DE2648228B2

DE2648228B2 - Verfahren zur Zweigrößen -Führungsregelung eines Dampferzeugers

Info

Publication number: DE2648228B2
Application number: DE19762648228
Authority: DE
Inventors: Ladislaus Dr. Borsi; Wolfgang Ing.(Grad.) Hofmeister; Guenter Dr. Kallina
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-10-25
Filing date: 1976-10-25
Publication date: 1981-02-05
Also published as: DE2648228A1; IT1086904B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zweigrößen-Führungsregelung eines Dampferzeugers gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Dampferzeuger, beispielsweise in einem Kraftwerksblock, ist als eine stcrk vermaschte Mehrgrößen-Regelstrecke mit vielen Prozeßgrößen (Stell-, Stör- und Regelgrößen) anzusehen. Als Regelgrößen treten hier z. B. die elektrische Leistung des Turbogenerators, Dampfdrücke am Kesselaustritt und an anderen Stellen, Dampftemperaturen im Hochdruckteil und in den Zwischenüberhitzern, Sauerstoff des Rauchgases usw. auf.

Stellgrößen sind der Brennstoffstrom, der Speisewasserstrom, Einspritzwasserströme in den verschiedenen Kühlern, Verbrennungsluftstrom,

Turbinenventile usw. Bei derartigen Mehrgrößen-Regelsystemen wirkt eine Änderung einer Prozeßgröße ^ auf alle anderen Prozeßgrößen mehr oder weniger stark "ein, dadurch wird ihre regelungstechnische Beherrschung, angefangen bei der Erstellung eines Regelungskonzepts, sehr schwierig. Verbesserungen werden durch Aufgliederung und Zusammenfassung der einzelnen Regelungen in Mehrgrößen-Führungsregelungen erreicht. Aus der Zeitschrift »Technische Mitteilungen«,

ίο Heft 8/1966, Seite 397, 398 ist eine Zweigrößen-Führungsregelung eines Dampferzeugers bekannt, mit einem ersten Hauptregelkreis mit der Regelgröße »Dampfleistung« und der Stellgröße »Heizleistung« und einem zweiten Hauptregelkreis mit der Regelgröße »Dampfqualität« und der Stellgröße »Speisewasserstrom« und einer Vielzahl von der Führungsregelung untergeordneten Regelkreisen, z. B. für die Regelung der Dampftemperaturen, der mechanischen Leistung, der Brennluftmenge usw. Zwischen den beiden Hauptregelkreisen besteht hierbei eine Kopplung, wie sie auch bei dem in der F i g. 1 der vorliegenden Patentanmeldung dargestellten Beispiel gegeben ist:

Die von der Führungsregelung F geführte Zweigrößen-Regelstrecke R besteht aus der eigentlichen Regelstrecke »Dampferzeuger« zuzüglich den unterlagerten Regelungen, wie den Temperaturregelungen im Heißdampf- und Zwischenüberhitzerteil sowie der Turbinenleistungsregelung.
Die erste Hauptregelgröße »Dampfleistung« kann je nach Betriebsart des Dampferzeugers durch verschiedene Prozeßgrößen abgebildet werden: bei Festdruckbetrieb durch den Dampfdruck am Ausgang des Dampferzeugers, bei modifiziertem Gleitdruckbetrieb durch den Dampfdruck oder die Ventilstellung einer von dem Dampferzeuger betriebenen Turbine oder einer entsprechenden Größe, bei natürlichem Gleitdruckbetrieb durch die Leistung des Verbrauchers, vorzugsweise die elektrische Leistung eines Turbogenerators.
Als Maß für die zweite Hauptregelgröße »Dampfqualität« hat sich bei konventionellen Dampferzeugern, insbesondere vom Zwangsdurchlauftyp, die Enthalpie des Dampfes hinter dem Verdampfer als am besten geeignet erwiesen, da diese Größe am schnellsten auf Beheizungsstörungen reagiert und durch Einstpritzungen in den Hochdruck- und Zwischenüberhitzerteilen gewöhnlich nicht beeinflußt wird. Die erste Hauptstellgröße »Heizleistung« wird durch den Massenstrom des Brennstoffs und dem von ihm geführten Massenstrom der Verbrennungsluft dargestellt.

Die zweite Hauptstellgröße ist der Speisewasserstrom.

Wird beispielsweise bei Festdruckbetrieb der Druck am Ausgang des Dampferzeugers als erste Hauptregelgröße infolge einer Störung zu hoch, greift der Druckregler ein und reduziert die Heizleistung, also den Brennstoffstrom. Die Folge ist, daß der Druck absinkt, gleichzeitig aber auch die zweite Hauptregelgröße »Enthalpie« am Verdampferaustritt. Dies verursacht wiederum ein Eingreifen des Enthalpiereglers im

M> zweiten Hauptregelkreis, der Speisewasserstom wird reduziert. Infolgedessen steigt die Enthalpie wieder, gleichzeitig sinkt der Druck weiter nach unten, wodurch wiederum der Druckregler im ersten Hauptregelkreis zum Eingreifen veranlaßt wird usw. Wenn die

Ί5 Amplitude erhalten bleibt oder sogar aufklingt, führt dieser Vorgang zur sogenannten 8-lnstabilität.

