DE2605689A1 - Verfahren zur sollwertfuehrung fuer dampftemperaturen zum anfahren von turbine und dampferzeuger bei blockkraftwerken - Google Patents

Verfahren zur sollwertfuehrung fuer dampftemperaturen zum anfahren von turbine und dampferzeuger bei blockkraftwerken

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Description

9/76
14.1.1976 Me/Ca.
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Verfahren zur Sollwertfflhrung für Dampftemperaturen zum Anfahren von Turbine und Dampferzeuger bei Blockkraftwerken.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sollwertführung für Dampftemperaturen zum Anfahren von Turbine und Dampferzeuger bei Blockkraftwerken.
Beim Anfahren von Dampfturbinen, insbesondere bei anfänglich tiefen Metalltemperaturen (Kaltstart), muss durch geeignete Steuerung des Dampfdurchsatzes bzw. der Dampftemperatur dafür gesorgt werden, dass die in stationären Wärmespannungen in den dickwandigen Metallteilen der Turbine sichere Grenzen nicht überschreiten. Andererseits sollen die zulässigen Werte voll ausgenützt werden, damit die Anfahrdauer kurz ist und die EnergieVerluste dabei niedrig gehalten werden. Es sind
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Einrichtungen bekannt geworden, welche die Erfüllung dieser Forderungen ermöglichen sollen (siehe z.B. Brown Boveri-Mitteilungen 51(1964), Heft 3, S.156 ... 164).
In der Praxis hat es sich gezeigt, dass durch solche Einrichtungen der Anfahrprozess wohl in bezug auf die Turbine allein optimal geregelt werden kann (s.Brown Boveri Mitteilungen 51 (1964), Heft 3, S. 186... 191O, nicht aber für den gesamten Block. Liegen die Dampftemperaturen hoch über den Metalltemperaturen, so wird die Lastaufnahme der Turbogruppe durch die Sonden-Regelung während längerer Zeit stark gebremst, um dann mit wachsender Geschwindigkeit den Endwert zu erreichen (siehe z.B. Brown Boveri -Mitteilungen 45(1958), Heft 7/8, S.341, Bild 6c). Dieser Lastverlauf ist nicht nur aus der Sicht des Lastverteilers unerwünscht, sondern führt auch häufig zu Schwierigkeiten bei der Kesselführung.
Beim Anfahren mit von den Metalltemperaturen nur wenig abweichenden, aber tiefen Dampftemperaturen würde die Sonden-Regelung allein die Turbogruppe rasch auf einen hohen Dampfdurchsatz bringen, was aber wegen niedriger Enthalpie des Dampfes nicht zu einer entsprechenden Lastaufnahme führt und wegen zu nassen Dampxes in den Endstufen nicht ohne weiteres zulässig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der
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bekannten Lösungen insbesondere bei Blockkraftwerken zu vermeiden. Dies wird durch Mittel erreicht, die das Anfahren von Turbogruppe und Dampferzeuger zwecks optimalen Blockstartes derart koordinieren, dass während des Anfahrens bei voller Ausnützung der zulässigen Beanspruchungen der Turbine die Lastaufnahme der Turbogruppe und die Einlass-Dampftemperatur gleichzeitig und stetig erhöht werden, und zwar in der Weise, dass beide Grossen in einer im Hinblick auf eventuelle Störeinflüsse möglichst kurzen Zeit und synchron ihre Endwerte erreichen.
Die Erfindung sei jetzt unter Zuhilfenahme der einzigen Figur beispielsweise näher erläutert.
Wie aus "Brown Boveri Mitteilungen" 45(1958), Heft 7/8, S.339 hervorgeht, resultieren beim Anfahren von Dampfturbinen, d.h. beim Anwärmen dickwandiger Metallteile während der ganzen Dauer dieses Vorganges gleichmässige Beanspruchungen unter der Bedingung, dass die Oberflächentemperatur TMO zuerst mit einem Sprung und danach mit einer entsprechenden Rampe ansteigt. Die mittlere Metalltemperatur TMM wird dabei von Beginn an rampenförmig verlaufen.
