DE2812820A1

DE2812820A1 - Verfahren und einrichtung zur regelung einer dampfturbine

Info

Publication number: DE2812820A1
Application number: DE19782812820
Authority: DE
Inventors: Heinz Bloch
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1978-01-31
Filing date: 1978-03-23
Publication date: 1979-08-02
Also published as: SE438008B; FR2424995A1; FR2424995B1; DE2812820C2; US4324103A; SE7900764L; BE898731Q; US4274260A

Description

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Verfahren und Einrichtung zur Regelung einer Dampfturbine

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung einer Dampfturbine mit wenigstens einem zwischen einem Hochdruckteil und einem Niederdruckteil angeordneten Zwischenüberhitzer, bei dem ein Sollwert-Istwertvergleich der Drehzahl durchgeführt und eine von der Sollwert-Istwertdifferenz abgeleitete Stellgrösse auf eine Regelventilanordnung gegeben wird. Zum Gegenstand der Erfindung gehört ferner eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Dampfturbinenregelungen umfassen eine Drehzahlregelung im

IQ allgemeinen in Form einer direkten Drehzahlregelung mit im wesentlichen einfach geschlossenem Regelkreis oder in Form einer Drehzahl- bzw. Frequenz-Leistungsregelung, z.B. als Leis.tungsregelkreis mit unterlagertem Drehzahlregelkreis. In beiden Fällen wird ein Sollwert-Istwertvergleich der Drehzahl durchgeführt und von der Sollwert-Istwertdifferenz - direkt bzw. indirekt - eine Stellgrösse abgeleitet. Für die Stabilität und Güte der Regelung, d.h. für einen raschen und schwingungsfreien Uebergang zwischen verschiedenen stationären Betriebszuständen nach Auftreten von stossartigen Störungen, z.B. durch Lastsprünge im Netz eines mit der Turbine gekuppelten elektrischen Generators, ist eine Optimierung des Uebergangsverhaltens des Regelkreises mit entsprechender Dämpfung erforderlich. Für diese Optimierung stehen bei komplexen Regelschaltungen verschiedene üebertragungsglieder mit einstellbaren oder wählbaren Parametern zur Verfügung, was jedoch mit vergleichsweise hohem Schaltungsaufwand verbunden ist. Insbesondere bei Anlagen mit mechanischen oder hydraulischen, proportional wirkenden Drehzahlregelungen kann die Erzielung eines raschen und schwingungsfreien Drehzahl-Uebergangsverhaltens Schwierigkeiten bereiten.

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Dies trifft vor allem für Turbinen-Generatorsätze zu_s die sowohl im sogenannten Inselbetrieb wie auch im Verbundbetrieb arbeiten sollen.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Re gelungsverfahrens und einer entsprechenden Einrichtung_s mittels deren ein vorteilhaftes Drehzahl-Uebergangsverhalten mit vergleichsweise geringem regelungstechnischem Aufwand erzielt werden kann, und zwar insbesondere für einfache Proportional-Drehzahlregelungenj z.B. für im Insel- und Verbundbetrieb arbeitende Turbinen. Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die im Patentanspruch angegebenen Merkmale.

Für eine durch eine Störung, z.B. einen Lastsprung verursachte Stellgrössenänderung wirkt die so erzeugte Rückführgrösse im Sinne einer Gegenkopplung, vermindert also grundsätzlich die entsprechende Stellgrössenänderung, jedoch mit einer Verzögerung entsprechend der Strömungsträgheit des Zwischenüberhitzers, d.h. entsprechend der Verzögerungszeitkonstanten der Druckübertragung durch den Zwischenüberhitzer, kurz "Zwischenüberhitzer-Zeitkonstante" genannt. Infolge dieser Trägheit reagiert der Druck am Ausgang des Zwischenüberhitzers mit einer Verzögerungszeitkonstante in der Grössenordnung von einigen Sekunden auf eine einlassseitige Druck» änderung, d.h. im wesentlichen auf eine Verstellung der Einlassventile des vorangehenden Hochdruckteiles der Turbine. Der hochdruckseitige Messdruck folgt mit nur geringer Verzögerung dem Eingriff der Regelventilanordnung unter der Wirkung der Stellgrösse= Die stabilisierende Wirkung der Rückführung kann nun im groben dadurch gedeutet werden, dass ©s im allgemeinen bevorzugt die Strömungsträgheit des Zwi-

