EP0070047B1

EP0070047B1 - Einrichtung zur Leistungsbestimmung einer Turbogruppe während Netzstörungen

Info

Publication number: EP0070047B1
Application number: EP82200541A
Authority: EP
Inventors: Karel Dr. Dipl.-Ing. Skala
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1981-07-13
Filing date: 1982-05-06
Publication date: 1985-09-11
Also published as: DE3266140D1; EP0070047A1; ATE15526T1; US4451740A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Leistungsbestimmung einer Turbogruppe während Netzstörungen.
Bei Störfällen in einem von einer Turbogruppe gespeisten elektrischen Netz ist es wünschenswert, daß während der Dauer der Störung die mechanische Leistung festgestellt und dem neuen Lastzustand möglichst schnell angepaßt wird. Denn das Signal der für den normalen, ungestörten Betrieb vorgesehenen Meßgeräte für die elektrische Leistung des Generators wird beim Auftreten einer solchen Störung wegen der damit verbundenen starken, unkontrollierten Schwingungen unbrauchbar. Es dauert einige Zeit, bis diese Schwingungen abgeklungen sind. Aus diesem Grunde war es bisher nicht möglich, während der Störung und einer gewissen Zeit danach die Leistungsregelung aufrechtzuerhalten.
Es sind zwar Dampfturbinenregelungen bekannt, die für einen raschen und schwingungsfreien Übergang zwischen verschiedenen stationären Betriebszuständen nach Auftreten von stoßartigen Störungen, z. B. durch Lastsprünge im Netz eines mit derTurbine gekuppelten elektrischen Generators, sorgen sollen. Eine solche Regelung ist beispielsweise in der DE-A-2 812 820 beschrieben. Dabei wird ein vom Zwischenüberhitzer abgeleitetes Dampfdrucksignal dem Drehzahlsignal überlagert, wodurch eine Unterschwingung der geregelten Drehzahl eliminiert wird, die im Inselbetrieb nach einer Entlastung auftreten kann.
Bei einer aus der CH-A-371 463 bekannten Regelung einer Dampfturbogruppe wird bei einem Lastsprung eine Abnahme der Drehzahl durch den Drehzahlregler erst zugelassen, wenn der Dampfdruck im Dampferzeuger unter einen bestimmten voreinstellbaren Wert absinkt.
Die GB-A-1 267 590 beschreibt eine Regelung einer Dampfturbogruppe welche die Regelung der Turbinendrehzahl, eines Entnahmedrucks und des Ausgangsdrucks erlaubt, wobei aber jeweils nur zwei der genannten Größen veränderbar sind, wenn die dritte konstant bleiben soll. Die Größe, die konstant gehalten werden soll, wird jeweils durch eine Schalteinrichtung in den Regelkreis einbezogen.
Bei keiner dieser Regeleinrichtungen ist es jedoch möglich, während der Dauer einer Störung im elektrischen Netz die mechanische Leistung als Regelgröße festzustellen, um den erforderlichen Regeleingriff auslösen zu können.
Es besteht daher ein Bedürfnis nach einer Einrichtung, die imstande ist, in einem solchen Störungsfalle die Leistung der Turbogruppe dem neuen Lastbedarf im Netz möglichst schnell anzupassen.
Die vorliegende, im Patentanspruch 1 definierte Erfindung beschreibt eine Einrichtung, die bei einem solchen Störungsfall die Leistungsregelung der Turbogruppe unverzüglich übernehmen kann.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf zwei in den Zeichnungen schematisch dargestellte Varianten der Einrichtung für eine Verwendung bei Dampfturbogruppen näher beschrieben. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 eine Dampfturbogruppe mit den Druckmeßstellen,
Fig. 2 die Funktionsverknüpfung der einzelnen für die Erzeugung eines Regelsignals erforderlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
Fig. 3 den Regelkreis der Einrichtung, und
Fig. 4 die Funktionsverknüpfung der Komponenten für eine gegenüber der Ausführung nach Fig. 2 einfacher aufgebaute Einrichtung gemäß der Erfindung.

