DE2812820C2 - Regeleinrichtung für eine Dampfturbine - Google Patents

Regeleinrichtung für eine Dampfturbine

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Description

dadurch gekennzeichnet.
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daß die Übertragungsschaltung (VDTT) eine Übertragungsfunktion mit einer Differentialkomponente erster Ordnung aufweist, deren Zeitkonstante (T1) wenigstens annähend gleich der Zeitkonstante des Zwlschenüberhitzers (ZU) ist, und g) daß diese Übertragungsfunktion eine Verzögern ngskomponente mindestens zweiter Ordnung mit einer ersten (Tt) und einer von dieser verschiedenen zweiten Verzögerungszeitkonstanten (Ti) aufweist.
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verzögerungszeitkonstante (Tj) der Übertragungsschaltung (VDTT) mindestens gleich der Zwischenüberhitzer-Zeitkonstanten (Γι) bemessen Ist.
3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Verzögerungszeltkonstante (Tj) wenigstens annähernd entsprechend einer Nachbildung des Verzögerungs- so Verhaltens der Druckübertragung Im Zwlschenuberhltzer (ZU) bemessen 1st.
4. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
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a) daß die Übertragungsschaltung (VDTT) zwei hlnterelnandergeschaltete Verzögerungsglieder (VTu VTy) aufweist und
b) daß die Ausgänge beider Verzögerungsglieder an
je einem von zwei zueinander gegensinnigen eo Eingängen eines subtraktlven ÜberlagernngsglIcdes (VS) angeschlossen sind, dessen Ausgang gegensinnig zur Stellgröße (y) In den Regelkreis eingekoppelt 1st.
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5. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Druck-Meßwandler (Tr) elngangsseitlg an den Radkasten des Hochdruckteils (HD) der Dampfturbine angeschlossen ist.
6. Regeleinrichtung mit den Merkmalen a) bis e) des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet,
f) daß ein erster Druck-Meßwandier (Trx) etngangsseitig an den Radkasten des Hochdruckteils (HD) der Dampfturbine angeschlossen Ist,
g) daß ein zweiter Druck-Meßwandler (Fr2) etngangsseltig an den Zwischenüberhitzer (ZU) angeschlossen 1st, welcher Zwischenüberhitzer elngangsseitig an diesem Hochdruckteil (HD) angeschlossen Ist, und
h) daß die Ausgänge der beiden Druck-Meßwandler (Tr1, Tr1) an je einen von zwei zueinander gegensinnigen Eingängen (+, -) eines Differenzbildners (Vd) angeschlossen sind, welcher Differenzbildner ausgangsseitlg mit der Übertragungsschaltung (VTJ) In Wirkverbindung steht.
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Regeleinrichtung für eine Dampfturbine nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6.
Dampfturbinenregelungen umfassen eine Drehzahlregelung im allgemeinen In Form einer direkten Drehzahlregelung mit im wesentlichen einfach geschlossenem Regelkreis oder in Fijrm einer Drehzahl- bzw. Frequenz-Leistungsregelung, z.B. als Leistungsregelkreis mit unterlagertem Drehzahlregelkreis. In beiden Fällen wird ein Sollwert-Istwertverglelch 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 Übergang zwischen verschiedenen stationären BetrlebszustSnden nach Auftreten von stoßartigen Störungen, z. B. durch Lastsprünge Im T<>stz eines mit der Turbine gekuppelten elektrischen Generators, Ist eine Optimierung des Übergangsverhalter.s des Regelkreises mit entsprechender Dämpfung erforderlich. Für diese Optimierung stehen bei komplexen Regelschaltungen verschiedene Übertragungsglieder 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-Übergangsverhaltens Schwierigkelten bereiten.
Dies trifft vor allem für Turbinen-Generatorsätze zu, die sowohl Im sogenannten Inselbetrieb wie auch Im Verbundbetrieb arbeiten sollen.
Mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik von Regeleinrichtungen für Dampfturbinen Bezug, wie er In der GB-PS 10 31 607 beschrieben 1st. Dort erfolgt die Regelung In Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors des Turbogenerators, von der Leistung des Turbogenerators und vom ZwlschenUberhltzer-Druck. Die Regelgüte wird durch eine Gegenkopplung des trägen Zwischenüberhitzer-Verhaltens verbessert. Nach einer Drosselung des Steuerventils für die Dampfzufuhr zum Hochdruckteil der Dampfturbine ändert sich der Zwlschenüberhltzer-Druck anfangs nur langsam. Die für 3 unterschiedliche Meßsignale auszulegende Regeleinrichtung Ist relativ aufwendig. Zur Verringerung der Störanfälligkeit der Regel-
einrichtung ist es wünschenswert, mit nur 2 unterschiedlichen Meßsignalen ein vorteilhaftes Drehzahl-Übertragungsverfmltcn zu erreichen.
Die Erfindung, wie sie In den Patentansprüchen 1 und 6 definiert ist, löst die Aufgabe, eine Regeleinrichtung für eine Dampfturbine anzugeben, die bei vergleichsweise geringem regelungstechnischem Aufwand weniger stör- und fehleranfällig ist.
Für eine durch eine Störung, z. B. einen Lastsprung verursachte StellgröBenänderung, wirkt die so erzeugte Rückführgröße im Sinne einer Gegenkopplung, vermindert also grundsätzlich die entsprechende Stellgrößenänderung, jedoch mit eiwer Verzögerung, entsprechend der Strömungsträgheit des Zwlschenübechitzers, d.h. entsprechend der Verzögerungszeitkonstanten der Druckübertragung durch den Zwischenüberhitzer, kurz »Zwischenüberhitzer-Zeltkonstante« gennnt. Infolge dieser Trägheit reagiert der Druck am Ausgang des Zwischenüberhitzers mit einer Verzögerungszeitkonstante in der Größenordnung von einigen Sekunden auf eine einlaßseitige Druckänderung, d. h. im vesentiiehen auf eine Verstellung der Einlaßventile des vorangehenden Hochdruckteiles der Turbine. Der hochdruckseltlge 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 es im allgemeinen bevorzugt die Strömungsträgheit des Zwischenüberhitzers und damit die verzögerte Reaktion der Drehmomentkomponente des nachfolgenden Niederdruckteiles ist, welche zu einem Überschwingen und allenfalls zu 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 vermeldet.
Grundsätzlich kann ein Dampfdruck Im Bereich zwischen den Einlaßventilen des Hochdruckteils und dem Einlaß des Zwischenüberhitzers für die Bildung der Rückführgröße verwendet werden, well die Verzögerungen Im Übergangsverhalten des Dampfdruckes in diesem Bereich - für die vorliegenden Zwecke - vernachlässigbar gering sind. Die Meßstelle muß nur so gewählt werden, daß eine stabile, quasl-statlomire Druckverteilung gewährleistet ist. Vorzugswelse wird der Radkastendruck des Hochdruckteils verwendet, weil für diesen Im allgemeinen ohnehin eine Meßstelle vorhanden Ist und somit ein zusätzlicher Aufwawd nicht entsteht.
Stationäre Druckunterschiede zwischen den verschiedenen In Betracht kommenden Meßstellen für den hochdruckseltlgen Meßdruck sind bei üblicher Normierung auf einen Nennwert ohne Einfluß. Eine solche Normierung wird Im folgenden für alle verwendeten Meßdrücke ohne besonderen Hinwels und ohne eigene Darstellung vorausgesetzt.
