DE3841741A1 - Dampfumformverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Dampfumformverfahren, bei dem Wasserdampf aus einem durch seine Temperatur T _FD und seinen Druck p _FD gegebenen thermodynamischen Zustand (1) (Frischdampf) mittels Kühlwassereinspritzung in Wasserdampf mit einem durch seine Temperatur T _AD und seinen Druck p _AD gegebenen thermodynamischen Zustand (Abdampf) überführt wird, insbesondere, wenn der Ausgangsdruck p _AD mit einem ersten Druckfühler gemessen wird mittels eines Dampfumformventils, dessen Frischdampfdurchlaß (Massenstrom _FD ) mit einem von einem Hauptantrieb einstellbaren Hub eines Ventilkörpers im Ventil veränderbar ist und in das Kühlwasser eingespritzt wird mit einem Kühlwasserdurchsatz (Massenstrom _KW ), der mit einem von einem Hilfsantrieb einstellbaren Hub eines Ventilkörpers in einem Kühlwasserventil veränderbar ist, wobei das Dampfumformventil mit mindestens einem Regler zusammenwirkt, der zumindest eine von Temperatur und/oder Druck des Abdampfes (T _AD ; p _AD ) abhängige Regelgröße erzeugt, die zumindest auf den Hilfsantrieb des Kühlwasserventils und somit auf den Kühlwasserdurchsatz über vom Regler an den Hilfsantrieb abgegebene Stellgröße einwirkt.

Regelverfahren zur Umformung von Frischdampf, wie sie im Kraftwerkbereich benötigt werden, um etwa bei Laständerungen auftretende Schwankungen in der Dampfabnahme im Hinblick auf die gegebene Trägheit des Dampferzeugers zu beherrschen, sind an sich bekannt. Mit ihrer Hilfe soll eine bestimmte Dampfmenge pro Zeiteinheit entspannt und gekühlt werden, so daß der thermodynamische Zustand des abgehenden Dampfes demjenigen nach Arbeitsleistung entspricht. Außer im Kraftwerksbereich werden derartige Regelverfahren auch in anderen Industriezweigen benötigt und zwar überall dort, wo eine Beheizung durch Dampf vorzunehmen ist. Dies sind z. B. Kocher, Eindicker, Trockner, wie sie in vielen Bereichen der Industrie, wie z. B. in der chemischen Industrie, der Lebensmittelindustrie, der Textil- oder der Papierindustrie eingesetzt werden. Die Regelung wird dabei immer durch (nahezu) adiabatisches Entspannen des Frischdampfes in einem Dampfumformventil vorgenommen, in das zusätzlich Kühlwasser zum Erreichen der gewünschten Zustandswerte so eingespritzt wird, daß es in dem Dampfstrom verdampft. Dabei darf jedoch die Sättigungsgrenze im abgehenden Dampf nicht unterschritten werden und das eingespritzte Kühlwasser muß restlos verdampfen, da freie Tröpfchen (sowohl durch Kondensation als auch als Rest der Einspritzung) Schäden in den angeschlossenen Rohrleitungen und Armaturen zur Folge haben. Um diese Aufgabe zu lösen, werden Dampfumformventile eingesetzt, deren Dampfdurchsatz mit Hilfe eines verstellbaren Ventilkörpers den im Regelfall durch die Prozeß-Leittechnik vorgegebenen Bedürfnissen des Prozesses angepaßt werden kann und die mit einer Kühlwassereinspritzung versehen sind, wobei der Kühlwasserdurchlaß durch eine entsprechende Gestaltung des Kühlwasserventils ebenfalls regelbar ist. Zur Regelung von Temperatur und/oder Druck des Ausgangsdampfes werden bei Abweichung dieser Werte von vorgegebenen Sollwerten Stellbefehle an den den Kühlwasserdurchsatz und/oder an den den Dampfdurchsatz bestimmenden Ventilkörper im Kühlwasserventil bzw. im Dampfumformventil gegeben, wobei diese Ventilkörper durch Stellantriebe bewegt werden und ihr Hub im Ventilgehäuse eine kennzeichnende Größe für die Drosselverhältnisse der Ventile darstellen.

Dem Regler selbst werden dafür zumindest die Werte für die Abdampf-Temperatur zugeführt. Wie weit ihm weitere Werte zugeführt werden, ist von der Art des Prozesses abhängig. Ist - etwa durch unregelmäßig anfallende Änderungen im Verbrauch - der Ausgangsdruck Schwankungen unterworfen, wird eine "Nachdruck"-Regelung eingesetzt, bei der im allgemeinen der Vordruck von der Dampfquelle her als konstant angesehen werden kann. Ist umgekehrt - etwa durch ein dem Ventil nachgeschalteten Kondensator hinreichender Größe - der Nachdruck des abgehenden Dampfes konstant, betrifft das Regelverfahren die Regelung des Vordruckes. Für die Regelung selbst werden zumindest die Werte für die Abdampftemperatur gemessen und bei Abweichungen der gemessenen Abdampftemperatur vom vorgegebenen Sollwert wird der Kühlwasserdurchsatz entsprechend der Richtung der Abweichung vergrößert oder verkleinert. Ein derartiges Vorgehen lehrt die DE-PS 9 05 018, die darüber hinaus auch die Messung des Abdampf-Druckes vorschlägt, wobei der Regler ein druckabhängiges Regelsignal erzeugt, durch das bei Abweichungen des gemessenen Abdampf-Druckes vom vorgegebenen Sollwert sowohl auf den Hub des Ventilkörpers des Dampfumformventils als auch auf den Hub des Ventilkörpers des Kühlwasserventils Einfluß genommen wird. Besonders bei kleinen, vom Dampfumformventil zu übernehmenden Lasten, kann insbesondere die Temperaturmessung im Abdampf wegen möglicher Strähnenbildung oder wegen ungenügender Verdampfung des Kühlwassers bis zum Meßort nur unsicher ausgeführt werden. Diese Unsicherheit erzwingt eine Verlegung des Meßpunktes stromab vom Dampfumformventil. Dies führt aber wiederum auch bei Anwendung nicht-proportionaler Regler (differential, integral oder gemischt) nicht zum gewünschten Erfolg, wegen der mit der Verlegung des Meßortes verbundenen Zeitverzögerung. Unabhängig von dieser muß auch berücksichtigt werden, daß die Änderung des thermodynamischen Zustandes des Frischdampfes durch die mit der Verlegung der Meßorte verbundenen Zunahme der den Dampfstrom umfließenden Massen dadurch beeinflußt wird, daß diese bei einer Temperaturänderung bis zum Erreichen eines neuen Gleichgewichts Wärme abgeben oder Wärme aufnehmen (je nach Richtung der Temperaturänderung) und somit die Voraussetzung einer adiabatischen Entspannung zumindest für das Zeitintervall der Schwankung und der regelmäßigen Anpassung auch angenähert nicht mehr gegeben sind. Dies führt dazu, daß im Ventil lokale Überhitzungen oder lokale Unterkühlung nicht zu vermeiden sind und daß damit verbundene Materialschäden zum Reißen des Ventilkörpers führen können.

