EP1165951B1 - Verfahren zur regelung einer dampfturbine mit dampfentnahme, regeleinrichtung für eine dampfturbine mit dampfentnahme und dampfturbine mit dampfentnahme - Google Patents

Verfahren zur regelung einer dampfturbine mit dampfentnahme, regeleinrichtung für eine dampfturbine mit dampfentnahme und dampfturbine mit dampfentnahme Download PDF

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EP1165951B1
EP1165951B1 EP00929236A EP00929236A EP1165951B1 EP 1165951 B1 EP1165951 B1 EP 1165951B1 EP 00929236 A EP00929236 A EP 00929236A EP 00929236 A EP00929236 A EP 00929236A EP 1165951 B1 EP1165951 B1 EP 1165951B1
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EP
European Patent Office
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steam
closed
loop control
steam turbine
parameter
Prior art date
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EP00929236A
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EP1165951A1 (de
Inventor
Rainer Junk
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/02—Arrangement of sensing elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a Steam turbine with steam extraction.
  • the invention also relates to a control device for such a steam turbine.
  • the steam turbine is a controlled extraction turbine.
  • steam flows in the high pressure part of such a removal turbine.
  • the high pressure part of the steam flows into a steam extraction line and on the other hand in a low pressure part of the Turbine.
  • the steam flowing through the low pressure part can then both a capacitor and another Extraction line are fed.
  • a withdrawal turbine therefore has the task of driving a generator, as well as so-called process steam for operational purposes to provide.
  • the controlled variables can e.g. a withdrawal steam quantity, a power output the turbine, a speed of the turbine shaft, a back pressure in the steam flowing out of the turbine or a pre-pressure of steam flowing into the turbine.
  • An operational task would be e.g. through a regulation according to Extraction steam quantity and the performance are marked.
  • Another Operational task would be, for example, through a regulation labeled according to the amount of steam removed and the back pressure.
  • US Pat. No. 4,146,270 is a control device for a steam turbine with speed and power control coupled on the output side known.
  • the fuzzy controller described is intended to control such a steam turbine enable with steam bypass stations. Nevertheless, a separate control structure has so far been required for each operational task be used. Parameters gained empirically are thereby linked so that the desired control behavior for the operational task follows. Both the parameters and the link the parameter is different from each other, so that different rule structures are used.
  • the object of the invention is to provide a control method a steam turbine with steam extraction, which in simple and the operational tasks of the steam turbine in a reliable manner justice. Furthermore, one should Control device for a steam turbine with Steam extraction can be specified which the operational tasks of the steam turbine in fulfilled in a simple and reliable manner.
  • a sampling valve can also be a supply valve at the same time his.
  • a sampling valve can take steam from a first Stage of the steam turbine can be controlled in that a Supply steam quantity (short supply quantity) for one of the first Stage following second stage of the steam turbine set is that the desired amount of withdrawal steam (short Withdrawal quantity) as the difference between that of the first stage and that of the results in the respective second supply stage.
  • a steam supply or a steam extraction can depend on Required at any point on the steam turbine.
  • the Operational tasks are assigned depending on the desired delivery Power of the turbine or the desired amount of extraction steam characterized by the type of control variables. For example is an operational task by regulating the amount of steam extracted and the speed of the turbine.
  • control signals of the controllers in Control signals for actuators of the supply or removal valve converted. Depending on the operational task, this conversion done in a manner appropriate to the operational task, since everyone A different operational area for the supply or withdrawal valve is based.
  • One of the control variables is preferably an extraction steam quantity, a pressure in the steam turbine, an output of the steam turbine or a speed of the steam turbine.
  • Each operational task is a parameter group that characterizes it assigned for the rule structure.
  • the inverse control structure is inverse the control structure with the parameter group for the second operational task.
  • the start variables are sent to the second controller.
  • the second controller thus starts with values that the last activation of the first controller from the old operating task correspond. This does not result in one sudden change in the control of the actuator.
  • the start variables for the second controller are defined by the use of the common rule structure in simpler Way determined by the fact that the starting variables from the manipulated variables of the first controller using the inverse control structure can be converted.
  • the inverse rule structure corresponds to one Back calculation of the rule structure, taking the rule structure parameters are used for the new operational task. On bumpless switching between operational tasks is in realized in a simple way.
  • Each parameter group preferably comprises a supply valve sub-group and a bleed valve subset, where a first of the control signals with a first parameter and a second of the control signals with a second parameter each of these sub-groups are linked and in addition by means of a respective one assigned to each sub-group Offset parameters the supply valve manipulated variable or the extraction valve manipulated variable be determined.
  • FIG. 1 shows schematically a steam turbine 1.
