DE2805303A1

DE2805303A1 - Verfahren zur steuerung eines kraftwerks

Info

Publication number: DE2805303A1
Application number: DE19782805303
Authority: DE
Inventors: Jacques Bruneau; Gilbert Riollet
Original assignee: Alsthom Atlantique SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1977-02-09
Filing date: 1978-02-08
Publication date: 1978-08-10
Also published as: FR2380418A1; GB1546352A; CH621603A5; FR2380418B1; US4215552A

Description

VERFAHREN ZU» STEUERUNG EINES KRAFTWERKS

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Kraftwerks.

Unter Kraftwerk soll eine Anlage verstanden werden, die zumindest einen Dampferzeuger auf Verbrennungs- oder nuklearer Basis mit zugeordneter Turbine aufweist. Im allgemeinen ist an die Turbine ein Generator angekoppelt, der die mechanische Energie der Turbine in elektrische Energie umformt.

Zur Anpassung der vom Kraftwerk gelieferten Energiemenge an den Bedarf wird entweder auf die Wärmeaufnahme des Dampferzeugers oder auf die Einlaßmenge des Dampfes in die Turbine oder gleichzeitig auf diese beiden Faktoren eingewirkt.

Jede Betriebsänderung einer solchen Anlage, z.B. eine Änderung der Dampfeinlaßmenge oder der Temperatur des Arbeitsmediums führt jedoch an der Turbine zu mechanischen und thermischen Beanspruchungen.

Insbesondere die Scheiben und ihre Verlängerung

in den zentralen Schaft des Rotors der ersten Turbinenräder sind äußerst starken Belastungen ausgesetzt; zu plötzliche Betriebsänderungen können zu höhet Wärmebeanspruchungen mit sich bringen, durch die es vor allem an diesen Scheiben zu Brüchen kommen kann.

Früher verlangte daher die Steuerung eines Kraftwerks erfahrenes Personal und Fingerspitzengefühl.

In der Praxis wurde dabei mit hohen Sicherheitsmargen gearbeitet; daraus ergab sich, daß der Betrieb der Anlage nicht mit der mit den höchstzulässigen Beanspruchungen des

809832/0966

Materials vereinbaren größtmöglichen Geschwindigkeit an den jeweils bestehenden Energiebedarf angepaßt wurde.

Zur Erleichterung der Aufgaben der mit der Steuerung betrauten Personen wurden Mittel beschaffen, mit denen zu jedem Zeitpunkt der Abstand zwischen tatsächlicher Beanspruchung am verwundbarsten Punkt der Maschine und höchstzulässiger Beanspruchung an diesem selben Punkt berechnet werden konnte. Jedoch ist die Kenntnis dieses Abstands zu einem gegenwärtigen Zeitpunkt nicht zur richtigen Steuerung einer derartigen Anlage ausreichend, denn man kann nicht mit Sicherheit voraussehen, ob diese Beanspruchung ohne Beschädigung des Materials eine kurze Zeit danach noch akzeptabel ist, da die Zeitkonstanten von Energieerzeugungsanlagen im allgemeinen sehr groß sind (etwa zehn Minuten).

Aufgrund des wachsenden Energiebedarfs der modernen Welt müssen Energieerzeugungsanlagen im Betrieb bis an die Grenze ihrer Möglichkeiten gefahren werden; vor allem muß der Anlauf einer Energieerzeugungsanlage so schnell erfolgen können, wie es die Beachtung der maximal zulässigen Beanspruchungen gestattet; auch ist wünschenswert, daß jeder Änderung des Energiebedarfs ein möglichst kurzer Übergangsbetrieb der Anlage entspricht, wobei gleichzeitig sichergestellt werden muß, daß die auf das Material einwirkenden Beanspruchungen in den zulässigen Grenzen bleiben.

Ziel der Erfindung ist es also, ein diesen Förde*· rungen genügendes Verfahren anzugeben.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden drei Figuren näher erläutert.

809832/0966

■ s .

Pig. 1 zeigt schematisch eine bekannte Kraftwerkanlage, an der das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine Variante des Verfahrens.

Fig. 1 zeigt eine Kraftwerkanlage mit einem Kessel 1, der am Ausgang ein Arbeitsmedium (Wasserdampf) liefert, dessen Temperatur und Durchsatz mit schematisch durch ein Einlaßventil 2 für den Brennstoff 3 und ein Einlaßventil 4 für die Dampfzufuhr zu einer Turbine 5 dargestellten Mitteln verändert werden können.

Mit 6 wird das erste Schaufelrad der Turbine

sehematisch angedeutet. Es sind die Scheiben dieses Schaufelrads, die die größten Beanspruchungen erfahren. Die Turbine läuft mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von N U/Min und gibt eine Leistung W ab.

In Fig. 2 wird die Zeit t als Abszisse und die jeweilige Beanspruchung als Ordinate eingetragen.