Hier setzt die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, das Verfahren der klassischen Regelung derart weiterzubilden, daß die Nachteile überwunden werden und daß ein sicherer Betrieb derartiger Ventile erreicht wird, wobei insbesondere auch eine Anpassung des Reglerverhaltens an Abweichungen des Ventils von seiner idealen Kennlinie (fertigungsbedingt bzw. verschleißbedingt) möglich sein soll.

Durch die Einführung eines Modells wird der Regler so weitergebildet, daß ein Vergleich von vom Modell ausgeworfenen fiktiven Ausgangswerten für den thermodynamischen Zustand zwei mit den gemessenen Ausgangswerten verglichen werden können. Dabei beruht das Modell auf den an sich bekannten Zusammenhängen zwischen Massenstrom, Temperatur und Druck unter Berücksichtigung der Kontinuitäts- und Erhaltungssätze, wobei aus den Kenngrößen für Kühlwasser- und Dampfumformventil zunächst die Massenströme für Frischdampf und Kühlwasser

_KW = _KW (a _KWV , A _KWV , s _KWV , ρ _KW (p _KW,1 - p _KW,2)) und _FD = _FD (a _DUV , A _DUV , s _DUV , ρ _FD (p _FD - p _AD ))

gebildet werden mit

_AD = _KW + _FD .

Durch den Abstand der realen Meßstellen für Druck und Temperatur vom Drossel-Querschnitt des Dampfumformventils ergeben sich für die auf diesen Querschnitt zu beziehenden Werte Druck- und Temperaturkorrekturen, die bezüglich des Druckes aus dem dynamischen Druck des strömenden Dampfes sowie aus den auftretenden Rohrreibungen bzw. aus den Umlenkungsverlusten aus den bekannten Gesetzen der Strömungslehre (z. B. nach Colbrook oder Nikuradse) folgen. Für die Temperaturkorrektur gilt, daß die Massen der die Strömung umfassenden Wände mit ihrer Wärmekapazität wegen der unvermeidbaren Wärmeverluste grundsätzlich als Senken anzusehen sind; steigt die Frischdampftemperatur, nehmen sie vermehrt Wärme auf, die bei sinkender Temperatur wieder abgegeben wird. Dies führt dazu, daß zeitliche Temperaturschwankungen an der Frischdampf-Temperaturmeßstelle die Senkenstärke unter Umständen bis zur Umkehr (die Senke wird Quelle) verändert. Durch Berücksichtigung des fließenden Massenstroms und der mit dem Massenstrom fließenden Enthalpie, der in den Massen der Umfassungswände gespeicherten Wärme und des von den Strömungsverhältnissen abhängigen Wärmeübergangs ist es möglich, auch die Temperaturkorrekur durchzuführen, so daß aus der gemessenen Temperatur eine "fiktive Temperatur" im Drossel-Querschnitt wird.

Die Enthalpie des Abdampfes

H _AD = H _AD (p _FD , T _FD , _FD , Δ p _KW , T _KW , _KW )

läßt nun eine Berechnung der gesuchten Abdampftemperatur zu, es wird nämlich

T _AD = T _AD (H _AD , p _AD ).

Diese aus den im Abstand vom Drossel-Querschnitt des Dampfumformventils gemessenen und auf den Drossel-Querschnitt umgerechneten Werte für Druck und Temperatur gewonnenen Zustandswerte für Abdampf werden den Sollwerten, die u. U. von einem Prozeßleitsystem vorgegeben sind, ständig gegenübergestellt und Abweichungen im Grundsatz über Hubänderungen des Kühlwasserventils (u. U. auch des Dampfumformventils) im voraus ausgeglichen. Dabei wird

H′ _AD = H′ _AD (p′ _AD , T′ _AD , ′ _FD , p′ _KW , T′ _KW , ′ _KW ).

Für

H _AD H′ _AD

erfolgt eine Veränderung des Kühlwasserstroms durch Änderung des Hubes des Ventilkörpers im Kühlwasserventil, bis die auf die gemessenen Zustandswerte zurückgehende spezifische Enthalpie mit ihrem Sollwert übereinstimmt.