Die Leistungsmessung beruht bei der gegenständlichen Einrichtung auf der Feststellung der Werte von Zustandsgrößen des Arbeitsmittels, bei den zwei zu beschreibenden Ausführungen also des Dampfes.
Die einfachste Methode, die bei der Einrichtung nach Fig. 4 angewandt wird, besteht darin, die momentane mechanische Leistung P(t) der Turbogruppe allein aufgrund der Dampfdrücke zu bestimmen. Die Anzapfdrücke p_1,1, p_2,i, P_1,i+1, P_2,i+1 usw., siehe hierzu Fig.1, jeweils vor und hinter einem Turbinenteil, erlauben mit Hilfe des Dampfkegelgesetzes Q_i(p_i) die Berechnung der Dampfflüsse Q_;(t) und damit in erster Näherung der Leistung P_i(Q_i). Unter Turbinenteil ist ein Abschnitt der Turbine zwischen zwei Entnahmestellen für die Messung der Dampfdrücke p_1,i, p_2.i usw. zu verstehen.
In den Fällen, in denen beide Ventilgruppen, d. h., die Einlaß- und die Abfangventile, in eine Drosselposition geführt werden, ist, falls eine höhere Genauigkeit gefordert wird, zu berücksichtigen, daß in den einzelnen Turbinenstufen, besonders vor den Abfangventilen, andere Druckverhältnisse herrschen als während eines üblichen Regelvorganges, bei dem nur die Einlaßventile drosseln, die Abfangventile also nicht betätigt werden.
Für den vorerwähnten Fall dient zur Leistungsbestimmung die Beziehung
Darin ist Δ h_i(t) die momentane Enthalpiedifferenz bei polytropischer Expansion und P_i,Verl die Verlustleistung des betreffenden Turbinenteils.
Die momentane Enthalpiedifferenz d h,(t) ist meßtechnisch schwierig zu bestimmen und würde auch die Messung der Dampftemperaturen erfordern. Als praktischer Ausweg bietet sich daher eine Approximation für den Momentanwert von .A h_i(t) an. Für einen technisch vernünftig großen Bereich in der Nähe des Ausgangszustandes, der durch den Index IC = Initial Condition gekennzeichnet wird, hat sich die
hotulloslolll
Dieser Ausdruck wird im folgenden als (Δ h_i/Δ h_i,lC)_Appr bezeichnet.
Unter einem mit dem Index IC gekennzeichneten Zustand ist ein Bezugszustand zu verstehen, von dem die Werte aller maßgeblichen Zustandsgrößen genau bekannt sind, z. B. der Beharrungszustand bei 100% Last.
Die Exponenten e_1,i und e_2,i von (2) werden durch ein Optimierungsverfahren mittels Rechner bestimmt. Für einen konkreten Fall ist beispielsweise e_1,i = 0,71 und e_2,i = 0,28.
Die Verlustleistung P_i,Verl faßt die Austritts-, Ventilations- und Reibungsverluste zusammen. Sie kann ohne nennenswerte Beeinträchtigung der Genauigkeit durch eine Konstante approximiert werden.
Mit den vorstehenden Annahmen kann die Leistung eines Turbinenteils folgendermaßen ausgedrückt werden.
Die Auswertung dieser Beziehung erfolgt durch die in Fig. 2 dargestellte Einrichtung zur Ausführung der durch die Beziehung (3) ausgedrückten Berechnungsschritte. Die Komponenten dieser Einrichtungen sind handelsübliche Produkte aus dem Gebiet der elektronischen Regelung, wobei es sich sowohl um Analog- als auch um Analog-Digital-Analog-Geräte handeln kann.
Da nur die Dampfdrücke p_1,i, p_2,i usw. gemessen werden, sollen diese als die einzigen veränderlichen Werte bei der Verarbeitung der Beziehung (3) zu Regelsignalen verwendet werden. Die Beziehung (3) ist demnach so umzuformen, daß in ihr die Leistung als Funktion der einzigen Veränderlichen p_1,i, p_2,i, ... usw. erscheint. Dies geschieht durch folgende Substitutionen:

Unter Verwendung von
(folgt aus dem Dampfkegelgesetz) und
folgt durch Verhältnisbildung für

