DE2900336A1

DE2900336A1 - Verfahren und einrichtung zum steuern von ventilen einer dampfturbine bei einem betriebsartwechsel

Info

Publication number: DE2900336A1
Application number: DE19792900336
Authority: DE
Inventors: Paul Edward Malone
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-01-06
Filing date: 1979-01-05
Publication date: 1979-07-12
Also published as: CA1114039A; DE2900336C2; IT1109942B; US4177387A; IT7919090A0; JPS647202B2; ES476628A1; JPS54106706A; CH642718A5

Description

29Q0336

17TU-2577 10474

Dr.ν.Β./hl

General Electric Company,
Schenectady, N.Y. (V.St.A.)

Verfahren und Einrichtung zum Steuern von Ventilen einer Dampfturbine bei einem Betriebsartwechsel

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens .

Insbesondere betrifft die Erfindung elektrohydraulische Steuereinrichtungen zum Stellen von Ventilen, die die Dampfzufuhr zu einer Dampfturbine steuern und im speziellen einen temperaturgesteuerten übergang zwischen einem Düsengruppen-Vollspeisungsbetrieb und einem Düsengruppen-Teilspeisungsbetrieb der Düsenventile einer Dampfturbine,

Das Prinzip, eine Dampfturbine mit Düsengruppen-Vollspeisung oder Düsengruppen-Teilspeisung zu betreiben, ist wohl bekannt. Eine typische Dampfturbine in einem Turbinen-Generator-Satz eines elektrischen Kraftwerkes enthält eine Anzahl von Dampfzuführungs-Düsengruppen oder -bögen, die mit Abständen am Umfang des Turbinengehäuses angeordnet sind, und eine Anzahl von Steuerventilen, durch die der Dampf zu den Düsengruppen und durch diese in die Turbine strömt. Wenn einer Laständerung oder Dampfdurchwsatzänderung durch ein gleichzeitiges öffnen oder Schliessen aller Steuerventile Rechnung getragen wird, spricht man von

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einem Düsengruppen-Vollspeisungsbetrieb der Turbine. (Bei manchen Turbinen werden im Vollspeisungsbetrieb alle Steuerventile (Düsenventile) voll geöffnet und Laständerungen wird durch öffnen und Schließen eines Schnellschlußventiles Rechnung getragen, das sich stromaufwärts der Düsenventile und in Reihe mit diesen befindet.) Wenn andererseits die Düsenventile bei Änderungen der Belastung der Turbine oder der Dampfströmung in einer bestimmten Folge geöffnet oder geschlossen werden und dadurch den verschiedenen Teilen des Turbinenumfanges Dampf mit unterschiedlichen Strömungsraten oder Durchsätzen zugeführt wird, spricht man von einer Düsengruppen-Teilspeisung oder kurz Teilspeisung der Turbine. Generell ist der Teilspeisungsbetrieb bei bestimmten Teillastbedingungen vorteilhaft, da man kleinere Drosselverluste und bessere Wärmeraten oder -Verhältnisse erzielen kann als bei einer Vollspeisung, während der Vollspeisungsbetrieb beim Anfahren der Turbine vorgezogen wird, da er einen gleichmäßigeren Temperaturanstieg des Turbineneinlasses, Düsenkastens und der ersten Stufe längs des Turbinenumfanges zu erzielen gestattet, so daß sich geringere Wärmespannungen ergeben als bei einer Teilspeisung. Der Vollspeisungsbetrieb kann auch während eines planmäßigen starken Lastanstiegs zwischen zwei Teilspeisungs-Dauerbetriebszuständen als Zwischenbetriebszustand zweckmäßig sein, um die Beanspruchung von Baueinheiten, wie des Turbinenrotors oder -gehäuses zu begrenzen oder um eine schnellere Lastübernahme zu ermöglichen.

Es sind bereits eine Reihe von Verfahren und Einrichtungen zum Steuern des Betriebsartwechsels bekannt^ mit denen die jeweiligen Vorzüge des Vollspeisungsbetriebes"bzw. Teilspeisungsbetriebes ausgenützt werden sollen_/ und man hat dabei auch bereits angestrebt, plötzliche Temperaturwechsel (Wärmeschocks) zu vermeiden und den Lastwert während des Übergangs zu regeln, z.B. indem der gesamte Dampfdurchsatz während des Wechsels oder Überganges konstant gehalten wird. Aus der US-PS 3 981 608 ist bei-

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spies|lweise ein elektrohydraulisches Steuersystem bekannt, bei welchem ein übergang von Vollspeisung auf Teilspeisung bei konstanter Dampfströmung dadurch bewirkt wird, daß ein erstes Ventil bis zu seiner Teilspeisungsstellung geschlossen wird, während die übrigen Ventile mit einer solchen Geschwindigkeit geöffnet werden, daß der Dampfdurchsatz als Ganzes konstant bleibt, und daß dann bei konstanter Stellung des ersten Ventils dasselbe mit den übrigen Ventilen durchgeführt wird, bis sich alle Ventile in ihrer Teilspeisungsstellung befinden. Aus der ÜS-PS 3 403 892, auf deren Inhalt hier ausdrücklich Bezug genommen wird, ist eine elektrohydraulische Einrichtung zum Steuern von Dampf- oder Düsenventilen bekannt, bei der ein Betriebsartübergang, währendpessen ein im wesentlichen konstanter Dampfdurchsatz durch die Turbine angestrebt wird, dadurch erfolgt, daß man gleichzeitig die Verstärkungsfaktoren und Vorspannungen von elektrohydraulischen Verstärkern, die die Ventile stellen, entsprechend einjustiert bzw. ändert. Aus den US-PSon 3 637 319 und 3 740 588, auf die ebenfalls ausdrücklich Bezug genommen wird, sind ein Verfahren und eine Einrichtung bekannt, bei denen ein Impulsgenerator oder Zeitverhältnis- oder Tastverhältnis-Schaltkreis anstelle der bei der Einrichtung gemäß der US-PS 3 403 892 verwendeten Potentiometer benutzt wird, um die Vorspannungen und Verstärkungsfaktoren der Verstärker zu ändern und einen gleichmäßigeren Betriebsartwechsel zu erreichen. Aus der US-PS 3 956 897 ist schließlich eine digita]Jarbeitende Einrichtung zur Steuerung von Betriebsartübergängen bekannt, bei der stetige Betriebsartübergänge durch Speisen eines Ventilsteuermechariismus mit frequenzmodulierten Impulsen bewirkt werden.

