DE60120192T2

DE60120192T2 - Optimaler Betrieb eines Kraftwerks

Info

Publication number: DE60120192T2
Application number: DE60120192T
Authority: DE
Inventors: Alvarez Eduardo Gallestey; Alec Stothert; Marc Antoine; Steve Morton
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 2001-11-29
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2021-11-30
Also published as: US7426456B2; US20030100974A1; DE60120192D1; EP1316866A1; EP1316866B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Prozesssteuerung, insbesondere ein Verfahren und ein Computerprogramm für einen optimalen Betrieb eines Kraftwerks und ein Kraftwerkoptimierungssystem, wie. in dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 11 bzw. 12 beschrieben.
Allgemeiner Stand der Technik
In bekannten Verfahren und Systemen für einen optimalen Betrieb eines Kraftwerks wird der Kraftwerkbetrieb durch Steuerwerte gesteuert, die von einem Steuersystem erzeugt werden, und wird optimiert, um Brennstoffkosten zu minimieren und gleichzeitig erforderliche Nennausgabewerte für produzierten Strom und Betriebsdampf zu erzielen. Dies erfolgt zu einem gegebenen Zeitpunkt durch Ermitteln von künftigen Werten der Steuerwerte und Simulieren eines Verhaltens des Kraftwerks bis zu einem gegebenem künftigen Zeitpunkt. Aus der Simulation werden die Brennstoffkosten ermittelt und es wird eine Zielfunktion, die die Brennstoffkosten und Kosten für den Erwerb von Strom von einer anderen Quelle umfasst, berechnet. Zum Ermitteln der optimalen Steuerwerte werden die Steuerwerte variiert und die Simulation wiederholt, bis ein Minimum der Zielfunktion gefunden wird. Die obige Vorgehensweise wird auch „Kraftwerkseinsatzplanung" (Unit Commitment Problem, UCP) genannt. In „The Generalised Unit Commitment Problem", Ross Baldick, IEEE Transactions on Power Systems, 10(1):465-475, Februar 1995, wird eine mathematische Bearbeitung angegeben. Die Optimierung wird durch die Gegebenheit eingeschränkt, dass vorherbestimmte Aussteuerungsgrenzen des Kraftwerks nicht überschritten werden dürfen.
„Optimal-Maintenance Modelling on Finite Time with Technology Replacement and Changing Repair Costs", Jason W. Rupe, IEEE 2000 Proc. Annual Reliability and Maintainability Symposium, zeigt ein Verfahren zum Ermitteln, wann Bauteile in einem System mit begrenzter Lebensdauer auszutauschen oder zu warten sind.
„Optimal Generation Scheduling with Ramping Costs", C. Wang und S. Shahidehpour, IEEE Trans. on Power Systems, Bd. 10, Nr. 1, S. 60-67, Februar 1995, zeigt, wie ein Ermüdungsbeanspruchungseffekt und eine resultierende Wertminderung des Dampfturbinenrotors in Planungsalgorithmen zur Minimierung der Betriebskosten zu integrieren sind.
Beschreibung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der, Erfindung, ein Verfahren und ein Computerprogramm für einen optimalen Betrieb eines Kraftwerks und ein Kraftwerkoptimierungssystem des anfangs erwähnten Typs zu erstellen, dass eine bessere Kombination technischer und wirtschaftlicher Erwägungen ermöglicht.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und ein Computerprogramm für einen optimalen Betrieb eines Kraftwerks und ein Kraftwerkoptimierungssystem nach den Ansprüchen 1, 11 und 12 erreicht.
Erfindungsgemäß wird in einem Verfahren und einem Computerprogramm für einen optimalen Betrieb eines Kraftwerks und einem Kraftwerkoptimierungssystem nach den unabhängigen Ansprüchen eine Lebensdauer von Kraftwerkbauteilen ermittelt, während ein künftiges Verhalten des Kraftwerks simuliert wird, und eine durch die Optimierung zu minimierende Kostenfunktion umfasst eine Abweichung von der Lebensdauer von einer Nennlebensdauerkurve.
