DE3909473A1 - Dampfturbinensteuerung mit megawatt-rueckfuehrung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Dampfturbinen und befaßt sich insbesondere mit der Steuerung von Dampf­ turbinengeneratoren während der Generatorbelastung im Anschluß an ein kaltes Anfahren.

Wenn ein Dampfturbinengenerator von einem Kaltstart aus angefahren wird, benötigt man eine geraume Zeit, bis die volle Betriebsdampfversorgung erreicht wird. Während der frühen Stadien des Anfahrens wird der Generator auf die Synchrondrehzahl gebracht und leicht belastet. Die Synchrondrehzahl ist definitionsgemäß eine Drehzahl, bei der die Frequenz und Phase der vom Generator erzeugten Elektrizität mit derjenigen des Netzwerkes oder einer anzuschließenden Last übereinstimmen. Nachdem die Syn­ chrondrehzahl erreicht ist, wird der elektrische Aus­ gang des Generators mit der Last verbunden, und es be­ ginnt eine Belastung in Richtung auf die volle Ausgangs­ leistung. Während des Hochfahrens der Belastung kann es vorkommen, daß die Dampfturbine eine größere Dampf­ durchströmung benötigt, als sie vom Kessel geliefert werden kann. Wenn dies geschieht, kann der Dampfdruck abfallen.

Eine Art von Steuersystem programmiert die Bela­ stung des Turbinengenerators dadurch, daß ein befohlener Megawattausgang des Generators mit dem tatsächlichen Ausgang des Generators verglichen und ein Fehlersignal erzeugt wird. Dieses Fehlersignal wird entweder direkt oder nach einer weiteren Verarbeitung verwendet, um Dampf­ ventile zu steuern, über die die Turbine mit Dampf ver­ wendet wird. Wie bereits oben angedeutet, steht während des Anfahrens und des Belastungsvorganges weniger als die volle Betriebsdampfversorgung aus dem Kessel zur Verfügung. Es ist daher möglich, daß während des Bela­ stens Dampfdruckstörungen auftreten können. Wenn ein scharfer Abfall im Dampfdruck auftritt, kommt es zu einem entsprechend starken Öffnen der Dampfventile durch das Steuersystem, wobei versucht wird, zum Zwecke der Kompensation die Dampfversorgung zur Turbine zu erhöhen. Da aber nur eine begrenzte Dampfmenge verfügbar ist, führt ein schnelles Öffnen der Dampfventile zu einer weiteren Verminderung des bereitgestellten Dampf­ drucks anstatt zu der gewünschten Zunahme des zur Tur­ bine geführten Dampfes. Der verminderte Dampfdruck ver­ ursacht, daß das Fehlersignal die Dampfventile noch weiter öffnet. Infolge der begrenzten verfügbaren Dampf­ menge ist damit ein weiterer Dampfdruckabfall verbunden. Die geschilderten Auswirkungen verstärken einander im Sinne einer positiven Rückführung und führen zu einer erhöhten Instabilität des Systems.

Ziel der Erfindung ist, ein Dampfturbinengene­ rator-Steuerungen zu schaffen, bei dem die oben ge­ schilderten Nachteile nicht austreten.

Nach der Erfindung wird für einen Dampfturbinen­ generator ein Steuer- oder Regelsystem geschaffen, bei dem ein Fehlersignal in Abhängigkeit von einer negati­ ven Neigung im Dampfdruck beeinflußt wird.

Ferner wird nach der Erfindung für einen Dampf­ turbinengenerator ein Steuer- oder Regelsystem geschaf­ fen, bei dem eine auf ein Fehlersignal ausgeübte Ver­ stärkung zur Steuerung des der Turbine zugeführten Dampfes proportional zu einer Neigung einer negativen Änderungsgeschwindigkeit im Dampfdruck gemacht wird.