Die bekannten Verfahren und Einrichtungen vermögen zwar mehr oder weniger weitgehend abrupte Temperaturänderungen gewisser Bauelemente der Dampfturbine zu verhindern, indem der Übergang zwischen den Ventil- bzw. Düsengruppenbetriebsarten allmählich erfolgt und die gesamte Temperaturänderung bei einem Übergang begrenzen, indem der Dampffluß während einer Betriebsartänderung

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im wesentlichen konstant gehalten wird. In keiner der oben erwähnten Patentschriften findet sich jedoch eine Anregung, die Änderunggeschwindigkeit der Turbinentemperatur während eines Bctriebsartüberganges zu steuern, was eine bessere Beherrschung der Beanspruchungen der Turbine und ferner kombinierte oder koordinierte Laständerungen und Betriebsartübergänge ermöglichen würde und damit ein schnelleres Anfahren und Abstellen der Turbine mit den gewünschten niedrigen Beanspruchungen.

Es ist zwar bereits aus einer Dissertation von R. J. Dickenson "Admission Control of Steam Turbines", eingereicht 1970 beim Polytechnic Institute of Brooklyn bekannt, daß der Dampffluß konstant gehalten werden sollte und daß sich die Temperatur der Turbine der ersten Stufe bei einem Betriebsartwechsel linear ändern sollte, die hierfür in der Dissertation angegebene Einrichtung ist jedoch kompliziert und schwer realisierbar mit Analogschaltungen, da viele nicht-lineare Korrekturfunktionen benötigt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt also generell die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur elektrohydraulischen Steuerung einer Dampfturbine anzugeben, die einen hinsichtlich der Temperatur gesteuerten Übergang zwischen zwei Arten des Ventilbetriebes gestatten.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und die Einrichtung gemäß Anspruch 4 gelöst.

Die übrigen Ansprüche betreffen Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Generell gesprochen werden durch die Erfindung ein Verfahren und eine Einrichtung zur elektrohydraulischen Steuerung des Überganges von Steuerventilen einer Dampfturbine zwischen einem Düsengruppen-Vollspeisungsbetrieb und einem Düsengruppen-Teil-

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speisungsbetrieb angegeben, bei denen der Dampffluß während der Betriebsartänderung im wesentlichen konstant bleibt und die Temperatur der ersten Stufe der Turbine sich im wesentlichen linear mit einem Admissions- oder Speisungsbezugsfaktor ändert, der jede Betriebsart charakterisiert. Eine bevorzugte Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung, die eine Kontrolle der Turbinentemperaturen und -beanspruchungen ermöglicht, enthält Betriebsartströmungssignalgeneratoren zur Erzeugung eines Vollspeisungssignales, eines Reversier- oder ömsteuerungssignales und eines Teilspeisungssignales, ferner eine Seitverhältnisschaltung zum Erzeugen eines Multiplikators in Ansprache auf einen Admissions- oder Speisungsbezugsfaktor r und Steuerventilstelleinheiten» die jeweils eine Signalkonditionierungs— oder Signalzubereitungsanordnung zum Erzeugen eines kombinierten Strömungssignales, das sich linear mit dem Speisungsbezugsfaktor ändert* und einen Hubsignalgenerator zum ErzeugenyVentilhubsignalensowohl für den VaIlspeisungsbetrieb als auch für den Teilspeisungsbetrieb aus einer einzigen stückweisen linearen Approximation der Vollspeisungs-Httbcharakteristik enthalten.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Dampfturbinen-Generator-Satzes mit einer zugehörigen elektrohydraulischen Steuer- und Regeleinrichtung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Änderung von Betriebsartsignalen für einen. Satz von vier Ventilen während eines Überganges vom Düsengruppen-Vollspeisungsbetrieb auf den Düsengruppen—Teilspeisungsbetrieb bei einer bekannten Einrichtung und bei einer Einrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

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Fig. 3 eine graphische Darstellung eier Änderung der Temperatur der ersten Turbinenstufe während des Überganges von der Volispeisung zur Teilspeisung für eine bekannte Einrichtung und für eine Einrichtung gemäß einer bevorzugten Äusführungsform der Erfindung;

Fig. 4 ein Schaltbild eines FlußSignalgenerators, der sich für die Verwendung mit einem Steuerventil eignet, um einen temperaturgesteuerten Betriebsartübergang zu bewirken;

Fig. S eine graphische Darstellung der Ausgangssignale, die ein Flußsignalgenerator bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Reaktion auf ein Flußreferenzsignal erzeugt, und

Fig. 6 ein Schaltbild einer Steuerventilstelleinheit, die sich für die Verwendung mit einem Steuerventil eignet, um einen temperaturgesteuerten Betriebsartübergang zu bewirken .

