DE3401948A1

DE3401948A1 - Verfahren zum betrieb von dampferzeugern

Info

Publication number: DE3401948A1
Application number: DE19843401948
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr. 7303 Neuhausen Leithner; Günter 7052 Schweikheim Trautmann
Original assignee: EVT Energie und Verfahrenstechnick GmbH
Current assignee: GE Power Systems GmbH
Priority date: 1983-01-21
Filing date: 1984-01-20
Publication date: 1984-07-12
Also published as: DE3401948C2

Description

VERFAHREN ZUM BETRIEB VON DAMPFERZEUGERN

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Dampf· erzeugern beim An- und Abfahren sowie bei schnellen Laständerungen.

Das Bestreben, die im thermischen Kraftwerken eingesetzte Brennstoffwärme mit möglichst hohem Wirkungsgrad auszunutzen, führt zur Anwendung sehr hoher Dampfdrücke und Heißdampftemperaturen .

Die Lebensdauer der druckführenden Bauteile erschöpft sich somit als Folge der Wechselbeanspruchung oder als Folge der Kriechschädigung. Bei heißdampführenden Bauteilen tre-. ten beide Einflüsse gleichzeitig auf.

Der Lebensdauervexbrauch der einzelnen Druckteile einer Dampf er zeuger anläge .ösi .sehr ouit-er s chi ed Ii eh. So muß den Bauteilen mit großen Wanddicken und kompliziertem Aufbau mehr Aufmerksamkeit gewidmet werden als zum Beispiel den Heizflächenrohren im Dampferzeuger. Es wird daher empfohlen, An- und Abfahren sowie schnelle Laständerungen so durchzuführen, daß vorgegebene Spannungsgrenzen an Trommein, Trenngefäßen, DampfZyklonen.und Niveaugefäßen, War-" metauschern, Heißdampf- und Zwiscnenuberhitzersammlern, Heißdampfleitungen, Abzweigstücken, Armaturen, Umwälzpumpen, "Speisewassereintrittsammlern "und andere nicht überschritten werden und deren -vorausberechnete Lebensdauer nicht vorzeitig verbraucht wird.

Hierzu wurde mit Hilfe von Überwachungs- und Regeleinrichtungen der Gesamtspannungszustand an ausgewählten Bauteilen ermittelt und die Differenz zu den vorgegebenen Spannungsgrenzen gebildet. Solange an allen Bauteilen der Gesamtspannungszustand die zugehörigen Spannungsunter- und

-obergrenzen nicht über- oder unterschreitet, kann die Dampf- oder Brennstoffleistung gesteigert oder verringert werden. Bei Erreichen der Spannungsgrenzen an einem Bauteil muß die Änderung der Dampf- bzw. Brennstoffleistung begrenzt werden. Da bei den bisherigen Leitgeräten nur grobe Vereinfachungen verwendet werden, um die Spannungsdifferenzen an Bauteilen in Änderungsgeschwindigkeiten umzurechnen, können Überschreitungen der Spannungsgrenzen statt-, finden und damit Einbußen an Lebensdauer oder es werden nur sehr langsame Laständerungen zugelassen.

Aufgabe, der Erfindung ist es, die Laständerungen eines Dampf erzeugers mit maximaler Änderungsgeschwindigkeit unter Einhaltung der Spannungsgrenzen durchzuführen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zunächst, wie bereits bekannt, an ausgewählten dickwandigen Bauteilen des Druckkörpers kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich der Gesamtspannungszustand gemessen, errechnet und mit vorgegebenen Gesamtspannungsgrenzen verglichen und daraus eine zulässige Spannungsdifferenz ermittelt wird.

Aus dieser Spannungsdifferenz werden mit Hilfe einer in- - Versen Übertragungsfunktion die Sollwerte der Medrumstemperaturen an den verschiedenen, dickwandigen Bauteilen errechnet und daraus Sollwerte für die Einspritzwasser-, Speisewasser- und Brennstoffströme und den Druck.

Dadurch wird erreicht, daß zu keinem Zeitpunkt der errechnete Spannungszustand die vorausberechneten Gesamtspannungsgrenzen in einem Bauteil überschreitet und kein unzulässiger Lebensdauerverbrauch auftritt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung, Legende und Beschreibung erläutert:

Es zeigen
.