Gemäss dem vorgeschlagenen Verfahren ist eine Anfahrsonde vorgesehen, die den Wert TS = TMO - TMM misst, welcher Wert für die Beanspruchung der Turbine repräsentativ ist; der Wert TS
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wird mit dem Hochfahrregler (Belastungsregler) durch Steuerung des Dampfdurchsatzes auf dem Sollwert TSS gehalten. Damit ist auch der in die Sonde fliessende Wärmestrom QS konstant.
Auf dieser Grundlage kann der für die Dampftemperatur-Sollwertführung benötigte Sollwert TES der Eintritt-Dampftemperatur unter Zuhilfenahme entsprechender Rechen- und Messeinheiten auf einfache Weise berechnet werden.
Bezeichnet man mit TA den Temperaturabfall zwischen Turbineneinlass und Sondenmesstelle und mit TDM den Temperaturabfall Dampf - Metall, so folgt
TES = TMM + TSS ♦ TDM ♦ TA,
wobei TMM gemessen wird und TSS und TA durch die Maschinendaten gegebene Grossen sind. TDM hängt von der Wärmeübergangszahl Dampf - Metall und dem durch die Grenzschicht fliessenden Wärmestrom QS ab, der nach obigem konstant ist. Nach
"Brown Boveri Mitteilungen" *S5(1958)S Heft. ^
, ist die Wärmeübergangszahl &>!& eine Punktion der Last. Für die Praxis kann eine lineare Beziehung angenommen werden. Bezeichnet man mit TDMN den Temperaturabfall Dampf - Metall bei der Nennlast P , so folgt für die Last P:
TDM β/TDMN . Pn/P .
Zur Vermeidung des mitunter sehr unerwünschten Effektes, dass
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zuerst eine hohe, dann durch ein Minimum gehende und darauf erst wieder ansteigende Dampftemperatur verlangt wird, muss P vor dem Einsetzen in die Temperatursollwert-Berechnung auf den Minimalwert P«IN begrenzt werden. Somit wird:
TES = TMM + TSG + TA + TDMN . Pn/MAX (P, PMIN) (1)
Dies ist laut Obigem der Sollwert der Einlass-Dampftemperatur, und die erwähnten, noch genauer zu beschreibenden Recheneinheiten zur Verwirklichung der obigen Beziehung sorgen dafür, dass gemäss dem vorgeschlagenen Verfahren bei stetiger Erhöhung der Lastaufnahme P auch TES stetig erhöht wird, und zwar so, dass beide Grossen gleichzeitig ihre Endwerte erreichen.
Beim vorgeschlagenen Verfahren soll ausser den Dampf-Solltemperaturen für die Information des Lastverteilers noch zusätzlich im Startmoment eine Prognose für die mittlere zeitliche Belastungsänderung berechnet werden.
Diese Berechnung erfolgt auf der Basis, dass die beschriebene Sollwertführung die Dampftemperatur in der gleichen Zeit auf ihren Zielwert bringt wie der Anfahrregler die Last. Der dabei auf den Sollwert TSS geregelte Sondenmesswert ist proportional der zulässigen mittleren zeitlichen Metalltemperaturänderung GMZ; es ist GMZ = TSS/ZKS. Dabei ist ZKS eine durch Abmessungen und Materialkonstanten der Sonde gegebene charakteristische Zeitkonstante. Hat die Metalltemperatur TM während
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des Anfahrens die Temperaturdifferenz TDEL zu durchlaufen, so ist das dafür notwendige Zeitintervall t = TDEL/6MZ und damit die mittlere zeitliche Belastungsänderung in %/sec
BG = 100 . GMZ/TDEL
Wegen der Temperaturabhängigkeit der massgebenden Materialkonstanten ist auch die Zeitkonstante ZKS und damit das Zeitintervall Δ t für das Anfahren von der Metalltemperatur abhängig. Beim vorgeschlagenen Verfahren wird diese Tatsache in der Weise berücksichtigt, dass der Mittelwert der mittleren Metalltemperatur bzw. dessen Abweichung ATM von einer Bezugstemperatur, vorzugsweise 3000C,berechnet wird und eine entsprechende Korrektur der auf die Bezugstemperatur bezogenen zulässigen mittleren zeitlichen Metalltemperaturänderung mit dem kombinierten Temperaturkoeffizienten TK der Materialkonstanten eingeführt wird; damit ergibt sich die Prognose BG für die mittlere zeitliche Belastungsänderung
BG = 100 . .GMZ/ [tDEL . (l + ATM . TK)] (2).
den Wird je eine mittlere zeitliche Aenderung fürTHochdruck- und den Mitteldruck-Zylinder berechnet, so ist der kleinere Wert massgebend.