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bzw. der Einrichtung zur elektrohydraulischen Steuerung einer Dampfturbine können die Temperaturen und damit die Beanspruchungen der Turbine zu allen Zeiten während eines Betriebsartüberganges kontrolliert bzw. gesteuert werden, z.B. bei einem Uberang vom Düsengrup— pen-Vollspeisungsbetrieb zum Düsengruppen-Teilspeisungsbetrieb bei einem speziellen Gesamtfluß oder Durchsatz des Dampfes. Die Einrichtung enthält eine Admissions- oder Speisungsbezugseinheit zum Erzeugen eines Speisungsbezugsfaktors, dessen Werte jeweils einen Vollspeisungsbetrieb, einen TeilSpeisungsbetrieb oder einen Zwischenbetriebszustand darstellen, und zum progressiven Verändern des Speisungsbezugsfaktors während einer Betriebsartänderung. Ferner ist eine Zeitverhältnisschaltung vorgesehen, die unter Steuerung durch einen Speisungsbezugsfaktor einen Multiplikator erzeugt, der zur Bestimmung des Zustandes eines Satzes von Flußsignalen für jedes der Steuer- oder Düsenventile

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der Dampfturbine dient. Die durch den Multiplikator zu beeinflussenden Flußsignale werden durch Flußsignalgeneratoren der Steuereinrichtung erzeugt, die auf ein Flußreferenzoder Flußsollwertsignal ansprechen, das den gewünschten gesamten Dampffluß angibt und die einen Satz von Teilspeisungs-, Vollspeisungs- und ümsteuerungs-(negativen Vollspeisungs-)-Flugsignalen erzeugen. Durch eine Flußsignalkonditionierungsanordnung wird der Multiplikator auf die Teilspeisungs- und Umsteuerflußsignale zur Einwirkung gebracht und das Resultat mit dem Vollspeisungsflußsignal kombiniert, wobei für jedes Ventil ein kombiniertes Flußsignal erzeugt wird, das sich linear mit dem Speisungsbezugsfaktor von einem Vollspeisungswert auf einen Teilspeisungswert ändert, wenn der Übergang durchgeführt wird. Als Ergebnis wird der Dampfdurchsatz während des Betriebsartüberganges im ganzen gesehen konstant gehalten und ändert sich die Temperatur der ersten Turbinenstufe im wesentlichen linear mit dem Speisungsbezugsfaktor, und werden die Beanspruchungswerte der Turbine genau kontrolliert.

Fig. 1 zeigtvereinfacht und schematisch einen typischen Dampfturbinensatz 10, der mit einer anzutreibenden Last, wie einem elektrischen Generator 12 verbunden und durch eine Einrichtung 13 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gesteuert ist. Der Dampfturbinensatz 10, der beispielsweise als Tandemeinheit mit Zwischenüberhitzung dargestellt ist, im Prinzip beliebig ausgebildet sein kann, wird in erster Linie durch Zufuhr von Dampf durch mehrere Steuerventile gesteuert, z.B. Steuerventile 14, 15, 16 und 17, die parallel zueinander angeordnet sind und einer Hochdruckturbine 22 Dampf über getrennte, nicht dargestellte Düsengruppen zuführen, die auf den Umfang des Einlasses der Hochdruckturbine 22 verteilt sind. Wie Fig. 1 zeigt, ist ferner mindestens ein Schnellschlußventil 24 vorgesehen, das in bestimmten Anlagen beim Düsengruppen-Vbllspeisungsbetrieb zur Steuerung der Dampfzufuhr verwendet werden kann, ferner mindestens ein Zwischenüberhitzungs-Schnellschlußventil 26 und Abfangventil 28, die

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zur Steuerung der Dampfzufuhr zu einer Mitteldruck- und Niederdruck-Turbine 30 bzw. 32 dienen. Die Schnellschlußventile 24 und 26 sowie das Abfangventil 28 spielen für die vorliegende Erfindung keine Rolle und ihre Stellglieder und Verbindungen mit anderen Teilen der Steuer- und Regeleinrichtung sind daher aus Ubersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt.

Die Steuerventile 14, 15, 16 und 17 dienen, wie erwähnt, zur Steuerung der Dampfzufuhr zum Turbinensatz, wobei sie entweder im Düsengruppen-Vollspeisungsbetrieb arbeiten können, in_.dem alle Steuerventile entsprechend Laständerungen gleichzeitig in öffnungs- oder Schließrichtung verstellt werden, oder im Teilspeisungsbetrieb, in dem die verschiedenen Ventile in einer vorgegebenen Folge öffnen oder schließen. Das Arbeiten der Steuerventile wird durch die Steuer- und Regeleinrichtung 13 bestimmt, die außer den Ventilen 14, 15, 16 und 17 einen Drehzahlregler 34, einen Lastregler 36 und eine Betriebsartsteuereinheit 38 umfaßt. Der Drehzahlregler 34 und der Lastregler 36 bestimmen in bekannter Weise Größen, wie die Ist-Drehzahl, die Ist-Last und die Ä'nderungsgeschwindigkeit der Drehzahl und Last der Turbine, und errechnen aus diesen Parametern in Verbindung mit den gewünschten Soll-Werten Signale, wie ein Flußoder Dampfmengen-Sollwertsignal, das die gewünschte Dampfmenge (Dampffluß, Dampfdurchsatz) angibt und bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Eingangssignal für die Betriebsartsteuereinheit 38 bildet. Die Betriebsartsteuereinheit 38, die einen wesentlichen Teil der Erfindung bildet, verarbeitet das Dampfmengensollwertsignal vom Lastregler 36 und liefert Hubsignale an die verschiedenen Ventile 14, 15, 16 und 17, um eine temperaturgesteuerte Betriebsartänderung zu bewirken oder den Betrieb mit der gewünschten Vollspeisung öder Teilspeisung aufrechtzuerhalten.