Fig. 1 Mediumszustände und Spannungsverläufe in einem Formstück während eines Anfahrvorganges

Fig. 2 Instationäre Spannungs- und Temperaturverlaufe in einem Formstück während eines Anfahrvorganges

Legende zu Fig, 1 und Fig. 2

A Dampftemperatur (⁰C)
B Dampfdruck {-bar}
C Thermische Lochrandspannung instat. nach TRD 301/A1

(N/mm²)

D Mechanische Lochrandspannung nach TRD 301/A1 (N/mm²) .

E Gesamtspannung an Lochrand nach TRD 301/A1

(N/mm²) .

F Dampftemperatur für Sollwertführung (⁰C) G Max. zulässige Dampftemperatur (⁰C) H Frischdampfstrom · (kg/s)

S Freibetrag an LochrandspaTimmg {"Ν/ιηπι²) T Dampf temperatur für Sollwertfrihrung -(⁰C) U Maximal zulässige Dampftemperatur (⁰C) V Gesamtspannung an Lochrand bei Temp.Sollwertfüh-,.30 rung (N/mm²)

W Thermische Lochrandspannung bei max. zul. Temperatur (N/mm²)
X Gesamtspannun'g bei max. zul. Temperatur (N/mm²)

-χ -

Y Mechanische Lochrandspannung (N/mm²) Z Gesamtspannung bei Frischdampftemperatur (N/mm²)

Aufgetragen in Fig. 1 sind vorausberechnete Zeitverläufe des Dampfzustandes Druck (Kurve B), Temperatur (Kurve A) und Dampfstrom (Kurve H), während eines Anfahrvorganges. Zu diesen vorgegebenen Zeitverläufen wurden mit Hilfe eines Rechenprogrammes die maximalen thermischen (Kurve C), mechanischen (Kurve D) und Gesamtspannungen (Kurve E) für ein dickwandiges Bauteil in der Frischdampfleitung berechnet.

Zeitgleich wurde .mit Hilfe der inversen Übertragungsfunktion die Mediumstemperatur (Kurve G) ermittelt, die eine thermische Spannung erzeugt, die zusammen mit der machanischen Spannung als Gesamtspannung (Kurve X - Fig. 2) einen nahezu konstanten Grenzwert erzeugt. Als Kurve F wurde ein Temperaturverlauf ermittelt, der verhindert, daß die Gesamtspannung (V - Fig. 2) einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. -

Die Xnrve T wird durch entsprechende Einspritzung eingehalten und die Einspritzungen durch Druckregelung (Umleitstation, Turbine) und/oder Brennstoffzufuhr im Eingriff gehalten.

. Für Bauteile im Naßdampfgebiet gilt bei Gleitdruckbetrieb· der einfache Zusammenhang Temperatur, Druck, Leistung, der zur Berechnung der zulässigen Feuerleistung für diese Bauteile verwendet wird.

Ίο.

Er Läuterung zur Patentanmeldung betr,

.1 .2 Spannungen ' ■

Für einfache Geometrien (ebene Platte, Hohlzylinder, Hohlkugel) sind analytische Gleichungen zur Berechnung der mechanischen und thermischen Spannungen an der Oberfläche mit Wärmeübergang bei veränderlichem Druck Temperatur des berührenden Mediums und Wärmeübergangszahl bekannt /1/.

•Jer Gesamtspannungszustand ist

^ai ⁼ ^σ1Μ ^{+ σ}ίΤ . ⁽¹⁾

1.2.1 Mechanische Spannung (z.B. Innendruck)

Zur Berücksichtigung der Spannungsüberhöhung an der Stelle der größten Spannung (z.B. Lochrandinnenwand) zur Spannung an dem ungestörten Grundkörper werden die Formfaktoren α eingeführt.

"IM * °m ■ »M_platte (2,

Hohlzylinder Hohlkugel

:-:": 1 ■ > :\. 3 4 O 1 9 4 8

1.2.2 Thermospannung

Die thermische Spannung ist im Spezialfall des ebenen Spannungszustandes proportional zur Differenz der integralen Mitteltemperatur Tm(t) und der örtlichen Temperatur T(r,t)

°rT ⁼ T=^ (Tni(t) - T(r,t)) · (3)

Die größte Wärmespannung tritt im allgemeinen an der Innenfaser auf.

Zur Berücksichtigung der Spannungsüberhöhung an der Stelle der größten Wärmespannung zur Spannung an dem ungestörten Grundkörper (Platte, Hohlzylinder, Hohlkugel) wird der Formfaktor CK eingeführt.