Zu einem gegebenen Zeitpunkt to gibt der Punkt Ao die augenblickliche Belastung der Scheibe des Schaufelrads 6 und der Punkt Bo die höchstzulässige Beanspruchung an diesem selben Punkt zum selben Zeitpunkt wieder.

Obwohl die Beanspruchung der Scheibe nicht direkt gemessen werden kann, können die Werte der Ordinaten Ao und Bo errechnet werden. Hierzu werden Drücke und Temperaturen vor der Turbine und der Druck hinter dem Rad 6 gemessen. Von diesen Messungen ausgehend können leicht Arbeitsmediumdurchsatz und die Kennwerte dieses Arbeitsmediums (Druck, Temperatur und Wärme-

809832/0966

austauschkoeffizient mit dem Metall der Scheibe) bestimmt werden.

Bei Kenntnis der vorgenannten Daten kann die Temperaturverteilung im Rotor berechnet werden und daraus eine Durchschnittstemperatur abgeleitet werden. Dann kann die thermische Belastung mit Hilfe von vom Hersteller der Maschine gelieferten Daten berechnet werden.

Der auf den Zeitpunkt to folgende Zeitraum bis zum Zeitpunkt to + T, wobei T in der Größenordnung der Zeitkonstante der Anlage liegb (beispielsweise IO Minuten), ist in η gleiche Intervalle 2*t von beispielsweise etwa 10 Sekunden unterteilt; für jedes Intervall to + k*£ t werden die wahrscheinlichen künftigen Beanspruchungen Ak und Bk bestimmt. Dadurch wird für jeden nach to liegenden Zeitpunkt der Abstand Bk - Ak zwischen der höchstzulässigen Beanspruchung Bk und der tatsächlich einwirkenden Beanspruchung Ak bekannt. Besondere Beachtung schenkt man dabei dem Abstand zwischen der höchstzulässigen Beanspruchung Bn zum Zeitpunkt T = To + η ^t und der tatsächlichen Beanspruchung zu diesem Zeitpunkt.

Die Bestimmung der zukünftigen (tatsächlich einwirkenden und höchstzulässigen) Beanspruchungen erfolgt, indem bei jedem Rechnungsschritt angenommen wird, daß die Eingangsparameter (Temperatur, Druck und Arbeitsmedxumdurchsatz am Einlaß) ihre in der Vergangenheit, d.h. vor to festgestellte Entwicklung weiterführen. Selbstverständlich muß dabei die während des Zeitraums T erfolgende und auf eine Betriebsänderung zurückzuführende Entwicklung berücksichtigt werden.

809832/0966

Vorzugsweise ist das im Steuerungsverfahren genutzte Signal proportional zu

wo Bn die zum Zeitpunkt to + T höchstzulässige Beanspruchung, to der UrsprungsZeitpunkt und T gleich oder in etwa gleich der Zeitkonstanten der Anlage ist. An ist die für den Zeitpunkt to + T geschätzte Beanspruchung und i ist gleich +1 oder -1, je nachdem, ob die Anlage sich in einer Erwärm- oder Abkühlphase befindet.

Die Kenntnis des Signals K wird folgendermaßen durch die Bedienungsperson zum Zeitpunkt to benutzt :

1) In der Erwärmungsphase der Anlage (Einschalten oder Erhöhen der gelieferten Leistung) zeigt ein positiver Wert K der Bedienungsperson an, daß sie über eine Sicherheitsmarge verfügt, die es ihr gestattet, den Brennstoffdurchsatz und/oder den Dampfeinlaß zu erhöhen. Bei K gleich Null weiß die Bedienungsperson dagegen, daß sie über keine Sicherheitsmarge mehr verfügt und daß die Leistung der Maschine nicht mehr erhöht werden darf. Schließlich kann theoretisch K negativ werden. Dann besteht für den Zeitpunkt to + T die Gefahr einer Beschädigung der Anlage. Dieser Fall ergibt sich in der Praxis nicht, wenn die Bedienungsperson vom Einschalten der Anlage an das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren anwendet, sofern der Dampferzeuger nicht versehentlich in eine Übergangsphase geraten ist.

2) In der Abkühlphase der Anlage (Leistungsminderung) zeigt ein positiver Wert von K der Bedienungsperson an, daß sie über eine Sicherheitsmarge verfügt, die es ihr gestattet, die Leistungsminderung zu beschleunigen und den Dampfeinlaß und die Erwärmung

809832/0966

.Λ

des Kessels zu verringern. Bei K gleich Null ist die Leistungsabnahme richtig und bei negativem K muß die Bedienungsperson die Leistungsabnahme und/oder den Temperaturdbfall verlangsamen, jedoch dürfte dieser Fall wie der analoge Fall in der Erwärmungsphase nicht auftreten.

Zur Gewährleistung einer guten Steuerung der Anlage wird das Signal periodisch erarbeitet, beispielsweise 3 bis 4 mal in regelmäßigen Abständen während einer Dauer T, die gleich der Zeitkonstante der Anlage ist.

