DE2637256A1 - Turbinenregelungssystem - Google Patents

Description

Turbinenregelungssystem

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Regelungssysteme für Turbomaschinen und insbesondere auf ein Regelungssystem für eine Anzapfdampfturbine für mechanischen Antrieb.

In einer Prozeßanlage kann Abfallwärmeenergie zum Erzeugen von Dampf in einem Abfallwärmeboiler (Dampfgenerator) zur Verfügung stehen, dessen Ausgangsgröße zum Antrieb einer Dampfturbine verwendet werden kann. D.er Aus9 mgsdampf des Abfallwärmeboilers hängt von der Abfallwärmeenergie ab, die aus einem Prozeßteil der Anlage verfügbar ist. Es ist wünschenswert, die gesamte verfügbare Abfallwärmeenergie und die daraus entstehende Dampfströmung zu verwenden, während der Boilerdruck und die Turbinendrehzahl auf einem vorbestimmen Betriebswert gehalten werden sollen. Es wurde gefunden, daß in einer Anzapfdampfturbine (Extraktionsdampfturbine) der Boxlerbetriebszustand durch Verändern der Stellung des Dampfein-

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laßventiles beibehalten werden kann, um den Dampfeinlaßdruck zu steuern. Darüber hinaus wurde es als vorteilhaft gefunden, die Turbinendrehzahl durch Verändern der Stellung des Extraktionssteuerventiles zu steuern. Wenn die Erfordernisse der Einlaßdrucksteuerung und der Turbinendrehzahlsteuerung erfüllt sind, kann überschüssige Dampfströmung zur Turbine abgeleitet werden, um andere Prozeßaufgaben zu erfüllen.

Es ist unter normalen Betriebsbedingungen beabsichtigt, daß das Einlaßventil und das Extraktionsventil unabhängig positionierbar sind, um den vorgenannten Anforderungen zu genügen. Unter einer Bedingung jedoch, wo das Extraktionsventil vollständig geschlossen ist und die Turbinendrehzahl weiterhin ansteigt, wird es für die Drehzahlsteuerung notwendig, die Einlaßdrucksteuerung der Turbine zu übersteuern und dadurch die Turbinendrehzahl unter Verwendung des Einlaßventiles zu regeln.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung/ ein Regelsystem für eine Extraktionsdampfturbine zu schaffen, bei der der Einlaßdampfdruck (Strömung) der Turbine und die Turbinendrehzahl unabhängig voneinander gesteuert werden können.

Weiterhin wird ein Regelsystem für eine Extraktionsdampfturbine geschaffen, bei der unter gewissen Umständen die Drehzahlsteuerung die Einlaßdrucksteuerung übersteuert.

Zur Lösung dieser Aufgaben wird eine Extraktionsdampfturbine mit einem Regelsystem gemäß der Erfindung versehen. Im allgemeinen wird genügend Dampf zur Erfüllung der Turbinenlast- und Drehzahlerfordernisse durch einen Abfallwärmeboiler geliefert, dessen Ausgangsgröße der' Dampfturbine über ein Dampfeinlaßventil zugeführt wird. Das Einlaßventil wird gemäß einem Druck- oder Strömungssignal positioniert/ das indirekt ein Maß für den Boilerbetriebszustand ist. Die Turbinendrehzähl wird durch ein Extraktionssteuerventil gesteuert, das gemäß einem Turbinendrehzahlsignal positioniert wird. Nachdem das Turbineneinlaßdruckerfordernis und das Turbinendrehzahlerfordernis erfüllt worden sind, kann überschüssiger Dampf von der Turbine abgezapft werden, um andere Erfordernisse bzw.

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Aufgaben der Prozeßanlage zu erfüllen. Wenn die Turbinendrehzahl durch das Extraktionsventil nicht länger gesteuert werden kann, kann das die Einlaßventilposition darstellende Signal durch das Drehzahlsteuersignal durch eine das Einlaßventil positionierende Vorrichtung übersteuert werden, bis die normale Drehzahlsteuerung wieder durchgeführt werden kann.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung erläutert.