σ,_T = α_Φ . |~ . (Tm(t)-T(r. ,t) ) (4)

ΐΤ

Die thermische Spannung hängt neben den Werkstoffkennwerten E, ß, ν nur von der Wandtemperaturdifferenz ab. Daher können für die thermische Spannung bei einfachen Körpern (ebene Platte, Hohlzylinder, Hohlkugel) analytische Gleichungen für Temperatursprünge des berührenden Mediums ermittelt werden (Tab. 1). Sie haben die Form oo

" σ_·φ = (V . ψ— ^₁ A (Bi, u) e~^Sk*^t (T (t) - T) (5)

ΔΤ

Um dimensions lose Größen, zu erhalten, wird als.Eingangssignal (Bezugsgröße) folgende Größe definiert:

^σΤ_ ⁼Sf4 · <V^t} - ^Tuo» <⁶>

ΔΤ

Dies ist die dem Temperatursprung des berührenden Mediums entsprechende fiktive Thermospannung (Bezugsspannung).

Das Verhältnis der Thermospannung .zur Bezugsspannung ist gleich dem Verhältnis der Wandtemperaturdifferenz zur Temperaturänderung des berührenden Mediums. Durch Laplace-Transformation von Gleichung (5) und Division durch die Laplace-transformierte Eingangsgröße (6) erliält man -eine übertragungsfunktion, mit deren Hilfe thermische Spannungen und Wandtemperaturdifferenzen für beliebige Verläufe der Temperatur des berührenden Mediums ermittelt werden können.

Sie hat die Form:

n,^ - ^L{°JT^} - Tm(s) - ^T(^rj'^s> _ ^ Σ ^A; L{^aTo} u^(S) uo k-1 s + s_k

Die Eigenwerte s, sind abhängig vom Wärmeübergang, der Wärmeleitung des Materials unet von der Geometrie. Sie müssen fortlaufend zu dem aktuellen Zustand berechnet werden.

Durch Invertierung der Übertragungsfunktion erhält man den Mediumstemperaturverlauf (bzw. Bezugsspannungsverlauf) als Ausgangssignal Xa(s) und die Wandtemperaturdifferenz (bzw. die Thermospannung als Eingangssignal Xe(s)

7·

34019A8

4 . Verzeichnis der verwendeten Symbole

2
a m/s Temperaturleitzahl

Ak(Bi,u) - ' Koeffizienten in Funktion der Biot-Zah] und

des Radienverhältnisses u =^i/^_a

% Freier Ventilquerschnitt (T = Turbine, BP = Bypaß)

Biotzahl ^l'

m Durchmesser (i = innen, a = außen, m = M.; 11. iwert) ι

Elastizitätsmodul

A_T,	^ABP
Bi	a.S_z λ
di,	da, d_m

L { }	'V	^Mzul	l/s
^M _SPW'V^ML	'^Pis	^/Pzul	kg/s
"frei M ^PT'^PA'^PEco			kg/s² bar
^Psoll' ^Pw		MW

mmK

a-t . '

F_n = —τ— . - Fourierzahl
^u s^

G(s) - übertragungsfunktion.

G (s) - Inverse Übertragungsfunktion

LajxLacetxansf armierte Reziprokwert einer Zeitkonstante

Massenströme (SPW = Speisewasser, B = Brennstoff, L = Luft, T = Turbine, zul = zulässig, frei = Freibetrag) Massenstromönderung

Mediumsdrücke (i = Bauteil, s = Satt) Leistung (soll = Sollwert, w = wirksam)'

MW . ' Wärmeleistung
m Radien
m Wandstärke

l/s Laplace-Variable, Eigenwert - . Speicher

C Wandtemperatur (r = Ortskoordinate, t = Zeit, m = Mittelwert)

T , T ,T ,,T _nn C Mediumstemperatur (u = Umgebung, uo = Ausqanqsu uo zul soll . .. ι .· · ■,-, ^-,-,

wert, zul = zulassig, soll = Sollwert)

ΔΤ ., ΔΤ .* K Freibetrag an Temperatur (zul = bis zur Grenu-

spannung, *zul wenn Grenzspannung erreicht ist)

u = r ./r ' - Radiusverhältnis

COPY

	V	r
S Z
S,	^sk
SP
T(r	,t),	Tm

Xe(S) k=1 ^{6 S}k ^b

Die inverse Übertragungsfunktion (8) besteht aus einer unend:._:. Reihe. Für die praktische Anwendung werden diese unendlichen Iv i: nach einer endlichen Zahl abgebrochen. Zum Beispiel für k - 2

A, und s, werden kontinuierlich berechnet aufgrund der gerne r.:.»: Randbedingungen.