Auf diese Art und Weise ist es möglich, eine Lebensdauerkurve für mehrere Kraftwerkbauteile festzusetzen und das Kraftwerk derart zu betreiben, dass ein oder mehrere Bauteile zu einem vorherbestimmten Zeitpunkt das Ende ihrer Lebensdauer oder einen Zustand, in dem eine Wartung erforderlich ist, erreichen. Es ist somit nicht mehr notwendig, eine Wartung gemäß dem geplanten oder erwarteten Kraftwerkbetrieb einzuplanen, sondern der Kraftwerkbetrieb kann modifiziert werden, um zu steuern, wann eine Wartung durchzuführen ist.
In einer bevorzugten Variante der Erfindung werden in der Simulation Kraftwerksprozessvariable, die interne Zustände des Kraftwerks darstellen, ermittelt und ein Unterschied zwischen den Kraftwerksprozessvariablen und Nennprozessvariablen wird in die Kostenfunktion integriert. Die Nennprozesswerte werden ermittelt, um gegebene Produktions- und/oder wirtschaftliche Ziele zu erreichen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind aus den abhängigen Patentansprüchen offensichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden Text mit Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele, die in den angehängten Zeichnungen dargestellt sind, ausführlicher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschema, das der Erfindung entspricht; und
2 ein Blockschema, das einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugssymbole und deren Bedeutungen sind in der Bezugssymbolliste in Übersichtsform aufgeführt. Prinzipiell sind identische Teile in den Figuren mit denselben Bezugssymbolen ausgestattet.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt ein Blockschema, das der Erfindung entspricht. Ein Optimierungsmodul 1 ist mit einer Nenn- oder gewünschten Lebensdauerkurve LTn(τ) und mit Nenn- oder gewünschten Prozessvariablen Pn(τ) ausgestattet. Das Optimierungsmodul 1 erstellt Kraftwerkbetriebsparameter oder -steuerwerte u(τ), die in ein Simulationsmodul 2 eingegeben werden. Das Simulationsmodul 2 umfasst ein Simulationsmodell eines eigentlichen Kraftwerks 3 und ermittelt Werte für die internen Zustände oder Prozessvariablen P(τ) eines Kraftwerks und Werte einer Lebensdauerkurve LTp(τ) von Kraftwerkbauteilen. Die von dem Simulationsmodul 2 ermittelten Werte werden in das Optimierungsmodul 1 eingegeben.
Die oben erwähnten Werte LTn(τ), LTp(τ), Pn(τ), P(τ) und u(τ) sind im Allgemeinen Vektoren, die sich im Zeitablauf ändern, d. h. jeder Vektor stellt eine Kurve in einem mehrdimensionalen Raum dar. LTp(τ) beispielsweise stellt eine Lebensdauerkurve für mehrere Druckbehälter, Rohre, Turbinen, Pumpen usw. über die nächsten Stunden, Tage oder Monate dar. P(τ) stellt z. B. Dampfdrücke und -temperaturen und deren Gradienten oder Metalltemperaturen von kritischen Bauteilen dar.
Die Steuerwerte u(τ) stellen Kraftwerkeingabe- oder -betriebsparameter dar, die zum Steuern des Kraftwerks verwendet werden, wie Ventil-, Pumpen- oder Leitschaufelvorgaben oder eigentliche Stellungen oder Vorgaben für örtliche Steuereinrichtungen für Druck, Pegel, Temperatur, Brennstoffstrom oder Dampfmassenstrom. Aus einer Kurve von Steuerwerten u(τ), die für einen Zeitabstand von einem gegenwärtigen Zeitpunkt t zu einem künftigen Zeitpunkt t + T gegeben ist, wobei T „Prädiktionshorizont" oder „Optimierungshorizont" genannt wird, ermittelt das Simulationsmodell eine Kurve des Zustands des Kraftwerks, d. h. die Werte von mehreren Variablen, die den Zustand des Kraftwerks darstellen, wie er sich mit der Zeit ändert. Aus der Zustandskurve werden die Kurven LTp(τ), P(τ) für die von dem Simulationsmodul 2 ausgegebenen Werte für den Zeitabstand ermittelt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Simulationsmodell ein dynamisches Modell des Kraftwerks und dessen Bauteilen.