Die Figur zeigt eine schematische Darstellung von einer Extraktionsturbine mit damit in Beziehung stehenden' Prozeßanlagenleitungen und einer Regeleinrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Eine Prozeßanlage kann eine Extraktionsdampfturbine 11 mit einem Einlaßventil 13 und einem Extraktionssteuerventil 15 aufweisen. Der Dampf zum Antrieb der Dampfturbine wird in einem Dampfgenerator oder Abfallwärmeboiler 17 erzeugt. Dier Abfallwärmeboiler ist mit dem Dampfeinlaßventil der Turbine über eine Dampfeinlaßleitung 19 verbunden. Die Wärmeboiler kann ein berührungsloser Wärmetauscher sein, der Abfallwärme enthaltendes heißes ProzeßstrÖmungsmittel in Wärmetauscherrelation mit einer Turbinenspeisewasserversorgung führt. Die Dampfströmung am Ausgang des Boilers kann variabel sein und hängt von der Strömungsgeschwindigkeit und der Temperatur des Abfallwärme enthaltenden Prozeßströmungsmittels ab, aber gewöhnlich reicht sie aus, um der Turbinenlast und den Drehzahierfordernissen unter vorgesehenen .Prozeßbedingungen zu genügen. Ein nicht gezeigter Hilfsboiler kann noch parallel zu dem Abfallwärmeboiler vorgesehen sein, um Betriebszuständen beim Anlauf und bei geringer Wärme zu genügen, falls dies erforderlich ist. Alternativ oder in Verbindung mit dem Hilfsboiler kann eine Zusatzfeuerung (nicht gezeigt) für den Abfallwärmeboiler vorgesehen sein.

Der Druck des, Abfallwärmeboilers kann indirekt teilweise durch die Einlaßventilposition gesteuert werden. D.h., wenn der Boiler-

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druck zu hoch ist, kann das Einlaßventil angehoben werden, um den Ausgangsdampf aus dem Boiler zu vergrößern und dadurch den Boilerdruck z^ senken. Wenn umgekehrt der Boilerdruck zu niedrig ist, kann das Einlaßventil gesenkt werden, um den Ausgangsdampf aus dem Boiler zu verkleinern und infolgedessen den Boilerdruck zu erhöhen. Somit kann der Boilerdruck durch Positionieren des Dampfeinlaßventils gesteuert werden. Es ist an sich wünschenswert, den Boilerdruck auf einer gewissen vorbestimmten Höhe zu halten und erfindungsgemäß wird dies durch Positionieren des Einlaßventils in einer noch zu beschreibenden Weise erreicht, indem die gesamte Wärmeenergie verwendet wird, die aus dem Abfallwärme enthaltenden Prozeßströmungsmittel· verfügbar ist.

Gemäß der Erfindung sind Mittel vorgesehen zum Abtasten eines Dampfeinlaßzustandes (Druck oder Strömungsmenge) und zumvergleichen des tatsächlichen Dampfzustandes mit einem Soll-Dampfzustand, um ein Dampfzustands-Steuersignal zu liefern. Genauer gesagt wird der Dampfeinlaßdruck oder die Strömungsmenge innerhalb der Dampfeinlaßleitung durch eine Druckabnahme stromabwärts von dem Dampfgenerator und stromaufwärts von den Dampfeinlaßventilen abgetastet. Die Druckabzapfung ist mit einem Druckregler oder einer Steuervorrichtung 23 über eine Leitung 21 verbunden. Die Steuervorrichtung kana irgendeine bekannte Vorrichtung sein, die das oben beschriebene Abtasten und Vergleichen durchführen kann. Beispielsweise könnte die Vorrichtung elektrisch, elektronisch oder mechanisch sein. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Ausgangsgröße der Dampfdruckabzapfung in ein Luftdrucksignal (das proportional vermindert ist) umgewandelt, woraufhin es in der Drucksteuerung zu einem wählbaren Druckreferenzsignal summiert und kompensiert wird, um ein Drt..:kfehler signal in Form eines Lüftdrucksignales auf der Leitung 25 zu bilden. Die Leitung 25 ist mit einem Luftmotor 27 verbunden, der eine innere durch Federkraft vorgespannte Membran aufweist, die mit einer Ausgangsstange'29 verbunden ist. Der Ltiftmotor ist ein Wandler, der das Fehlersignal Causgeärüdkt in Luftdruck) in eine lineare Verschiebung der Stange 29 umwandelt, die das Dampfdruck-Steuersignal darstellt:.. Falls das Referenzlaftslgnal, das einen im voraus eingesfeellfcen Soll-Dampfzustand^ darstellt, von dem abgetasteten

