DE2427923A1

DE2427923A1 - Steuereinrichtung fuer eine dampfturbinenanordnung mit umgehungsleitung

Info

Publication number: DE2427923A1
Application number: DE19742427923
Authority: DE
Inventors: Ola J Aanstad
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1973-06-12
Filing date: 1974-06-10
Publication date: 1975-01-16
Also published as: JPS5032303A; ES427165A1; SE399460B; FR2233492B1; JPS5341721B2; BE816150A; CA1029806A; SE7407778L; IT1014954B; FR2233492A1; GB1410320A

Description

DiPL-ING. KLAUS NEUBECKER 2427923

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pennsylvania, V.St.A.

Steuereinrichtung für eine Dampfturbinenanordnung mit Umgehungsleitung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinrichtung für eine Dampfturbinenanordnung mit mindestens zwei hintereinander geschalteten Turbinenstufen, von denen jede ein Durchflußventil und eine mit einem Umgehungsventil versehene Umgehungsleitung aufweist, welche die Turbinenstufe und das Durchflußventil jeweils überbrückt, und mit einer Eingabevorrichtung für ein den Leistungsbedarf der Turbinenanordnung angebendes Eingangssignal,

Bei einigen Dampfturbinenanwendungen ist es wünschenswert, die Dampfströmung durch das System auch dann aufrechtzuerhalten, wenn die Turbinen gerade nicht zur Abgabe von Leistung angetrieben werden. Bei solchen Turbinenanordnungen muß daher der Dampf an den Turbinenstufen vorbeigeführt werden, wenn dem System keine Leistung entnommen wird.

Eine andere, sehr wichtige Umgehungsleitungsanordnung wird bei Dampfturbinensystemen verwendet, die mit einem Kernreaktor zusammenarbeiten, zum Beispiel mit einem gasgekühlten Hochtemperatur-Reaktor (HTGR = high temperature gas cooled reactor). In einem solchen System erfolgt die Dampferzeugung, -überhitzung, -nacherhitzung in dem Reaktor, und durch die Dampfströmung in

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der Turbinenanordnung wird eine Hilfsturbine angetrieben, die ein Kühlmittel durch das Kühlsystem des Reaktors umwälzt. Um auch dann eine Antriebsströmung für die Hilfsturbine zur Verfügung zu haben, wenn der Turbinenanordnung keine Leistung entnommen wird, wird die Hochdruckturbine sowie ein Drosselventil und ein Steuerventil, die der Hochdruckturbine vorgeschaltet sind, durch eine umgehungsleitung für die Hauptdampfströmung überbrückt. Auch die Mitteldruck- und Niederdruck-Turbinenstufen, in Serie mit einem Stopventil und einem Unterbrecherventil, werden durch eine Heißdampf- Rückheiz-Umgehungsleitung überbrückt.

Wenn die Turbinenanordnung auf ihre Betriebsdrehzahl gebracht worden ist - bei der elektrischen Stromerzeugung ist dies die zur Erzielung einer zur Netzfrequenz synchronen Frequenz erforderliche Drehzahl, die sogenannte "synchrone Drehzahl" kann die Anordnung belastet werden. Zu diesem Zeitpunkt fließt praktisch die gesamte Dampfströmung über die Umgehungsleitungen, üblicherweise muß in dem Reaktor eine Minimalströmung von etwa 25% der Betriebsströmung aufrechterhalten werden, um Instabilitäten in dem Dampferzeuger zu vermeiden und um die Kühlmittelumwälzpumpe anzutreiben. Vor einer Belastung fließen daher 25% des von dem Reaktor erzeugten Dampfes durch die Umgehungsleitung für den Hauptdampf, mit Ausnahme von ungefähr 3 bis 4%, die durch die Hauptturbine fließen, um diese auf ihrer synchronen Drehzahl zu halten. Der gleiche Betrag von etwa 25% des erzeugbaaren Dampfes fließt durch die Rückheiz-Umgehungsleitung, bis auf ungefähr 3 bis 4%, die unmittelbar durch die Mitteldruck- und Niederdruckturbinen fließen« Diese geringe Strömung ist erforderlich, um den Rotor in der Niederdruck-Turbine kühl zu halten und denjenigen in der Mitteldruck-Turbine vorzuheizen.

Um nach Erreichen der synchronen Drehzahl eine günstige Leistungsabgabe zu erzielen, ist es wünschenswert, die Dampfströmung durch die Umgehungsleitungen so schnell auf die Turbinenstufen umzu-

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leiten, wie es der thermische Zustand der Turbinen und der Leistungsbedarf der Last erfordert. Die Belastung wird dann dadurch erreicht, daß die Dampfströmung durch die Turbinen erhöht und diejenige durch die Umgehungsleitungen verringert wird. Um dies so schnell und wirtschaftlich wie möglich zu erreichen, ist es notwendig, gleichzeitig die Dampfströmung durch die Hochdruck-Turbinen einerseits und die Mitteldruck- und Niederdruck-Turbinen andererseits zusammen mit derjenigen durch die Umgehungsleitungen parallel zu diesen Turbinen einzustellen.