Die Nennprozessvariablen Pn(τ) werden aus Prozesswissen ermittelt, wobei ein Computermodell aus Prozessphysik und vorzugsweise Prozesseffizienzoptimierung und/oder einem anderen Optimierungskriterium wie Zuverlässigkeit einkalkuliert wird. Sie werden entweder vorherbestimmt oder während des Kraftwerkbetriebs online errechnet.
Die Lebensdauerkurve LTp(τ) von Kraftwerkbauteilen stellt eine verbleibende Lebensdauer für mehrere Kraftwerkbauteile dar. Ein Lebensdauerwert für ein Bauteil kann je nach der Definition entweder eine „verbleibende Lebensdauer" oder eine „verbrauchte Lebensdauer" darstellen. Die letztere wird manchmal als „äquivalente Betriebsstunden" (Equivalent Operating Hours, EOH) bezeichnet. Welche Definition auch immer angewendet wird, wirkt sich nicht auf die Erfindung aus: Eine verbleibende Lebensdauer nimmt von einer Gesamtlebensdauer stetig auf Null oder darüber hinaus ab, während eine verbrauchte Lebensdauer stetig bis zur Gesamtlebensdauer hin oder über diese hinaus zunimmt. Bei der Gesamtlebensdauer handelt es sich um die Zeitspanne, auf die das Bauteil entworfen ist, unter gegebenen Nennbedingungen im Betrieb zu sein. Lebensdauergrenzwerte legen fest, wann eine Wartung oder ein Austausch eines Bauteils erfolgen sollte – spätestens, wenn die verbleibende Lebensdauer Null oder weniger beträgt. Nach einer solchen Wartung oder einem solchen Austausch wird die Lebensdauer des Bauteils entsprechend zurückgesetzt.
Kraftwerkbauteile sind z. B. Druckgefäße, Rohre oder Turbinenschaufeln. Sie sind dafür konzipiert, normalen Betriebsbedingungen einen gegebenen Zeitraum lang, d. h. ihre Gesamtlebensdauer unter Nennbedingungen, standzuhalten. Wenn ein Bauteil härteren Betriebsbedingungen wie höheren Temperaturen oder Temperaturgefällen unterzogen wird, erhöht dies die Bauteildegradation des Bauteils und verringert die Bauteillebensdauer. Dies wiederum erhöht die langfristigen Kosten für das Betreiben des Kraftwerks. Dennoch kann es von Vorteil sein, Nennprozesswerte Pn(τ) festzusetzen, die die normalen Betriebsgrenzen übersteigen und die entsprechenden Betriebsverluste einzugehen, wenn die Zugewinne aus der Produktion ausreichend hoch sind. Erfindungsgemäß wird auch die entsprechende Veränderung der Lebensdauer einkalkuliert und durch Betreiben des Kraftwerks entsprechend gesteuert.
Die Lebensdauerkurve LTp(τ) wird aus Modellen errechnet, die mit verschiedenen Kraftwerkbauteilen in Zusammenhang stehen, wie den folgenden Modellen, die dem Fachmann wohl bekannt sind:

• Mikrorisswachstumsratenmodelle für Bauteile, die bei erhöhten Temperaturen arbeiten, wie druckführende Kesselteile, Dampfrohre und Dampfturbinenrotoren. Siehe beispielsweise „Life Assessment Technology for Fossil Power Plants", R. Viswanathan, Proc. American Power Conf., Bd. 57-III: 1749-1768, 1995, und „A Lifetime Prediction Model for Thermomechanical Fatigue based on Microcrack Propagation", M.P. Miller et al., ASTM STP 1186, 1993, S. 35-49.