Diese im Startmoment berechnete Prognose BG für die mittlere zeitliche Aenderung der Last wird, wie oben bemerkt, zunächst
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zur Information des Lastverteilers ausgegeben. Mit Vorteil im Sinne des vorgeschlagenen Verfahrens kann die Grosse BG aber auch in den Hochfahr-(Belastungs-) regler eingeführt werden. Dort steuert diese Grosse primär über einen Integrator den Lastsollwert. Zur Berücksichtigung der Turbinenbeanspruchung wird der Lastsollwert noch durch die von den Anfahrsonden bestimmten Grossen beeinflusst.
Palls der BelastungsVorgang nicht gestört wird (z.B. durch unvorhergesehene Schwankungen der DampftemperaturenJ, steigt der Lastsollwert und damit die Last mit der vorberechneten Steilheit (BG) an. Die Aufschaltung der Sonden kommt in diesem Fall nicht in Eingriff, weil die Sondenmesswerte während des ganzen Belastungsvorganges nahezu mit ihren Sollwerten üb ere ins t immen.
Die Figur zeigt das Schema eines Sollwertführungsgerätes für Dampftemperaturen zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens. 1 ist ein Summierglied, in dem nach Gleichung (1) folgende Grossen addiert werden:
a) die mit Messwertgeber 2 erfasste mittlere Metalltemperatur TMM,
b) der am Sollwertgeber 3 eingestellte Sollwert TSS der Sonden-Temperaturdifferenz,
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c) der am Analogwertgeber 4 eingestellte Temperaturabfall TA zwischen Turbineneinlaas und Sondenmesstelle,
d) Temperaturdifferenz TDM/Oampf-Metalloberflache bei der momentanen Last P, welche auf folgende Weise gebildet wird:
Die Temperaturdifferenz TDM Dampf-Metall bei Vollast, eingestellt am Analogwertgeber 5, wird im Dividierglied 6 durch die relative Belastung P/P n der Turbine dividiert. Um zu verhindern, dass bei niederer Belastung zuerst eine hohe Temperatur verlangt wird, welche mit zunehmender Belastung zu reduzieren wäre (s.o.), wird zuerst im Grösstwertbildner 7 der Grösstwert von dem durch den Sollwertgeber 8 des Belastungsreglers ausgegebenen Sollwert P und dem am Analogwertgeber 9 eingestellten Wert Kessel-Minimallast P·.™ gebildet.
Das in der Figur dargestellte Schema zeigt zugleich die für die Berechnung der mittleren zeitlichen Belastungsänderung BG = dP/dt dienenden Elemente. Nach Gleichung (2) wird die am Analogwertgeber 10 eingestellte, bei 300° C zulässige mittlere zeitliche Metalltemperaturänderung GMZ = dTM/dt durch die während des Anfahrens zu durchlaufende Metalltemperaturdifferenz TDEL, bewertet mit der Temperaturabhängigkeit der Materialkonstanten der Sonde bzw. des damit abgebildeten Bauteilesj im Dividierglied 11 dividiert. Die Temperaturab-
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hängigkeit wird berücksichtigt durch den Ausdruck (1 + ATM · TK).
Der kombinierte mittlere Temperaturkoeffizient TK der Wärmeausbreitung, eingestellt am Analogwertgeber 12, wird im Multiplizierglied 13 mit der während des ganzen Anfahrvorganges festgestellten Abweichung ATM des Mittelwertes der mittleren Metalltemperatur von der Bezugstemperatur (300 C) multipliziert. Im Addierglied 1Ί wird noch die Zahl 11I" dazugezählt. Das Ausgangssignal A 14 ist somit (1 + ATM · TK). Diese Grosse wird im Multiplizierglied 15 mit TDEL multipliziert. Das Ausgangssignal A 15 gelangt, wie oben beschrieben, auf einen Eingang des Dividiergliedes 11 usw.