Eine Möglichkeit zur Erzielung dieser Steuerung besteht darin, die Hauptdampf-Steuer- und Unterbrecher-Ventile mechanisch miteinander zu verbinden, so|daß sie gleichzeitig um gleiche oder einander proportionale Beträge geöffnet bzw. geschlossen werden. Weiterhin müssen die Ventile in den Hauptdampf-Umgehungsleitungen und den Rückheiz-Umgehungsleitungen mechanisch gekoppelt sein, um die Dampfströmung durch diese Umgehungsleitungen um den gleichen Betrag zu verringern, um den die Dampfströmung durch die Turbinenstüfen erhöht wird. Hierbei tritt das Problem auf, daß durch Verwendung nicht genau aneinander angepaßterVentile die sich ergebende Nicht-Linearität des Systemes seine Leistungsabgabe beträchtlich schwanken oder von dem gewünschten Wert abweichen läßt. Die Entwicklung und Herstellung von Ventilen, die diesen Fehler klein halten, ist außerordentlich schwierig. Aber auch, wenn die Entwicklungsprobleme gelöst worden sind, besteht immer noch die Möglichkeit, daß eine ungleichförmige Abnutzung oder eine Beschädigung der Steuereinrichtung andere Nicht-Linearitäten und entsprechende Fehler bei der Leistungsabgabe verursachen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung für eine Dampfturbinenanordnung mit Umgehungsleitung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die Steuerung der Hauptdampf- und der Unterbrecher-Ventile ständig und unbeeinflußt durch Ventilabnutzungen und andere derartige

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Einflüsse in einem vorgegebenen Verhältnis zueinander gehalten werden kann.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß jede Turbinenstufe einen die Leistungsabgabe der Turbinenstufe anzeigenden Meßfühler und einen ein Fehlersignal entsprechend der Differenz zwischen dem durch das Eingangssignal angegebenen Leistungsbedarf und der durch den jeweiligen Meßfühler angezeigten Leistungsabgabe der Turbinenstufe liefernden Vergleicher aufweist, daß jede Turbinenstufe einen unabhängigen Regler zur Einstellung des zugehörigen Durchflußventiles entsprechend dem jeweiligen Fehlersignal und eine unabhängige Kompensiervorrichtung zur Einstellung des zugehörigen Umgehungsventiles entsprechend der Einstellung des zugehörigen Durchflußventiles besitzt, welche eine vorgegebene Minimalströmung durch die Turbinenstufen und die Umgehungsleitungen aufrechtzuerhalten vermögen, und daß Korrelliervorrichtungen zur überwachung des Zusammenwirkens der unabhängigen Steuervorrichtungen für die Durchflußventile und die Umgehungsventile der beiden Turbinenstufen vorgesehen sind, welche einen Ausgleich von Nicht-Linearitäten der Turbinenanordnung durch von den Reglern der beiden Turbinenstufen bewirkte Einstellungen zu erzielen vermögen.

Nicht-Linearitäten in der Turbinenanordnung können dadurch ausgeglichen werden, daß eine Korrelliervorrichtung verwendet wird, welche bewirkt, daß die Einstellungen durch die beiden Regler die Nicht-Linearitäten mit berücksichtigen oder dadurch, daß ein Zeitgeber verwendet wird, der die beiden Regler solange die beiden Durchflußventile einstellen läßt, bis die Turbinenanordnung die erforderliche Leistung abgibt, Die besten Ergebnisse sind jedoch dadurch zu erzielen, daß beide Möglichkeiten, den Einfluß von Nicht-Linearitäten in der Turbinenanordnung zu verringern, gleichzeitig angewendet werden.

Die Korrelliervorrichtungen können nach einer Ausgestaltung der

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Erfindung für jeden Vergleicher einen Funktionsgenerator aufweisen, der das Eingangssignal derart zu verändern vermag, daß Nicht-Linearitäten der Turbinenanordnung ausgeglichen werden.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann ein Zeitgeber vorgesehen sein, der das den Leistungsbedarf der Turbinenanordnung angebende Eingangssignal zu verändern vermag, wenn die Leistungsabgabe der Turbinenanordnung eine vorgegebene Zeitspanne nach Anlegen des Eingangssignales nicht mit dem durch das Eingangssignal angegebenen Leistungsbedarf übereinstimmt. Soweit dann dieses modifizierte Eingangssignal zur Erzeugung der gewünschten Leistung veranlaßt, werden die Nicht-Linearitäten des Systemes ausgeglichen. Der Zeitgeber kann einen Vergleicher für die erzeugte Leistung und das Eingangssignal aufweisen, einen Integrierer für die Erzeugung eines numerischen Wertes in der Gegend der Maßeinheit und einen Multiplizierer, der das Eingangssignal durch Multiplikation mit dem Ausgangswert des Integrierers verändert.

Die Anordnung nach der Erfindung hat den Vorteil, daß die verschiedenen Ventile nicht hinsichtlich der Erfüllung irgendwelcher kritischer Anforderungen ausgelegt sein müssen. Diese kritischen Anforderungen werden vielmehr durch geeignete Steuerung berücksichtigt, welche etwaige Nicht-Linearitäten des Systemes ausgleichen. Weiterhin ist die Steuereinrichtung nach der Erfindung so ausgelegt, daß Veränderungen infolge von Abnutzung oder anderer Einflüsse während des Betriebes automatisch kompensiert werden, ohne daß die Leistungsabgabe, wie bei bekannten derartigen Steuereinrichtungen, unterbrochen werden muß.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger in der beigefügten Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, wo-

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bei sich weitere Merkmale, Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Turbinenanordnung, in welcher die Steuereinrichtung nach der Erfindung verwendet werden kann,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung in einer Anordnung nach Fig. 1 und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die eine Abänderung der Ausführungsform nach Fig. 2 darstellt.

Fig. 1 zeigt eine Turbinenanordnung, in welcher eine Dampfturbine mit einem Kernreaktor zusammenarbeitet, insbesondere mit einem gasgekühlten Hochtemperatur-Reaktor (HTGR). Die Erfindung ist jedoch in gleicher Weise auf andere Turbinenanordnungen anwendbar, die Umgehungsleitungen für ihre Turbinenstufen verwenden, beispielsweise auch für die nach dem sogenannten "europäischen System" arbeitenden Turbinenanordnungen, die während des Anlaufes solche Umgehungsleitungen verwenden.