• Korrosions-, Oxidations- und Erosionsmodelle, die auf Erweiterungen von Mikrorisswachstumsmodellen basieren, wie in „Corrosion Fatigue: Mechanics, Metallurgy, Electrochemistry, and Engineering", Herausgeber: T. Crooker und B. Leis, ASTM 1983, beschrieben.
• Mechanische und thermomechanische Beanspruchungsmodelle, um in Kraftwerkbauteilen erzeugte Beanspruchungen zu ermitteln, z. B. Beanspruchungen in einer Dampfturbinenrotorwelle aufgrund von Belastungsschwankungen und/oder Dampftemperaturveränderungen.

Eine Lebensdauer LT_i(t) steht mit einem i-ten Bauteil in Verbindung, beispielsweise einem Druckgefäß, das konstanten und/oder zyklischen Beanspruchungen ausgesetzt ist. Für ein solches Gefäß wird LT_i(t) beispielsweise aus einem Risswachstumsmodell errechnet, das eine durchschnittliche derzeitige Rissgröße a_i(t) ermittelt. Die Lebensdauer wird als LTi(t) = k(akrit – ai(t))ermittelt, wobei a_krit eine kritische Rissgröße und k ein Normalisierungskoeffizient ist. Wenn LT_i(t) Null erreicht oder negativ wird, wird von dem Bauteil angenommen, dass es seine Lebensdauer erreicht oder überschritten hat.
Es kann ein beliebiges anderes Verfahren zum Berechnen der Bauteillebensdauer aus Betriebsbedingungen verwendet werden, wie diejenigen, die in den folgenden Veröffentlichungen des Deutschen Dampfkessel-Ausschuss gezeigt sind: „TRD 300: Festigkeitsberechnung von Dampfkesseln", „TRD 301: Zylinderschalen unter innerem Überdruck", „TRD 508 Anlage 1: Zusätzliche Prüfungen an Bauteilen – Verfahren zur Berechnung von Bauteilen mit zeitabhängigen Festigkeitskennwerten", 1978-79.
In dem erfinderischen Verfahren werden die folgenden Schritte durchgeführt:

a) Das Optimierungsmodul 1 ermittelt die Kurve der Kraftwerkssteuerwerte u(τ) aus dem gegenwärtigen Zeitpunkt t für eine vorherbestimmte Zeitdauer T und überträgt die Kraftwerkssteuerwerte u(τ) an das Simulationsmodul 2. Wenn dieser Schritt zum ersten Mal ausgeführt wird, werden die Kraftwerkssteuerwerte u(τ) z. B. auf konstante Werte für die Zeitdauer T eingestellt oder aus gespeicherten Standardkurven ermittelt, die einer gegebenen Betriebsbedingung entsprechen, wie einer Anfahrt des Kraftwerks oder einer Belastungsveränderung. Spätere Ausführungen dieses Schritts setzen vorzugsweise eine Variation der Kraftwerkssteuerwerte u(τ) eines früheren Schritts ein.
b) Das in das Simulationsmodul 2 eingebundene Kraftwerkmodell ermittelt durch Simulation des Kraftwerkverhaltens aus der Kurve von Steuerwerten u(τ) eine Kurve des Zustands des Kraftwerks. Aus diesem Zustand werden entsprechende Kurven von Prozessvariablen P(τ) ermittelt. Steuerwerte sind beispielsweise Ventilstellungen, Motorgeschwindigkeiten, Stromfluss usw. Prozessvariable P(τ) stellen den physikalischen Prozess von Hauptinteresse dar. Im Fall eines Kraftwerks handelt es sich dabei um den Wasser-/Dampfzyklus mit Prozessvariablen wie Massenströme, Temperaturen, Drücke, Fluidpegel usw. Manche Prozessvariable P(τ) sind mit Zuständen des Kraftwerks im Sinne der Steuerung identisch, andere werden aus den Zuständen durch lineare oder nichtlineare und/oder dynamische Submodelle errechnet. Aus den Prozessvariablen P(τ) werden simulierte Werte der Lebensdauerkurve LTp(τ) von Kraftwerkbauteilen errechnet.