Vor einer ins Einzelne gehenden Erläuterung des Aufbaus und der Arbeitsweise der Betriebsartsteuereinheit 38 soll auf einige

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Betriebsartparameter und typische Betriebsartänderungen eingegangen werden« Man kann der Einfachheit halber jede Betriebsart durch einen speziellen Wert eines Speisungsbezugsfaktors AR charakterisieren. Bei der folgenden Erläuterung soll der Wert 1,0 des Speisungsbezugsfaktors den Vollspeisungsbetrieb und der Wert Null den Teilspeisungsbetrieb bedeuten. Ein AR-Wert von 0,5 stellt daher eine Betriebsart in der Mitte zwischen dem Vollspeisungsbetrieb und dem Teilspeisungsbetrieb dar.

und 3

In Fig. 2/sind Betriebsartübergänge zwischen dem Vollspeisungsbetrieb und dem Teilspeisungsbetrieb bei Teillast sowohl für eine typische Betriebsartsteuereinrichtung gemäß dem Stand der Technik, die mit veränderlichen Vorspannungen und Verstärkungsfaktoren arbeitet (gestrichelte Kurven) als auch für eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (ausgezogene Kurven) dargestellt. In Fig. 2 sind die Ventilflußsignale in Abhängigkeit vom Speisungsbezugsfaktor für eine Dampfturbine mit vier Steuerventilen, wie den Steuerventilen 14, 15, 16 und 17 gemäß Fig. 1 dargestellt und man sieht, daß die Steuerventile 16 und 17 bei einem Betriebsartübergang gemäß dem Stand der Technik anfänglich fälschlich in Richtung auf eine weiter geöffnete Stellung (höheres Flußsignal) anstatt in Richtung auf die Kein-Fluß- oder völlig geschlossene Teilspeisungsstellung Verstellt werden und daß die gesamte Dampfmenge nicht konstant bleibt, sondern zumindest während des anfänglichen Teiles des Übergangs etwas ansteigt, wie aus dem anfänglichen Ansteigen aller gestrichelten Kurven ersichtlich ist.

Außerdem erreichen die Ventile 14, 15 und 16 ihre Teilspeisungswerte des Fluß- oder Mengensignals bei verschiedenen Werten des Speisungsbezugsfaktors AR, wobei besonders das Ventil 14 sein Teilspeisungssignal bei einem AR-Wert von etwa 0,55 erreicht, also nach weniger als der Hälfte des Obergangs , ge-

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messen am Speisungsbezugsfaktor AR. Die Konsequenzen eines solchen Ventilflußsignalverlaufs sind aus der gestrichelten Kurve in Fig. 3 ersichtlich, in der die Temperatur des Gehäuses der ersten Stufe der Hochdruckturbine im Verlauf einer Betriebsartänderung dargestellt ist; man sieht, daß beim Übergang vom Vollspeisungsbetrieb auf den Teilspeisungsbetrieb praktisch die ganze Änderung der Temperatur der ersten Turbinenstufe zwischen AR = 0,55 und AR = 0 stattfindet. Da die Turbinenbeanspruchung eine Funktion der Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur ist und ein typischer Betriebsartwechsel innerhalb eines spezifizierten Zeitintervalles durchgeführt wird, können bei einem Betriebsartwechsel gemäß dem Stand der Technik, der mit veränderlichen Vorspannungen und Verstärkungsfaktoren durchgeführt wird, unerwünscht hohe Beanspruchungen auftreten. Die schnellen Temperaturänderungen und hohen Beanspruchungen treten sogar dann auf, wenn konventionelle Maßnahmen, wie eine Druckrückführungsschleife (nicht dargestellt) von der Hochdruckturbine 22 (Fig. 1) zum Lastregler 36 vorgesehen sind, um die Gesamtdampfmenge während des Überganges konstant zu halten. Die gestrichelten Kurven in Fig. 2 und 3 würden außerdem einen ganz anderen Verlauf haben, wenn der übergang bei anderen Teillastverhältnissen durchgeführt wird, und sie würden Ventilfluß- und Turbinentemperaturprofilen entsprechen, die sich für die verschiedenen Betriebsartänderungen, die im Betrieb einer Dampfturbine erforderlich sind, nicht ohne weiteres vorhersagen oder steuern lassen. Wenn der Betriebsartwechsel in bekannter Weise durchgeführt wird, können also übermäßige und sogar zyklische Turbinenbeanspruchungen auftreten.

Die ausgezogenen Kurven in Fig. 2 und 3, die einen Übergang vom Vollspeisungsbetrieb auf den Teilspeisungsbetrieb bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung darstellen, zeigen, daß, wenn man das Flußsignal für jedes Ventil sich linear mit dem Speisungsbezugsfaktor von seinem Vollspeisungswert auf seinen Teilspeisungswert ändern läßt (Fig. 2) und damit die gesamte Dampfmenge konstant halt, die Temperatur

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sich während des Überganges ungefähr linear mit dem Speisungsbezugsfaktor AR ändert (Fig. 3). Die lineare Temperaturänderung/ die unabhängig von dem Teillastzustand ist, bei dem der Übergang oder Betriebsartwechsel durchgeführt wird, erlaubt eine Bestimmung und damit Steuerung der Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur der ersten Turbinenstufe durch eine entsprechende Steuerung des Speisungsbezugsfaktors. Dies ermöglicht wiederum eine Beherrschung und Kontrolle der Beanspruchungen und Spannungen in der Turbine und schnellere Lasterhöhungen sowie Lastverringerungen bei niedrigeren Beanspruchungen der Turbine, wenn der Speisungsbezugsfaktor richtig mit anderen Beanspruchungsüberwachungseinrichtungen und dem Lastregler 36 koordiniert wird.

Um die gewünschte lineare Änderung des Dampfmengen- oder Strömungsignals mit dem Speisungsbezugsfaktor zu bewirken, enthält die elektrohydraulische Steuereinrichtung 13 die Betriebsartsteuereinheit 38, welche bei dem in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung individuelle Mengen- oder Flußsignalgeneratoren 46, 47, 48 und 49 und Steuerventil-Stelleinheiten 50, 51, 52 und 53 für die verschiedenen Steuerventile 14, 15, 16 und 17, sowie eine Zeitverhältnisschaltung 55 und eine Speisungsbezugseinheit 56 enthält.