Bei der ersten Lösung wird das auf Null abnehmende Übergangsverhalten der Rückführgröße auf einfache Weise mittels eines differenzierenden Übertragungsgliedes oder durch ein zusammengesetztes Übertragungsglied mit einer Übertragungsfunktion verwirklicht, die ein entsprechendes D-Verhalten aufweist. Ferner wird das Verzögerungsverhalten, in der Literatur bekanntlich auch als T-Vcrtwlten bezeichnet, so eingestellt, daß die Strömungsträgheit In der Druckübertragung de? 65 Zwischenüberhitzers tiiehr oder weniger weltgehend nachgebildet wird und sich darüber hinaus eine Verzögerung des so nachgebildeten Zwischenüberhitzerdruckes entsprechend der erstrebten Stabillsterungswlrkung 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. 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 Wandlerbelasiung sowie verbesserten Betriebssicherheit Ist die erste Lösung vielfach zu bevorzugen.
Weitere Merkmale und Vorteile <su Erfindung werden anhand der In den Zeichnungen schümatisch veranschaulichten Ausführungsbeispiele erläutert. Hierin zeigt
Flg. 1 das Prinzip-Wirkschaltblld einer Dampfturbine mit Hochdruckteil, Zwischenüberhitzer, Niederdrückten und L/rehzahlregeikrels sowie Rückführung einer vom hochdruckseitlgen Meßdruck abgeleiteten Größe im Regelkreis,
Flg. 2 einen abgewandelten Schaltungsbaustein aus der Anordnung gemäß Fig. 1,
Fig. 3 das Prinzlpschaltblld einer Dampfturbine entsprechend Flg. 1, jedoch mit Rückführung einer von der Druckdifferenz über dem Zwischenüberhitzer abgeleiteten Größe In den Regelkreis, und
Flg. 4 ein Diagramm der auf die Nenndrehzahl na bezogenen Drehzahländerung An über der Zeit t als Antwort auf eine sprungartige Abnahme der Generatorleistung (negativer Lastsprung).
Die in Flg. 1 angedeutete Turbine besteht aus einer über eine Regelventllanordnung RV gespeisten Hochdruckstufe HD mit nachfolgendem Zwischenüberhitzer ZU und von letzterem gespeister Niederdruckstufe ND. An die Turbine als Regelstrecke 1st ein Tachometergenerator Gn als Meßglied angeschlossen, welches die Turbinendrehzahl In ein entsprechendes Istwertalgnal n, umsetzt. Letzteres wird In einem als Sollwert-Istwertverglelcher wirkenden Überlagerungsglied SIV subtraktiv mit einem von einem entsprechenden Geber gelieferten Sollwertsignal η, überlagert. Die sich hieraus ergebende Sollwert-Istwertdlfferenz wird im Falle der dargestellten, einfachen Proportionalregelung in einem Regelverstärker VR In eine Stellgröße y umgesetzt, die über einen nicht näher dargestellten, z. B. elektrohydraullschen, Wandler den Antrieb der Regelventilanordnung R V steuert.
Ein solcher Drehzahl-Regelkreis ergibt bei elnert,- negativen Lastsprung typisch einen Ausgleichsvorgang, wie er In FI g. 4 durch die Kurve I angedeutet Ist. Die auf Nenndrehzahi n„ bezogene Drehzahländerung AnZn0 geht nach ausgeprägten Schwingungen, die sich typisch Über eine Zeltdauer von etwa ISs erstrecken, In einen durch die Statik des Regelkreises bestimmten, stationären Wert über. Dabei erreicht die maximale Übe^xhWlrigungsamplltude von AnZn0 etwa den 2,5fachen Wert der stationären Drehzahländerung. Ein derartiges Übergangsverhalten 1st Insbesondere für den Inselbetrieb eines größeren Turbosatzes im Hinblick auf die Frequenzschwankungen im Lastnetz unerwünscht oder sogar unzulässig.
Im folgenden wird die Normierung der Meßdrücke stillschweigend vorausgesetzt.