Entsprechend den durch die Bedienungsperson hervorgerufenen Änderungen in der Steuerung der Anlage können die Kurven A(t) und B(t) zunächst konvergieren und dann divergieren.

In Fig. 3 wird ein Beispiel hierfür gegeben.

Die tatsachliche Belastung wächst bis Am und nimmt dann ab. Die höchstzulässige Belastung nimmt bis Bm ab und wächst dann wieder an. Für die Bedienungsperson ist die Kenntnis des Zeitpunkts Tm für den Mindestabstand Bm-Am und des Werts dieses Abstands interessant.

Liegt dieser Zeitpunkt in der Nähe von to, so kann kaum eine wirksame Schutzmaßnahme getroffen werden. Liegt er dagegen nahe dem Ende der Periode T oder gar danach, kann entsprechend gegengesteuert werden.

Das Signal K kann in einer automatischen Steuervorrichtung einer Energieerzeugungsanlage benutzt werden.

Die mögliche Amplitude der in der Erhitzungsphase bewirkten Änderungen der Stellgröße ist eine steigende Funktion (beispielsweise direkt proportional) des Signals K und eine abnehmende Funktion (beispielsweise umgekehrt proportional) des weiter oben definierten Zeitraums to bis Tm.

809832/0966

In der Abkühlphase ist die Wirkungsrichtung umgekehrt.

Außerdem hat die Bedienungsperson die Möglichkeit, die zukünftige, aufgrund der vergangenen Entwicklung berechnete Entwicklung durch eine zukünftige Entwicklung zu ersetzen, die die Bedienungsperson durch Einwirken auf die Anlage erreichen will. Die Entwicklung der Parameter während der Dauer to bis to + T wird unter Berücksichtigung der von der Bedienungsperson gelieferten Informationen und der tatsächlichen bekannten Daten erarbeitet. Die tatsächliche Entwicklung der Parameter hat dabei eine Zeitkonstante von mehr als 30 Sekunden.

χ χ

809832/0966

L e e r s e ι t e

Claims

PO ΙΟ 725 D

ALSTHOM-ATLÄNTIQUE S.A.

38, avenue Kleber
75784 PARIS CEDEX 16, Frankreich

PATENTANSPRÜCHE

UJ- Verfahren zur Steuerung eines mindestens aus einem Dampferzeuger und einer Turbine bestehenden Kraftwerks, ä a du r c h gekennzeichnet, daß die durch den Dampferzeuger freigesetzte Wärmemenge durch ein Signal gesteuert wird, das den Abstand zwischen der zum Zeitpunkt to + T auf das thermisch am meisten beanspruchte Teil der Turbine einwirkenden Belastung und der höchstzulässigen Belastung auf dieses selbe Teil zum selben Zeitpunkt wiedergibt, wobei to der Ursprungszeitpunkt und T ein in der Größenordnung der zeitkonstante der Energieerzeugungsanlage liegender Zeitraum ist.

2"— Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t, daß das Signal proportional zur

Große _ _ft ist,

Ki » "^a-: J. ·,

wobei Bn die höchstzulässige Beanspruchung des Teils zum Zeitpunkt to + T ist und T in etwa die Zeitkonstante der Anlage darstellt, wobei An die für das Teil für den Zeitpunkt to + T vorherzusehende Belastung ist und O gleich +1 ist, wenn das Teil sich in einer Erwärmungsphase befindet, und gleich -1, wenn das Teil sich in einer Abkühlphase befindet.

809832/0966 ,/.

3 - Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschätzung der Beanspruchungen für den Zeitpunkt to + T dadurch erfolgt, daß angenommen wird, daß die Entwicklung der die thermische Beanspruchung (Temperatur, Druck und Dampfdurchsatz) erzeugenden Parameter zu jedem der nach to liegenden Zeitpunkte gleich ihrer Entwicklung in den jeweils vorhergehenden Zeitpunkten ist.

4 - Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Erwärmungsphase des überwachten Teils die Erhitzung des Kessels und/ oder der Dampfeinlaß vergrößert wird, wenn das signal K positiv ist, und in der Abkühlphase die Erhitzung des Kessels und/oder der Dampfdurchsatz reduziert werden, wenn das Signal K positiv ist.

5 - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal in einer automatischen Steuervorrichtung der Anlage verwertet wird, wobei die Amplitude der in der Erwärmungsphase bewirkten Änderungen der Stellgröße eine wachsende Funktion des Signals K ist.

6 - Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der in Erwärmungsphase bewirkten Änderungen der Stellgröße eine abnehmende Funktion der Zeitdauer zwischen dem Ursprungszeitpunkt to und dem Zeitpunkt to + Tm ist, bei dem der Abstand zwischen höchstzulässiger Belastung des Teils der Turbine und der tatsächlich auf dieses Teil einwirkenden Belastung einen minimalen Wert annimmt.

809832/0966