ist, welcher ein Signal mit einem festen positiven bzw. beinem festen negativen Viert liefern kann, wobei" das Vorzeichen dem Vorzeichen der Änderung der abgegebenen Damp fm enge entspricht, und daß der Signalgenerator an den entsprechenden Eingang des Addierers (14) mittels eines Schalters . (21) zur Darchschaltung des" Signals mit dem gewünschten Vorzeichen angeschlossen ist, welcher mit einem Stellglied für die Menge des abgegebenen Dampfes koppelbar ist (j?ig. 3).

•9'· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Addierer 31 vorgesehen ist, bei dem ein Eingang an den Ausgang eines Reglers (17) für die Luftzufuhr und ein weiterer Eingang an den Ausgang des ersten, die Summe der Signale P, A und B liefernden Addierers (14) angeschlossen ist und bei dem der Ausgang an die Stelleinheit (25-30) für die Luftzufuhr angeschlossen ist, und daß der Ausgang des ersten Addierers (14) außerdem an den Sollwert— bzw. Führungsgrößeneingang des Heglers (16) für die Brennstoffzufuhr und des Keglers (17) für die Luftzufuhr angeschlossen ist.

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