Die schematische Darstellung nach Fig. 1 zeigt die Bestandteile eines HTGR-Kernreaktors 11, die für das Zusammenarbeiten mit einer Turbinenanordnung 13 von Bedeutung sind. Da die Turbinenanordnung 13 dieses Ausführungsbeispieles eine Dampfturbine enthält, liefert der Reaktor 11 die zum Verdampfen des Wassers und zum überhitzen des Dampfes in einem Dampferzeuger 15 erforderliche Wärme. Der Reaktor 11 liefert weiterhin die für ein Wiederaufheizen des Dampfes nach Durchlaufen der ersten Turbinenstufe erforderliche Energie. Dieses Wiederaufheizen des Dampfes erfolgt in einem Nachwärmer 17.

Der Dampf strömt von dem Dampferzeuger 15 über ein erstes Durch-

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flußventil 19 zu einer als Hochdruckturbine 21 ausgebildeten ersten Turbinenstufe. Das Ventil 19 ist ein Haupt-Steuerventil und dient dazu, den Dampf zu der Hochdruck-Turbine 21 zu dosieren, Zusammen mit dem Ventil 19 befindet sich ein Drosselventil 23 in der Strömungsleitung zu der Hochdruck-Turbine 21, das dazu dient, die Dampfströmung während des Anlaufes zu dosieren.

Parallel zu der Hochdruck-Turbine 21 und ihren zugehörigen Ventilen 19 und 23 ist eine Hauptstrom-ümgehungsleitung 25 angeschlossen. Die Umgehungsleitung 25 bildet einen Nebenschluß, der die Aufrechterhaltung einer Dampfströmung ermöglicht, wenn das Ventil 19 geschlossen ist, um eine Dampfströmung durch die Hochdruck-Turbine 21 zu verhindern. Um einen stabilen Betrieb des Reaktors zu ermöglichen, wird diese Dampfströmung normalerweise auf einem Minimalwert von ungefähr 25% des Nennwertes der in dem Reaktor erzeugten Dampfströmung gehalten.

Die Umgehungsleitung 25 enthält ein erstes Haupt—Umgehungsventil 27, das dazu dient, die Strömung durch die Umgehungsleitung 25 zu steuern. Das Umgehungsventil 27 muß so eingestellt werden, daß sichergestellt ist, daß die Dampfströmung durch die Hochdruck-Turbine 21 soweit ergänzt wird, daß ständig die zum Betrieb des Reaktors erforderliche Dampfströmung aufrechterhalten wird. Gleichzeitig sollte aber die Dampfströmung durch die Umgehungsleitung 25 so klein wie möglich gehalten werden, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Es ist daher erforderlich, die Ventile 19 und 27 in Wechselbeziehung zu bringen, um sicherzustellen, daß nicht mehr Dampf als erforderlich durch die Umgehungsleitung 25 strömt, um die gesamte Dampfströmung oberhalb des für einen stabilen Betrieb des Reaktors erforderlichen Minimalwertes zu halten.

In der Umgehungsleitung 25 ist ein Entspannungstopf 29 vorgesehen, der den Dampf an die übrige Turbinenanordnung sowie über eine Leitung 31 an einen Kondensator 33 weiterleitet.

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Falls erforderlich, kann der Turbinenanordnung über einen HiIfskessel 35 zusätzlicher Dampf zugeführt werden. Da dieser Hilfskessel 35 während desjenigen Betriebes, auf den sich die vorliegende Erfindung bezieht, keinen Dampf abgibt, erscheint eine weitere Erläuterung dieser Vorrichtung nicht erforderlich.

Von dem Ausgang der Hochdruck-Turbine 21 bzw. von der Umgehungsleitung 25 strömt der Dampf zu einer als Hilfsturbine dienenden Umwälzturbine 37. Die Umwälzturbine 37 dient dazu, eine Umwälzpumpe für das Kühlmittel, beispielsweise Helium, anzutreiben, mit welchem die in dem Reaktorkern erzeugte Hitze abtransportiert wird. Die Umgehungsleitungen für die Turbinenstufen der Turbinenanordnung dienen dazu, den Betrieb dieser Heilium-Umwälzturbine 37 während des Anlaufes und des Abschaltens aufrechtzuerhalten und um einen Strompfad für die Anfangsströmung des Reaktors zu bilden.

In dem Strompfad der Umwälzturbine 37 befindet sich ein Umwälzventil 39, mit welchem die Strömung durch die Umwälzturbine 37 eingestellt werden kann. Weiterhin befindet sich in einer Umgehungsleitung 43 für die Umwälzturbine 37 ein Umgehungsventil 41. Die Ventile 39 und 41 dienen dazu, die Strömung durch die Umwälzturbine 37 so einzustellen, daß günstige Betriebsbedingungen für diese Turbine aufrechterhalten werden. Von der Umwälzturbine 37 fließt der Dampf durch den Nachwärmer 17 zu einer zweiten Turbinenstufe, die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einer Mitteldruck-Turbine 45 und einer Niederdruck-Turbine 47 besteht. Die Mitteldruck-Turbine 45 ist als Einzelfluß-Turbine, die Niederdruck-Turbine 47 als Doppelfluß-Turbine dargestellt. Diese Darstellungen sind jedoch nur als Beispiele für einen allgemeineren Gedanken aufzufassen; sie können je nach den Gegebenheiten einer bestimmten Anwendung entsprechend abgewandelt werden.

