DE3401948C2 - Verfahren zum Betrieb von Dampferzeugern - Google Patents
Verfahren zum Betrieb von DampferzeugernInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F22—STEAM GENERATION
- F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
- F22B35/00—Control systems for steam boilers
- F22B35/18—Applications of computers to steam boiler control
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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.
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
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)
34 Ol 948
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 + oiT (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 am 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 aT 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,__
_
34 Ol 948
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.
Hon) LiUt)-T110) ft, s + sk ■ K>
Die Eigenwerte st 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
Ak und sk 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)
φ4^
und dem Spannungsüberhöhungsfaktor aT kann der Freibetrag an Wandtemperaturdifferenz berechnet werden
T
AT^ . -Tm-nr„0 I ° ■ (13)
ίοικη
Mit Hilfe der inversen Übertragungsfunktion G '' (s) (9) kann kontinuierlich der Freibetrag an Mediumstemperatur AT!ni Medium·, berechnet werden, der die Wandtemperaturdifferenz ATfTC, wandi. und damit auch den
Spannungsfreibetrag Ααιίκ\·. als thermische Spannung erzeugt
Oj
Gesamtspannung im Bauteil innen
am
Mechanische Spannung im Bauteil innen
σ,τ Thermische Spannung im Bauteil innen (Wärmespannung)
am
Formfaktor zur Berüchfichiigung von Spannungserhöhungen an Lochrändern (etc. siehe TRD
301, AnI. 1)
au
Mechanische Spannung an ungestörten Grundkörpern
wie: unendliche Platte
Hohlzylinder
Hohlkugel
34 Ol 948
a,j Thermische Spannung in Grundkörpern
wie: unendliche Platte
Hohlzylinder
Hohlkugel
Hohlzylinder
Hohlkugel
r Ortskoordinate senkrecht zur Oberfläche innen (Radius) 5
/ Zeit
E Elastizitätsmodul
β Wärmeausdehnungskoeffizienten
ν Querkontraktionszahl ,
Tm(t) Mittlere Wandtemperatur des Grundkörpers io |
T(r, t) Örtliche Wandtemperatui *
ar 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)
Ax(Bi, u) Koeffizienten der Reihenentwicklung in Abhängigkeit der Biotzahl (Bi) und dem Radienverhält- 15
nis (U = r,/ra) innen zu außen, Index K = Zählindex
sK Pole oder Eigenwerte der Übergangsfunktion
sK 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 at zur Spannungsuntergrenze a, (Spannungsfreibetrag),
maßgebend für Temperatursteigerung
Λσ/rrci. Spannungsdifferenz der Gesamtspannung σ,- zur Spannungsobergrenze σ, (Spannungsfreibetrag),
maßgebend für Temperaturabsenkung -o
<PW = — Stoffwertefunktion, Funktion der mittleren Wandtemperatur Tm
Λ 7"rrci ( 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 (1)
- S 34 Ol 948ä 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 Druckf umgerechnet werden, so daß zu keinem späteren Zeitpunkt die vorgegebenen Spannungsgrenzen in denh[ ίο Bauteilen überschritten werden, dadurchgekennzeichnet, daß in einen Prozeßrechner das System derS inversen Übertragungsfunktionen eingegeben und die Koeffizienten dieser Übertragungsfunktionen lau-;Ä fend neu berechnet werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19843401948 DE3401948C2 (de) | 1983-01-21 | 1984-01-20 | Verfahren zum Betrieb von Dampferzeugern |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19833301895 DE3301895A1 (de) | 1983-01-21 | 1983-01-21 | Verfahren zum betrieb von dampferzeugern |
DE19843401948 DE3401948C2 (de) | 1983-01-21 | 1984-01-20 | Verfahren zum Betrieb von Dampferzeugern |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3401948A1 DE3401948A1 (de) | 1984-07-12 |
DE3401948C2 true DE3401948C2 (de) | 1986-01-16 |
Family
ID=25807693
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19843401948 Expired DE3401948C2 (de) | 1983-01-21 | 1984-01-20 | Verfahren zum Betrieb von Dampferzeugern |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
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Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2677787B2 (ja) * | 1986-11-06 | 1997-11-17 | バブコツク日立株式会社 | ボイラ制御装置 |
DE19904974A1 (de) * | 1999-02-06 | 2000-08-10 | Abb Patent Gmbh | Verfahren zum Betreiben eines Dampferzeugers unter Einsatz eines Freilastrechners |
DE102009021762A1 (de) | 2009-05-18 | 2011-01-13 | Ahmed, Sohail, M.Sc. | Turbomaschinen Monitoring-, Schutz- und Regelsystem |
-
1984
- 1984-01-20 DE DE19843401948 patent/DE3401948C2/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3401948A1 (de) | 1984-07-12 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OAV | Applicant agreed to the publication of the unexamined application as to paragraph 31 lit. 2 z1 | ||
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
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8331 | Complete revocation |