Die für den Turbinenteil i spezifische, praktisch über den ganzen Leistungsbereich gültige Konstante K_; fällt dabei heraus.
Aus (2) folgt:
Die Gleichung (3) erhält demnach als Funktion von p_i die Form:
Die konstanten Glieder dieser Gleichung können zu der in Fig. 2 angegebenen Konstanten C_i zusammengezogen werden:
Setzt man die Verlustleistung P_i,Verl = b_i. so reduziert sich (3) auf
Die Auswertung dieser Beziehungen für alle n Turbinenteile i, i + 1, ... n zur Gewinnung eines Regelsignals für die Leistung P der ganzen Dampfturbogruppe kann durch die in Fig. 2 als Blockschema dargestellte Einrichtung, bestehend aus n Schaltungen von Rechenoperationselementen 1 bis 16, erfolgen. Die von diesen Elementen jeweils auszuführenden Operationen sind durch die in die Elemente eingetragenen Operationssymbole angedeutet.
Das erste Glied
von (6) wird auf bekannte Weise durch Zerlegung des Radikanden in
und Bildung der Summe bzw. Differenz von p_1,i und p_2,i in summenbildenden Elementen, d. h., in einem Addierer 1 und in einem Subtrahierer 2, Multiplikation derselben in einem Multiplizierer und Ziehen der Wurzel in einem Radizierer 4 berechnet. Weiter folgt in einem Multiplizierer 6 die Multiplikation dieses Wertes mit der von einem Festwertspeicher 5 gelieferten Konstanten C_i, eine Multiplikation mit der vom Substrahierer 2 gelieferten Differenz (p_1,i- p_2,i) in einem Multiplizierer 7, Multiplikationen mit
und
in Multiplizierern 8 bzw. 9, welche Faktoren diesen Multiplizierern über mit p_1,i und p_2,i gespeiste Inverter 10 bzw. 11 sowie Potenzierer 12 bzw. 13 zugeführt werden. Dieses Ergebnis wird im Subtrahierer 14 um den Wert der Verlustleistung, d. h., um die von einem zweiten Festwertspeicher 15 gelieferte Konstante b_i vermindert und schließlich wird in einem Addierer 16 das Reglersignal P aus der Summe aller von den n Schaltungen gelieferten Werte P_i gebildet.
Fig. 3 zeigt in einem Blockschema den Regelkreis einer Dampfturbogruppe 17 mit der erfindungsgemäßen Einrichtung 18. Es ist dabei angenommen, daß die Entnahme der Dampfdrücke an zwei Turbinenteilen erfolgt, wobei die Druckentnahmeleitung 19 für den Druck p_1,1, die Druckentnahmeleitung 20 für den Druck p_2,1 und gleichzeitig für den Druck p_1,2, der gleich p_2,1 ist, siehe hierzu Fig. 1, und die Druckentnahmeleitung 21 für den Druck p_2,2 vorgesehen ist. Der Generator 22 speist im normalen, ordnungsgemäßen Betriebszustand über eine Signalleitung 23 und ein Umschaltrelais 24 einen Leistungsregler 25 mit dem Momentanwert der elektrischen Last. Die Regelsignale des Leistungsreglers 25 gelangen zu den Stellorganen der Regelventilgruppe 26, welche die Dampfzufuhr in die Turbogruppe 17 dem jeweiligen Bedarf anpassen. Dies ist der Betrieb bei ungestörtem Netz, bei dem sich das Kontaktelement 27 des Umschaltrelais 24 in der strichliert gezeichneten Stellung (27) befindet.
Beim Auftreten einer Netzstörung bewirkt das vom Generator kommende Störsignal ein Umschalten des Kontaktelementes in die voll gezeichnete Stellung 27 und es tritt dann die Regelung mit der erfindungsgemäßen Einrichtung 18 in Funktion.
Fig. 4 zeigt das Schema einer vereinfachten Ausführung der Einrichtung, wobei die Änderung der momentanen Enthalpiedifferenz für die Erzeugung des Ausgangssignals vernachlässigt wird. Die Abfolge der Berechnungsschritte ist analog jener bei der Einrichtung nach Fig. 2 und die auszuwertende Beziehung für einen Turbinenteil i lautet wie folgt:
worin b, = P_i,,Verl ist.
Zur Gleichung (7) und zur Konstanten C_; gelangt man aus dem Kegelgesetz
mit Q_i = Fluß im Turbinenteil i. Für die Leistung ist zu setzen
da die Nutzleistung linear mit dem Fluß Q zunimmt. Die Konstante C_i ergibt sich bei konstant angenommener Verlustleistung P_i,Verl wie im ersten Fall aus P_i/P_i,lC, wobei P_i,lC die Leistung bei einem Betriebszustand IC, beispielsweise Vollast, ist, bei dem die Konstanten a_i, K, leicht ermittelt werden können. Da diese zwei Konstanten für den ganzen interessierenden Betriebsbereich gelten, gilt für einen beliebigen Zustand:
und für einen Vergleichszustand IC:
Daraus folgt
und
und aus
folgt nach Umformungen für die Leistung eines Turbinenteils i:
woraus man C_i
erhält.
Der Regelkreis entspricht dem in Fig. 3 dargestellten. Die Anzapfung für die Messung der Drücke geschieht zweckmäßig an den aus betrieblichen Gründen am Anfang und Ende der Turbinenteile von Haus aus vorhandenen Anzapfleitungen.

