DE2627591B2

DE2627591B2 - Regeleinrichtung für Turbinen mit Drehzahl- und Leistungsregelung

Info

Publication number: DE2627591B2
Application number: DE2627591A
Authority: DE
Inventors: Miroslav 8502 Zirndorf Nypl; Rainer Dipl.-Ing. 8500 Nürnberg Nürnberger
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1976-06-19
Filing date: 1976-06-19
Publication date: 1981-04-16
Also published as: AU516453B2; CA1096015A; YU40001B; NL7706787A; AU2622477A; AT377575B; ATA422577A; DE2627591A1; YU151177A; US4146270A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für Turbinen mit Drehzahl- und Leistungsregelung, wobei der einen Integralteil aufweisende Drehzahlregler und der Leistungsregler über den gesamten Arbeitsbereich funktionell voneinander unabhängig sind und wobei die Stellgrößen der beiden Regler einem mit dem Stellglied des Stellgrößenreglers verbundenen MIN-Glied als Eingangssignal zugeführt sind.

Bei der bekannten Regeleinrichtung der eingangs genannten Art wird, um den jeweils nicht benötigten Regler außer Eingriff zu bringen, dem entsprechenden Regler ein Zusatzsollwert aufaddiert. Das bewirkt bei Reglern mit Integralteil eine Erhöhung der Stellgröße bis zur technisch möglichen Grenze; wird dann dem Regler mit einer über dem normalen Bereich liegenden Stellgröße ein Eingreifen auf Grund einer negativen Regeldifferenz signalisiert, so kann dies nur mit erheblicher Verzögerung geschehen, da die Stellgröße erst den gesamten Hubbsreich durchlaufen muß. Ein Überschwingen der Regelgröße ist daher unvermeidlich.

Es ist ferner eine Turbinen-Regeleinrichtung mit Drehzahl- und Leistungsregelung bekannt, wobei der Leistungsregler einen Integralteil mit oder ohne Ausgangswertbegrenzer aufweist. Der Drehzahlregler ist jedoch ein proportional wirkender Regler. Ferner ist nur ein die Leistungsregelung umgehender Drehzahlreglerzweig vorgesehen, wobei zur direkten Drehzahlregelung im Falle einer Laständerung der Leistungsregler dem Drehzahlregler unterlagen ist. Der Einfluß der unterlagerten Leistungsregelung ist auf etwa IO bis 20%, gemessen am Signalpegel der Drehzahlregelung, beschränkt. — Bei dieser bekannten Regeleinrichtung kann nicht bei plötzlichen Lastabschaltungen sicher verhindert werden, daß so große Überdrehzahlen auftreten, daß die Schutzeinrichtungen (Schnellschluß) ansDrechen.

Bekannt ist auch eine Regelungsanlage mit einem primären Regler und einem Folgeregler, wobei das Ausgangssignal des in Bereitschaft stehenden Reglers über den gesamten Arbeitsbereich nachgeführt wird. — ■i Es handelt sich jedoch hierbei um eine »starre Nachführung« zweier funktionell abhängiger Regler, wobei jederzeit unter Gewährleisten eines stoßfreien Übergangs von einem handbetriebenen in einen automatischen Regelbetrieb und umgekehrt umgeschal-

H) tet werden kann.

Schließlich ist es — allerdings nur im Zusammenhang mit einer Regeleinrichtung mit einem Regler — noch bekannt, bei Anfahrvorgängen den Sollwert einem Istwert im Abstand .lachzuführen, uin einen Regler in Bereitschaft zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelungseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der e»n Überschwingen der Regelgröße beim Übergang von einem Regler auf den anderen Regler vermieden ist. Außerdem soll der Drehzahlregler beim Eintreten einer plötzlichen Lastabschaltung unmittelbar beim Erreichen der vorgewählten Grenzdrehzahl eingreifen können, und es soll beim Übergang von Drehzahl- auf Leistungsregelung die Übernahme durch den Leistungsregler unmittelbar beim Erreichen einer vorgewählten Mindestlast erfolgen, ohne daß bis zum Eingreifen des Leistungsreglers vorübergehend eine nach längerem Leerlaufbetrieb unerwünschte höhere Belastung der Turbine in Kauf genommen werden muß.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sowohl der Drehzahlregler als auch der einen Integralteil aufweisende Leistungsregler je einen Ausgangswertbegrenzer zum einseitigen Begrenzen des

ts Ausgangs des einen Reglers relativ zum Ausgang des anderen Reglers aufweisen, derart, daß der nicht im Eingriff befindliche Regler dem führenden Regler über die entsprechende Begrenzungsschaltung gleitend über den gesamten Arbeitsbereich nachgeführt wird.

Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung zeichnet sich insbesondere durch folgende Vorteile aus:

la) Der Drehzahl- und der Leistungsregler lassen sich beide für ihre jeweilige Aufgabe optimierrn,

b) der Frequenzeinfluß kann bei der reinen Leistungs-

regelung abgeschaltet werden, wobei die Sicherheit der Anlage aber weiterhin durch den in »Bereitschaft« stehenden Drehzahlregler gewährleistet ist,

2a) die Turbinendrehzahl entspricht genau dem vorgegebenen Sollwert,

b) die sich nach einer Lastabschaltung einstellende Überdrehzahl kann sehr klein gehalten werden, z. B. 1% der Betriebsdrehzahl.

c) beim Ansteigen der Netzfrequenz über einen frei wählbaren Wert erfolgt automatisch die Übernahme durch den Drehzahlregler,

3) der Integralteil des Leistungsreglers muß nicht begrenz! werden, so daß über den Leistungsregler auch bei kleinen Sollwerten volle öffnung der Regelventile möglich ist,

4) jeder weitere auf das MIN-Glicd arbeitende Regler kann unmittelbar beim Auftreten einer negativen Regeldifferenz verzögerungsfrei eingreifen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfin- b^r> dungsgemäßen Regeleinrichtung erfolgt die Nachführung der Stellgröße des nicht im Eingriff befindlichen Reglers mit einem Absland von 5 bis 20% bezogen auf den Hub des Stellgliedes.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt

Fig. Ί den erfindungsgemäßen Frequenz- und Leistungsregelkreis einer Turbine im Verbundbetrieb,

Fig. 2 eine vorteilhafte Ausbildung des in Fig. 1 enthaltenen Drehzahlreglers und

Fig.3 eine vorteilhafte Ausbildung des in Fig. 1 enthaltenen Leistungsreglers.

In einer Summierstelle ! wird die Differenz zwischen dem eingestellten Frequenz-Sollwert f_o und dem Frequenz-Istwert f, des Netzes N, die den Soll- und Ist-Umdrehungsfrequenzen (Drehzahlen) n_a und n, entsprechen, gebildet. Diese Differenz Af(Af= f_o—f) wird in Form eines vorzugsweise elektrischen Signals einer Summierstdle 2 zugeführt, der außerdem ein r, weiteres elektrisches Signal, das einer vorgebbaren, veränderbaren Frequenz f_o zugeordnet ist, zugeführt wird. (4 wird in Form eines negativen Wertes zugeführt, d;·. Af ebenfalls negativ ist.) Am Ausgang des Summiergliedes 2 liegt dann ein elektrisches Signal an, das der Summe Af* der beiden Frequenzen Af ur.d {„ entspricht. Dieses Frequenzdifferenzsignal Af* wird auf d· η Eingang des Drehzahlreglers, der hier als proportional-integral wirkender Regler mit Differential-Einflußoder Vorhalt, also als sogenannter PID-Regler, ausgebildet ist, gegeben. (Der Aufbau eines PID-Reglers ist hinreichend bekannt, so daß hier darauf nicht näher eingegangen zu werden braucht.) Das Ausgangssignal (Stellgrößen-Signal) Λ/ des Dichzahlreglers 3 wird unverzögert auf den Eingang eines jo Blockes 4, der als sog. elektrisches MIN-Glied bekannter Art ausgebildet ist, weitergegeben. Der Block 4 weist noch einen zweiten Eingang auf, auf den das Stellgrößcnsignal h_p eines Leistungsreglers 5 gegeben wird. Dem Eingang des Leistungsreglers 5, der als ss proportional-integralwirkender Regler (PI-Regler) ausgeführt ist, wird ein Leistur.gsdifferenzsignal Δ Ρ zugeführt. Das Signal AP wird in einer Summierstelle 6 als Differenz des Leistungssollwertes P₁, und des Leistungsistwertes P, gebildet. Das Leistungsistwertsignal P, wird vom Ausgang der Turbine 7 der Summierstelle 6 zugeführt. Das Leistimgssoliwertsignal P₁, wird in einer Summierstelle 8 als Summe eines vorgegebenen, einstellbaren Leistungsgrundwertes P₁₁₁₁. der wesentlich geringer als der Leistungssollwert P„ ist. ^ und einem modifizierten Umdrehungsfrequenzfehlersignal APi gebildet. Das Signal APi wrd der Summierstelle 8 vom Ausgang eines Blockes 9. der als proportionaler Regler (P-Regler) ausgebildet ist, unverzögert zugeleitet. In dem Block 9 wird das Eingangssignal ■> <> Af mit einem Faktor k bewertet, so daß am Ausgang des Blockes 9 das Signal APt= k ■ Af vorhanden ist. Das Eingangssignal Af ist das in der Summierstelle 1 gebildete Frequenzdifferenzsignal, das von der Verzweigungsstelle 10 des Drehzahlregelkreises dem Flock 9 zugeführt wird.