Dabei bedeuten:

= Massenstrom
p = Druck
T = Temperatur
δ = Dichte
a = Hub des Ventilkörpers
A = vom Hub abhängige Ventil-Drosselfläche
α = Durchfluß-Beiwert des Ventils
H = spezifische Enthalpie

wobei folgende Indizes die Unterscheidung gewährleisten:

FD: Frischdampf
AD: Abdampf
KW: Kühlwasser
DUV: Dampfumformventil
KWV: Kühlwasserventil

Die mit Strich (′) versehenen Werte sind errechnete Werte, die ohne Strich gemessene; die auf den Drossel-Querschnitt bezogenen Werte werden nicht ausgewiesen, sie sind die "fiktiven" Werte, die im Rechenprozeß als Hilfsgrößen auftreten (wobei es sich von selbst versteht, daß sie über entsprechende Rechner-Anweisungen als Protokoll ausgegeben werden können).

Aus den Zusammenhängen folgt, daß Änderungen der Zustandswerte des Frischdampfes oder aber des Frischdampf-Massenstromes, verursacht durch den Prozeß (ggfs. über einen Prozeßrechner vorgegeben) die Enthalpieänderung abdampfseitig berührt. Die dem ständigen Vergleich durch den Rechner zugrunde zu legenden Sollvorgaben für die Ventilstellungen daher prozeßbedingt zu verändern (ggfs. "on-line" mit dem Prozeßrechner). Das Ziel, konstante Abdampf- Zustandswerte zu erreichen, wird so realisiert, wobei eine hinreichend schnelle Abfrage der Ist-Werte vorteilhaft ist, ebenso die Verwendung eines, die Rechenarbeit bewältigenden, Rechners mit entsprechenden Speichern. Durch diese vorausschauende Steuerung werden Thermoschocks im Bereich des Dampfumformventils ebenso vermieden wie ein Unterschreiten der Sättigungsgrenztemperatur. Dies bedeutet aber auch, daß nachteilige Auswirkungen des Temperaturschocks bzw. von Wassertröpfchen auf das Ventil ausgeschaltet sind.

Die rechnerische Durchführung wird von einem Mikroprozessor geleistet, der entsprechend getaktet die fiktiven Ausgangswerte berechnet, die dann als "Sollwerte" dem Regler zugeführt werden. Dabei werden die Eingangsparameter auf den Ventil-Drosselquerschnitt bezogen. Da diese in diesem Querschnitt jedoch nicht gemessen werden können, werden die Sensoren bzw. Meßsonden im Abstand davon stromauf bzw. für die Ausgangswerte stromab angeordnet. Dabei können bis auf den Abdampftemperaturfühler, der wegen der verzögerten Gleichgewichtsausbildung abgesetzt anzuordnen ist, die Fühler auch im Ventilkörper integriert sein. Die sich dadurch ergebenden Abweichungen bestehen darin, daß bei einer Temperaturschwankung zusätzliche Wärmeverluste aufgrund der zwischen Meßort und Bezugs-Querschnitt vorhandenen Massen zu berücksichtigen sind. Bei einer Temperaturänderung auf der Frischdampfseite wird je nach Richtung der Temperaturänderung Wärme von der Rohrleitung aufgenommen bzw. abgegeben, so daß eine Temperaturänderung am Meßort verzögert und in der Anstiegsgeschwindigkeit abgeflacht am Eintritts-Querschnitt eintrifft. Gleiches gilt entsprechend für die Abdampfseite. Dort liegen, wegen des insgesamt niedrigeren Temperaturniveaus, dem möglichst gering zu haltenden Abstand der Abdampf-Temperatur T _AD über der Sättigungsgrenztemperatur T _s zum einen der Wärmeabfluß nach außen geringer ist und zum anderen geringfügige Wärmemengen kritische Änderungen dieser Temperatur-Differenz bewirken können. Dabei wird die Temperaturänderung an der Meßstelle in starkem Maße "verzerrt", ein Effekt, der bei der normalen Regelung, auch wenn sie ein differentiales oder ein differentialintegrales Verhalten hat, nachteilig ist.

Das Modell wird mit Hilfe eines Mikroprozessors berechnet, der mit einem Arbeitsspeicher versehen ist, in dem die Durchlaßwerte des Dampfumformventils und des Kühlwasserventils als Funktion des Hubes der Ventilkörper gespeichert sind. Erkennt der Rechner Abweichungen von den theoretischen Idealwerten, korrigiert er dementsprechend und ersetzt die Idealwerte durch die korrigierten Realwerte. Auf diese Weise werden nicht nur die instationären Vorgänge genauer ausgeregelt, sondern darüber hinaus werden sie benutzt, um Informationen über Abweichungen vom vorgegebenen Ideal-Verhalten zu gewinnen und diese Abweichungen im Arbeitsspeicher festzuhalten. Auf diese Weise werden auch Änderungen der Ventilkennlinie durch erosionsbedingte Änderungen der Ventilgeometrie berücksichtigt.

Um ein derartiges Dampfumformventil vor Schäden zu schützen, müssen im Abströmbereich hinter dem Ventilkörper Maßnahmen getroffen sein, die Temperatur-Schocks vermeiden. Derartige Temperatur-Schocks werden in aller Regel durch plötzlichen Anstieg der Temperatur verursacht, sie können aber auch durch ein "Zuviel" an eingespritztem Kühlwasser entstehen. Dadurch, das der Modellrechner für alle vorkommenden thermodynamischen Zustände, die Sättigungs-Grenztemperatur kennt, kann von vornherein ein "Zuviel" an eingespritztem Kühlwasser vermieden werden. Es kann aber die Kühlwassereinspritzung so genau an die Grenze herangebracht werden, daß Übertemperaturen, die zu dem Thermo- Schock auch führen, vermieden werden.