c) Eine Kostenfunktion J[u] wird als ein Integral einer Zielfunktion errechnet, die eine Abweichung der Lebensdauerkurve LTp(τ) von der gegebenen gewünschten Lebensdauerkurve LTn(τ) umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist diese Kostenfunktion J[u] als das Funktional
definiert, wobei R_LT eine Gewichtungsmatrix ist. Sie ermittelt einen relativen Einfluss der Größenordnung von Bauteilen ΔLT_i(τ) des Unterschieds zwischen Nenn- und simulierten eigentlichen Lebensdauervektoren LTn(τ), LTp(τ). Die in dem Integral verwendete Norm ||...|| ist eine beliebige Norm, beispielsweise eine 2-Norm oder eine Unendlichkeitsnorm. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die obige Zielfunktion außerdem eine Abweichung der Prozessvariablen P(τ) von den gewünschten Nennprozessvariablen Pn(τ). In dieser Ausführungsform ist die Kostenfunktion J[u] vorzugsweise als
definiert, wobei R_p eine entsprechende Gewichtungsmatrix für Prozessvariable ist. Sie ermöglicht die Präskription von relativer Wichtigkeit von Abweichungen von individuellen Variablen hinsichtlich einander und Lebensdauerwerten. Sowohl R_LT als auch R_p sind zeitabhängig und positiv semidefinit. Wenn eine 2-Norm verwendet wird, ist die Funktion
d) Die Schritte a) bis c) werden iterativ wiederholt, wobei das Optimierungsmodul die Kurve von Kraftwerksteuerwerten u: [t, t + T]→Rⁿ variiert, bis ein optimierter niedriger Wert der Kostenfunktion J[u] erzielt wird. Da die Kurven LTp(τ), P(τ) von den Kraftwerksteuerwerten u(τ) abhängen, findet die Optimierungsroutine eine Kurve von Steuerwerten u(τ) oder eine Strategie u^*: (t, t + T]→Rⁿ, die die Kostenfunktion J[u] minimiert. Geeignete Optimierungs- und Simulationsverfahren sind im Gebiet der modellprädiktiven Regelung (Model Predictive Control, MPC) wohl bekannt.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Kostenfunktion in den oben gezeigten Schritten als J[P] im Hinblick auf die Prozessvariablen ausgedrückt, z. B. als
und die Optimierung gemäß Schritt d) ermittelt P* = arg min J[P]mit der Strategie P^*: [t, t + T]→R^q, die die Kostenfunktion J[P] minimiert. In dieser Ausführungsform ermittelt die Optimierung die optimale Kurve P^*(τ) von Prozessvariablen. Das Erzielen der Aufgabe des Ermittelns entsprechender Steuerwerte u(τ), die die optimale Kurve P^*(τ) von Prozessvariablen erzielen, wird einer Steuerfunktion oder einem Steuersystem des Kraftwerks überlassen. Diese Funktion oder dieses System kann als sich in der Struktur gemäß den Figuren als entweder in dem Simulationsmodul (2) oder in dem Optimierungsmodul (1) befindend erachtet werden.