Der als elektrisches MIN-Glied bekannter Art ausgebildete Block 4 wirkt so, daß jeweils nur das kleinere der Stellgrö[>ensignale — hi oder h_p — der beiden Regler 3, 5 an¹ Ausgang des MIN-Gliedes zur t>0 Verfügung stein. Die entsprechende Stellgröße (h_P oder hi) wird in d^r bekannten Weise einem Regler 11 zugeführt. DaHei wird die Stellgröße laufend in einer Summierstelle 12 Ir¹U dem Ventilstellungswert y verglichen und das Ventil so lange verstellt, bis die Differenz hf (bzw. hl>) — y zu Null wird, und der gewünschte Wert der ^ventilstellung erreicht ist.

Die erfindungsgen>äße Regeleinrichtung gemäß Fig. 1 für die Drehzah¹- und Leistungsregelung wirkt wie folgt:

I.Leerlauf

Die Turbine dreht unbelastet im Dreheinrichtungsbetrieb (»Turnbelrieb«) mil einer Umdrehungsfrequenz (Drehzahl) von 50 bis 60 l/min und wird anschließend hochgefahren bis zu einer Unidrehungsfrequenz von 3000 l/min.

Im Leerlauf ist P, gleich Null. Da der Leistungsgrundwert P_1x, als konstanter Wert vorgegeben ist, z. B. 10% von Pj, ist das Leistungsdifferenzwertsignal AP in der Summierstelle 6 konstant. Das Signal AP wird dem Leistungsregler 5 zugeführt, wo entsprechend dem Leistungsgang im PI-Regler eine Stellgröße bzw. ein Stellgrößensignal h_p am Eingang des MIN-Gliedes anliegt, die bzw. das höher ist als die Stellgröße bzw. das Stellgrößensignal hivom Drehzahlregler 3.

Da im MIN-Glied nur das kleinere Signal durchkommt, also hi, wird das Hochlaufen der Turbine dadurch erzielt, daß die Frequenz /"„ automatisch nach einem vorgegebenen Programm oder von einem Bedienungsmann erhöht wird. Wird f„ erhöht, dann werden die Ventile mehr geöffnet und die Umdrehungsfrequenz (Drehzahl) des Turbinenläufers wird erhöht. Die Frequenz f„ wird so lange erhöht, bis die Umdrehungsfrequenz (Drehzahl) des Turbinenlaufers der Netzfrequenz von 50 Hz entspricht.

2. Der Turbosatz ist mit dem Netz synchronisiert
und wird belastet

Die Frequenzen f,_H da vorgegeben, f, und Af sind konstant. Die Frequenz /"_owird weiter erhöht; demzufolge steigen Af* und hf. Die Stellgröße hf ist aber immer noch kleiner als hp. Die Ventile öffnen daher weiter als es dem Lecrlaufpunkt entspricht und es wird elektrische Leistung abgegeoen. Während P-, ansteigt, wird der Wert ZIP geringer und schließlich negativ. Sobal.i aber AP negativ wird, übernimmt die Stellgröße h_p des Leistungsreglers 5 die Führung des Stellgliedes des .Stellgrößenreglers 11.

3. Plötzliche Lastabschaltung, z. B. beim Übergang
vom Verbundbetrieb zum Inselbetrieb

Die elektrische Leistung ist Null. Da die volle mechanische Leistung an der Turbine aber weiterhin vorhanden ist, muß dafür gesorgt werden, daß die bei plötzlicher Entlastung auftretende Überdrehzahl möglichst klein, mindestens aber kleiner als die Schnellschlußdrehzahl ist.

Da die elektrische Leistung gleich Null ist, sind AP und h_n groß. Das Stellgrößensignal h_p ist dann auf jeden Fall größer als das Stellgrößensignal hf.