Der eingesetzte Modellrechner registriert alle vorkommenden Abweichungen, auch die, die durch Bedienungs-Eingriffe oder Leitsystem-Eingriffe von außen verursacht werden. Haben derartige Eingriffe die Überschreitung von vorgegebenen Grenzwerten zur Folge, werden diese Überschreitungen vom Modellrechner als "Störfall" erkannt und registriert. Derartige Störfallmeldungen können akustischen oder optischen Alarm auslösen. Die Protokollierung erfolgt zweckmäßigerweise so, daß sie nicht spurenlos gelöscht werden kann. Dazu werden an sich bekannte Speicherelemente eingesetzt, in die das Störfallprotokoll mit Zeitangabe und Störfallcode (zur Identifizierung der Störfallart) elektronisch gespeichert werden. Diese Speicherung ist unabhängig von einer Spannungsversorgung im Sinne eines "Read only memory- (ROM) Speichers". Eine so gespeicherte Information bleibt erhalten, sie kann nur durch äußere Einwirkung gelöscht werden, wobei diese äußere Einwirkung erkennbare Spuren hinterläßt. Es versteht sich von selbst, daß auch ein Ausdruck der Störfallprotokolle möglich ist, so daß eine vollständige Überwachung ermöglicht wird.

Vorteilhaft ist es auch, den Modellrechner mit entsprechenden (seriellen oder parallel) Schnittstellen zu versehen, die - etwa über ein Modem an eine Datenfernübertragungsleitung angeschlossen - eine Überprüfung des Ventils in bezug auf seinen Betriebszustand erlaubt. Darüber hinaus erlaubt eine derartige Schnittstelle auch das Abrufen der im Arbeitsspeicher vorhandenen Informationen, so daß eine Überprüfung auch des Ventil-Zustandes aufgrund der Abweichung vom ursprünglichen Speicherinhalt ermöglicht wird. Schließlich kann über die Schnittstelle auch eine Abfrage der Störfall-Protokolle erfolgen und so eine Überwachung des Dampfumformventils im Hinblick auf sicherheitstechnisch relevante Fragen.

Der Modellrechner selbst ist in der üblichen Rechner-Bauweise aufgebaut, wobei ein Mikroprozessor im Zusammenwirken mit einem Coprozessor den aktiven Teil bilden. Ein Arbeitsspeicher hinreichender Größe zur Aufnahme des Programmes sowie der zu speichernden Informationen (Ventilkennlinien, H, T-Diagramm (sind in der üblichen Weise mit dem aktiven Teil verbunden. Darüber hinaus ist ein weiterer Speicherteil vorgesehen, der batteriegepuffert auch bei Netzausfall zu sichernde Daten und Protokolle behält. Für die analog anstehenden Meßwerte sind A/D-Wandler-Eingänge vorgesehen, zusätzlich weitere Eingänge als reine Digitaleingänge. Als Ausgänge sind Impuls-, Steuer- und Statusausgänge vorgesehen, die mittels im Rechner vorhandener elektromechanischer oder elektronischer Schaltglieder durchgeschaltet werden. Darüber hinaus besitzt der Rechner analog-Ausgänge sowie serielle und/oder parallele Schnittstellen. Eine direkte Anzeige, z. B. über ein LCD-Display ist ebenso vorgesehen wie Leuchtanzeigen für den Status (Betrieb, Alarm, o. dgl.). Direkte Eingaben in den Modellrechner sind mit einer vorgeschalteten Tastatur möglich.

Es versteht sich von selbst, daß das Modellverhalten auch in einem übergeordneten Prozeßrechner der Leittechnik nachgebildet werden kann, deren durch Rechnung erzeugten Ausgangswerte dann die vorbeschriebenen "fiktiven Ausgangswerte" des Modellrechners sind.

Die Meßwert-Eingänge werden je nach Art des Prozesses verbunden mit Fühlern und Sensoren für

• - Frischdampftemperatur,
• - Kühlwassertemperatur,
• - Abdampftemperatur,
• - Frischdampfdruck,
• - Abdampfdruck,
• - Kühlwasserdruck-Vorventil,
• - Kühlwasserdruck-Nachventil,
• - Hub-Dampf-Ventil,
• - Hub-Kühlwasser-Ventil.

Darüber hinaus können weitere Führungsgrößen (etwa von einem übergeordneten Leitsystem) eingegeben werden. Für die praktische Anwendung werden nicht alle Parameter unbedingt benötigt, so weit Parameter vom Prozeß her konstant sind, können diese durch Festwerte ersetzt werden. Dies gilt beispielsweise für den Abdampfdruck, wenn dem Dampfumformventil ein Kondensator nachgeschaltet ist, bei dem der Abdampfdruck (abgesehen von Rohrleitungsverlusten) durch die Kondensationstemperatur bestimmt ist.

Den Sensoreingängen sind außer den vorgesehenen A/D-Wandlern Übertragungsglieder zugeordnet, die eine Linearisierung nicht-linearer Sensor-Kennlinien bewirken. Dadurch wird der Modellrechner von nicht-linearen Zusammenhängen zwischen zu messender Größe und Sensor- bzw. Fühlerausgang freigehalten.

Der abgesicherte Speicher für die Störfall-Protokolle kann über die Schnittstellen des Modellrechners ausgelesen werden, sein Inhalt kann auch auf dem Schirm des Bedienungsgerätes zur Anzeige gebracht oder über einen eventuell angeschlossenen Drucker ausgedruckt werden. Um unberechtigte Löschungen (z. B. durch UV-Strahlung bei einem EPROM) auszuschließen, enthält der Protokollspeicher von vornherein eine maschinenabhängige Vorbelegung, die bei unberechtigter Löschung durch Eingriff von außen mitgelöscht würde. Auf diese Weise wird das Erkennen einer Manipulation möglich. Um besonders in sicherheitsrelevanten Bereichen immer wieder geforderte unabhängige Überprüfungen zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn dieser Speicherteil für die Störfallprotokolle über eine entsprechende Schnittstelle ein Interface o. dgl., unabhängig vom Mikroprozessor von einem dritten ausgelesen werden kann. Dazu kann an eine Datenabnahme unmittelbar am Rechner gedacht werden, es ist jedoch auch möglich, den unabhängigen und gesonderten Speicherteil abnehmbar zu gestalten, so daß er bei der überwachenden Stelle völlig unabhängig vom Betrieb des Betreibers auslesbar ist.