Die Dampfströmung durch die Mitteldruck-Turbine 45 und die

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Niederdruck-Turbine 47 wird im wesentlichen durch ein Unterbrecherventil 49 bestimmt. Zusammen mit dem Unterbrecherventil 49 befindet sich ein Nachwärm-Stopventil 51 in dem Strömungspfad der zweiten Turbinenstufe, welches eine Zweipunkt-Auf-Zu-Steuerung der Dampfströmung durch die Turbinen 45 und 47 ermöglicht. Weiterhin ist in einer Umgehungsleitung 55 ein Umgehungsventil 53 angeordnet, welche einen Nebenschluß um das Unterbrecherventil 49 und das Stopventil 51 bilden. Die Umgehungsleitung 55 dient dazu, eine geringe Dampfströmung zu den Turbinen 45 und 47 zu liefern, um eine Überhitzung vor der Belastung dieser Stufe zu verhindern. Die Ventile 51 und 53 sind einfache Auf-Zu-Ventile ohne eine Einstellmöglichkeit für Zwischenwerte. Das Stopventil 51 wird beim sogenannten "Verriegeln" der Turbinenanordnung - dem Beginn der Belastung des Turbinensystems - vollständig geöffnet, während das Umgehungsventil 53 zu diesem Zeitpunkt geschlossen ist.

Parallel zu den Turbinen 45 und 47 und ihren Ventilen 49 und ist eine zweite Umgehungsleitung 57 angeschlossen. In der Umgehungsleitung 57 ist ein Umgehungsventil 59 angeordnet, mit welchem die Dampfströmung durch die Umgehungsleitung 57 gesteuert werden kann. Der Zweck des Umgehungsventiles 59 ist ähnlich demjenigen des Umgehungsventiles 27; deshalb muß das Ventil 59 mit dem Unterbrecherventil 49 in Wechselbeziehung stehen, um die Strömung durch die Umgehungsleitung 57 so zu bestimmen, daß sich die Strömung umgekehrt zu der Strömung durch die zweite Turbinenstufe über das Unterbrecherventil 49 verhält.

Der Dampf von der Umgehungsleitung 57 und von der Niederdruck-Turbine 47 wird an den Kondensator 33 weitergeleitet. Dort wird der Dampf kondensiert, und das Kondensat wird an. den Dampferzeuger 15 zurückgeleitet.

Da sich die vorliegende Erfindung auf die Anfangsbelastung der Turbinenstufen nach Erreichen der synchronen Drehzahl bezieht,

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sei der Betrieb der Turbinenanordnung nach Fig. 1, nachdem sie auf die synchrone Drehzahl gebracht worden ist, näher beschrieben. Wie zuvor angegeben, wird eine Dampfströmung von ungefähr 25% des Nennwertes durch die Turbinenanordnung geleitet, um den Betrieb des Reaktors aufrechtzuerhalten. Der Hauptanteil dieser Dampfströmung fließt dabei durch die Umgehungsleitungen 25 und 57. Ein Bruchteil von etwa 3 bis 4% dieser Dampfströmung fließt jedoch durch die Hochdruck-Turbine 21, um'die synchrone Drehzahl der Turbinenanordnung aufrechtzuerhalten. In der zweiten Turbinenstufe wird ein gleich geringer Anteil von ungefähr 3 bis 4% der Dampfströmung über das Unterbrecherventil und die Umgehungsleitung 55 den Turbinen 45 und 47 zugeführt. Sobald die Turbinen 45 und 47 belastet werden, wird das Umgehungsventil 53 geschlossen, so daß die Umgehungsleitung 55 abgeschaltet ist. Nach Beginn der Belastung braucht diese Umgehungsleitung 55 daher nicht mehr berücksichtigt zu werden.

Die Hochdruck-Turbine 21, die Mitteldruck-Turbine 45 und die Niederdruck-Turbine 47 werden nun so schnell belastet, wie es die thermischen Bedingungen und der Leistungsbedarf der Last gestatten. Dabei sollten die drei Turbinen gleichmäßig und im Einklang miteinander belastet werden. Die anfängliche Belastung wird dadurch erreicht, daß die Dampfströmung zunächst von den Umgehungsleitungen zu den Turbinenstufen ^umgeleitet und sodann erst durch den Reaktor vergrößert wird. In Fig. 2 ist ein hierfür geeignetes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dort sind bereits in Fig. 1 behandelte Einzelheiten mit den gleichen, jedoch mit einem Strich versehene Bezugszeichen gekennzeichnet.

Das Hauptfeteuerventil 19, das Unterbrecherventil 49, das Hauptumgehungsventil 27 und das Umgehungsventil 59 werden zweckmäßigerweise elektrisch gesteuert. Die Ventile werden dabei hydraulisch geöffnet und durch eine Feder in ihre Schließrichtung vorgespannt. Beim Auftreten einer elektrischen Störung werden die

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Ventile daher geschlossen und die Turbinenanordnung wird ganz abgeschaltet.

Die Steuereinrichtung nach der Erfindung wird durch ein Eingangssignal ausgelöst, das den Leistungsbedarf angibt, der von der Turbinenanordnung befriedigt werden soll. Dieses Eingangssignal ist das sogenannte "Megawatt-Bedarf" Signal. Das Eingangssignal wird über eine Eingabevorrichtung 61 angelegt, die als Leistungsanzeiger ausgebildet sein kann, der entweder von Hand durch eine Bedienungsperson oder durch ein Fernsteuersignal eines automatischen Versorgungssystemes eingestellt werden kann.

Das Eingangssignal wird von der Eingabevorrichtung 61 an zwei Vergleicher 63 und 65 weitergeleitet, die ein Fehlersignal entsprechend der Differenz zwischen ihren beiden Eingangssignalen bilden. Sie können beispielsweise als Summierer oder Subtrahierer mit Operationsverstärkern aufgebaut werden. Obwohl in dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein analoges Verfahren verwendet wird, kann auch ein digital arbeitendes System eingesetzt werden, in welchem dann die Vergleicher 63 und 65 beispielsweise als Vorwärts-Rückwärts-Zähler ausgebildet sein können. Es kann auch ein geeignetes Computerprogramm zur Steuerung verwendet werden.