In dem Fall, in dem die Kostenfunktion J[u] minimiert wird, werden die Kraftwerksteuerwerte u(τ) als Eingabewerte betrachtet, die für die Simulation und durch Optimierung variiert werden. Wenn die Kostenfunktion J[P] minimiert wird, werden die Prozessvariablen P(τ) als die Eingabewerte betrachtet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bindet die Kostenfunktion einen Ausdruck ein, der einen Unterschied zwischen dem Lebensdauervektor LTp(T_E) und dem Nennlebensdauervektor LTn(T_E) zu einem gegebenen vorherbestimmten Endzeitpunkt T_E, gewichtet mit einer geeigneten Gewichtungsmatrix R_E, darstellt. Die Kostenfunktion J[u] oder J[P] beispielsweise ist
Dieser Ausdruck setzt eine weiche Bedingung um, die das Nichterreichen des Nennlebensdauervektors LTn(T_E) zum Zeitpunkt T_E bestraft.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird diese Strafe durch die Zeitabhängigkeit von R_LT erzielt, d. h. durch Aufweisen von relativ großen Einträgen in R_LT zu dem Zeitpunkt T_E. Wenn das Befolgen der exakten Kurve des Nennlebensdauervektors LTn(τ) meistens nicht wichtig ist, werden die Einträge in R_LT für diese Zeitpunkte auf relativ geringe Werte eingestellt.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Optimierung harten Bedingungen für einen oder mehrere der Kraftwerksteuerwerte u(τ) und/oder der Prozessvariablen P(τ) ausgesetzt.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Nennlebensdauervektor LTn(τ) derart festgelegt, dass der Nennlebensdauerverbrauch von Bauteilen koordiniert ist, wobei mehrere gegebene Bauteile einen assoziierten vorherbestimmten Lebensdauergrenzwert zur selben Zeit erreichen. Wenn beispielsweise eine Wartung eines gegebenen Bauteils wie eines Kessels das gleichzeitige Stilllegen anderer Bauteile wie Pumpen, Tanks usw. umfasst, kann die Wartung dieser anderen Bauteile erfolgen, wenn der Kessel stillgelegt wird. Dementsprechend wird die Nennlebensdauer dieser anderen Bauteile so eingeplant, dass. ein assoziierter Lebensdauergrenzwert zu im Wesentlichen der selben Zeit wie der Kessel erreicht oder zumindest durch Wahl von Gewichtungswerten zugelassen wird.
Die Merkmale der obigen bevorzugten Ausführungsformen können in einer einem Fachmann offensichtlichen Weise variiert und kombiniert werden. Beispielsweise umfasst eine Ausführungsform eine Kostenfunktion J[P] unter Anwendung von Unendlichkeitsnormen und Einbinden einer weichen Bedingung für den Lebensdauervektor LTp(T_E) zum Endzeitpunkt T_E.
Der Optimierungsschritt c) umfasst das Problem, wie die optimale Lösung effizient zu finden ist, da der von den mehreren Kraftwerksteuerwerten und der Zeitdauer T bestimmte Suchraum groß ist. Es können auf z. B. dynamischer Programmierung oder der Hamilton-Jacobi-Methode basierende Standardoptimierungsabläufe oder dedizierte Lösungen, wie beispielsweise in „The Generalised Unit Commitment Problem", Ross Baldick, IEEE Transactions on Power Systems, 10(1):465-475, Februar 1995, beschrieben, angewendet werden. Wenn die Kostenfunktion eine harte Bedingung für die Lebensdauer zum Endzeitpunkt einbindet, wird eine Lösung für das entsprechende Optimierungsproblem z. B. durch das Pontryaguin-Maximalwertprinzip gefunden. Alternative Optimierungsroutinen, die auf Brute-Force-Methoden, gekoppelt mit komplexitätsreduzierender Heuristik basieren, sind ebenfalls möglich, beispielsweise simuliertes Annealing und genetische Algorithmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zum Zeitpunkt t die Steuerstrategie, d. h. einer oder mehrere der künftigen Werte u: [t, t + T]→Rⁿ, die dem optimalen Kraftwerkbetrieb entsprechen, und/oder entsprechende Werte der optimalen Kurve von Prozessvariablen P^*(τ) einem Bediener grafisch angezeigt, was diesen mit einer Anleitung zum Steuern des Kraftwerks ausstattet.
2 zeigt ein Blockschema, das einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht, in der zum Zeitpunkt t ein optimaler Steuerwert u^*(τ) auf das eigentliche Kraftwerk 3 angewendet wird, was in einem automatischen optimierten Kraftwerkbetrieb resultiert. Vorzugsweise werden Kraftwerkmesswerte y(t) des Kraftwerks in das Simulationsmodul 2 eingegeben, um das Simulationsmodul zu aktualisieren. Geeignete Modellbildungs- und Modellaktualisierungstechniken sind aus den Gebieten der optimalen Regelung und modellprädiktiven Regelung wohl bekannt. Insbesondere ergeben abnehmende Horizontregeltechniken nützliche Ergebnisse. Das Kraftwerk ist beispielsweise eine Gasturbine, ein Kraftwerk mit kombiniertem Zyklus oder von der Kessel-Turbine-Generator-Art.
Ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt umfasst ein computerlesbares Medium, das darauf Folgendes aufweist: Computerprogrammcodemittel zum Bewirken, wenn das Programm in einen Computer geladen wird, der operativ mit einem Kraftwerk verbunden ist, dass der Computer das erfindungsgemäße Verfahren ausführt. Ein erfindungsgemäßes Computerprogramm umfasst den Computerprogrammcode.
Ein erfindungsgemäßes Kraftwerkoptimierungssystem für einen optimalen Betrieb eines Kraftwerks umfasst Datenverarbeitungsmittel wie Steuercomputer- und -hardware- und/oder -softwaremodule, wobei das System Folgendes beinhaltet:

a) ein Simulationsmodul 2, das darauf konfiguriert ist, durch Simulation des Verhaltens des Kraftwerks aus einer Kurve von Eingabewerten entsprechende Kurven von Prozessvariablen P(τ) zu ermitteln, und
b) ein Optimierungsmodul 1, das darauf konfiguriert ist, mehrere Kurven von Eingabewerten zu ermitteln und einen Wert einer Kostenfunktion als ein Integral einer Zielfunktion zu ermitteln, wobei die Zielfunktion mindestens eine von dem Simulationsmodul 2 ermittelte Kurve umfasst.

Das Simulationsmodul 2 ist darauf konfiguriert, aus der Kurve von Eingabewerten eine Kurve zu ermitteln, die eine Lebensdauer LTp(τ) von Kraftwerkbauteilen darstellt, und die Zielfunktion umfasst einen Unterschied der Lebensdauer LTp(τ) von einer Nennlebensdauerkurve LTn(τ).
In einer bevorzugten Ausführungsform des Kraftwerkoptimierungssystems umfasst die Zielfunktion einen Unterschied zwischen der Kurve von Prozessvariablen P(τ) und einer Kurve von assoziierten Nennprozessvariablen Pn(τ). Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Kraftwerkoptimierungssystems umfasst Mittel zum Anzeigen zumindest eines Teils der Kurve von Eingabewerten für einen Bediener und/oder Mittel zum Anwenden zumindest eines Teils der Werte zum Steuern des eigentlichen Kraftwerks (3).
Die Erfindung ermöglicht dem Bediener oder einer automatischen Steuereinrichtung, nicht nur kurzfristige finanzielle Erwägungen in eine Kraftwerkbetriebsstrategie einzubinden, sondern ermöglicht außerdem die Einplanung und Berücksichtigung des Einflusses des Lebensdauerverbrauchs auf Bauteile, um eingeplante Austausch- und Wartungszeitpläne einzuhalten und/oder zu optimieren.