Wie die Erfahrung mit Dampfumformventilen gezeigt hat, sind die kritischen Verschleißstellen, die überprüft und bei Wartungen ggfs. ersetzt werden müssen, einer Abnutzung im wesentlichen dann unterworfen, wenn der Hub des Ventiles geändert wird. Es ist daher vorteilhaft, die bei der Betätigung des Ventils anfallenden Hübe zu summieren und diese so entstandene Summe (Gesamt-Weglänge, die der Ventilkörper zurückgelegt hat) mit einer kritischen Strecke zu vergleichen, die als charakteristisch für den Wartungsbedarf angesehen werden kann. Darüber hinaus können auch Erosionsvorgänge Anforderungen an Überprüfung und Wartung stellen. Diese können jedoch bei dem geschilderten Verfahren dadurch erkannt werden, daß der Rechner aus im Laufe der Zeit erfolgten Veränderungen der Hub-Korrektur bei an sich gleichen Eingangs- und Ausgangszuständen des Dampfes auf Veränderungen von Durchfluß-Beiwert der Ventile und/ oder des Drosselquerschnitts als Funktion des Hubes schließt und aus diesem Schluß eine Information über den Zustand des Drosselkörpers ausgibt. Es versteht sich von selbst, daß auch Grenzabweichungen vorgegeben werden können, bei deren Überschreitung zumindest eine Protokollausgabe, ggfs. sogar eine Alarmgabe erfolgt. Diese Alarmgabe kann - genau so wie die Alarmgabe bei Überschreitung der vorgegebenen Extremwerte für den thermodynamischen Zustand oder bei Unterschreitung eines kritischen Wertes für die Temperaturdifferenz Abdampftemperatur-Sättigungsgrenztemperatur die Alarmgabe unabhängig von der Störfall-Protokollierung akustisch oder optisch erfolgt.

Das Verfahren wird anhand eines Vorrichtungsschemas sowie der damit erzielten Verfahrens-Parameter beispielhaft erläutert: Eine Dampfumformstation (10) mit Frischdampfzuleitung (11) und Abdampfableitung (12) enthält das Dampfumformventil (13) mit einer Kühlwassereinspritzung. Das Kühlwasser wird über eine Kühlwasserzuleitung (14) dem Kühlwasserdrosselventil (15) zugeführt und strömt von da aus über die Einspritzleitung (16) dem Dampfumformventil (13) zu. Die nicht näher dargestellte Einspritzung erfolgt in üblicher Art der Drosselstelle nachgeschaltet, wobei auch die Einspritzung mit der Regelung des Kühlwasserstromes direkt verbunden sein kann, etwa in der bekannten Art, daß ein im Dampfumformventil axial angeordnetes Kühlwasserohr mit radialen Bohrungen versehen ist, das von einem geschlossenen, axial verschiebbaren Rohr überfangen ist, wobei der Hilfsantrieb zum Regeln des Kühlwasser-Massenstromes auf ein vorgeschaltetes Regelventil wirkt. Die nicht näher dargestellten Ventilkörper werden mit dem Ventilkörperantrieb (17) am Dampfumformventil bzw. mit dem Hilfsantrieb (18) am Kühlwasserventil bewegt. Sensoren (17.1 und 18.1) melden die Bewegungen und die zurückgelegten Hubwege an den Rechner (20) zurück. Endschalter (17.2 bzw. 18.2) begrenzen die Hübe von Dampfumformventil und Kühlwasserventil und melden ihrerseits das Erreichen der Endposition an den Leitrechner (20). In der Frischdampfleitung (11) sind im Abstand vom Dampfumformventil (13) Fühler (11.1, 11.2) für die Temperatur und den Druck des Frischdampfes angeordnet. Die entsprechenden Werte für Temperatur und Druck des Abdampfes werden mit den in der Abdampfleitung (14) vorgesehenen Fühlern (14.1, 14.2) abgenommen. Die so ermittelten Dampfzustandswerte gehen an den Leitrechner (20). Die Kühlwassereinspeisung wird in gleicher Weise überwacht, wobei die für die Bestimmung des Massenstroms wichtige Druckdifferenz aus den Werten der Druckfühler (14.2, 16.2) vor und hinter dem Kühlwasserventil gebildet wird. Die eingezeichneten Temperaturfühler (14.1, 16.1) können - soweit sie nicht ganz entfallen - auf einen Temperaturfühler reduziert werden, soweit die für die Enthalpie-Berechnung notwendige Temperatur als konstant angesetzt werden kann (zumal Temperaturschwankungen im Normal-Bereich der Kühlwassertemperatur T _KW nur geringfügig in die Dichte und somit in den Massenstrom _KW eingehen).