An den Vergleicher 63 wird durch einen Meßfühler 67 ein zweites Eingangssignal angelegt. Der Meßfühler 67 ist durch die gestrichelte Linie von der Hochdruck-Turbine 21' zu dem Vergleicher 63 angedeutet. Der Meßfühler 67 dient dazu, einen Parameter der Hochdruck-Turbine 21· zu messen und in ein Signal umzuformen, das der Ausgangsleistung der Turbine 21' entspricht. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Meßfühler 67 ein üblicher Druckgeber, der den Druck in der Hochdruck-Turbine 21* in ein Signal umwandelt, das der Ausgangsleistung der Turbinenanordnung entspricht. Wie aus den angegebenen Vorzeichen hervorgeht, wird das Signal des Meßfühlers 67 von dem Eingangssignal abgezogen. Das Fehlersignal des Vergleichers 63 entspricht daher der zusätzlichen Leistung, die von der Turbinenanordnung noch aufge-

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bracht werden muß, um dem durch das Eingangssignal dargestellten Leistungsbedarf zu entsprechen.

Ein zweiter Meßfühler 69 wird durch die gestrichelte Linie von der Mitteldruck-Turbine 45· zu dem Vergleicher 65 schematisch dargestellt. Der Meßfühler 69 ist ebenfalls ein üblicher Druckgeber, der in gleicher Weise arbeitet, wie der Meßfühler 67. Das Fehlersignal des Vergleichers 65 gibt daher ebenfalls die Differenz zwischen dem Leistungsbedarf und der tatsächlichen Leistungsabgabe der Turbinenanordnung an. Dabei kann die Anzeige des Meßfühlers 69 durchaus von derjenigen des Meßfühler 67 abweichen. Die Ausgangssignale der Vergleicher 63 und 65 unterscheiden sich in dem Maße, wie in dem System und in den Meßfühlern 67 und 69 Nicht-Linearitäten vorhanden sind.

Das Fehlersignal des Vergleichers 63 wird einem Regler 71 zugeführt, der es in ein Steuersignal für die Einstellung des Hauptsteuerventiles 19' umformt. Der Regler 71 kann eine bekannte übertragungsschaltung mit Proportional-Integral-Verhalten (PI) sein. In einer solchen Schaltung wird das Fehlersignal des Vergleichers 63 umproportioniert, um den Betrag der Bewegung des Ventiles 19' darzustellen, und sodann integriert. Der Integrierteil des Reglers 71 hat eine Zeitkonstante (von beispielsweise drei oder vier Sekunden), die ausreichend lang ist, um es dem Signal des Meßfühlers 67 zu gestatten, das Fehlersignal des Vergleichers 63 vor der vollständigen Einstellung des Ventiles 19' zu modifizieren. Sobald das Steuersignal des Reglers 71 das Ventil 19* einzustellen beginnt, ändert sich der,Druck in der Hochdruck-Turbine 21' und das Signal des Meßfühlers 67 gibt diese Veränderung wieder. Durch die Zeitverzögerung in dem Regler 71 erfolgt die Einstellung des Ventiles 19' nur allmählich. Eine solche kontinuierliche und allmähliche Einstellung des Ventiles 19· ist erforderlich, um die Erzeugung von Schockwellen und anderen Störungen zu vermeiden, die durch sprungweise Veränderungen in der Dampfströmung durch die Hochdruck-Turbine 21· verur-

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sacht werden können.

Einem zweiten Regler 73, ähnlich dem Regler 71, wird von dem Vergleicher 65 ein Fehlersignal zugeführt. Der Regler 73 ist zweckmäßigerweise ebenfalls eine übertragungsschaltung mit Proportional-Integral-Verhalten (PI). Er liefert ein zweites Steuersignal zur Einstellung des Unterbrecherventils 49'. Die Proportionaleinstellung und die Zeitkonstante des Reglers 73 können von den entsprechenden Werten des Reglers 71 abweichen, um Unterschiede zwischen den Ventilen 19' und 49' auszugleichen.

Mit dem bis jetzt beschriebenen System liegt eine arbeitsfähige Steuereinrichtung vor. Wenn die Turbinenanordnung mit synchroner Drehzahl läuft, erzeugt ein Leistungsbedarf ein Eingangssignal, das eine solche Verstellung der Ventile 19' und 49' bewirkt, daß eine Leistungsabgabe erzeugt wird, die sowohl für die Hochdruck-Turbine 21· als auch für die Mitteldruck-Turbine 45· als die geforderte Leistung erscheint. Es ist natürlich noch erforderlich, die Ventile 27' und 59' in gegenläufigem Sinne zu steuern. Dies kann durch eine einfache mechanische Kopplung erfolgen, im folgenden soll jedoch eine günstigere Ausführungsform einer solchen Steuerung beschrieben werden.

Obwohl das bis jetzt beschriebene System Fehler verhütet, welche durch Nicht-Linearitäten in den Ventilen und anderen Teilen des Systemes verursacht werden können, müssen jedoch die Turbinen 21' und 45', die Meßfühler 67 und 69, die Vergleicher 63 und 65, die Regler 71 und 73 und die Ventile 19' und 49' so sorgfältig aufgebaut werden, daß die beiden Turbinenstufen identisch reagieren, damit die Turbinenanordnung genau die erforderliche Leistung erzeugt. Ein solcher sorgfältiger Aufbau ist zwar beträchtlich einfacher als der Aufbau mechanisch gekoppelter Steuerungen, aber die vorliegende Erfindung sieht eine weitere Erleichterung dieser Aufgaben vor. Tatsächlich sind etwaige Fehler bei dem Aufbau der eben aufgezählten Elemente nicht so störend zu Beginn