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schenüberhitzers und damit die verzögerte Reaktion der Drehmomentkomponente des nachfolgenden Niederdruckteiles ist, welche zu Ueberschwingen und allenfalls Instabilität führen kann. Diese verzögerte Reaktion der Regelstrecke kann durch die vorliegende Gegenkopplung mehr oder weniger kompensiert werden, wobei die auf Null abnehmende Amplitude der Rückführgrösse eine zusätzliche Statikkomponente und damit einen zusätzlichen stationären Regelfehler vermeidet.

Grundsätzlich kann ein Dampfdruck im Bereich zwischen den Einlassventilen des Hochdruckteils und dem Einlass des Zwxschenuberhitzers für die Bildung der Rückführgrösse verwendet werden, weil die Verzögerungen im Ueber gangs verhalt en des Dampfdruckes in diesem Bereich - für die vorliegenden Zwecke - vernachlässigbar gering sind. Die Messstelle muss nur so gewählt werden, dass eine stabile, quasi-stationäre Druckverteilung gewährleistet ist. Vorzugsweise wird der Radkastendruck des Hochdruckteils verwendet, weil für diesen im allgemeinen ohnehin eine Messstelle vorhanden ist und somit ein zusätzlicher Aufwand nicht entsteht.

Stationäre Druckunterschiede zwischen den verschiedenen in Betracht kommenden Messstellen für den hochdruckseitigen Messdruck sind bei üblicher Normierung auf einen Nennwert ohne Einfluss. Eine solche Normierung wird im folgenden für alle verwendeten Messdrücke ohne besonderen Hinweis und ohne eigene Darstellung vorausgesetzt.

Hinsichtlich der Einrichtung zur Durchführung des Regelungsverfahrens umfasst der Erfindungsgegenstand zwei Lösungen, die sich durch die in den Patentansprüchen 3 bzw. 9 angegebenen Merkmale kennzeichnen.

K'si der ersten Lösung _ÄwJ.gcLd&.s auj¹ J^iIl abnehmende Ueber·

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gangsverhalten der Rückführgrösse auf einfache Weise mittels eines differenzierenden Uebertragungsgliedes oder durch ein zusammengesetztes.Uebertragungsglied mit einer Uebertragungs-

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funktion^ die ein entsprechendes D-Verhalten aufweist. Perner wird das Verzögerungsverhalten, in der Literatur bekanntlich auch als T-Verhalten bezeichnet, so eingestellt, dass die Strömungsträgheit in der Druckübertragung des Zwischenüberhitzers mehr oder weniger weitgehend nachgebildet wird und sich darüber hinaus eine Verzögerung des so nachgebildeten Zwischenüberhitzerdruckes entsprechend der erstrebten Stabxlisierungswirkung ergibt. Eine solche Einrichtung zeichnet sich durch vergleichsweise geringen apparativen Aufwand und hohe Betriebssicherheit aus.

Die zweite Lösung sieht eine Differenzbildung der in entsprechende Signale umgesetzten Drücke auf beiden Seiten des Zwischenüberhitzers vor, wobei die im stationären Betrieb verschwindende Differenz der normierten Drücke vor und hinter dem Zwischenüberhitzer für das Abnehmen der Rückführgrösse auf wenigstens annähernd Null ausgenutzt wird ο Eine solche Schaltung erfordert auf der Signalseite einen etwas geringeren Schaltungsaufwand, dafür jedoch einen grösseren apparativen Aufwand, der im allgemeinen stärker ins Gewicht fällt. Auch wegen der Anordnung des einzigen erforderlichen Druck-Messwandlers im Bereich der niedrigeren Dampftemperaturen vor dem Zwischenüberhitzer und der somit geringeren Wandlerbelastung sowie verbesserten Betriebssicherheit ist die erste Lösung vielfach zu bevorzugen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den Zeichnungen schematisch veranschaulichten Ausführungsbeispiele erläutert. Hierin zeigt;

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Pig. 1 das Prinzip-Wirkschaltbild einer Dampfturbine mit Hochdruckteil, Zwischenüberhitzer, Niederdruckteil und Drehzahlregelkreis sowie Rückführung einer vom hochdruckseitigen Messdruck abgeleiteten Grosse im Regelkreis,