Dampfzustand überschritten wird, der in ein proportionales Luftsignal umgewandelt ist, dann senkt sich der Stab 29 ab, wodurch das Dampfeinlaßventil angehoben wird, um dadurch den Einlaßdampfdruck in einer noch zu beschreibenden Weise zu senken.

Das Extraktionssteuerventil kann dazu verwendet werden, die Drehzahl bzw. Geschwindigkeit der Turbine zu steuern. Wenn das Extraktionssteuerventil angehoben wird, beschleunigt die Turbine, und wenn das Extraktionsventil abgesenkt wird, nimmt die Turbinendrehzahl ab, wobei eine ausreichende Dampfmenge und konstante Last angenommen werd^Das Extraktionsventil kann mechanisch oder elektronisch gesteuert werden. Gemäß der Zeichnung wandelt ein Drehzahlfühler 31, wie beispielsweise ein Tachometer-Generator, die Wellenumdrehungen in eine elektrische Ausgangsspannung auf der Leitung 35 um. Die Leitung 35 ist auf den Eingang einer Steuervorrichtung 33 geschaltet. Innerhalb der Steuervorrichtung wird das tatsächliche oder Ist-Drehzahlsignal auf der Leitung 35 mit einer einstellbaren Bezugsdrehzahl (Spannungssignal) verglichen, um ein Drehzahlfehlersignal zu entwickeln, wobei die Spannungsdifferenz (wenn ein Drehzahlfehler vorhanden ist) eine lineare Translation der Stange 37 bewirkt. Wenn die Turbinendrehzahl zu hoch ist, bewegt sich die Stange 37 nach oben/ um das Ventil· 15 abzusenken. Wenn dagegen die Turbinendrehzahl zu klein ist, bewegt sich die Stange 37 nach unten, um ci.is Ventil 15 anzuheben. Die Steuervorrichtung 33 ist kommerziell verfügbar und umfaßt elektrisch betriebene Pilot- bzw. Steuerventile, die die Strömung des Hydraulikmittels steuert, das einen nicht-gezeigten Kolben am unteren Teil der Stange 37 unter Druck setzt.

Die mechanische Ausgangsgröße der Stange 29 ist ein Dampfzustandssignal, das eine erste Eingangsgröße in eine Einlaßventil-Positioniereinrichtung 41 bildet. Die Ausgangsgröße der Stange 29 hebt oder senkt eine Stange 43, die mit einem ersten Steuerventil 45 verbunden ist. Die mechanische Ausgangsgröße der Stange 37, die zwar direkt auf das; Extraktionssteuerventil 15 zur Drehzahlsteuerung einwirkt, positioniert auch eine Stange 47 und ein zweites' Steuerventil 49, um eine zweite Eingangsgröße für die Einlaßventil-Positioniereinrichtung 41 zu bilden. Diese Positioniereinrichtung