Bei einer nach der Erfindung ausgebildeten Vor­ richtung wird ein Signal, das die elektrische Ausgangs­ leistung eines Dampfturbinengenerators darstellt, zurück zu einem Steuer- oder Regelsystem geführt. Ein Signal, das den Kesseldampfdruck darstellt, wird ebenfalls zum Steuer- oder Regelsystem zurückgeführt. Ein Steuersignal zur Steuerung von Ventilen, über die der Dampf der Dampfturbine zugeführt wird, wird beim Auftreten einer negativen Geschwindigkeitsänderung im Dampfdruck von weniger als einem vorbestimmten Wert, d. h. beim Über­ schreiten eines negativen Grenzwertes in Richtung zu höheren negativen Werten, zwischen 1 und 0 verstärkungs­ gesteuert. Bei anderen negativen Werten und allen posi­ tiven Werten der Geschwindigkeitsänderung des Dampf­ drucks bleibt das Steuersignal unbeeinflußt. Bei einem Ausführungsbeispiel wird zur Steuerung der Verstärkung für zunehmend negative Werte der Geschwindigkeitsände­ rung des Dampfdrucks eine lineare Beziehung angewendet. Bei einem extrem hohen negativen Wert wird die Verstär­ kung auf Null eingestellt, so daß das Steuersignal un­ verändert beibehalten wird.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zur Steuerung eines Dampfturbinengenerators unter Ver­ wendung einer Megawatt-Rückführung ein Steuer- oder Regelsystem vorgesehen, welches enthält: eine Einrich­ tung zum Erzeugen eines Lastreferenzfehlers, eine auf den Lastreferenzfehler ansprechende Steuereinrichtung zur Steuerung einer der Turbine zugeführten Dampfmenge, eine auf eine Geschwindigkeitsänderung eines Dampf­ drucks im Dampfturbinengenerator ansprechende Einrich­ tung zum Erzeugen eines Geschwindigkeitsänderungssignals und eine Verstärkungssteuereinrichtung, die zur Vermin­ derung des Lastreferenzfehlers dient und zu diesem Zweck auf einen Wert des Geschwindigkeitsänderungssignals an­ spricht, das eine negative Geschwindigkeitsänderung an­ zeigt, die kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, wobei ein Ansprechen des Dampfturbinengenerators relativ un­ abhängig von Dampfdruckverminderungen gemacht wird, die den vorbestimmten Wert überschreiten.

Ferner ist nach der Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Dampfturbinengenerators unter Verwen­ dung einer Megawatt-Rückführung vorgesehen, welches Verfahren die folgenden Schritte enthält: Erzeugung eines Lastreferenzfehlers, Steuerung einer der Tur­ bine zugeführten Dampfmenge in Abhängigkeit von dem Lastreferenzfehler, Erzeugung eines Geschwindigkeits­ änderungssignals in Abhängigkeit von einer Geschwin­ digkeitsänderung eines Dampfdrucks in dem Dampftur­ binengenerator, und Verminderung des Lastreferenz­ fehlers in Abhängigkeit von einem Wert des Geschwin­ digkeitsänderungssignals, der eine negative Geschwin­ digkeitsänderung von weniger als einem vorbestimmten Wert angibt, wodurch ein Ansprechen des Dampfturbinen­ generators relativ unabhängig von Dampfdruckverminde­ rungen gemacht wird, die oberhalb des vorbestimmten Wertes liegen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Zeichnungen beispielshalber erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte schematische Dar­ stellung eines Dampfturbinengeneratorsystems, an Hand dessen die Erfindung erläutert wird, und