TDEL ist, wie schon bemerkt, das während des Anfahrens zu durchlaufende Metall-Temperaturintervall. Diese Grosse wird im Summierglied 16 aus der am Analogwertgeber 17 eingestellten Dampf-Endtemperatur TPE minus Temperaturdifferenz TDMN Dampf-Metall (Vollast) minus Temperaturabfall TA zwischen Turbineneinlass und Sondenmesstelle minus Sondensollwert TSS, gebildet.
Die Abweichung ATM des Mittelwertes der mittleren Metalltemperatur von 300° C wird im Summierglied 18 aus der Metalltemperatur TMO zu Beginn des Anfahrens, gespeichert im Analog-
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speicher 19, plus der im Multiplikator 20 halbierten Temperaturdifferenz TDEL minus 300° C vom Pestwertgeber 21 gebildet:
ATM = (TMO + TDEL/2) -300,
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Claims (1)

9/76 Patentansprüche ί~ΐ), Verfahren zur Sollwertführung für Dampftemperaturen zum Anfahren von Turbine und Dampferzeuger bei Blockkraftwerken, gekennzeichnet durch Mittel, die das Anfahren von Turbogruppe und Dampferzeuger zwecks optimalen Blockstartes derart koordinieren, dass während des Anfahrens bei voller Ausnützung der zulässigen Beanspruchungen der Turbine die Lastaufnahme der Turbogruppe und die Einlass-Dampftemperatur gleichzeitig und stetig erhöht werden, und zwar in der Weise, dass beide Grossen in einer im Hinblick auf eventuelle Störeinflüsse möglichst kurzen Zeit und synchron ihre Endwerte erreichen. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anfahrsonde den für die Turbinenbeanspruchung repräsentativen Wert TS = TMO - TMM misst, wo TMO die Turbinen-Oberflächentemperatur und TMM die mittlere Metalltemperatur ist, dass ein Hochfahrregler vorgesehen ist, der den Wert TS durch Steuerung des Dampfdurchsatzes auf einem durch die Maschjnp^aten gegebenen Sollwert TSS hält, womit auch der in der Sonde fliessende Wärmestrom QS konstant ist, dass weiter Mess- und Recheneinheiten vorhanden sind, die die Bestimmung des Sollwertes TES der Eintritt- 7 0 9 8 3 1 / 0 2 U ORIGINAL INSPECTED 2605683 9/76 Dampftemperatur gemäss der Beziehung TES = TMM + TSS + TA + TDMN . Pn/Max (P, ermöglichen, wo TA den durch die Maschinendaten gegebenen Temperaturabfall von Eintritt Turbine bis Sondenmesstelle, P die Last, P„T„ den Minimalwert der Last, MIN P die Nennlast, TDMN den gemessenen Temperaturabfall Dampf-Metall bei Nennlast P und MAX (P, PMTM) den Höchstwert der beiden Grossen P MIN und PHIN bedeuten. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Mess- und Recheneinheiten für die Prognostizierung der mittleren zeitlichen Belastungsänderung zwecks Information des Lastverteilers vorgesehen sind, welche Mess- und Recheneinheiten die Prognose gemäss der Beziehung BG s 100 . GMZ / [TDEL (1 + ATM · TkJ ermöglichen, wo BG - dP/dt die mittlere zeitliche Belastungsänderung, 709831/0214 9/76 GMZ die als Quotient aus dem auf den Sollwert TSS geregelten Sondenmesswert und einer durch Abmessungen und Materialkonstante der Sonde gegebenen charakteristischen Zeitkonstante ZKS errechnete mittlere zeitliche Metalltemperaturänderung, TDEL die von der Metalltemperatur TM während des Anfahrens durchlaufene, gemessene Temperaturdifferenz, ATM die errechnete Abweichung des Mittelwertes der mittleren Metalltemperatur von einer Bezugstemperatur (300° C), TK den kombinierten mittleren Temperaturkoeffizienten der Wärmeausbreitung bedeuten. Ί. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Prognose (BG) für die mittlere zeitliche Laständerung in den Hochfahr-(Belastungs-)-regler eingeführt wird. 5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende apparative Einheiten: a) einen Messwertgeber (2) zur Erfassung der mittleren Metalltemperatur (TMM), b) einen ersten Sollwertgeber (3) zur Einstellung des Sollwertes (TSS) der Sonden-Temperaturdifferenz, 709831/0214 c) einen ersten Analogwertgeber (4) zur Einstellung des Temperaturabfalls (TA) zwischen Turbineneinlass und Sondenmesstelle, d) einen zweiten Analogwertgeber (5) zur Einstellung der Temperaturdifferenz (TDMN) Dampf-Metall bei Vollast, e) ein erstes Dividierglied (6) zur Division der Grosse TDMN durch die relative Belastung P/P der Turbine, f) einen Grösstwertbildner (7), g) einen zweiten, zum Belastungsregler gehörenden Sollwertgeber (8) für den Last-Sollwert (P), h) einen dritten Analogwertgeber (9) zur Einstellung des Wertes (PMIN) der Kessel-Minimallast, die Einheiten gemäss f, g und h in derartiger Kombination, dass der Grösstwertbildner (7) eingangsseitig das Signal des zweiten Sollwertgebers (8) sowie des dritten Analogwertgebers (9) empfängt, während das Ausgangssignal des Grösstwertbildners (7) als Divisor dem ersten Dividierglied (6) zugeführt ist und am Dividend-Eingang des Dividiergliedes (6) das Ausgangssignal (TDMN) des zweiten Analogwertgebers (5) anliegt, i) ein Summierglied (1), dem eingangsseitig die Signale des ersten Analogwertgebers (4), des ersten Sollwertgebers (3)» des ersten Dividiergliedes (6) und des 709831/0214 Messwertgebers (2) zugeführt sind und welches ausgangsseitig des Sollwert (TES) der Dampf-Einlasstemperatur liefert, j) einen vierten Analogwertgeber (12) zur Einstellung des kombinierten mittleren Temperaturkoeffizienten (TK), k) ein erstes Multiplizierglied (13) zur Multiplikation des kombinierten mittleren Temperaturkoeffizienten (TK) mit einer Grosse ATM, wobei ATM die während des ganzen Anfahrvorganges festgestellte Abweichung des Mittelwertes der mittleren Metalltemperatur von einer Bezugstemperatur (300° C) bedeutet,
1) ein Addierglied (I1O, dem das Ausgangssignal des ersten Multipliziergliedes (13) sowie die Grosse "1M zugeführt ist,
m) einen fünften Analogwertgeber (17) zur Einstellung der Dampf-Endtemperatur (TPE),
n) einen Analogspeicher (19) zur Speicherung der Metalltemperatur (TMO) zu Beginn des Anfahrens,
ο) ein zweites Summierglied (16), das an einem ersten, direkten Eingang die Grosse TPE und an vier weiteren, negierten Eingängen die Grossen TDM, TSS, TA und TMO empfängt ,
p) ein zweites Multiplizierglied (15)» das an seinen Eingängen das Ausgangssignal des zweiten Summiergliedes (16) sowie das Ausgangssignal des Addiergliedes (14) empfängt,
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q) ein drittes Multiplizierglied (20), das mit dem konstanten Paktor 0.5 multipliziert und dem eingangsseitig das Ausgangssignal des zweiten Summiergliedes (16) zugeführt ist,
r) einen Festwertgeber (21), der den Betrag der Bezugstemperatur (300° C) liefert,
s) ein drittes Summierglied (18), das an zwei direkten Eingängen die Ausgangssignale (0,5 . TDEL, TMO) des dritten Multipliziergliedes (20) sowie des Analogspeichers (19) und an einem dritten, negierten Eingang das Signal (300 C) des Festwertgebers (21) empfängt und an ihrem Ausgang die besagte Grosse ATM ausgibt,
t) einen sechsten Analogwertgeber (10) zur Einstellung der bei der Bezugstemperatur (300 C) zulässigen mittleren zeitlichen Metalltemperaturänderung (GMZ = dTM/dt),
u) ein zweites Dividierglied (11), das an seinem Dividend-Eingang das Ausgangssignal (GMZ) des sechsten Analogwertgebers (10) und an seinem Divisor-Eingang das Ausgangssignal (TDEL (1 + ATM · TK)) des zweiten Multipliziergliedes (15) empfängt und an seinem Quotienten-Ausgang die Prognose (BG) liefert.
BBC Aktiengesellscaft Brown» Boveri & Cie.
709831 /0214
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