DE3401948C2

DE3401948C2 - Verfahren zum Betrieb von Dampferzeugern

Info

Publication number: DE3401948C2
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: 1986-01-16
Also published as: DE3401948A1

Abstract

Um die Laständerungen eines Dampferzeugers mit der maximal zulässigen Änderungsgeschwindigkeit unter Einhaltung vorgegebener Spannungsgrenzen an ausgewählten, dickwandigen Bauteilen durchzuführen, wird ein Verfahren vorgeschlagen, wobei die Vorausberechnung des Gesamtspannungszustandes und damit die Vorgabe von Einstellwerten für Einspritzwasser, Brennstoff, Speisewasser und Druck mit Hilfe einer inversen Übertragungsfunktion erfolgt und dadurch gewährleistet wird, daß zu keinem Zeitpunkt die Gesamtspannungsgrenzen an einem Bauteil überschritten werden und dadurch Lebensdauereinbußen auftreten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Dampferzeugern beim An- und Abfahren sowie bei schnellen Laständerungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Das Bestreben, die in thermischen Kraftwerken eingesetzte Brennstoffwärme mit möglichst hohem Wirkungsgrttf 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 heißdampfiuhrenden Bauteilen treten beide Einflüsse gleichzeitig auf.

Der Lebensdauerverbrauch der einzelnen Druckteile einer Dampferzeugeranlage ist sehr unterschiedlich. 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 Laständerung^n so durchzufuhren, daß vorgegebene Spannungsgrenzen an Trommeln, Trenngefäßen, Dampfzyklonen und Niveaugefäßen, Wärmetauschern, Heißdampf- und Zwischenüberhitzersammlem, Heißdampfleitungen, Abzweigstücken, Armaturen, Umwälzpumpen, Speisewassereintrittsammlern und anderen Druckteilen nicht überschritten werden und deren vorausberechnete Lebensdauer nicht vorzeitig verbraucht wird.

Durch den Einzelbericht L 3405 der Firma Hartmann & Braun AG, 1969 - »Freispannungsmeßgeräte für den Dampfkesselbetrietxi ist eif Verfahren zum Betrieb von Dampferzeugern beim An- und Abfahren sowie bei schnellen Laständerucsen bekanntgeworden. Bei diesem bekannten Verfahren wird an ausgewählten dickwandigen Bauteilen des Druckkö· >ers kontinuierlich der Gesamtspannungszustand aus Wandtemperaturmessungen errechnet und mit vorausberechneten zulässigen Gesamtspannungen verglichen. Aus den Differenzen zwi schen zulässigen und aus Wandtemperaturmessungen errechneten Spannungen wird die zulässige Dampfiemperaturänderung ermittelt.

Nachteilig ist es jedoch bei diesem bekannten Verfahren, daß hierbei nicht instationäie Vorgänge berücksichtigt werden, sondern daß man von einem quasi stationären Vorgang bei einer bestimmten mittleren Last ausgeht. Dies hat zur Folge, daß die zulässigen Dampftemperaturänderungen und damit die Vorgabe für die Regler sollwerte teilweise unterschätzt, aber auch überschätzt werden, und somit der Dampferzeuger teilweise langsamer gefahren wird als notwendig, andererseits über bei manchen Bauteilen unzulässig viel Lebensdauer verbraucht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, daß der stationäre Vorgang und die Lastabhängigkeit berücksichtigt werden sollen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einen Prozeßrechner das System der inversen Übertragungsfunktionen eingegeben und die Koeffizienten dieser Übertragungsfunktionen laufend neu berechnet werden.

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 zeigt

Fi g. 1 Instationäre Mediumszustände und Spannungsverläufe in einem Formstück während eines Anfahrvorganges F i g. 2 Instationäre Spannungs- und Temperaturverläufe in einem Formstück während eines Anfahrvorganges

Legende zu Fig. 1 id Fig. 2:

A Dampftemperatur (°C)

B Dampfdruck (bar)

C Thermische Lochrandspannung (instationär) nach TRD 301/Al (N/mm²)

D Mechanische Lochrandspannung (instationär) nach TRD 301/Al (N/mm²)

E Gesamtspannung an Lochrand (instationär) nach TRD 301/Al (N/mm²)

F Dampftemperatur für die Sollwertführung (⁰C)

G Maximal zulässige Dampftemperatur (⁰C)

H Frischdampfstrom (kg/s)

S Freibetrag an Lochrandspannung (N/mm²)

T Dampftemperatur für die Sollwertführung (⁰C)

U Maximal zulässige Dampftemperatur (⁰C)