Ein typischer Flußsignalgenerator für die Betriebsartsteuereinheit 38, z.B. der Flußsignalgenerator 46, ist in Fig. 4 dargestellt. Dem FlußSignalgenerator 46 (und den anderen Flugsignalgeneratoren 47, 48 und 49) wird ein Flußreferenzoder FlußSollwertsignal vom Lastregler 46 zugeführt und der FlußSignalgenerator 46 erzeugt in Ansprache auf dieses Signal ein Vollspeisungssignal, ein Umsteuersignal und ein Teilspeisungsflußsignal für die Ventilstelleinheit 50. Der Verlauf dieser Signale in Abhängigkeit vom FlußsolIwertsignal FR ist in Fig. 5 dargestellt.

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Das Fluß Sollwertsignal wird dem Flußsignalgenerator 46 über eine Eingangsklemme 58 zugeführt, an die eine Umsteuersignalschaltung 60 und eine Leitung 62 angeschlossen sind, die zu einer Ausgangsklemme 64 führt, an der das Flußsollwertsignal als Vollspeisungs-Flußsignal FA dient. In der Umsteuersignalschaltung 60 gelangt das Flußsollwertsignal über einen Eingangswiderstand 66 zu einem Verstärker 68, indem es mit dem Faktor -1 multipliziert wird. Der Betrag 1,0 des Verstärkungsfaktors wird durch geeignete Wahl des Eingangswiderstandes 66 sowie eines Widerstandes 70 und entsprechende Einjustierung eines Trimmpotentiometers 72 gewährleistet. Durch eine Diode 74 wird eine Nullbegrenzung bewirkt, so daß das Umsteuersignal R, das an einer Ausgangsklemme 76 zur Verfügung steht und in Fig. 5 in Abhängigkeit vom Flußsollwertsignal FR aufgetragen ist, für negative Werte des Flußsollwertsignals FR = 0 und für positive Werte von FR = -FR ist (negative Werte von FR sind über die Schließstellung hinausgehenden Hubbereichen der Steuerventile zugeordnet).

Der Flußsignalgenerator 46 enthält ferner eine Teilspeisungsverstärkerschaltung 78, die unter Steuerung durch das Umsteuersignal ein Teilspeisungsflußsignal erzeugt. Das Umsteuersignal wird einem Verstärker 80 über einen Widerstand 82 zugeführt. Dem Eingang des Verstärkers 80 wird ferner ein Ventilschließvorspannungssignal B+ zugeführt, das einer Klemme 84 zugeführt und durch ein Potentiometer 85 einstellbar ist. Dieses Vorspannungssignal dient zur Einstellung des Abheboder Öffnungspunktes des Steuerventils 14 (des Wertes FR₇. des Flußsollwertsignales, bei dem das Ventil 14 zu öffnen beginnt), wie der in Fig. 5 für eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellte Verlauf des Teilspeisungsflußsignales PA in Abhängigkeit vom Flußsollwertsignal FR zeigt. Der stückweise lineare Verlauf des Teilspeisungsflußsignals mit zwei Steigungen ergibt zusätzliche Anpassungsmöglichkeiten und höhere Genauigkeiten hinsichtlich der Konstanthaltung

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der Dampfmenge und der Turbinendrehzahl während eines Betriebsartüberganges und damit eine besonders genaue Steuerung der Temperatur der ersten Turbinenstufe.

Der Verstärker 80 der. Schaltungsanordnung 78 kombiniert das Umsteuersignal und das Ventilschließvorspannungssignal und verstärkt zusammen mit einer Leistungsstufe 86, die einen Transistor enthalten kann, das resultierende Signal unter Erzeugung eines Teilspeisungsflußsignales. Um das Teilspeisungsflußsignal auf Werte innerhalb des Betriebsbereiches des Steuerventils 14 zu begrenzen, sind eine Diode 87, ein Trimmpotentiometer 88 und ein Widerstand 89 vorgesehen, die zusammen mit einem geeigneten negativen Potential C-, das einer Klemme 90 zugeführt wird, eine untere Grenze für das Teilspeisungsflußsignal festlegen. Eine obere Grenze wird durch eine Diode 92, ein Trimmpotentiometer 94 und einen Widerstand 96 in Verbindung mit einem psotiven Potential C+, das einer Klemme 98 zugeführt ist, festgelegt.

Zur Einstellung der Verstärkungsfaktoren für das Teilspeisungsf lußsignal, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, ist eine doppelte Rückführungsschleife vorgesehen, die Trimmpotentiometer 100 und 102 und Widerstände 104 und 106 enthält. Für Werte des Flußsollwertsignales, die größer sind als FR_T, also der Wert, bei dem das Ventil 14 beginnt, sich zu öffnen, jedoch kleiner als FR_n, die Stelle, bei der sich die Steigung der Teilspeisungsflußsignalcharakteristik ändert, verhindert ein positives Vorspannungssignal D+, das von einer Klemme über ein Potentiometer 110 und eine Diode 112 zugeführt wird, daß eine Diode 114 leitet, so daß die Verstärkung für das Teilspeisungsflußsignal durch das Trimmpotentiometer 100 bestimmt wird. (Durch ein negatives Vorspannungssignal D-, das einer Klemme 116 zugeführt und durch ein Potentiometer 118 in Verbindung mit einem Widerstand 120 abgeglichen wird, wird der Beitrag des positiven Vorspannungssignals B+ zum Signal am Punkt 122 kompensiert.) Für Werte des Fluß-

sollwertsignales, die größer als FR_n sind , leitet die Diode

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114 und die Verstärkung hängt dann sowohl von der Einstellung des Potentiometers 100 als auch von der des Potentiometers 102 ab.