Zur Dämpfunjsoptlmlerung 1st In Flg. 1 die Rückführung einer von einem hochdruckseltlgen Meßdruck ph, hler vom Radkastendruck des Hochdruckteils HD Ober einen Druck-Meßwandler Tr abgeleiteten Große In den Regelkreis mit gegensinniger Wirkung zur Stellgröße vorgesehen. In dem hierzu gebildeten Ruckfuhrzweig R der Schaltung wird das Ausgangssignal des Wandlers Tr mittels einer Übertragungsschaltung VDTT In eine Rückführgröße k umgesetzt, die an einen gegensinnig zur Polarität des Sollwertsignals η, und damit gegensinnig zu der Polarität der Stellgroße y wirkenden Eingang eines zusätzlichen, subtraktlven Überlagerungsglledes VU im Ausgantskreis des Regelverstärkers VR angeschlossen ist.
Die Übertragungsfunktion der Übertragungsschaltung VDTT Ist vom Typ T1 · j/[(1 + T2 ■ s) · (1 + T, ■ s)\, wobei s die komplexe Variable der Laplace-transformlerten ZcUfunkilon und T-. die Zc!'.konstant? der D-Komponente, d. h. des differenzierenden Zahlerterms der Übertragungsfunktion Ist. Diese D-Komponente bewirkt ein auf Null nachgebendes Übergangsverhalten der Rückführgröße k, wodurch ein statischer Fehler bzw. eine zusatzliche bleibende Regelabweichung vermieden wird. Die D-Zeltkonstante Tt wird Im allgemeinen wenigstens annähernd entsprechend der Zwlschenttberhltzer-Zeltkonstanten eingestellt. Die Übertragungsfunktion weist außerdem ein Verzögerungsverhalten (T-Verhalten) zweiter Ordnung entsprechend dem angegebenen Nennerterm mit den beiden Zeltkonstanten T1 und T, auf. Eine dieser Zeltkonstanten, beispielsweise T,, wird entsprechend einer Nachbildung der Strömungsträgheit und damit der Verzögerung in der Druckübertragung des Zwischenüberhitzers eingestellt, wahrend die andere Zeltkonstante, hler also T,, auf einen mindestens der ZwlschenOberhitzer-Zeltkonstanten entsprechenden Wert eingestellt wird. z. B. also auf einen größeren Wert, um die erstrebte Stabilisierung und Schwingungsdämpfung im Übergangsverhalten des Regelkreises zu verwirklichen. Die Zeltkonstanten T1, T2 und T1 sind als Betriebsparameter an entsprechenden Eingangen der Übertragungsschaltung VDTT einstellbar, wie dies in Flg. 1 angedeutet Ist.
Flg. 2 zeigt eine schaltungstechnisch einfach realisierbare Ausführung der Übertragungsschaltung VDTT unter Verwendung zweier einfacher Verzögerungsglieder VTx und VT, mit den Übertragungsfunktionen 1/(1+ T1 s) bzw. 1/(1 + Ti ■ s). Die Zeltkonstanten T1 und T, werden an zugehörigen Eingängen eingestellt. Die beiden Verzögerungsglieder sind in Reihe geschaltet, wobei für die Verwirklichung aus nachgebenden Übergangsverhaltens entsprechend einer D-Komponente durch subtraktive Überlagerung des Ausgangssignals von VT1 mit dem Ausgang von VT1 In einem Überlagerungsglied Vs erzeugt wird. Eine Umrechnung zeigt, daß auf diese Welse eine Übertragungsfunktion mit D-Verhalten erster Ordnung sowie T-Verhalten zweiter Ordnung, wie weiter oben angegeben, erhalten wird. Für die Einstellung der D-Zeilkonstanten T1 bzw. der den Konstantenzählcrfaktor der Übertragungsfunktion bestimmenden Proportionalverstärkung Im Rückführzweig Ist dem Ausgang des Überlagerungsglledes Vs noch ein Multiplikator M mit eimm Verstärkungs-Steuereingang für 7Ί nachgeordnet.