Fig. 2 eine vereinfachte schematische Dar­ stellung eines Teils eines Steuersystems nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein nach der Erfindung ausgebildetes Dampfturbinengeneratorsystem 10. In einem Kessel 12 wird Wasser in Hochdruckdampf überführt, der dann über ein Dampfstellventil 14 einer Dampfturbine 16 zugeführt wird. Der Begriff "Stellventil" wird nur beispielshaft verwen­ det und soll alle geeigneten steuerbaren Absperrvorrich­ tungen umfassen, beispielsweise auch Stell- oder Regu­ lierschieber. Der in der Dampfturbine 16 expandierende Dampf erzeugt ein mechanisches Drehmoment, das mittels eine Welle 18 auf den Rotor eines elektrischen Generators 20 übertragen wird. Der elektrische Generator 20 erzeugt elektrische Energie, und zwar für gewöhnlich in Form von Wechselstrom, der über eine Ausgangsleitung 22 einem nicht dargestellten Verbraucher zugeführt werden kann. Ein Signal, das den am Ausgang des Kessels 12 auftre­ tenden Dampfdruck darstellt, gelangt über eine Dampf­ druck-Rückführleitung 24 zu einem Steuer- oder Regelsy­ stem 26. Ein Signal, das die an die Ausgangsleitung 22 abgegebene Ausgangsleistung oder Leistungsabgabe dar­ stellt, wird über eine Megawattabgabe-Rückführleitung 28 dem System 26 zugeführt. Ein Steuer- oder Stellsignal gelangt über eine Steuerleitung 30 vom Steuer- oder Re­ gelsystem 26 zum Dampfstellventil 14. Das Dampfstellven­ til 14 spricht auf das Signal an der Steuerleitung 30 an, und zwar durch Öffnen bzw. Schließen, um die der Dampfturbine 16 zugeführte Dampfmenge zu steuern.

Bevor mit der Erläuterung fortgefahren wird, sei bemerkt, daß die Darstellung nach Fig. 1 in einem hohen Maße schematisch ist. Ein tatsächliches Turbinen­ generatorsystem hat einen beträchtlich komplexeren Auf­ bau als das schematisch dargestellte System. So kann beispielsweise der Kessel 12 mehrere Stufen zur An­ fangserhitzung und Zwischenerhitzung enthalten, das Dampfstellventil 14 kann all die vielen Ventile bzw. steuerbaren Absperrorgane umfassen, die zum Anfahren und Steuern der Dampfturbine 16 erforderlich sind, und die Dampfturbine 16 kann eine Mehrstufenturbine mit Zwischenerhitzung zwischen den Stufen sein. Schließ­ lich können die einfachen Rückführ- und Steuersignale, die dem Steuer- oder Regelsystem 26 zugeordnet sind, bei einem tatsächlichen System um zahlreiche weitere Eingangs- und Ausgangssignale vermehrt sein, und es kann auch eine beträchtliche interne analoge und/oder digitale Verarbeitung vorgesehen sein. Im vorliegenden Fall reicht jedoch die hochschematisch vorgenommene Darstellung für einen Fachmann aus, um die Erfindung vollständig versehen zu können.

Wie in Fig. 2 dargestellt, enthält das Steuer- oder Regelsystem 26 ein Subtrahierglied 32, dessen Plus-Eingang (+) über eine Leitung 33 ein Megawatt­ last-Sollsignal bzw. ein die elektrische Solleistung darstellendes Signal zugeführt wird und dessen Minus- Eingang (-) über die Megawattabgabe-Rückführleitung 28 das Signal zugeführt wird, welches die tatsächliche Megawattabgabe des elektrischen Generators 20 bzw. die elektrische Istleistung darstellt. Das Subtrahier­ glied 32 erzeugt eine Regelabweichung oder ein Fehler­ signal e, das gleich der Differenz zwischen den beiden Signalen ist, die den beiden Eingängen des Subtrahier­ glieds zugeführt werden. Das Fehlersignal e gelangt über eine Leitung 34 zu einem ersten Eingang eines Teilers 36. Das an der Dampfdruck-Rückführleitung 24 anliegende Dampfdruck-Rückführsignal P wird einem zwei­ ten Eingang das Fehlersignal durch das Dampfdruck-Rück­ führsignal ( ^e / _P ) und liefert ein Megawattlast-Referenz­ fehlersignal, das über eine Leitung 38 zu einem Eingang eines in der Verstärkung gesteuerten Verstärkers 40 gelangt. Ein Verstärkungsvervielfachungssignal, dessen Ursprung für die Erfindung nicht wesentlich ist, wird über eine Leitung 42 einem die Verstärkung steuernden Eingang des verstärkungsgesteuerten Verstärkers 40 zu­ geführt. Die Verstärkung des verstärkungsgesteuerten Verstärkers 40 wird mittels der Amplitude des Signals am Verstärkungssteuereingang zwischen 0 und 1 verändert.