Das Teilspeisungsflußsignal an der Klemme 123 ist also 0 für Werte des Flußsollwertsignales, die kleiner als FR sind, wo das zugehörige Steuerventil 14 zu öffnen beginnt, und es ändert sich dann linear mit dem Flußsollwertsignal bis zum maximalen Flußzustand des Steuerventils entsprechend einer Beziehung mit zwei Neigungen oder Steigungen, die aus der Strömungschrakteristik des Ventiles 14 bestimmt wird (d.h. Diagrammen der Vollspeisungs- und Teilspeisungsdampfmenge in Abhängigkeit von der gesamten Dampfmenge).

Fig. 6 zeigt eine typische Steuerventilstelleinheit (CVPU) 50, welche eine Signalkonditionierungs- oder Signalverarbeitungsschrltung 124 mit Eingangsklemmen 126, 128 und 130 enthält, denen das Vollspeisungsflußsignal, das Umsteuerungssignal bzw. das Teilspeisungsflußsignal vom Flußsignalgenerator 46 zugeführt werden. Für die Steuerventile 15, 16 und 17 sind entsprechende Stelleinheiten vorgesehen. Der Signalverarbeitungsschaltung 124 wird ferner über eine Klemme 132 ein Zeitverhältnissignal von der Zeitverhältnisschaltung 55 zugeführt. Das Zeitverhältnissignal ist ein elektronischer Multiplikator, der in der Zeitverhältnisschaltung 55 unter Steuerung durch ein Signal von der Speisungsbezugseinheit 56 erzeugt wird. Bei der vorteilhaften, bevorzugten Ausführungsform enthält die Zeitverhältnisschaltung 55 einen Impulsgenerator, der eine Folge von Impulsen mit -sich progressiv ändernder Zyklusbreite oder sich progressiv änderndem Tastverhältnis liefert, wie es in der oben bereits erwähnten US-PS 3 740 588 beschrieben ist. Man kann jedoch auch andere Arten von elektronischer Multiplikation verwenden.

Die Signalverarbeitungsschaltung 124 enthält eine zweipolige

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Schaltvorrichtung 134 mit Schaltern 136 und 138. Beim VoIlspeisungsbetrieb wird der Speisungsbezugsfaktor AR auf 1,0 eingestellt und das Zeitverhältnis-Eingangssignal der Schaltvorrichtung 134 besteht aus einem Impuls mit einem Tastverhältnis von 100 %. Die Schalter 136 und 138 schließen und bleiben geschlossen, wodurch das Umsteuersignal und das Teilspeisungsflußsignal über einen Widerstand 140 bzw. 142 nach Masse abgeleitet werden. Das kombinierte Flußsignal am summierenden Verbindungspunkt 144 enthält daher das Vollspeisungsflußsignal von der Klemme 126 nach Modifikation durch eine geeignete Impedanzvorrichtung, wie einen Widerstand 146. Für den Teilspeisungsbetrieb wird der Speisungsbezugsfaktor AR auf 0 eingestellt und das Zeitverhältniseingangssignal, das die Schaltvorrichtung 134 betätigt, enthält dann keine Impulse (d.h. Impulse der Breite 0), so daß die Schalter 136 und öffnen und geöffnet bleiben und zum Verbindungspunkt 144 außer dem Vollspeisungsflußsignal über den Widerstand 146 ein konditioniertes Signal gleich dem Umsteuersignal und dem Teilspeisungsflußsignal, die durch die Widerstände, 140, 148 bzw. 142 und 150 proportional summiert werden, gelangen. Da das Umsteuersignal für alle positiven Werte des Vollspeisungsflußsignales FA =-FA ist, ist das kombinierte Flußsignal an der Klemme 144 für ein Speisungsbezugssignal des Wertes 0,0 bei geeigneter Wahl der Widerstände das durch die Widerstände und 150 modifizierte Teilspeisungsflußsignal.

Bei Werten des Speisungsbezugsfaktors zwischen 1,0 und 0, d.h. während eines Betriebsartüberganges (bei der folgenden Diskussion sollen dabei die Änderungen der Signale durch die Widerstände der Signalverarbeitungsschaltung 124 der Einfachheit halber außer acht gelassen werden) sind die Beiträge des Umsteuersignals R und des Teilspeisungssteuersignals PA zum kombinierten Flußsignal an der Verbindung 144 gleich (R .+ PA) (1 - AR). Für positive Werte des Vollspeisungsflußsignales.

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für die R = -FA gilt, ist das kombinierte Flußsignal also PA(1 - AR) + FA(AR) .

Außer der Anordnung zum Errechnen des kombinierten Flußsignals an der Klemme 144 enthält die Steuerventilstelleinheit 50 außerdem einen Hubsignalgenerator 154, der das kombinierte Flußsignal hinsichtlich der typischen nicht-linearen Abhängigkeit zwischen dem Ventildurchsatz und dem Ventilhub korrigiert und an einer Klemme 156 ein elektrisches Ventilhubsignal erzeugt. Das elektrische Ventilhubsignal· kann in bekannter Weise, z.B. wie es in der oben bereits erwähnten US-PS 3 403 892 beschrieben ist, durch eine nicht-dargestellte Vorrichtung in der Steuerventilstelleinheit 50 in einen entsprechenden Hub oder eine entsprechende Stellung des Steuerventils umgesetzt werden, z.B. mittels eines hydraulischen Fluids, das in Verbindung mit einem Steuerventil einen Kolben betätigt, der mit einem beweglichen Ventilteller des Steuerventils 14 verbunden ist.