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ist ein hydraulisches Stellglied mit einem unter Druck stehenden Fluideingang (Speisung) durch eine öffnung 51 und zwei Ablaßleitungen, und zwar jeweils eine für jedes Steuerventil. Gemäß der Positionierung der beiden Steuerventile durch die ersten bzw. zweiten Eingangsgrößen liefert ein Kolben 53 eine Ausgangsgröße an die Stange 55, die ihrerseits das Dampfeinlaßventil einstellt. Der Kolben 53 ist durch eine Feder 57 in eine Ventilschließposition vorgespannt. Die Steuerventile 45 und 49 sind so eingestellt, daß unter normalen Betriebsbedingungen das erste Steuerventil mit einer dem Dampfeinlaßzustand entsprechenden ersten Eingangsgröße das Dampfeinlaßventil steuert, während das zweite Steuerventil den Betrieb des Einlaßventiles nicht beeinflußt. Unter einem Zustand, in dem das Extraktionssteuerventil 15 vollständig geschlossen ist und die Stange 37 weiterhin ansteigt (aufgrund einer steigenden Turbinendrehzahl), bewegt sich das Steuerventil 49 nach unten, um eine niedrigere Einlaßventilposition zu fordern, damit die Dampfströmung durch die Turbine vermindert und somit die Einlaßdampfsteuerung übersteuert wird. In dieser Hinsicht arbeitet das hydraulische Stellglied 41 als ein Niedrigwertgatter.

Der aus der Turbine durch eine Abtastleitung 61 abgezogene Dampf

nach ist eine Funktion der Einlaßdampfmenge, die/der Erfüllung der Drehzahl-Lasterfordernisse der Turbine übrig bleibt. Der Extraktionsdampf kann dann dazu verwendet werden, eine gesteuerte Strömung des Prozeßdampfes aus einem Prozeßboiler 63 zu ergänzen. Um den Prozeßboiler 63 noch wirkungsvoller zu steuern, kann eine Extraktionsdruck-Rückkopplungsleitung 65 in eine Boilersteuerung 67 in an sich bekannter Weise eingegeben werden.

Es wird nun ein Betriebsverfahren für eine Prozeßanlage gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es sei angenommen, daß Abfallwärme für den Boiler 17 zur Verfügung steht, die den Zustand des Einlaßdampfes abtastende Vorrichtung einen Einlaßzustand in der Leitung 19 feststellt und diesen mit einem Referenzsignal vergleicht. Wenn der Dampfzustand zu niedrig ist, reicht die Ausgangsgröße auf der Stange 29 nicht aus, damit die Stange 43 angehoben wird, wodurch das Hydraulikmittel abgelassen wird, /das ventil 13 geschlossen bleibt. Wenn der Dampfzustand den

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eingestellten Vergleichspunkt erreicht, senkt sich die Stange 29, um das Steuerventil 45 ins Gleichgewicht zu bringen, so daß die Menge des in das hydraulische Stellglied 41 strömenden Hydraulikmittels gleich dem Ausgangsfluid am Ablaß des ersten Steuerventiles ist. Dadurch wird das Dampfeinlaßventil 13 angehoben, um den Gleichgewichtszustand beizubehalten. Wenn der Dampfzustand den eingestellten Referenzpunkt übersteigt, senkt sich die Stange 29 weiter, um den Strömungsmittelaustritt zu unterbrechen, wodurch der Kolben 53 sich entgegen der Ventilschließfeder 57 absenkt, -woraufhin das Dampfeinlaßventil 13 angehoben wird, bis ein Gleichgewicht erreicht ist. Wenn anschließend der abgetastete Zustand unter den eingestellten Referenzpunkt abfällt, dann wird das Strömungsmittel durch das Steuerventil 45 wieder abgelassen, wodurch sich das Ventil senkt. Auf diese Weise wird der Boilerdruck indirekt auf einem gewünschten Wert gehalten.

Die Drehzahl bzw. Geschwindigkeit wird in ähnlicher Weise gemäß der Ausgangsgröße der Stange 37 gesteuert, die das Extraktionssteuervenitil 15 über das gezeigte Gestänge anstatt über das hydraulische Stellglied positioniert.

Falls das Extraktionssteuerventil 15 bei einem Direhzahlsteuersignal auf der Stange 37 vollständig geschlossen ist und die Turbinendrehzahl weiterhin ansteigt, dann wird die Drehzahlsteuerung durch das hydraulische Stellglied und das Dampfeinlaßventil erreicht. An diesem Punkt wird das -Steuerventil £9 durch die Stange 47 eingestellt, so daß bewirkt wird, daß Strömungsmittel abgelassen: wird. Dadurch wird das Ventil 13 abgesenkt und die Position;, die durch ttes erste Steöerveritil 4S angegeben wird* übersteuert, bis wieder normale Drehzäh^zustände hergestellt sinä.