Wenn die Belastung der Turbine durch den Generator wegfällt, würde sich — wenn man keine entsprechende Maßnahme trifft — die Umdrehungsfrequenz der Turbine erhöhen. Mit der erfindungsgemäßen Regelungseinrichtung wird über den D-Anteil des Drehzahlreglers 3 der Ausgang des Drehzahlreglers sofort nach unten steuern und die Turbine bei einer durch f_o festgelegten Umdrehungsfrequenz einregeln, d. h. die infolge des Lastabwurfs gestiegene Umdrehungsfrequenz sofort wieder verringern.

!n F i g. 2 ist der Drehzahlregler 3 vergrößert dargestellt. Der Drehzahlregler 3 weist ein proportional wirkendes Glied 3a, ein integral wirkendes Glied 3b, ein Differential-Glied (D-Glied) 3c und zwei Summierstellen 13, 14 auf. In der Summierstelle 14 findet eine

Differenzbildung zwischen der Summe des P- und I-Teils 3,7. 3i> und dem D-Teil ic statt. Das IJmdrehungsfrequenzdifferenzsignal Af* wird dem Eingang des P-Teils 3.·; zugeführt; das Umdrehungsfrequenzsignal f, wird dem Eingang des D-Teils 3c "> zugeführt. In der Summierstelle 13 wird die Differenz zwischen Af* und dem Ausgangswert des Blockes 15 gebildet. Der Block 15 entspricht dem Block 19 der F i g. 3. Dem Eingang des Blockes 15 wird ein Signal zugeführt, das gebildet wird in der Summierstelle 16 aus der Differenz, der Signale der Stellgröße Λ/ des Drehzahlreglers und der Summe der Ventilstellung y und einem konstanten vorgegebenen Wert a.

In Fig. 3 ist der Leistungsregler 5 vergrößert dargestellt. Der Leistungsregler 5 weist einen propor- i^r> tional wirkenden Teil 5a und einen integral wirkenden Teil 5b sowie zwei Summierstellen 17, 18 auf. Die Sumniierstelle 17 ist elektrisch mit dem Ausgang eines Blockes 19 verbunden, dessen Eingangssignal in einer .Summierstelle 20 gebildet wird. In der Summierstelle 20 wird von der Stellgröße h_p des Leistungsreglers die Summe aus der Ventilstellung y und einer konstanten, vorgegebenen Größe a abgezogen. Der Block 19 ist ein bekanntes elektrisches Gerät, an dessen Ausgang nur dann ein Signal entsteht, wenn das Signal am Eingang positiv ist. In der Summierstelle 17 wird die Differenz zwischen dem Leistungsdifferenzsignal AP und dem Au.sgangssignal des Blockes 19 gebildet. In der Summierstellc 18 werden die Ausgangssignale des P- und I-Teils summiert.

Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann beispielsweise der Drehzahlregler auch als proportional-integral wirkender Regler (PI-Regler) ausgebildet sein. Die Regler 3, 5 können analoge, digitale oder analog/digitale Turbinenregler sein. Als Regler kommen sowohl elektrisch arbeitende als auch hydraulisch oder pneumatisch arbeitende in Frage.

Der Block 9 kann auch entfallen, wird aber üblicherweise in Blockkraftwerken eingesetzt; entfällt der Block 9, dann entfallen auch f„ und die Summierstellen 2 und 8.

An Stelle eines elektrischen MIN-Gliedes kann auch ein mechanisches MIN-Glied bekannter Art verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Regeleinrichtung für Turbinen mit Drehzahl- und Leistungsregelung, wobei der einen Integralteil aufweisende Drehzahlregler und der Leistungsregler i'ber den gesamten Arbeitsbereich funktionell voneinander unabhängig sind und wobei die Stellgrößen der beiden Regler einem mit dem Stellglied des Stellgrößenreglers verbundenen MIN-Glied als Eingangssignale zugeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Drehzahlregler (3) als auch der einen Integralieil aufweisende Leistungsregler (5) je einen Ausgangswertbegrenzer zum einseitigen Begrenzen des Ausgangs des einen Reglers relativ zum Ausgang des anderen Reglers aufweisen, derart, daß der nicht im Eingriff befindliche Regler dem führenden Regler über die entsprechende Begrenzerschaltung (15 bzw. 19) gleitend über den gesamten Arbeitsbereich nachgeführt wird.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführung der Stellgröße des nicht im Eingriff befindlichen Reglers mit einem Abstand von 5 bis 20°/o bezogen auf den Hub des Stellgliedes erfolgt.