Es besteht demgemäß die Aufgabe, bei einer

der Mehrgrößen -Führursgsregelung, insbesondere einer

Zweigrößen-Führungsregelung, die gegenseitige Beeinflussung der Hauptregelkreise zu verringern.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Zweigrößen-Führungsregelung eines Dampferzeugers vorgeschlagen, mit einem ersten Haupiregelkreis mit der Regelgröße »Dampfleistung« und der Stellgröße »Heizleistung« und einem zweiten Hauptregelkreis mit der Regelgröße »Dampfqualität« und der Stellgröße »Speisewasserstrom« und einer Vielzahl von der Führungsregelung untergeordneten Regelkreisen, ζ. Β. für die Regelung der Dampftemperaturen, der mechanischen Leistung, der Brennluftmenge, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die untergeordneten Regelkreise jeder für sich optimiert werden, und daß mit Hilfe eines den Hauptreglern Gru Gr2 nachgeschalteten Entkopplungsnetzwerks E die in der — den Dampferzeuger und untergeordnete Regelkreise umfassenden — Regelstrecke vorhandenen Kopplungen zwischen der Stellgröße des ersten Hauptregelkreises und der Regelgröße des zweiten Hauptregelkreises sowie zwischen der Stellgröße des zweiten Hauptregelkreises und der Regelgröße des ersten Hauptregelkreises wenigstens annähernd aufgehoben werden.

Wird nunmehr, um bei dem vorerwärmten Beispiel zu bleiben, durch zu hohen Druck am Dampferzeuger-Ausgang der Druckregler im ersten Hauptregelkreis veranlaßt, den Brennstoffstrom und etwas ver. ögert den Speisewasserstrom zurückzunehmen, so bewirkt dies ein Absinken des Druckes, also der ersten Hauptregelgröße.

Die Wirkung des Eingriffs im ersten Hauptregelkreis auf den zweiten Hauptregelkreis besteht in einer gegensinnigen Beeinflussung der Enthalpie: weniger Brennstoff verursacht ein Absinken der Enthalpie, weniger Speisewasser bewirkt ein Ansteigen der Enthalpie. Ist der Verstärkungsfaktor und die Dynamik des Entkopplungsgliedes richtig berechnet, so hebt sich die Wirkung auf die Regelgröße »Enthalpie« exakt auf, d.h. der Druckregler beeinflußt nur den Druck, nicht aber die Enthalpie. Entsprechendes gilt für den Enthalpieregler. Die Hauptregler sehen nur noch einschleifige Regelkreise vor sich, Störungen werden also direkt ohne Beeinflussung der anderen Seite ausgeregelt; die Hauptregler können um den Faktor 5 bis 10 schärfer und ohne gegenseitige Beeinflussung eingestellt werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer solchen Entkopplungsregelung ist in F i g. 2 dargestellt. Zwischen die Hauptregler Gr\ und Gm und die Regelkstrekke R ist das Entkopplungsnetzwerk E geschaltet. Die Eingangsgrößen der Regelstrecke R sind die Stellgrößen »Heizleistung« Qh, z. B. Brennstoff- und Verbrennungsluftstrom, und »Speisewasserstrom« Qw, ihre Ausgangsgrößen sind der Druck ρ als erste Hauptregelgröße bei Festdruckbetrieb des Dampferzeugers und die Enthalpie h des Dampfes nach dem Verdampfer. Beide Stellgrößen ζ)«und Cfysind in der Regelstrecke R miteinander verkoppelt, versinnbildlicht durch die Übertragungsglieder Gn, Gn, G₂\ und G22·

Das vorgeschaltete Entkopplungsnetzwerk E weist entsprechend Übertragungsglieder Grw, Gru, Gru und Gr2\ auf, die so ausgelegt sind, daß die inneren Kopplungen des Entkopplungsnetzwerkes £" die in der Regelstrecke R vorhandenen Kopplungen gerade aufheben.

Die beiden Hauptregler, hier der Druckregler Grj und der Enthalpieregler Gri, sehen deshalb jeweils nur einen GInSChICiFi¹¹Cn Regelkreis vor sich, si? können ohne Beachtung des anderen Regelkreises optimiert werden.

Um realisierbare Entkopplungsnetzwerke zu erhalten, kann von folgenden Bedingungen für die Auslegung der Entkopplungsglieder ausgegangen werden:

übertragungsfunktion für G_Rn = 1,

übertragungsfunktion für Gg₂₁ = K ■

s T
1 +sT "

wobei K ein Proportionalbeiweri. s die komplexe Varia'Je der Laplace-Transformation und T eine Zeitkonstante ist

Damit sind die Übertragungsglieder Gru und Grü ebenfalls als Verzögerungsglieder realisierbar und entsprechend dem Zeitverhalten des Brennstofftransports und der Wärmeentbindung zu bemessen.