Der Rechner (20) - der in seinen Einzelheiten nicht näher dargestellt ist - ist mit einem Mikroprozessor versehen, der vorzugsweise mit einem Coprozessor zusammenarbeitet und der einen Programm- und Arbeitsspeicher aufweist sowie einen Sicherungsspeicher mit Batteriepufferung und einen weiteren gesonderten Speicher zur Protokollierung von Störfällen, der mit einer Uhr versehen die Protokollierung mit Datum und Uhrzeit gestattet und der ebenfalls mit einem Batteriepuffer versehen ist. Für die Aufnahme analoger Meßwerte sind entsprechende Eingänge mit A/D-Wandlern vorgesehen (die entfallen können, wenn die Meßwände digitalisiert zugeführt werden). Die Ausgänge sind als Impuls-, Steuer- oder Statusgänge vorgesehen mit Relaiskontakten, über die die ausgeworfenen Befehle an die Antriebe herausgehen und die darüber hinaus die Hilfsfunktionen (z. B. Statusfunktionen, Alarmauslösungen über Lampe (23.1) oder Hupe (23.2) o. dgl.) übernehmen. Weitere Analog-Ausgänge sind als Strom- oder Spannungsquellen schaltbar und erlauben die Übernahme analog darzustellender Zustandswerte. Die Bedienung erfolgt entweder über eine vorgesehene Bedientastatur (21) oder über ein angeschlossenes, entfernt aufgestelltes Bediengerät (z. B. Personalcomputer (25)) oder über einen Prozeß-Rechner. Die Eingaben und Ausgaben sowie die Statuszustände sind am Bedienteil durch ein Display (22) oder durch Leuchtfelder (24) zu erkennen (die selbstverständlich entfallen können, wenn der Bedienteil entfernt aufgestellt ist). Dabei ist es durchaus möglich, daß die als Parameter eingegebenen Werte (z. B. die funktionellen Zusammenhänge zwischen Massenstrom und Ventilstellung) in den Speichern der angeschlossenen Bedienteile vorhanden sind, auf die der Mikroprozessor genauso zurückgreifen kann, wie auf im Arbeitsspeicher vorhandene Informationen. Die Grundeinstellung des Ventils aufgrund der herstellseitigen Auslegung wird zweckmäßigerweise in einem EPROM abgespeichert, sie dient als Vergleichswert für "schleichende" Veränderungen der Ventilcharakteristik, z. B. als Folge eines Verschleißes.

An die analogen Meßeingänge werden die Sensoren angeschlossen, für

• - Frischwassertemperatur
• - Kühlwassertemperatur
• - Abdampftemperatur
• - Frischdampfdruck
• - Abdampfdruck
• - Kühlwasserdruck vor Ventil
• - Kühlwasserdruck nach Ventil
• - Stellung Dampfventil
• - Stellung Kühlwasserventil
• - freiwählbare elektrische Führungsgröße.

Dabei können einzelne Eingänge unbelegt bleiben, wenn die betreffenden Zustandswerte prozeßbedingt konstant bleiben oder als konstant angesehen werden können. Es versteht sich von selbst, daß je nach Art des Sensors zusätzliche Verstärker, Wandler oder auch A/D-Wandler eingesetzt werden können (wobei dann der A/D-Wandler im Analog-Eingang zu überbrücken ist). Eventuelle mögliche Kompensationen (bei Thermoelementen z. B. Eispunktkompensation und/oder Linearisierung) erfolgt durch den Rechner, dem entsprechende Unterprogramme eingegeben werden. Alle Werte werden etwa einmal je Sekunde abgefragt.

Zusätzlich zu den Sensoreingängen sind vier digitale Statuseingänge vorgesehen, die zur Überwachung beliebiger Grenzwerte oder zum Einspeisen zusätzlicher Befehle o. dgl. verwendet werden können. Die Bedeutung dieser Statuseingänge wird in dem Betriebsprogramm festgelegt. Es versteht sich von selbst, daß alle Eingänge gegen Überspannung und elektrostatische Einflüsse geschützt sind.

Als gesonderter Protokollspeicher ist ein EPROM eingesetzt mit einer Kapazität von 8 KB Speicherkapazität. In ihm werden alle fehlerhaften Fahrweisen und Benutzereingriffe festgehalten, welche z. B. zu freiem Wasser im Dampfumformventil oder zu übergroßer thermischer Belastung führen können. Der in dieses EPROM eingelesene Inhalt kann über eine vorgesehene Schnittstelle ausgelesen werden. Es versteht sich von selbst, daß diese auf einem Bildschirm des Bediengerätes (gleichgültig, ob am Rechner vorgesehen oder entfernt davon aufgestellt) dargestellt werden oder auf einem angeschlossenen Drucker ausgedruckt werden. Eine spezielle maschinenabhängige Vorbelegung dieses EPROM's stellt sicher, daß ein Löschen mit dem Ziel, Störprotokolle zu vernichten, kenntlich gemacht wird. Diese Belegung - z. B. ständig wiederholtes Eintragen von Job-Nummer und Job-Name - ist, unabhängig vom Betreiber, vorgebbar oder wählbar, so daß unerwünschte Einflußnahmen, z. B. durch den Betreiber, ausgeschlossen werden können.

Um den mit dem Mikroprozessor versehenen Leitrechner (20) mit anderen Rechnern in Verbindung treten zu lassen, sind entsprechende Schnittstellen vorgesehen, die parallel und/oder seriell ausgeführt sind. Dadurch wird auch eine Daten-Fernübertragung möglich, die Fernbedienung, Fernüberprüfung und ggfs. Auslösung entsprechender Wartungsmaßnahmen ermöglicht. Diese Funktion kann auch von dem Personalcomputer (25) übernommen werden, der über eine an einer Schnittstelle angeschlossenen Leitung (27) mit einem Prozeßleitrechner, einem Datenfernübertragungsmodem o. dgl. verbunden ist und so Daten empfangen und ausgeben kann. Ein Drucker (26) gestattet das Ausdrucken der auf dem Bildschirm des Personalcomputers (25) (oder des Display's 22) angezeigten Daten zur Aufbewahrung. Der Leitrechner (20) kann dabei so programmiert und im Hinblick auf eine unterbrechungslose Stromversorgung ausgelegt sein, daß er die klassische Reglerfunktion bei einem etwaigen Ausfall der Prozeßleittechnik oder bei Störungen wie z. B. Ausfall von Sensoren oder Meßwertübertragungsleitungen weiterhin erfüllt und so auch die in sicherheitsrelevanten Anwendungsfällen zumindest die betriebsnotwendige Regelung aufrecht erhält. Es versteht sich von selbst, daß eine derartige Störfallprogrammierung auf das Verfahren insgesamt gerichtet sein kann.