Da die Verwendung verschiedener Hubsignalfunktionen für den Teilspeisungsbetrieb und den Vollspeisungsbetrieb zu einer sehr komplizierten Steuereinrichtung führen würde, wird bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wie es bei dem Hubsignalgenerator 154 in Fig. 6 dargestellt ist, ein und dieselbe Kurve, die als stückweise, Gerade mit drei Neigungen enthaltende "lineare" Approximation der Fluß/Hub-Charakteristik der jeweiligen im Vollspeisungsbetrieb arbeitenden Steuerventile konstruiert ist, in den verschiedenen Hubsignalgeneratoren, wie dem Hubsignaigenerator 154, für die Erzeugung des elektrischen Ventilhubsignals für beide' Betriebsarten verwendet. Die Verwendung einer einzigen Kurve, die aufgrund der VoIlspeisungs-Fluß/Hub-Charakteristik konstruiert ist, sowohl für den Vollspeisungsbetrieb als auch mit geeigneter ümeichung durch die Teilspeisungsverstärkerschaltung 78 des Flußsignalgenerators 46 für den Teilspeisungsbetrieb und Zwischenbetriebszustände ergibt nicht nur eine weniger komplizierte Steuer-

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ORIGINAL INSPECTED

einrichtung als sie zwei Sätze von Funktionen erfordern wurden, sondern ermöglicht auch den Fluß bzw. die Dampfmenge während eines Betriebsartüberganges besser konstant zu halten als bei Verwendung einer einzigen Kurve, die aufgrund der Teilspeisungs-Fluß/Hub-Charakteristik konstruiert ist. Eine höhere Flußgenauigkeit ermöglicht wiederum eine bessere Steuerung der Temperatur der ersten Stufe und der Beanspruchungen der Turbine.

Die Arbeitsweise der Steuereinrichtung 13 soll anhand der Beschreibung eines Betriebsartwechsels vom Vollspeisungsbetrieb auf den Teilspeisungsbetrieb erläutert werden, selbstverständlich sind in entsprechender Weise Betriebsartwechsel vom Teilspeisungsbetrieb in den Vollspeisungsbetrieb und von einem dazwischen liegenden Betriebszustand in einen anderen Betriebszustand möglich. Zu Beginn des Betriebsartwechsels arbeiten die Steuerventile 14, 15, 16 und 17 im Vollspeisungsbetrieb, in dem sie jeweils einen Teil der gesamten Dampfmenge zum Turbineneinlaß durchlassen. Der Speisungsbezugsfaktor AR in der Speisungsbezugseinheit 56 ist also 1,0 und das Speisungsbezugseingangssignal der Zeitverhältnisschaltung 55 erzeugt einen Multiplikator, der das Umsteuersignal und das Teilspeisungsflußsignal in der Signalverarbeitungsschaltung 124 jeweils mit 0 multipliziert, so daß am Verbindungspunkt 144 ein kombiniertes Flußsignal gleich dem Vollspeisungssignal erzeugt wird und der Hubsignalgenerator 154 dementsprechend ein Vollspeisungs-Ventilhubsignal erzeugt. Um den übergang auf den Teilspeisungsbetrieb zu bewirken, wird der Speisungsbezugsfaktor AR in der Speisungsbezugseinheit 56 mit einer geeigneten Geschwindigkeit von 1,0 auf 0 geändert. Es sei bemerkt, daß der■Speisungsbezugsfaktor AR und damit das Speisungsbezugssignal in der Einheit 56 mit unterschiedlicher Geschwindigkeit geändert werden kann, z.B. durch ein von Hand oder durch einen Motor angetriebenes Potentiometer (nicht dargestellt) oder alternativ kann die Speisungsbezugseinheit 56 mit einer geeigneten Beanspruchungs- oder

Spannungssteuereinheit verbunden sein und der Speisungsbezugsfaktor kann dann so geändert werden, daß die Wärmespannungen in der Turbine auf bestimmten Werten oder möglichst klein gehalten werden.

Das gesteuerte Verringern des Speisungsbezugsfaktors AR von 1,0 auf 0 verringert fortschreitend die Breite der Impulse des Zeitverhältniseingangssignals der Signalverarbeitungsschaltung 124, wodurch der Multiplikator für das Teilspeisungsflußsignal und das Umsteuersignal vergrößert wird, bis der Multiplikator bei AR = 0,0 den Wert 1,0 erreicht. Das kombinierte Flußsignal am Verbindungspunkt 144 ist dann gleich dem Teilspeisungsf lußsignal und der Hubsignalgenerator 154 erzeugt ein Ventilhubsignal für den Teilspeisungsbetrieb. Während des Betriebsartüberganges ändert sich das kombinierte Flußsignal für jedes der Ventile 14, 15, 16 und 17 am Verbindungspunkt 144 linear mit dem Speisungsbezugsfaktor vom Vollspeisungsbetriebssignal auf das Teilspeisungsflußsignal, wie es durch die ausgezogenen Linien in Fig. 2 dargestellt ist. Hierdurch wird die der Turbine zugeführte Dampfmenge während des Überganges konstant gehalten und ergibt sich eine im wesentlichen lineare Änderung der Temperatur des Gehäuses der ersten Turbinenstufe mit dem Speisungsbezugsfaktor AR. Da die Änderungsgeschwindigkeit des Speisungsbezugsfaktors AR gesteuert wird, sind auch die Temperaturänderungen und damit die Wärmespannungswerte während des Betriebsartwechsels gesteuert.

Das beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung läßt sich auf verschiedene Weise abwandeln, z.B. kann eine andere Anzahl von Geraden unterschiedlicher. Neigung zur Erzeugung der in Fig. 5 dargestellten Teilspeisungsflußsignalfunktion oder der in Fig. 6 dargestellten Hubsignalfunktion verwendet werden.

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Claims

PATENTANWÄLTE

1>R. DIETER V. BEZOLD

DIPL. ING. PKTER SCHÜTZ

DIPL. ING. AVOLFGANG IIKDKLKK

MAKrA-THEHKSIA-STHASSE 22

POSTFACH 800608
D-8000 Ml)ENClIEIi 80

TELEFON 080/170908 47 6810

TELEX 022038 TELEGRAMM SOMBBZ

GE-Docket 17TU-2577-Malone 104 74

Dr.ν.B./hl

General Electric Company
Schenectady, N.Y. (V.St.A.)