In Fig.3 ist eine derartige Entkopplungsregelung schematisch dargestellt:

Dem ersten Hauptregler Gr\ ist je nach Betriebsart des Dampferzeugers die Regelabweichung x_wp des Drucks, XwyT der Turbinenventilstellung oder x_wp der elektrischen Leistung, dem zweiten Hauptregler G/a die Regelabweichung x_Wh der Enthalpie als Eingangsgröße aufgeschaltet.

Die Ausgangsgröße u_p des Reglers Gr\ ist im

JO Entkopplungsnetzwerk Feiner Verknüpfungsstelle V\ zugeführt und dort mit einem, in dem Übertragungsglied Gr2\ mit verzögertem Differentialverhalten aus der Ausgangsgröße u/, des zweiten Hauptreglers G/a gebildeten Signal verknüpft.

Entsprechend wird aus der Ausgangsgröße Uh des zweiten Hauptreglers G« in dem als Tiefpaß wirkenden Übertragungsglied G«22 ein Signal gebildet und in einer zweiten Verknüpfungsstelle V2 mit der von der Ausgangsgröße u_p des ersten Hauptreglers Gr\ in dem

als Tiefpaß wirkenden Übertragungsglied Gru gebildeten Signal verknüpft. Die als Ausgangssignale des Entkopplungsnetzwerks £ auftretenden Stellgrößen Qh und Qw werden, wie in F i g. 2 gezeigt, der Regelstrecke R zugeführt und dort, u. a. als Führungsgrößen für die unterlagerten Regelkreise, verarbeitet.

Bei Regelstrecken höherer Ordnung sind auch die Übertragungsglieder Grm und Gr₂I des Netzwerks E höherer Ordnung und in der Praxis häufig nur mit großem Aufwand realisierbar.

Es hat sich herausgestellt, daß mit einer näherungsweisen Entkopplung mit Übertragungsgliedern erster Ordnung sehr gute Ergebnisse erzielbar sind.

Ein derartiges Schema ist in Fig.4 dargestellt. Die Übertragungsfunktionen des Entkopplungsnetzwerks E gemäß F i g. 2 können wie folgt festgelegt werden:

Tür G_R„ =1

für

+ S-T₁

R12

für G_R21 = K₁

für

■1 ' Rl\

1 + s · 7V

5 6

Das Entkopplungsnetzwerk E umfaßt also nur noch Eine optimale Entkopplung im gesamten Lastbereich zwei Übertragungsglieder, Grm als Verzögerungsglied läßt sich dadurch erzielen, daß die Parameter K und Gr2\ als verzögertes Differcnzierglied. Die Ent- und/oder Tder Übertragungsglieder des Entkopplungskopplung kann durch entsprechende Wahl der Propor- netzwerks £ lastabhängig (Last /.des Dampferzeugers) tionalbeiwerte Κ_Μ2 und Hr₂\ und der Zeitkonstanten 5 gesteuert werden, wie in den Fig. 3 und 4 gestrichelt Trm und Tr2\ optimiert werden. angedeutet ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Zweigrößen-Führungsregelung eines Dampferzeugers mit einem ersten Hauptregellcreis mit der Regelgröße »Dampfleistung« und der Stellgröße »Heizleistung« und einem zweiten Hauptregelkreis mit der Regelgröße »Dampfqualität« und der Stellgröße »Speisewasserstrom« und einer Vielzahl von der Führungsregelung untergeordneten Regelkreisen, z.B. für Regelung der Dampftemperaturen, der mechanischen Leistung, der Brennluftmenge, dadurch gekennzeichnet, daß die untergeordneten Regelkreise jeder für sich optimiert werden, und daß mit Hilfe eines den Hauptreglern (Cm, Gm) nachgcchalteten Entkopplungsnetzwerks (E) die in der — den Dampferzeuger und untergeordnete Regelkreise umfassenden — Regelstrecke vorhandenen Kopplungen zwischen der Stellgröße des ersten Hauptregelkreises und der Regelgröße des zweiten Hauptregelkreises sowie zwischen der Stellgröße des zweiten Hauptregelkreises und der Regelgröße des ersten Hauptregelkreises wenigstens annähernd aufgehoben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entkopplungsnetzwerk (E) aus zwei Übertragungsgliedern (Gru, G«u) gebildet wird, und daß das Ausgangssignal (u_p) des ersten Hauptreglers (Gm) einer ersten Verknüpfungsstelle (V 1) und dem als Verzögerungsglied erster Ordnung wirkenden ersten Übertragungsglied (Gru) zugeführt wird,

und daß das Ausgangssignal (Uh) des zweiten Hauptreglers fG«) einer zweiten Verknüpfungsstelle (V2) und dem als verzögertes Differenzierglied wirkenden zweiten Übertragungsglied (Gr2\) zugeführt wird,

und daß das Ausgangssignal des ersten Übertragungsgliedes (Gr\₂) der zweiten Verknüpfungsstelle (V2) und das Ausgangssignal des zweiten Übertragungsgliedes (Gr2i) der ersten Verknüpfungsstelle (Vi) zugeführt wird,

und daß die Ausgangssignale der Verknüpfungsstellen (Vi, V2) als Hauptstellgrößen (Q_H, Qw) der Regelstrecke f/ty zugeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter des Entkopplungsnetzwerkes ^lastabhängig gesteuert werden.