Fig. 2 einen abgewandelten Schaltungsbaustein aus der Anordnung gemäss Fig. 1,

Fig. 3 das Prinzipschaltbild einer Dampfturbine entsprechend Fig. 1, jedoch mit Rückführung einer von der Druckdifferenz über dem Zwischenüberhitzer abgeleiteten

Grosse in den Regelkreis, und

Fig. 4 ein Diagramm der auf die Nenndrehzahl η bezogenen Drehzahländerung Δα über der Zeit t als Antwort auf eine sprungartige Abnahme der Generatorleistung (negativer Lastsprung).

Die in Fig. 1 angedeutete Turbine besteht aus einer über eine Regelventilanordnung RV gespeisten Hochdruckstufe HD mit nachfolgendem Zwischenüberhitzer ZU und von letzterem gespeister Niederdruckstufe ND. An die Turbine als Regelstrecke ist ein Tachogenerator Gn als Messglied angeschlossen, welches die Turbinendrehzahl in ein entsprechendes Istwertsignal η,, umsetzt. Letzteres wird in einem als Sollwert-Istwertvergleicher wirkenden Ueberlagerungsglied SIV subtraktiv mit einem von einem entsprechenden Geber gelieferten Sollwertsignal n_g überlagert. Die sich hieraus ergebende Sollwert-Istwertdifferenz wird im Falle der dargeeteilten _s «infachen Proportionalregelung in einem Regelverstärker VR in eine Stellgröße jr umgesetzt ₃ die über «inen nieht näher

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der Regelventilanordnung RV steuert.

Ein solcher Drehzahl-Regelkreis ergibt bei einem negativen Lastsprung typisch einen Ausgleichsvorgang, wie er in Fig.4 durch die Kurve I angedeutet ist. Die auf Nenndrehzahl η bezogene Drehzahländerung .Λη/η geht nach ausgeprägten Schwingungen, die sich typisch über eine Zeitdauer von etwa 15 Sekunden erstrecken, in einen durch die Statik des Regelkreises bestimmten, stationären Wert über. Dabei erreicht die maximale Ueberschwingungsamplitude von ^n/n etwa den 2,5-fachen Wert der stationären Drehzahländerung. Ein derartiges Uebergangsverhalten ist insbesondere für den Inselbetrieb eines grösseren Turbosatzes im Hinblick auf die FrequenzSchwankungen im Lastnetζ unerwünscht oder sogar unzulässig.

Im folgenden wird die Normierung der Messdrücke stillschweigend vorausgesetzt.

Zur Dämpfungsoptimierung ist in Fig. 1 die Rückführung einer von einem hochdruckseitigen Messdruck p. , hier vom Radkastendruck des Hochdruckteils HD über einen Druck-Messwandler Tr abgeleiteten Grosse in den Regelkreis mit gegensinniger Wirkung zur Stellgrösse vorgesehen. In dem hierzu gebildeten Rückführzweig R der Schaltung wird das Ausgangssignal des Wandlers Tr mittels einer Uebertragungsschaltung VDTT in eine Rückführgrösse k umgesetzt, die an einen gegensinnig zur Polarität des Sollwertsignals η und damit gegensinnig zu der Polarität der Stellgrösse y wirkenden Eingang eines zusätzlichen, subtraktiven Ueberlagerungsgliedes VU im Ausgangskreis des Regelverstärkers VR angeschlossen ist.