Das Ausgangssignal des verstärkungsgesteuerten Verstärkers 40 tritt an einer Leitung 44 auf, die zu einem Eingang eines zweiten verstärkungsgesteuerten Verstärkers 46 führt. Das an der Dampfdruck-Rückführ­ leitung 24 anliegende Dampfdruck-Rückführsignal gelangt auch zum Eingang eines Differenzierglieds 48, das das Änderungsausmaß des Dampfdruckes in Abhängigkeit von der Zeit berechnet. Die auf diese Weise gebildete Ableitung wird über eine Leitung 50 einem Eingang eines Verstär­ kungsfunktionsgenerators 52 zugeführt. Ein Ausgang des Verstärkungsfunktionsgenerators 52 gelangt über eine Leitung 54 zu einem Verstärkungssteuereingang des ver­ stärkungsgesteuerten Verstärkers 46. Der Ausgang des verstärkungsgesteuerten Verstärkers 46 wird über eine Leitung 56 einem Eingang eines Integrierglieds 58 zuge­ führt. Der Ausgang des Integrierglieds 58 bildet den Eingang zu einer anderen Steuerfunktionen betreffenden Vorrichtung 59 des Steuer- oder Regelsystems, das dann das an der Steuerleitung 30 auftretende Steuersignal dem Dampfstellventil 14 (Fig. 1) zuführt.

Wie es aus der Graphik hervorgeht, die in Fig. 2 innerhalb des den Verstärkungsfunktionsgenerator 52 darstellenden Blocks veranschaulicht ist, spricht der Verstärkungsfunktionsgenerator 52 auf negative Werte des zeitlichen Änderungsausmaßes oder der Änderungs­ geschwindigkeit des Dampfdrucks an, und zwar auf Werte, die kleiner als ein vorbestimmter Wert sind, um ein Signal zu erzeugen, das die Verstärkung des verstär­ kungsgesteuerten Verstärkers 46 von 1 auf 0 vermindert. Im normalen Bereich der zeitlichen Ableitungen des Dampfdrucks, also für alle negativen Ableitungswerte, die zwischen dem vorbestimmten negativen Wert und Null liegen, sowie für alle positiven Ableitungswerte, bleibt das dem verstärkungsgesteuerten Verstärker 46 zugeführ­ te Verstärkungssteuersignal bei 1. Zwischen dem vorbe­ stimmten Wert und einem extrem negativen Wert der Ablei­ tung vermindert das vom Verstärkungsfunktionsgenerator 52 erzeugte Signal die Verstärkung des verstärkungsgesteuer­ ten Verstärkers 46 von 1 auf 0 längs einer linearen Nei­ gungskurve. Obgleich die Erfindung auf einen besonderen Satz von Werten nicht beschränkt sein soll, beträgt bei einem Ausführungsbeispiel der vorbestimmte Wert, von dem an eine Verstärkungssteuerung durch den Verstärkungs­ funktionsgenerator 52 stattfindet, etwa -1,0 · 10⁵ Pa/min (-15 PSI per minute). Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt der extreme Wert, von dem an die Verstärkung des verstärkungsgesteuerten Verstärkers 46 auf 0 gesteuert ist, etwa -3,5 · 10⁵ Pa/min (-50 PSI per minute).