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V Gesamtspannung a« Lochrand bei Temperatur-Sollwertfuhrung (N/mm²)

W Thermische Lochrandspannung bei maximal zulässiger Temperatur (N/mm²) X Gesamtspannung bei maximal zulässiger Temperatur (N/mm²)

Y Mechanische Lochrandspannung (N/mm²)

Z Gesamtspannung bei Frischdampftemperatur (N/mm²)

Aufgetragen in F i g. 1 sind vorausberechnete Zeitverläufe des Dampfzustandes Druck (Kurve B), Temperatur (Kurve A) und Dampfstrom (Kurve H) während eines Anfahrvorganges. Zu diesen vorgegebenen Zeitverläufen wurden mi: Hilfe eines Rechenprogrammes die maximalen thermischen Spannungen (Kurve C), mechanischen Spannungen (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 mechanischen 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 Kurve F wird durch entsprechende Einspritzung eingehalten und die Einspritzungen durch Druckregelung (Umleitstation, Turbine) und/oder Brennstoff- bzw. Speisewasserzufuhr im Eingriff gehalten.

Für Bauteile im Naßdampfgebiet gilt bei Gleitdruckbetrieb der einfache Zusammenhang zwischen Siedetemperatur, Siededruck und Leistung, der zur Berechnung der zulässigen Feuerleistung für diese Bauteile verwendet wird.

Die Materialbeanspruchung wird erläutert wie folgt:

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 und veränderlicher Temperatur des berührenden Mediums sowie Wärmeübergangszahl bekannt.

Der Gesamtspannungszustand ist

o, = ομ + o_iT (1)

Mechanische Spannung (z. B. Innendruck)

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

°-M ~ ^am ' ^putlc · (2)

I lohtz) linder Hohlkugel

Thermospam jng

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

(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 so dem ungestörten Grundkörper (Platte, Hohlzylinder, Hohlkugel) wird der Formfaktor a_T eingeführt.

^σ'τ ⁼ "τ ■ fz7 ' <^T- W - ^r<^r*'»· (4)

Die thermische Spannung hängt neben den WerkstofTkennwerten Ε,β, 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

Um dimensional Größen zu erhalten, wird als Eingangssignal (Bezugsg.öße) folgende Größe definiert:

a -„ ÄJJL . (7"„(0 - _σ,₁₎__α,__ _

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Dies ist die dem Temperaturursprung 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) erhält 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: G(s) - ^L ^{g'^rl - ^L{™ " ^Γ(Λ*^/)} - * · T ^(J/. it) _m

Ho_n) LiUt)-T₁₁₀) ft, s + s_k ■ ^K>

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

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

Die inverse Übertragungsfunktion (8) besteht aus einer unendlichen Reihe. Für die praktische Anwendung wird diese unendliche Reihe nach einer endlichen Zahl abgebrochen. Zum Beispiel für k = 2

A_k und s_k werden kontinuierlich berechnet aufgrund der gemessenen Randbedingungen. Ermittlung der zulässigen Temperaturänderung des berührenden Mediums

Subtrahiert man von den gegebenen Spannungsgrenzen (σ,, σ,) die momentane mechanische (Gl. (2)) und thermische Spannung (GI. (4)), erhält man den Spannungsfreibetrag Tür Temperatursteigerung

Aa,_fKi. ' b, - σ, (10)

bzw. Tür Temperaturabsenkung

Ao,_tni. - σ,- σ,. (11)

Mit dem Stoffwert im momentanen Temperaturfeld

φ4^

und dem Spannungsüberhöhungsfaktor a_T kann der Freibetrag an Wandtemperaturdifferenz berechnet werden T

AT^ . -T_m-nr„0 I ° ■ (13)

Wind ' frei Ot ■ Vw

ίοικη

Mit Hilfe der inversen Übertragungsfunktion G '' (s) (9) kann kontinuierlich der Freibetrag an Mediumstemperatur AT_!ni Medium·, berechnet werden, der die Wandtemperaturdifferenz AT_fTC, wandi. und damit auch den Spannungsfreibetrag Αα_ιίκ\·. als thermische Spannung erzeugt

Verzeichnis der Symbole in den Formeln 1 bis 13

Oj Gesamtspannung im Bauteil innen

a_m Mechanische Spannung im Bauteil innen

σ,τ Thermische Spannung im Bauteil innen (Wärmespannung)

a_m Formfaktor zur Berüchfichiigung von Spannungserhöhungen an Lochrändern (etc. siehe TRD