Bei der Ausführung nach Fig. 3 umfaßt der Ruckführzweig R1. zwei Druck-Me3wandler Tr. und Tr1, deren erster an den Radkastendruck des Hochdruckteils HD und deren anderer an den Zwischenüberhitzerdruck pz angeschlossen Ist. Ein Differenzbildner Vd bildet ein der Druckdifferenz über dem Zwischenüberhitzer entsprechendes Signal, welches über einen Multiplikator Μά mit einstellbarer Verstärkung g und eine Übertragungsschaltung (VTj), die hler als einfaches Verzögerungsglied ausgebildet Ist, In eine Rückführgröße kä für die subtraktive Überlagerung mit der Stellgröße ν In einem entsprechenden Überlagerungsglied 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 Übergangsverhalten sowie keiner Nachbildung des Zwischenüberhitzerdruckes. Dadurch ergibt sich die Verwendung eines einfachen Verzögerungsgliedes mit der Zeltkonstanten T und einstellbarer Proportionalverstärkung g Im Multiplikator Md.
Kurve Il in Fig. 4 zeigt die Wirkung des Rückführzweiges für folgende Parametereinstellung: Verstärkungsfaktor «= 0,5 Zeltkonstante T= Zwlschenüberhltzer-Zeltkonstante. Ersichtlich wird dadurch eine wesentliche Verbesserung des Übergangsverhaltens mit praktisch vollständiger Vermeidung von Pendelungen erzielt, und zwar bemerkenswerterweise praktisch ohne Verzögerung der maximalen Drehzahlüberhöhung im Vergleich zu der maximalen Überschwingungsamplitude der Kurve I. Eine noch weltergehende Optimierung der Parametereinstellung mit jj=l,5 und wiederum T= ZwI-schenOberhltzei -Zeltkonstante zeigt Kurve III, die nicht nur frei -'on Pendelungen Ist, sondern auch merklich früher als Kurve II In den neuen stationären Drehzahlwert einmündet und daher etwa dem anzustrebenden Idealfall der aperiodischen Dämpfung entsorlcht. Verstärkungswerte Im Bereich zwischen 1 und 2 sind also zu bevorzugen. Im einzelnen nicht wiedergegebene Untersuchungen führten ferner zum Ergebnis, daß die Verzögerungszeltkonstante T die ZwlschenOberhltzer-Zeltkonstante nicht unterschreiten, sondern eher überschreiten sollte.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    I. Regeleinrichtung für eine Dampfturbine
    a) mit einem Stellgrößengeber {SIV), an dem ausganfsseltlg in Abhängigkeit von einer SoII-wert-IstwertdlRerenz eine Stellgröße (y) für eine Regeiventllanordnung (RV) abgreifbar ist,
    b) mit mindestens einem Zwischenüberhitzer (ZU) zwischen einem Hochdruckteil (HD) und einem Niederdrückten (ND) der Dampfturbine,
    c) mit mindestens einem Druck-Meßwandler (Tr, Tr1), der elnf angsseltlg zwischen dem Einlaß des Hochdruckteils (HD) und dem Einlaß des Nieder- IS drucktells (ND) angeschlossen 1st,
    d) mit einer Übertragungsschaltung (VDTT, VTJ), die eingangsseitlg mit dem Ausgang des Druck-Meßwandlers in Wirkverbindung steht und ausgangsseltig ein Signal mit einer Verzögerungskomponente Hefen,
    e) mit einem Überlagerungsglied (VU, VS), das elngangsseitlg einerseits (+) mit dem Ausgang des StellgrOßengebers (SlV) und andererseits über einen gegensinnig zur Stellgröße (y) wirkenden Eingang (-) mit dem Ausgang der Übertragungsschaltung in Wirkverbindung steht,
DE2812820A 1978-01-31 1978-03-23 Regeleinrichtung für eine Dampfturbine Expired DE2812820C2 (de)

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