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der Belastung, wenn die Strömung durch die Umgehungsleitungen weiterfließt, wie wenn die Leistungsanforderungen derart wären, daß die Strömung durch die Turbinenstufen bei weitem den Wert überschreitet, an welchem eine überschüssige Strömung über die Umgehungsleitungen abfließt. Wenn daher zu Beginn der Belastung Nicht-Linearitäten vorliegen, kann es vorkommen, daß die Strömung durch die Hochdruck-Turbine und diejenige durch die Mitteldruck- und die Niederdruck-Turbine nicht ganz identisch sind. Dies hat zwar zur Folge, daß die tatsächlich erzeugte Leistung etwas von der geforderten Leistung abweicht, aber die Turbinenanordnung erreicht einen stabilen Arbeitspunkt. Wenn die Ventile 27' und 59' jedoch ganz geschlossen sind und die ganze Strömung durch die Turbinen fließt, können Unterschiede in der zur Erzeugung eines vorgegebenen Leistungssignales in den beiden Turbinenstufen erforderlichen Strömung unerwünschte Druckschwankungen in der Turbinenanordnung ergeben.

Um die Notwendigkeit einer sehr genauen Ausbildung bestimmter Elemente der Turbinenanordnung und ihrer Steuerung zu vermeiden, sind Korrelliervorrichtungen vorgesehen, welche die Regler 71 und 73 veranlassen, das Steuerventil 19' und das Unterbrecherventil 49' so zu verstellen, daß sie die gleichen Strömungsveränderungen bewirken. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bestehen die Korrelliervorrichtungen aus zwei Funktionsgeneratoren 75 und Die Funktionsgeneratoren 75 und 77 dienen dazu, das Eingangssignal so zu modifizieren, daß es entsprechende Veränderungen in der Strömung durch die beiden Turbinenstufen verursacht. Da die erforderliche Modifizierung des Eingangssignales empirisch bestimmt werden kann, können die Funktionsgeneratoren 75 und 77 so eingestellt werden, daß sie etwaige Nicht-Linearitäten des Systemes mit minimalem Aufwand genau kompensieren.

Eine andere Möglichkeit, den Einfluß von Nicht-Linearitäten auf die Ausgangsleistung der Turbinenanordnung zu beseitigen, besteht darin, daß das Eingangssignal solange modifiziert wird, bis die Ausgangsleistung des Systems dem Leistungsbedarf ent-

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spricht. Hierbei werden jedoch keine inneren Unstetigkeiten kompensiert. In Fig. 2 ist zu dem genannten Zweck ein ein von der Turbinenanordnung gespeister Funktionsgenerator 79 schematisch dargestellt. Der Ausgang des Funktionsgenerators 79 ist mit einem Vergleicher 81 verbunden. Ebenfalls mit dem Vergleicher 81 verbunden ist die Eingabevorrichtung 61. Der Vergleicher 81 ist ähnlich aufgebaut wie die Vergleicher 63 und 65.

Das Ausgangssignal des Vergleichers 81, das der Differenz zwischen dem Eingangssignal und einem die Ausgangsleistung der Turbinenanordnung darstellenden Signal entspricht, wird an einen Integrierer 83 weitergeleitet. Die Zeitkonstante des Integrierers 83 von beispielsweise 20 Sekunden ist dabei groß gegen die Zeitkonstanten der Regler 71 und 73. Infolge dieser großen Zeitkonstante hat das Signal von dem Vergleicher 81 solange keine merkliche Wirkung, bis die Turbinenanordnung Gelegenheit hatte, ihre Reaktion auf die anfängliche Anlegung des Eingangssignales zu vollenden.

Das Ausgangssignal des Integrierers 83 wird einem Multiplizierer 85 zugeführt, dem ebenfalls das Eingangssignal angelegt wird. Da das Ausgangssignal des Integrierers 83 bei Abwesenheit eines Signales von dem Vergleicher 81 einer numerischen "eins" entspricht, ist das Ausgangssignal des Multiplizierers 85 das Eingangssignal, sofern nicht der Vergleicher 81 ein Ausgangssignal aufweist. Wenn der Vergleicher 81 ein Ausgangssignal erzeugt, wird das an die Funktionsgeneratoren 75 und 77 angelegte Eingangssignal derart modifiziert, daß es einen höheren oder niedrigeren Leistungsbedarf als tatsächlich erforderlich darstellt. Auf diese Weise kann die Turbinenanordnung so gesteuert werden, daß sie dem tatsächlichen Leistungsbedarf entspricht, obwohl das an die Funktionsgeneratoren 75 und 77 angelegte Eingangssignal eincnhöheren oder niedrigeren Leistungsbedarf darzustellen scheint.

Die Kombination aus dem Vergleicher 81, dem Integrierer 83 und

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dem Multiplizierer 85 stellt einen Zeitgeber 87 für die eben beschriebene Veränderung der Steuerung dar. Während dieser Zeitgeber 87 und die Korrelliervorrichtung mit den Funktionsgeneratoren 75 und 77 einzeln und unabhängig voneinander verwendet werden können, sind in dem bevorzugten AusfUhrungsbeispiel der Erfindung beide Möglichkeiten realisiert.