Die Auswirkungen zeigen sich an den für ein Dampfumformventil in einem Heizkraftwerk bestimmten Werten, wobei zum einen von einer Senkung des Sollwertes der Abdampftemperatur und zum anderen von einer Anhebung der Abdampftemperatur ausgegangen wird, sowie - in einem dritten Beispiel - von einem Abfall des Frischdampfdruckes.

• a) Absenkung der Abdampftemperatur:
  Frischdampf mit einem thermodynamischen Zustand 1 (T _FD = 551°C, p _FD = 49,5 bar) sowie mit einem Massenstrom von 0,92 kg/s soll auf eine Abdampftemperatur von T _AF = 132°C gekühlt werden. Dazu wird der Frischdampf in dem Dampfumformventil entspannt und mittels eingespritzten Kühlwassers (T _KW : 74,8°C, p _KW,1 = 76,3 bar; _KW = 0,27 kg/s) gekühlt. Dadurch nimmt der Abdampf zwar den gewünschten thermodynamischen Zustand 2 (T _AD = 132°C und p _AD = 1,7 bar) an, sein Massenstrom stellt sich auf 1,19 kg/s ein. Wegen der durch die Sollvorgabe erzwungenen Temperaturabsenkung tritt ein "Zuviel" an Kühlwasser in das Ventil ein; dieser Überschuß stellt sich im kritischen Übergang auf 6% vom eingespritzten Kühlwasser ein mit der unerwünschten Erosionsfolge.
• b) Anhebung der Abdampftemperatur:
  Frischdampf mit einem thermodynamischen Zustand 1 (T _FD = 452°C, p _FD = 46,1 bar) sowie mit einem Massenstrom von 1,06 kg/s, gekühlt auf eine Abdampftemperatur von 132°C, soll durch Änderung der Kühlung auf eine Abdampftemperatur von T _AF = 185°C gebracht werden. Durch die beim Übergang notwendigen Verringerungen der Kühlwassereinspritzung steigt die Abdampftemperatur auf den gewünschten Wert, jedoch läßt sich in unmittelbarer Nähe des Drosselquerschnittes eine Temperaturüberhöhung auf etwa 230°C nicht vermeiden, was zu unerwünschten Temperaturspannungen im Ventilkörper führt.
• c) Sinkt der Frischdampfdruck von 46 bar auf 33 bar, ändert sich der Massenstrom des Frischdampfes und somit die vom Frischdampf eingebrachte Energie. Bei konstant zu haltender Abdampftemperatur von T _AD = 145°C wird durch das eingespritzte Kühlwasser (T _KW = 82,5°C, p _KW,1 = 76,7 bar; _KW 0,25 kg/s) vor dem Absinken des Druckes die vorgegebene Abdampftemperatur erreicht. Beim Absinken des Frischdampfdruckes und damit des Frischdampf-Massenstromes tritt jedoch ein "Zuviel" an Kühlwasser auf, das - vollständiges Verdampfen vorausgesetzt - zu einer "Untertemperatur" von um 27 K und damit zum Erreichen und ggfs. zum Unterschreiten der Sättigungsgrenztemperatur führt. Verdampft das eingespritzte Kühlwasser im kritischen Bereich des Ventils nicht vollständig, bleibt freies Wasser zurück. In beiden Fällen ist mit unerwünschten Erosionserscheinungen zu rechnen.