Die Uebertragungsfunktion der Uebertragungsschaltung VDTT

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ist vom Typ T₁-S/(1 + T₂.a).(l + T,.s), wobei s der Laplace-Operator und T₁ die Zeitkonstante der D-Komponente, d.h. des differenzierenden Zählerterms der Uebertragungsfunktion ist. Diese D-Komponente bewirkt ein auf Null nachgebendes Uebergangsverhalten der Rückführgrösse k, wodurch ein statischer Fehler bzw. eine zusätzliche bleibende Regelabweichung vermieden wird. Die D-Zeitkonstante T, wird im allgemeinen wenigstens annähernd entsprechend der Zwischenüberhitzer-Zeitkonstanten eingestellt. Die Uebertragungsfunktion weist ausserdem ein Verzögerungsverhalten (T-Verhalten) zweiter Ordnung entsprechend dem angegebenen Nennerterm mit den beiden Zeitkonstanten T„ und T auf. Eine dieser Zeitkonstanten, beispielsweise T,, wird entsprechend einer Nachbildung der Strömungsträgheit und damit der Verzögerung in der Druckübertragung des Zwischenüberhitzers eingestellt, während die andere Zeitkonstante, hier also Tp, auf einen mindestens der Zwischenüberhitzer-Zeitkonstanten entsprechenden Wert eingestellt wird, z.B. also auf einen grösseren Wert, um die erstrebte Stabilisierung und Schwingungsdämpfung im Uebergangsverhalten des Regelkreises zu verwirklichen. Die Zeitkonstanten T,, T und T sind als Betriebsparameter an entsprechenden Eingängen der Uebertragungsschaltung VDTT einstellbar, wie dies in Fig. 1 angedeutet ist.

Fig. 2 zeigt eine schaltungstechnisch einfach realisierbare Ausführung der Uebertragungsschaltung VDTT unter Verwendung zweier einfacher Verzögerungsglieder VT- und VT mit den Uebertragungsfunktionen 1/(1 + T .s) bzw. 1/(1 + T .s). Die Zeitkonstanten T„ und T, werden an zugehörigen Eingängen eingestellt. Die beiden Verzögerungsglieder sind in Reihe geschaltet, wobei für die Verwirklichung des nachgebenden Uebergangsverhaltens entsprechend einer D-Komponente durch subtraktive Ueberlagerung des Ausgangssignals von VT mit

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dem Ausgang von VT» in einem Ueberlagerungsglied Vs erzeugt wird. Eine Umrechnung zeigt, dass auf diese Weise eine Uebertragungsfunktion mit D-Verhalten erster Ordnung sowie T-Verhalten zweiter Ordnung,.wie weiter oben angegeben, erhalten wird. Für die Einstellung der D-Zeitkonstanten T, bzw. der den Konstantenzählerfaktor der Uebertragungsfunktion bestimmenden Proportionalverstärkung im Rückführzweig ist dem Ausgang des Ueberlagerungsgliedes Vs noch ein Multiplikator M mit einem Verstärkungs-Steuereingang für T, nachgeordnet.

Bei der Ausführung nach Fig. 3 umfasst der Rückführzweig R, zwei Druck-Messwandler Tr- und Tr₂, deren erster an den Radkastendruck des Hochdruckteils HD und deren anderer an den Zwischenüberhitzerdruck ρ angeschlossen ist» Ein Differenzbildner Vd bildet ein der Druckdifferenz über dem Zwischenüberhitzer entsprechendes Signal, welches über einen Multiplikator M, mit einstellbarer Verstärkung g und eine Uebertragungsschaltung (VTj)_s die hier als einfaches Verzögerungsglied ausgebildet ist, in eine Rückführgrösse k für die subtraktive Ueberlagerung mit der Stellgrösse y in einem entsprechenden Ueberlagerungsglied VS umgesetzt wird» Infolge des höheren apparativen Aufwandes für die beiden Messwandleranordnungen bedarf es auf der Signalseite keiner besonderen D-Komponente für das erstrebte nachgebende Uebergangs verhalt en sowie keiner Nachbildung des Zxtfischenüberhitzerdruckes. Dadurch ergibt sich die Verwendung eines einfachen Verzögerungsgliedes mit der Zeitkonstanten T und einstellbarer Proportionalverstärkung g im Multiplikator M,»

Kurve II in Fig. 4 zeigt die Wirkung des Rückführziireiges für folgende Parametereinstellung: Verstärkungsfaktor g = 0_s5 Zeitkonstante T = Ztirischenüberhitzer-Zeitkonstante» Ersieht=

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lieh wird dadurch eine wesentliche Verbesserung des Uebergangsverhaltens mit praktisch vollständiger Vermeidung von Pendelungen erzielt, und zwar bemerkenswerterweise praktisch ohne Verzögerung der maximalen Drehzahlüberhöhung im Vergleich zu der maximalen Ueberschwingungsamplitude der Kurve Eine noch weitergehende Optimierung der Parametereinstellung mit g = 1,5 und wiederum T = Zwischenüberhitzer-Zeitkonstante zeigt Kurve III, die nicht nur frei von Pendelungen ist, sondern auch merklich früher als Kurve II in den neuen stationären Drehzahlwert einmündet und daher etwa dem anzustrebenden Idealfall der aperiodischen Dämpfung entspricht. Verstärkungswerte im Bereich zwischen 1 und 2 sind also zu bevorzugen. Im einzelnen nicht wiedergegebene Untersuchungen führten ferner zum Ergebnis, dass die Verzögerungszeitkonstante T die Zwischenüberhitzer-Zeitkonstante nicht unterschreiten, sondern eher überschreiten sollte.