Wie zuvor angegeben ist es notwendig, die Umgehungsventile 27· und 59' gegenläufig mit den Ventilen 19' bzw. 49' einzustellen. Hierfür geeignete Kompensiervorrichtungen 89 und 91 sind in Fig.2 dargestellt. Ein dritter Meßfühler 93 und ein dritter Vergleicher 95 messen einen Parameter der Hochdruck-Turbine 21* vergleichen ihn mit einem Sollwert für diesen Parameter und erzeugen ein drittes Fehlersignal, das die Differenz zwischen dem Sollwert und dem gemessenen Signal angibt. Im vorliegenden Falle ist der gemessene Parameter der Druck stromaufwärts von der Hochdruck-Turbine 21' und dem Hauptsteuerventil 19', d.h. der Druck an dem Eingang des Drosselventiles 23 *. Der Sollwert für den Druck an dem Punkt der Leitung, an welchem der Druck durch den Meßfühler 93 gemessen wird, wird durch einen Sollwertgeber 97 geliefert. Das dritte Fehlersignal des Vergleichers 95 wird dann an einen dritten Regler 99 angelegt, der ebenfalls eine übertragungsschaltung mit Proportional- und Integral-Verhalten (PI) ähnlich dem Regler 71 und 73 ist.

Bei dieser Anordnung bewirkt eine Druckänderung am Eingang des Drosselventiles 23',die von einer Einstellung des Hauptsteuerventiles 19" herrührt, ein Fehlersignal am Ausgang des Vergleichers 95, welches wiederum den Regler 99 zur Erzeugung eines dritten Steuersignales an das Umgehungsventil 27' veranlaßt. Die Einstellung des Umgehungsventiles 27* ist derart, daß dessen Wirkung auf die Strömung in der Umgehungsleitung 25' der Strömungsänderung durch die Hochdruck-Turbine 21' entgegengesetzt ist. Wenn somit das Ventil 19' geöffnet wird, um die Strömung durch die Hochdruck-Turbine 21' zu erhöhen, schließt das

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Ventil 27', um die Strömung durch die Umgehungsleitung 25 zu verringern und damit den Druck an dem Eingang des Drosselventiles 23' auf dem Sollwert zu halten.

Die Kompensiervorrichtung 91 ist ähnlich aufgebaut wie die Kompensiervorrichtung 89. Sie enthält einen vierten Meßfühler 101 und einen vierten Vergleicher 103, welche den Druck stromaufwärts von der Mitteldruck-Turbine 45' und dem Unterbrecherventil 49' messen, das diesen Druck darstellende Signal mit einem Sollwert für den Druck an diesem Punkt der Leitung vergleichen und daraus ein viertes Fehlersignal erzeugen . Ein zweiter
Sollwertgeber 1O5 erzeugt dabei das an den Vergleicher 103 angelegte Sollwertsignal. Das vierte Fehlersignal des Vergleichers 103 wird an einen vierten Regler 107 angelegt, der wiederum
zweckmäßigerweise eine übertragungsschaltung mit Proportional- und Integral-Verhalten (PI) ist und ein viertes Steuersignal
zur Einstellung des Umgehungsventiles 59' erzeugt. Die Kompensiervorrichtung 91 arbeitet in der gleichen Weise wie die Kompensier vorrichtung 89, um die Dampfströmung durch die Umgehungsleitung 57 entgegengesetzt zu der Veränderung der Dampfströmung durch die Mitteldruck—Turbine 45· zu verändern, die durch Einstellung des Unterbrecherventiles 49' verursacht wordenwar.

Obwohl die Arbeitsweise der Kompensiervorrichtungen 89 und 91
sehr zufriedenstellend ist, bewirken diese doch keinerlei Entkopplung des Zusammenwirkens zwischen den Ventilen 19' und 27' oder des Zusammenwirkens zwischen den Ventilen 49· und 59'. Da die Umgehungsventile 27' und 59' abhängig von einer durch die
Veränderung der Ventile 19' und 49* verursachten Druckänderung eingestellt werden, hat dieses Zusammenwirken eine Zeitverzögerung bei der Einstellung der Umgehungsventile zur Folge. Fig.

zeigt eine Verbesserung der Anordnung nach Fig. 2 in dieser
Hinsicht.

Bei der Anordnung nach Fig. 3 erfolgt eine Vorwärtsregelung der Steuersignale von den Reglern 71 und 73 an die zugehörigen Um-

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gehungsventile 27' und 59'. Dies wird dadurch erreicht, daß ein fünfter Vergleicher 109 vorgesehen ist, der das erste Steuersignal von dem Regler 71 und das dritte Steuersignal von dem dritten Regler 99 erhält. Um das erste Steuersignal von dem Regler 71 mit dem dritten Steuersignal von dem Regler 99 vergleichbar zu machen, ist eine Ausgleichvorrichtung 111 vorgesehen, die aus einer einfachen Proportional-Schaltung bestehen kann, die das erste Steuersignal auf den gleichen Pegel herunter teilt, wie das dritte Steuersignal. Durch diese Anordnung wird das Umgehungsventil 27* unmittelbar bei einer Einstellung des Steuerventiles 19' und unmittelbar durch das Eingangssignal (wenn auch in Gegenrichtung) verstellt. Die abschließende Einstellung des ümgehungsventiles 27' erfolgt dann durch das dritte Steuersignal, und zwar modifiziert durch die Wirkung des ersten Steuersignales und des Vergleichers 109. Auf diese Weise wird das Umgehungsventil 27* für die Hauptdampfströmung schneller und in unmittelbarem inversen Verhältnis zu der Einstellung des Steuerventiles 19' eingestellt, und dennoch schließlich so eingestellt, daß stromaufwärts von der Hochdruck-Turbine 21' der gewünschte Druckpegel aufrechterhalten wird.

In ähnlicher Weise werden ein sechster Vergleicher 113 und eine zweite Ausgleichsvorrichtung 115 zum Steuern des Ümgehungsventiles 59' eingesetzt. In diesem Falle wird die Einstellung des Ümgehungsventiles 59' in direktem umgekehrten Verhältnis zu der Einstellung des Ünterbrecherventiles 49' eingestellt und dennoch schließlich so eingestellt, daß stromaufwärts von der Mitteldruck-Turbine 45' und der Niederdruck-Turbine 47' der gewünschte Druck aufrechterhalten wird.