Verfahren und Einrichtung zum Steuern von Ventilen einer Dampfturbine bei einem Betriebsartwechsel

Patentansprüche

.) Verfahren zum Steuern von Ventilen einer Dampfturbine bei einem Wechsel zwischen einer ersten Betriebsart und einer zweiten Betriebsart, die einem ersten bzw. zweiten Wert eines Speisungsbezugsfaktors entsprechen, wobei der gesamte Dampffluß im wesentlichen konstant bleibt und die Temperatur des Gehäuses einer ersten Turbinenstufe sich während des Betriebsartwechsöls im wesentlichen linear mit dem Speisungsbezugsfaktor ändert, dadurch gekennzeichnet, daß

ein erstes und ein zweites Betriebsartflußsignal sowie ein Umsteuersignal erzeugt werden;

ein Multiplikator entsprechend dem ersten Wert des Speisüngsbezugsfaktors erzeugt wird;

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der Multiplikator auf das zweite Betriebsartflußsignal und das Umsteuersignal zur Anwendung gebracht und dadurch ein konditioniertes Signal erzeugt wird; ein Ventilhubsignal entsprechend der Summe des konditionierten Signales und des ersten Betriebsartsignals erzeugt wird, und

der Speisungsbezugsfaktor zur Durchführung des Betriebsartwechsels progressiv vom ersten Wert auf den zweiten Wert geändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Betriebsart der Dusengruppen-VoIlspeisungsbetrieb und der Düsengruppen-Teilspeisungsbetrieb der Turbine sind und daß die Erzeugung des Ventilhubsignals entsprechend Kurven durchgeführt wird, die als stückweise lineare Approximationen der Fluß/Hub-Charakteristiken der Ventile, wenn diese im Vollspeisungsbetrieb arbeiten, konstruiert sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Multiplikator durch Erzeugung einer Folge von Impulsen erhalten wird, deren Breite zwischen dem Tastverhältnis Null und 100 % progressiv veränderlich ist.
4. Elektrohydraulische Steuereinrichtung für eine Dampfturbinenanlage, die mehrere Ventile zur Zufuhr von Dampf zu Düsengruppen einer Dampfturbine enthält, die in einer ersten Betriebsart und einer zweiten Betriebsart betrieben werden kann, welche jeweils durch einen Speisungsbezugsfaktor charakterisiert sind, gekennzeichnet durch eine Betriebsartsteuereinheit (38), die einen Wechsel zwischen den Betriebsarten derart bewirkt, daß die der Turbine zugeführte Dampfmenge im wesentlichen konstant bleibt und die Temperatur eines vorgegebenen Teils der Turbine sich im wesentlichen linear mit dem Speisungsbezugsfaktor (AR) ändert und die

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eine Einheit (56) zum Erzeugen eines Speisungsbezugsfaktors und zum Ändern dieses Faktors während eines Betriebsart-Wechsels,

eine Zeitverhältniseinheit (55) zum Erzeugen eines Multiplikators in Ansprache auf den Speisungsbezugsfaktor/ einen Flußsignalgenerator (46) zum Erzeugen eines ersten und eines zweiten Betriebsartflußsignales (FA bzw. PA) sowie eines Umsteuersignales (R),

einer Signalverarbeitungsschaltung (124 in Fig. 6) durch die der Multiplikator auf das Umsteuersignal und das zweite Betriebsartsignal zur Einwirkung gebracht und ein kombiniertes Flußsignal erzeugt werden kann, das sich linear mit dem Speisungsbezugsfaktor zwischen dem ersten Betriebsartflußsignal und dem zweiten Betriebsartflußsignal ändert, und

einen Hubsignalgenerator (154) zum Erzeugen eines Ventilhubsignales in Ansprache auf das kombinierte Flußsignal enthält.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitverhältnisschaltung einen Impulsgenerator zum Erzeugen einer Folge von Impulsen enthält, deren Breite progressiv zwischen Werten entsprechend dem Tastverhältnis 0 % und dem Tastverhältnis 100 % veränderbar ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung einen Lastregler (36) enthält, der ein Fluß4rollwertsignal an den Flußsignalgenerator (46, 47, 48, 49) liefert, und daß der FlußSignalgenerator eine Teilspeisungsverstärker schaltung (78) enthält, die ein Teilspeisungsflußsignal (PA in Fig. 5) erzeugt, das sich mit dem Flußsollwertsignal (FR) entsprechend einer stückweise linearen Funktion mit zwei Steigungen ändert.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Betriebsart der Düsengruppen-

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Vollspeisungsbetrieb bzw. der Düsengruppen-Teilspeisungsbetrieb der Dampfturbine sind und daß die Betriebsartsteuereinheit für jedes der Ventile (14, 15, 16, 17) einen Flußsignalgenerator (46, 47, 48, 49) enthält, der eine Schaltung (84, 85) zum Zuführen eines Vorspannungsignales zu einer Teilspeisungsverstärkerschaltung enthält, so daß die Ventile beim Teilspeisungsbetrieb nacheinander betätigt werden.
8. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsartsteuereinheit für jedes Ventil einen Hubsignalgenerator (154) enthält, der eine Kurve enthält, die als aus geraden Stücken unterschiedlicher Steigung bestehende Approximation der Fluß/Hub-Charakteristik des zugehörigen Ventils, wenn dieses im Vollspeisungsbetrieb arbeitet, konstruiert ist und daß der Hubsignalgenerator diese Kurve in Ansprache auf das kombinierte Flußsignal zur Erzeugung von Ventilhubsignalen für den Vollspeisungsbetrieb, den Teilspeisungsbetrieb und Zwischenbetriebszustände verwendet.

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