Bei manchen Anwendungen kann es vorgezogen wer­ den, die lineare Beziehung zwischen der Verstärkungs­ steuerung und der negativen Ableitung durch eine ande­ re Funktion zu ersetzen. Anstelle der dargestellten glatt proportionalen Beziehung kann man auch eine stufenweise lineare Beziehung benutzen. Abweichend davon kann auch eine nicht lineare Beziehung zwischen der negativen Ableitung des Dampfdrucks und der Verstärkung des verstärkungsgesteuerten Verstärkers 46 bevorzugt werden. All diese Abwandlungen fallen in den Schutzumfang der Erfindung.

Unter Heranziehung der gemachten Offenbarung ist es für einen Fachmann offensichtlich, daß die Wirkung von plötzlichen Verminderungen im Dampfdruck gemäß der Erfindung gedämpft oder eliminiert werden. Alle Druck­ änderungsausmaße, die oberhalb des vorbestimmten Grenz­ werts liegen (-10⁵ Pa/min (-15 PSI/minute) bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel), werden als in den normalen Bereich fallend angesehen und bleiben von der Erfindung unbeeinflußt.

Es sei bemerkt, daß die Erfindung auf die beschrie­ benen Ausführungsbeispiele nicht beschränkt ist. Unter den Schutzumfang der Erfindung fallen vielmehr auch zahlreiche verschiedenartige Änderungen und Modifika­ tionen, die ohne besonderes Nachdenken einem Fachmann zugänglich sind.

Claims (4)

1. Steuersystem zur Steuerung eines Dampfturbinen­ generators unter Verwendung einer Megawatt-Rückführung, enthaltend:

• (a) eine Einrichtung zum Erzeugen eines Last­ referenzfehlers,
• (b) eine Steuereinrichtung (14, 46), die anspre­ chend auf den Lastreferenzfehler eine der Turbine (16) zugeführte Dampfmenge steuert,
• (c) eine Einrichtung (48), die ansprechend auf eine Geschwindigkeitsänderung eines Dampfdruckes in dem Dampfturbinengenerator ein Geschwindigkeitsände­ rungssignal erzeugt, und
• (d) eine Verstärkungssteuereinrichtung (52), die ansprechend auf einen Wert des Geschwindigkeitsände­ rungssignals, der eine negative Geschwindigkeitsände­ rung angibt, die kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, den Lastreferenzfehler vermindert, wobei eine Belastung des Dampfturbinengenerators relativ unbeein­ flußt von Dampfdruckverminderungen bleibt, die diesen vorbestimmten Wert überschreiten.

2. Steuersystem nach Anspruch 1, bei dem die Verstär­ kungssteuereinrichtung (52) ferner eine Einrichtung enthält, die eine Verstärkung der Steuereinrichtung (14, 46) in einer linearen Beziehung zu einer Vermin­ derung in Richtung auf negative Werte des Geschwindig­ keitsänderungssignals steuert, wenn diese Werte klei­ ner als der vorbestimmte Wert sind.

3. Steuersystem nach Anspruch 2, bei dem die Verstär­ kungssteuereinrichtung (52) ferner eine Einrichtung enthält, die bei einem zweiten vorbestimmten Wert der negativen Werte, der kleiner als der erste vorbestimmte Wert ist, die Verstärkung auf Null steuert.

4. Verfahren zur Steuerung eines Dampfturbinengenerators unter Verwendung einer Megawatt-Rückführung, enthaltend die folgenden Schritte:

• (a) Erzeugen eines Lastreferenzfehlers,
• (b) Steuerung einer der Turbine zugeführten Dampfmenge in Abhängigkeit von dem Lastreferenzfehler,
• (c) Erzeugung eines Geschwindigkeitsänderungs­ signals in Abhängigkeit von einer Geschwindigkeitsände­ rung eines Dampfdruckes in dem Dampfturbinengenerator, und
• (d) Verminderung des Lastreferenzfehlers in Ab­ hängigkeit von einem Wert des Geschwindigkeitsände­ rungssignals, der eine negative Geschwindigkeitsänderung angibt, die kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, wobei ein Ansprechen des Dampfturbinengenerators relativ unab­ hängig gegenüber Dampfdruckverminderungen gemacht wird, die diesen vorbestimmten Wert überschreiten.