1: Optimierungsmodul
2: Simulationsmodul
3: Eigentliches Kraftwerk
u(τ): Steuerwerte
u^*(τ): Optimale Steuerwerte
LTp(τ): Lebensdauerkurve
LTn(τ): Gewünschte oder Nennlebensdauerkurve
P(τ): Prozessvariable
Pn(τ): Gewünschte oder Nennprozessvariable
y(t): Kraftwerkmesswerte
R_iLT, R_p, R_E: Gewichtungsmatrizen

Claims

Verfahren für einen optimalen Betrieb eines Kraftwerks, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Ermitteln einer Kurve von Eingabewerten (u(τ), P(τ)), b) Ermitteln durch Simulation des Kraftwerkverhaltens aus der Kurve von Eingabewerten (u(τ), P(τ)) entsprechender Kurven von Prozessvariablen (P(τ)), c) Errechnen einer Kostenfunktion (J[u], J[P]) als ein Integral einer Zielfunktion, die mindestens eine in der Simulation ermittelte Kurve umfasst, d) Iteratives Wiederholen der Schritte a) bis c) mit. einem Optimierungsmodul (1), das die Kurve von Eingabewerten (u(τ) , P(τ)) variiert, bis ein optimierter niedriger Wert der Kostenfunktion (J[u], J[P]) erzielt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) eine Kurve, die eine Lebensdauer LTp(τ) von Kraftwerkbauteilen darstellt, aus der Kurve von Eingabewerten (u(τ), P(τ)) ermittelt wird und dass in Schritt c) die Zielfunktion einen Unterschied der Lebensdauer LTp(τ) von einer Nennlebensdauerkurve LTn(τ) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eingabewerte Steuerwerte u(τ) sind, die Kurven von Prozessvariablen P(τ) durch Simulation des Verhaltens des Kraftwerks aus u(τ) ermittelt werden und der Optimierungsschritt eine Kurve von Steuerwerten u(τ) findet, die die Kostenfunktion J[u] minimiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eingabewerte die Prozessvariablen P(τ) sind und der Optimierungsschritt eine Kurve von Prozessvariablen P(τ) findet, die die Kostenfunktion J[P] minimiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt c) die Zielfunktion einen Unterschied zwischen der Kurve von Prozessvariablen P(τ) und einer Kurve von assoziierten Nennprozessvariablen Pn(τ) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt c) die Kostenfunktion einen Ausdruck einbindet, der einen Unterschied zwischen dem Lebensdauervektor LTp(T_E) und dem Nennlebensdauervektor LTn(T_E) zu einem gegebenen vorherbestimmten Endzeitpunkt T_E darstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt c) die Optimierung harten Bedingungen für einen oder mehrere der Kraftwerksteuerwerte u(τ) und/oder der Prozessvariablen P(τ) ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Kurve von Eingabewerten (u(τ), P(τ)), die den optimierten Kosten entspricht, einem Bediener angezeigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Kurve von Eingabewerten (u(τ), P(τ)), die den optimierten Kosten entspricht, zum Steuern des eigentlichen Kraftwerks (3) angewendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kostenfunktion (J[u], J[P]) den Ausdruck
umfasst, wobei R^LT eine Gewichtungsmatrix, t ein gegenwärtiger Zeitpunkt und T eine vorherbestimmte Zeitdauer ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Kostenfunktion (J[u], J[P]) den Ausdruck
umfasst, wobei R_LT, R_p Gewichtungsmatrizen sind, t ein gegenwärtiger Zeitpunkt und T eine vorherbestimmte Zeitdauer ist.
Computerprogrammprodukt, das ein Computerprogrammcodemittel zum Bewirken, wenn das Programm in einen Computer geladen wird, der operativ mit einem Kraftwerk verbunden ist, dass der Computer das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausführt, umfasst.
Kraftwerkoptimierungssystem für einen optimalen Betrieb eines Kraftwerks, das Folgendes umfasst: a) ein Simulationsmodul (2), das darauf konfiguriert ist, durch Simulation des Verhaltens des Kraftwerks aus einer Kurve von Eingabewerten (u(τ), P(τ)) entsprechende Kurven von Prozessvariablen P(τ) zu ermitteln, und b) ein Optimierungsmodul (1), das darauf konfiguriert ist, mehrere Kurven von Eingabewerten (u(τ), P(τ)) zu ermitteln und einen Wert einer Kostenfunktion (J[u], J[P]) als ein Integral einer Zielfunktion zu ermitteln, wobei die Zielfunktion mindestens eine von dem Simulationsmodul (2) ermittelte Kurve umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Simulationsmodul (2) darauf konfiguriert ist, aus der Kurve von Eingabewerten (u(τ), P(τ)) eine Kurve zu ermitteln, die eine Lebensdauer LTp(τ) von Kraftwerkbauteilen darstellt, und dass die Zielfunktion einen Unterschied der Lebensdauer LTp(τ) von einer Nennlebensdauerkurve LTn(τ) umfasst.