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Claims

Patentansprüche :

Steuereinrichtung für eine Dampfturbinenanordnung mit mindestens zwei hintereinander geschalteten Turbinenstufen, von denen jede ein Durchflußventil und eine mit einem Umgehungsventil versehene Umgehungsleitung aufweist, welche die Turbinenstufe und das Durchflußventil jeweils überbrückt, und mit einer Eingabevorrichtung für ein den Leistungsbedarf der Turbinenanordnung angebendes Eingangssignal,

dadurch gekennzeichnet , daß jede Turbinenstufe (21, 45) einen die !leistungsabgabe der Turbinenstufe (21, 45) anzeigenden Meßfühler (67, 69) und einen ein Fehlersignal entsprechend der Differenz zwischen dem durch das Eingangssignal (über 61) angegebenen Leistungsbedarf und der durch den jeweiligen Meßfühler (67, 69) angezeigten Leistungsabgabe der Turbinenstufe (21, 45) liefernden Vergleicher (63, 65) aufweist, daß jede Turbinenstufe (21, 45) einen unabhängigen Regler (71, 73) zur Einstellung des zugehörigen Durchflußventiles (19, 49) entsprechend dem jeweiligen Fehlersignal und eine unabhängige Kompensiervorrichtung (89, 91) zur Einstellung des zugehörigen Umgehungsventiles (27, 59) entsprechend der Einstellung des zugehörigen Durchflußventiles (19, 49) besitzt, welche eine vorgegebene Minimalströmung durch die Turbinenstufen (21, 45) und die Umgehungsleitungen (25, 57) aufrechtzuerhalten vermögen,

und daß Korrelliervorrichtungen (75, 77) zur überwachung des Zusammenwirkens der unabhängigen Steuervorrichtungen (71, 73; 89, 91) für die Durchflußventile (19, 49) und die Umgehungsventile (27, 59) der beiden Turbinenstufen (21, 45) vorgesehen sind, welche einen Ausgleich von Nicht-Linearitäten der Turbinenanordnung (13) durch von den Reglern (71, 73) der beiden Turbinenstufen (21, 45) bewirk-

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Jo

te Einstellung zu erzielen vermögen.
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrelliervorrichtungen für jeden Vergleicher (63, 65) einen Funktionsgenerator (75, 77) aufweisen, der das Eingangssignal derart zu verändern vermag, daß Nicht-Linearitäten der Turbinenanordnung (13) ausgeglichen werden.
3.^! Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Kompensiervorrichtungen (89, 91) je eine Anzeigevorrichtung (93, 95, 97; 101, 103, 105) für die Abgabe eines eine Veränderung der Arbeitsbedingungen der jeweiligen Turbinenstufe (21, 45) anzeigenden Fehlersignales und einen Regler (99, 107) für die Einstellung des zugehörigen Umgehungsventiles (27, 59) entsprechend diesem Fehlersignal aufweisen.
4. Steuereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß jede Anzeigevorrichtung einen Meßfühler (93, 101) und einen Vergleicher (95, 103) aufweist, welche einen Parameter der zugehörigen Turbinenstufe (21, 45) zu »essen, die Differenz zwischen diesem Meßwert und einem Sollwert (über 97, 105) zu bestimmen und in ein entsprechendes Fehlersignal umzusetzen vermögen.
5. Steuereinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Turbinenstufe (21, 45) eine Vergleichsvorrichtung (109, 111; 113, 115) für die Bestimmung der Differenz der Ausgangssignale der beiden zugehörigen Regler (71, 99; 73, 107) vorgesehen ist, welche ein modifiziertes Steuersignal für die Einstellung des zugehörigen umgehungsventiles (27, 59) zu liefern vermag.
6. Steuereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Vergleichsvorrichtungen einen Vergleicher (109, 113) und eine das Ausgangssignal des

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Reglers (71, 73) für das Durchflußventil (19, 49) an dasjenige des Reglers (99, 107) für das umgehungsventil (27, 59) anpassende Ausgleichsvorrichtung (111, 115) aufweisen, die einen Funktionsgenerator enthält, der an den Vergleicher (109, 113) ein modifiziertes Signal liefert, das einen Ausgleich von Nicht-Linearitäten der Turbinenanordnung (13) zu bewirken vermag.
7. Steuereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitgeber (87) vorgesehen ist, der das den Leistungsbedarf der Turbinenanordnung (13) angebende Eingangssignal zu verändern vermag, wenn die Leistungsabgabe der Turbinenanordnung (13) eine vorgegebene Zeitspanne nach Anlegen des Eingangssignales nicht mit dem durch das Eingangssignal angegebenen Leistungsbedarf übereinstimmt.
8. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für die Dampfturbinenanordnung eines Kernkraftwerkes, bei welcher der Dampf in einem Dampferzeuger gebildet wird, der von einem Kühlmittel geheizt wird, das von einer durch eine Hilfsturbine angetriebenen Umwälzpumpe durch den Reaktor des Kernkraftwerkes in Umlauf gesetzt wird, dadurch gekennzeichnet , daß die Hilfsturbine (37) zwischen den Turbinenstufen (21, 45) und deren Umgehungsleitungen (25, 57) angeordnet ist und daß die vorgegebene Minimalströmung durch die Turbinenstufen (21, 45) und die Umgehungsleitungen (25, 57) hinreichend groß gewählt ist, um durch die Hilfsturbine (37) eine ausreichende Menge an Kühlmittel durch den Reaktor (11)in Umlauf zu setzen.
9. Steuereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Hilfsturbine (37) und der zweiten Turbinenstufe (45) ein Nachwärmer (17) angeordnet ist, mit welchem der aus der Hilfsturbine (37) austretende Dampf wieder aufheizbar ist.

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ORiGSMAL INSPECTED

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