1 .3 Ermittlung der zul. Temperaturänderung des berührenden M-. .

Subtrahiert man von den gegebenen Spannungsgrenzen (σ ο ) ca· momentane mechanische (Gl. (2)) und thermische Spannung (Gl. s4 erhält man den Spannungsfreibetrag für Temperatursteigerung

■ ifreit li

bzw. für Temperaturabsenkung

I ifreii ι ι

Mit dem Stoffwert im momentanen Temperaturfeld /2/

K -^ = f (Tm)

und dem Spannungsüberhöhungsfaktor &.„ kann der Freibetrag ar.- '.. temperaturdifferenz berechnet werden

Δσ . . , ifreiTt

^ATfrei ^{= T}m " ^Τ^ί'^ . ._ . „..

Wana : _ . .

frei ι

■ K:-

Mit Hilfe der inversen Übertragungsfunktion G (s) (9) kanr. .·..:- tinuierlich der Freibetrag an Mediumstemperatur LT_x ", _Vo^-..„ ^; ~ rechnet werden, der die Wandtemperaturdifferenz ^Tt^^ i[[^."L:.:. dami± auch den Spannungsf reijoetrag Av . _f . als tlierai£irnt^J -S- r.-:.:.... erzeugt. " ■ . . urea

BAD ORIGINAL

X_a(s), X_a*(s) - Ausgangsgröße (*der inversen Funktion)

Xe(s), Xe*(s) - Eingangsgröße C ' )

χ ■ - Dampfgehalt

OC(T,P,M,χ) W/m^K Wärmeübergangszahl

Ct_1n - Formfaktor zur Berücksichtigung von

Spannungsüberhöhungen an Lochrändern etc. infolge Innendruck (siehe TRD 301, AnI.1

CX - Formfaktor zur Berücksichtigung von Span-

nungsüberhöhungen an Lochrändern etc. jr.ff,igc: Temperaturänderung

β — Wärmeausdehnungskoeffizient

Bv % Ventilandrosselung

K Mediumstemperaturänderung (u = Umgebung,. ο = Ausgangszustand)

- Querkontraktionszahl

N '
—-j— StoffWertefunktion -

N
-^—j Spannungen (i = Bauteil, T = Thermisch,

ρ = mechanisch, λ = oberer Grenzwert, ν = unterer Grenzwert)

N
Jj- . " Spannungsfreibetrag bis zur Grenzspannung

,O ,O ,O N

: a r x,y,z —y Spannungen in Hauptachsen ,

Jndxces

Δθ	E.β	Λ V ,σ.,σ
V	1-V
0 W	σ. ,σ. χρ iT
σ.,

a ' außen

A - . Abscheider

B ■ ' Brennstoff

BP BypaSG

Eco ' Economiser

frei Freibetrag "i " ' Bauteil, innen

k Laufindex

L ■ Luft

m Mittelwert

s satt

soll Sollwert

SPW Speisewasser

T Turbine

w wirksam

BAD ORIGINAL'

AA. - Ci -: ·:■>:. 3401949

Literatur

/1/ Carslaw, H.S. und Jaeger, J.C:
Conduction of Heat in Solids
Oxford at the Ciavendon Press. 1959

/2/ Pich, R.:

Die Berechnung der elastischen, instationärci, Wärmespannung in Platten, Hohlzylindern und
Hohlkugeln mit quasi-stationären Temperatur- . feldern

EVT Bericht Nr. 1/71

BAD ORIGINAL

Claims

PATENTANSPRUCH

Verfahren zum Betrieb von Dampferzeugern beim An- und Abfahren sowie bei schnellen Laständerungen, wobei an ausgewählten dickwandigen Bauteilen des Druckkörpers kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich der Gesamtspannungszustand gemessen, errechnet und mit vorausberechneten Gesamtspannungsgrenzen verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorausberechnung des Gesamtspannungszustandes und damit die Vorgabe von Einstellwerten für. Einspritzwasser, Brennstoff, Speisewasser und Druck mit Hilfe einer inversen Übertragungsfunktion, die aus vorgegebenen Wandtemperaturdifferenzen den Sollwert der Mediumstemperatur berechnet, erfolgt und Einspritzwassermenge, Brennstoffzufuhr, Speisewass-erzuf uhr und Druck so -geregelt werden, daß zu keinem Zeitpunkt der errechnete Spannungszustand die vorausberechneten Gesamtspannungsgrenzen in keinem Bauteil überschreitet.