Durch das Einbeziehen aller Parameter, wie im einzelnen beschrieben, gelingt es, sowohl das Auftreten von freiem Wasser als auch von Übertemperatur in den kritischen Bereichen des Dampfumformventils zu vermeiden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Dampfumformung, bei dem Wasserdampf aus einen, durch seine Temperatur T _FD und seinen Druck p _FD gegebenen thermodynamischen Zustand 1 (Frischdampf) mittels Kühlwassereinspritzung in Wasserdampf mit einem, durch seine Temperatur T _FD und seinen Druck p _FD gegebenen thermodynamischen Zustand 2 (Abdampf) überführt wird, insbesondere wenn der Ausgangsdruck p _AD mit einem ersten Druckfühler gemessen wird, mittels eines Dampfumformventils, dessen Frischdampfdurchlaß (Massenstrom _FD ) mit einem von einem Hauptantrieb einstellbaren Hub eines Ventilkörpers im Ventil veränderbar ist und in das Kühlwasser eingespritzt wird mit einem Kühlwasserdurchsatz (Massenstrom _KW ), der mit einem von einem Hilfsantrieb einstellbaren Hub eines Ventilkörpers in einem Kühlwasserventil veränderbar ist, wobei das Dampfumformventil mit mindestens einem Regler zusammenwirkt, der zumindest eine von Temperatur und/oder Druck des Abdampfes (T _AD ; p _AD ) abhängige Regelgröße erzeugt, die zumindest auf den Hilfsantrieb des Kühlwasserventils und somit auf den Kühlwasserdurchsatz über vom Regler an den Hilfsantrieb abgegebene Stellgröße einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß an einem mathematischen Modell von Dampfumformventil, Kühlwasserventil und angeschlossenen Rohrleitungen aufgrund des thermodynamischen Zustandes 1 des Frischdampfes der thermodynamische Zustand 2 des Abdampfes zum Vermeiden von Wärmespannungen und damit von Thermoschocks sowie zum Vermeiden des Auftretens von freiem Wasser so berechnet wird, daß Ausgangstemperatur T _AD und/oder Ausgangsdruck p _AD einen vorgegebenen Sollwert erreichen, daß die daraus resultierenden Stellungen für die Ventilkörper im Dampfumformventil und/oder im Kühlwasserventil durch Stellbefehle an Hauptantrieb und/oder Hilfsantrieb übermittelt werden und daß thermodynamischer Zustand 1 und thermodynamischer Zustand 2 gemessen im Abstand vor dem Ventileintrittsquerschnitt und im Abstand nach dem Ventilaustrittsquerschnitt mit den berechneten Werten verglichen werden und auftretende Abweichungen entsprechend den mathematischen Zusammenhängen als Korrekturfaktoren oder Korrekturfunktionen in das Modell übernommen werden, wobei alle Bestimmungen und Berechnungen mit Hilfe eines Mikroprozessors mit Arbeitsspeicher durchgeführt werden, dessen Programm in einem Programmspeicher enthalten ist, und dem die an den Sensoren und Fühlern anfallenden analogen Meßwerte im Takt des Mikroprozessors digitalisiert abgerufen, diesem zugeführt und von diesem verarbeitet werden und wobei in dem mit dem Mikroprozessor verbundenen Arbeitsspeicher die Durchlaß-Kennwerte des Dampfumformventils und des Kühlwasserventils eingegeben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem mit dem Mikroprozessor verbundenen Arbeitsspeicher die Durchlaß- Kennwerte des Dampfumformventils als funktioneller Zusammenhang in der Form _FD = _FD (T _FD , p _FD , p _AD , s _DUV ) und für das Kühlwasser als funktioneller Zusammenhang _KW = _KW , T _KW , p _{KW 1}, p _{KW 2}, s _KWV ) mit p _{KW 1} Kühlwasserdruck vor dem Kühlwasserventil, p _{KW 2} Druck nach dem Kühlwasserventil, s _DUV bzw. s _KWV für den Hub des Ventilkörpers des Dampfumformventils bzw. des Kühlwasserventils eingegeben werden, wobei die Durchfluß-Beiwerte α _DKV und α _KWV sowie der Zusammenhang zwischen Hub s und Drosselfläche A beider Ventile gespeichert sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die funktionellen Zusammenhänge der Massenströme _FD und _KW in Form der Kennlinienscharen gespeichert sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei zeitlichen Schwankungen der Frischdampftemperatur T _FD ihre Auswirkungen auf die Ausgangstemperatur T _AD mit dem Kühlwasserdurchsatz _KW als Parameter-Schar im mit dem Mikroprozessor verbundenen Arbeitsspeicher abgelegt und festgehalten werden und daß bei Frischdampftemperatur- Schwankungen der dieser Schwankung entsprechende Wert aus dieser Parameter-Schar entnommen und vom Mikroprozessor als eine das proportionale, integrale, differentiale oder gemischte Reglerverhalten bestimmende Korrekturfunktion an den Regler abgegeben wird, die das Reglersignal übergeordnet beeinflußt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Arbeitsspeicher des Mikroprozessors weiter für den Bereich des thermodynamischen Zustands die Kühlgrenzlinie für Wasserdampf gespeichert ist und die vom Mikorprozessor an den Regler abgegebene, das Reglerverhalten übergeordnet beeinflussende Korrekturfunktion eine, insbesondere bei Anstieg der Frischdampftemperatur T _FD vom Regler ausgelöste Erhöhung des Kühlwassermassenstroms _KW unterdrückt und dadurch den Kühlwasserdurchsatz unbeeinflußt läßt oder ihn sogar verringert, wenn die berechnete fiktive Abdampftemperatur T′ _AD sich der dem gemessenen Druck p _AD gehörenden Kühlgrenztemperaturen zu stark annähert und für das Auftreten von freiem Wasser wichtige Temperaturdifferenz (T _AD - T _s ) auf wenige K zurückgeht.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Extremwerte für die einzelnen Zustandsgrößen des thermodynamischen Zustands (2) des Ausgangsdampfes (Temperatur T _AD und Druck p _AD ) sowie für die für das Auftreten von freiem Wasser wichtige Temperaturdifferenz zwischen Ausgangstemperatur und Sättigungsgrenztemperatur (T _AD - T _S ) vorgegeben sind und die Überschreitungen dieser Werte in einem mit dem Mikroprozessor verbundenen, vom Arbeitsspeicher jedoch unabhängigen Speicherteil gesondert als Störprotokoll mit Zeitangaben versehen eingeschrieben werden, wobei eine Löschung der in diesem Speicherteil niedergelegten Störfallprotokolle ohne dessen erkennbare Beeinträchtigung nicht möglich ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Arbeitsspeicher unabhängige, gesonderte Speicherteil für die Störfallprotokolle unabhängig vom Mikroprozessor des Reglers an dritter Stelle ausgelesen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der unabhängige, gesonderte Speicherteil abgenommen und in einem Drittrechner ausgewertet wird.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Schnittstelle mit Datenfernübertragung eine Ferndiagnose und/oder eine Korrektur der eingegebenen Parameter vorgenommen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß alle bei der Betätigung des Dampfumformventils durchgeführte Hübe addiert werden und die Summe als Gesamthub mit einer, für die Ventilüberprüfung und -wartung, charakteristischen Weglänge verglichen wird und daß, für den Fall die Summe der Hübe diese kritische Weglänge überschreitet, ein auf die notwendige Wartung hinweisendes Signal, vorzugsweise auch fernübertragen, abgegeben wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder zu protokollierende Störfall eine optische und/oder akustische Alarmgabe auslöst.