Claims (7)

1. Ansprüche

   Regeleinrichtung für eine Extraktionsdampfturbine mit einem Dampfeinlaßventil und einem ExtraktionsSteuerventil, die durch Dampf aus einem Dampfgenerator angetrieben ist, der mit dem Dampfeinlaßventil über eine Dampfeinlaßleitung verbunden ist, gekennzeichnet durch Mittel (21 - 29) zum Abtasten des Einlaßdampfzustandes und zum Vergleichen des Einlaßdampfzustandes mit einem Referenzdampfzustand zur Erzeugung eines Dampfzustands-Steuersignales, Mittel (31 - 35) zum Abtasten der Turbinendrehzahl· und zum Vergleichen der Turbinendrehzahl mit einer Referenzdrehzahl zur Erzeugung eines Drehzahlsteuersignals, Mittel (37) zum Einstellen des Extraktionssteuerventils (15) in Abhängigkeit von dem Drehzahisteuersignal und durch eine Einrichtung (41) zum Einstellen des Dampfeinlaßventiis (13), der eine erste Eingangsgröße, die dem Dampfzustands-Steuersignal· proportional· ist, und eine zweite Eingangsgröße, die dem Drehzahl-Steuersignal proportional ist, zugeführt ist und eine einzige Ausgangsgröße liefert zum Einstehen des Dampfeinlaßventils (13), wobei die Ausgangsgröße dem Dampfzustands-Steuersignal entspricht, wenn sie nicht durch das Drehzahl-Steuersignal übersteuert ist, wenn dieses eine kleinere EinsteMung des EiniaBdampfventiies fordert.
2. 2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Einlaßdampfzustand der Dampfdruck stromaufwärts von dem Dampfeinlaßventil (13) ist.
3. 3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Einlaßdampfzustand die DampfStrömung stromaufwärts von dem Dampfeinlaßventil· (13) ist.
4. 4. Regeieinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einstelleinrichtung für das Dampfeinlaßventil· (13) einen Stromungsmitte^DruckVerteiler mit ersten und zweiten unabhängig positionierbaren Eingangssteuerventilen (43, 47) und einen Strömungsmittel-gesteuerten Ausgangskoiben (53) umfaßt und das erste Steuerventil (43)

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   durch das Dampfzustands-Steuersignal und das zweite Steuerventil (47) durch das Drehzahl-Steuersignal eingestellt ist, wobei ctais zweite Steuerventil (47) Druckfluid nur dann abläßt, wenn das Extraktionssteuerventil (15) geschlossen ist und die Turbinendrehzahl, weiterhin ansteigt.
5. 5. Regeleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Ausgangskolben (53) funktionell mit dem Dampfeinlaßventil verbunden ist.
6. 6. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge-, kennzeichnet ,,daß die Extraktionsdampfturbine (11) eine Extraktionsleitung!stromabwärts von dem Dampfeinlaßventil (13) und stromaufwärts von dem ExtraktionsSteuerventil (15) aufweist.
7. 7. Regeleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die den Einlaßdampf abtastenden Mittel ein erstes Signal liefern, das der Differenz zwischen einem Soll-Einlaßdruck und dem Ist-Einlaßdruck des Dampfes proportional ist, und die die Drehzahl abtastenden Mittel ein zweites Signal liefern, das der Differenz zwischen einer Soll-Turbinendrehzahl und der Ist-Turbinendrehzahl proportional ist, wobei die Einstelleinrichtung (41) für das Einlaßventil (13) ein Gatter mit ersten und zweiten Eingangsgrößen, die den ersten bzw. zweiten Signalen entsprechen, aufweist, und die Ausgangsgröße des Gatters jeweils derjenigen Eingangsgröße folgt, die die niedrigste Einstellung des Dampfeinlaßventiles (13) fordert. . ,

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