301, AnI. 1)

a_u Mechanische Spannung an ungestörten Grundkörpern

wie: unendliche Platte Hohlzylinder Hohlkugel

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a,j Thermische Spannung in Grundkörpern

wie: unendliche Platte
Hohlzylinder
Hohlkugel

r Ortskoordinate senkrecht zur Oberfläche innen (Radius) 5

/ Zeit

E Elastizitätsmodul

β Wärmeausdehnungskoeffizienten

ν Querkontraktionszahl ,

T_m(t) Mittlere Wandtemperatur des Grundkörpers io |

T(r, t) Örtliche Wandtemperatui *

a_r Formfaktor zur Berücksichtigung von Spannungsüberhöhungen an Lochwänden (siehe TRD 301,

AnI. 1)

r„ r„ Ortskoordinate an der Innenoberfläche (Index /') bzw. an der Außenoberfläche (Index a) (Radien)

A_x(Bi, u) Koeffizienten der Reihenentwicklung in Abhängigkeit der Biotzahl (Bi) und dem Radienverhält- 15

nis (U = r,/r_a) innen zu außen, Index K = Zählindex
s_K Pole oder Eigenwerte der Übergangsfunktion

s Transformationsvariable der Laplace Transformation

I]₁(I) Mediumstemperatur an der inneren Oberfläche

7"„o Mediumstemperatur an der inneren Oberfläche im Ausgangszustand »0« 20

Bi Biot-Zahl

u= — Radienverhältnis

gto Bezugsspannung, die dem Mediumstemperatursprung (als Wandtemperaturdifferenz betrachtet)

entsprechende Spannung 25

G(s) Übertragungsfunktion Tür Mediumstemperatur als Eingangsgröße Xe(s) und Wandtemperaturdifferenz als Ausgangsgröße (Xa(s)) (Begriff in der Regelungstechnik)

L{) Laplace Transformation

G'' (s) Inverse Übertragungsfunktion für die zul. WandtemperaturdifTerenz als Eingangsgröße Xe(s) und

die max. zulässige Mediumstemperatur als Ausgangsgröße Xa(s). 30

Aa(j) Ausgangsgröße im Bildbereich

Xa(s) Inverse Ausgangsgröße im Bildbereich

Xe(s) Eingangsgröße im Bildbereich

Xe(s) Inverse Eingangsgröße im Bildbereich

σ, Spannungsobergrenze 35

σ, Spannungsuntergrenze

A O₁ [rc,. Spanr.ungsdifferer.2 der Gesarrstspannung a_t zur Spannungsuntergrenze a, (Spannungsfreibetrag),

maßgebend für Temperatursteigerung

Λσ/rrci. Spannungsdifferenz der Gesamtspannung σ,- zur Spannungsobergrenze σ, (Spannungsfreibetrag),

maßgebend für Temperaturabsenkung -o

<P_W = — Stoffwertefunktion, Funktion der mittleren Wandtemperatur T_m

Λ 7"r_{rci (} Temperaturdifferenz der aktuellen Mediumstemperatur zur maximal zulässigen Mediumstempe-

Mcdiurn'' ratur (Mediumstemperaturfreibetrag)

ν Summe 45

AT Temperatursprung des berührenden Mediums

Λ Tfrej _i Temperaturdifferenz zwischen zulässiger und aktueller Wandtemperaturdifferenz, Freibetrag der

wand'· WandtemperaturdifTerenz

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 50

Claims

S 34 Ol 948

ä Patentanspruch:

Il Verfahren zum Betrieb von Dampferzeugern beim An- und Abfahren sowie bei schnellen Laständerun-

H gen, bei dem an ausgewählten dickwandigen Bauteilen des Druckkörpers kontinuierlich oder quasi-konti-

p 5 nuierlich der Gesamtspannungszustand aus Wandtemperaturmessungen errechnet und mit vorausberech-

|5 neten Gesamtspannungsgrenzen verglichen wird, bei dem weiterhin die damit gewonnenen Spannungsdiffe-

§ renzen durch inverse Übertragungsfunktionen unter Berücksichtigung von Bauteilabmessungen und Stoff-

|5 werten in zeitlich veränderliche Einstellwerte für Einspritzwasser, Brennstoff, Speisewasser un-l Druck

f umgerechnet werden, so daß zu keinem späteren Zeitpunkt die vorgegebenen Spannungsgrenzen in den

h[ ίο Bauteilen überschritten werden, dadurchgekennzeichnet, daß in einen Prozeßrechner das System der

S inversen Übertragungsfunktionen eingegeben und die Koeffizienten dieser Übertragungsfunktionen lau-

;Ä fend neu berechnet werden.