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Claims

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Brown, Boveri & Cie. Fd/dh

Baden (Schweiz)

Patentansprüche

Verfahren zur Regelung einer Dampfturbine mit wenigstens einem zwischen einem Hochdruckteil und einem Niederdruckteil -angeordneten Zwischenüberhitzer_s bei dem ein SoIlwert-Istwertvergleich der Drehzahl durchgeführt und eine von der Sollwert-Istwertdifferenz abgeleitete Stellgrösse auf eine Regelventilanordnung gegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass von einem Dampfdruck (hochdruckseitiger Messdruck ρ ) zwischen den Einlassventilen des

Hochdruckteils (HD) und dem Einlass des Zwischenüberhitzers (Zu) eine verzögerte und im stationären Betrieb wenigstens annähernd auf Null abnehmende Rückführgrösse (k) abgeleitet und gegensinnig zur Stellgrösse (y) in den Regelkreis eingekoppelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch I₅ dadurch gekennzeichnet₃ dass die Rückführgrösse vom Radkastendruck des Hochdruckteils (HD) abgeleitet wird.
3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang eines an einen hochdruckseitigen Messdruck (ρ ) angeschlossenen

Druck-Messwandlers (Tr) durch eine Uebertragungsschaltung (VDTT) an einen gegensinnig zur Stellgrösse (y) wirkenden Eingang eines im Regelkreis angeordneten Ueberlagerungs-"gliedes (VU) angeschlossen ist und dass die Uebertragungsfunktion der Uebertragungsschaltung (VDTT) eine Differentialkomponente (D-Verhalten) und eine Verzögerungskomponente (T-Verhalten) aufweist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Uebertragungsfunktion der Uebertragungssehaltung

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(VDTT) eine Differentialkomponente erster Ordnung mit einer der Zwischenüberhitzer-Zeitkonstanten wenigstens annähernd gleichen Differentialzeitkonstanten (T ) aufweist.
5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Uebertragungsfunktion der Uebertragungsschaltung (VDTT) eine Verzögerungskomponente mindestens zweiter Ordnung mit einer ersten und zweiten Verzögerungszeitkonstanten (T, bzw. Tp) aufweist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verzögerungszeitkonstante (Tp) der übertragungsschaltung (VDTT) mindestens gleich der Zwischenüberhitzer-Zeitkonstanten (T.) bemessen ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verzögerungszextkonstante (T,) wenigstens annähernd entsprechend einer Nachbildung des VerzögerungsVerhaltens der Druckübertragung im Zwischenüberhitzer (ZU) bemessen ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Uebertragungsschaltung (VDTT) zwei hintereinandergesehaltete Verzögerungsglieder CVT₂, VT,) aufweist und dass die Ausgänge beider Verzögerungsglieder an je einem von zwei zueinander gegensinnigen Eingängen eines subtraktiven Ueberlagerungsgliedes (Vs) angeschlossen sind, dessen Ausgang gegensinnig zur Stellgrösse (y) in den Regelkreis eingekoppelt ist.
9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang eines

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an den Radkastendruck des Hochdruckteils (HD) angeschlossenen ersten Druck-Messwandlers (Tr₁ ) sowie der Ausgang eines an den Zwischenüberhitzerdruck (p ) angeschlossenen zweiten Druck-Messwandlers (Tr ) an je einen von zwei zueinander gegensinnigen Eingänge eines Differenzbildners (Vd) angeschlossen sind_s dessen Ausgang über eine Uebertragungsschaltung mit Verzögerungsverhalten (VT,) gegensinnig zur Stellgrösse (y) in den Regelkreis eingekoppelt ist.

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