Claims

1. Einrichtung zur Leistungsbestimmung einer Turbogruppe während Netzstörungen, wobei die Turbogruppe in n Turbinenteile unterteilt ist, an deren Anfang und Ende jeweils je eine, im allgemeinen für die Betriebsüberwachung dienende Druckmeßstelle für den Arbeitsmitteldruck vorgesehen ist, und die Einrichtung folgende Teile aufweist: einen Regler (25) und Regelorgane (26) zur Leistungsregelung im normalen, ungestörten Betrieb, ein durch die Störung ausgelöstes Signal betätigbares Umschaltrelais (24), das dazu bestimmt ist, die Einrichtung (18) im Störungsfalle zu aktivieren, Drucksignalleitungen (19, 20, 21 die dazu bestimmt sind, von den genannten Druckmeßstellen der Turbogruppe beaufschlagt zu werden, sowie n Gruppen von Rechnerelementen, deren jede je einem der n Turbinenteile zugeordnet ist, wobei die Rechnerelemente (1-16; 28-36) jeder Gruppe so beschaffen sind, daß sie die von den Drucksignalleitungen (19, 20, 21) gelieferten Drücke p_1,i, p_2,i, p_1,i+ p_2.i+1,... p_1,n, p_2,n) als Eingangsgrößen zu einem die momentane Leistung P_i(t) eines Turbinenteils (i) im Störfall repräsentierenden Ausgangssignal verarbeiten, und wobei ein Addierer (16; 36) vorgesehen ist, der die Ausgangssignale P_i(t) zu einem resultierenden, die momentane Gesamtleistung P(t) der Turbogruppe repräsentierenden Ausgangssignal zusammenfaßt, das dazu bestimmt ist, dem Regler (25) der Turbogruppe (17) zur Ausführung der Regelung während der Dauer des Störfalles zugeführt zu werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechnerelemente (1-16) der n Gruppen jeweils zur Auswertung der Funktion

ausgelegt sind, worin p_1,i und p_2,i die Drücke am Anfang bzw. am Ende des i-ten Turbinenteils e₁,_i und e₂,_i durch ein Optimierungsverfahren ermittelte Exponenten für den Anfang bzw. das Ende des i-ten Turbinenteils, die Konstante

mit

mit Δ h_i,lc= Enthalpiedifferenz im Turbinenteil i und die Konstante b; die Verlustleistung P_i,Verl des Turbinenteils i sowie der Index IC den Wert der betreffenden Größe bei einem stationären, als Bezug dienenden Betriebszustand, z. B. Vollast, bedeuten.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechnerelemente (28-36) der n Gruppen jeweils zur Auswertung der Funktion

ausgelegt sind, worin p_1,i und p_2,i die Drücke am Anfang bzw. am Ende des i-ten Turbinenteils, die Konstante

und die Konstante b_i die Verlustleistung P_i,Verl des Turbinenteils i sowie der Index IC den Wert der betreffenden Größe bei einem stationären, als Bezug dienenden Betriebszustand, z. B. Vollast, bedeuten.