  • a steam turbine shaft 2 On a Steam turbine shaft 2 are arranged one behind the other a high pressure part 3, a medium pressure part 5 and a low pressure part 7.
  • the steam turbine 1 is connected to a via the steam turbine shaft 2 Generator 8 connected to generate electrical energy.
  • the high-pressure part 3 has a steam supply 9.
  • the medium pressure part 5 has a steam supply 11.
  • the low pressure part 7 has a steam supply 13.
  • the High-pressure part 3 also has a steam extraction 21, via which a withdrawal amount 22 adjustable by a withdrawal valve 25 streams.
  • the medium pressure part 5 has a steam extraction 23 on, through which a removal amount 24 adjustable flows through a sampling valve 27.
  • the low pressure part 7 has a steam extraction 29.
  • the supply valves 15, 17, 19 and the removal valves 25, 27 are with a control device 30 connected.
  • steam flows from a steam generator (not shown) via the steam supply 9, via the supply valve 15, into the high-pressure part 3 , controlled via the supply valve 17, into the medium-pressure part 5.
  • the medium-pressure part 5 can also have a steam supply separate from the high-pressure part 3, that is, for example, a re-feeding of process steam.
  • Steam flows out of the medium-pressure part 5 in a controlled manner via the extraction valve 25 via the steam extraction 23 and / or flows into the low-pressure part 7 via the steam supply 13, controlled via the supply valve 19.
  • the removal valves 25, 27 can also be combined with the supply valves 17, 19. In this case, the extraction steam quantities 22, 24 are controlled indirectly via the supply steam quantities 12, 14.
  • the steam flows from the low-pressure part 7 via the steam extraction 29 off.
  • He can e.g. a not shown Condenser supplied or, like steam from the steam withdrawals 21, 23, for operational purposes.
  • the steam flowing through the steam turbine 1 offsets the Steam turbine shaft 2 in rotation at the speed D. Die Steam turbine 1 gives a power L to the electric generator 8 to generate electrical energy.
  • a pressure PV in the steam Before entry into the steam turbine 1, that is to say approximately in the steam feed 9, there is a pressure PV in the steam.
  • Behind the high pressure part 3 there is a pressure P1 in the steam.
  • Behind the medium pressure part 5 there is a pressure P2 in the steam.
  • Behind the low pressure part 7 there is a pressure P3 in the steam.
  • the pressures P1, P2, P3 can also, if necessary, at another suitable place in the respective Turbine parts 3, 5, 7 are measured.
  • the pressures PV, P1, P2, P3, PN can be used as control variables for controlling the steam turbine 1 be used.
  • Control variables can e.g. also the speed D or the power L.
  • Other controlled variables can e.g. the withdrawal steam amounts 22, 24.
  • the operational Requirements for the steam turbine 1 are e.g. different Extraction steam quantities 22, 24 or different Services L to be discontinued. Accordingly, for one Control of the steam turbine 1 different control variables each according to operational requirements. The use of the Control variables characterize an operational task of the steam turbine 1. This is explained in more detail below.
  • FIG. 2 shows schematically a control device 30.
  • the control device 30 has a first controller 33 and one second controller 35, which together form a pair of controllers 36.
  • the first controller 33 and the second controller 35 are each with a common control structure 37 connected.
  • the rule structure 37 is with a first characteristic curve generator 39 and with a second characteristic generator 41 connected.
  • the first characteristic curve generator 39 is connected to an actuator 43.
  • the second Characteristic curve generator 41 is connected to a second actuator 45.
  • the first actuator 43 is used to actuate a first valve V1.
  • the second actuator 45 is used for actuation of a second valve V2.
  • the valves V1, V2 can each e.g. a supply valve 15, 17, 19 or a removal valve 25.27 for steam.
  • a first controlled variable R1 is fed to the first controller 33.
  • a second controlled variable R2 is fed to the second controller 35.
  • the first controller 33 outputs a first control signal YE to the control structure 37.
  • the second controller 35 outputs a second one Control signal YS to the control structure 37.
  • From the control structure 37 is in accordance with the current operational task a first control signal S1 to the first characteristic curve generator 39 and a second control signal S2 to the second characteristic curve generator 41 issued.
  • the characteristic curve generators 39, 41 control their assigned actuators 43, 45 so that the valves V1, V2 can be set according to the control task.
  • FIGS. 3 to 5 show lists of control structures 37 according to the state of the art.
  • Figure 3 is according to a first Operating task BA a first control signal YE with a second control signal YS using empirically obtained Parameters K1, K2, K3, K4, Y1, Y2, Y3, Y4, KHP, KLP2, KLP1 see above linked that control signals S1, S2, S3 for suitable control valves V1, V2, V3 are output.
  • the figures 4 and 5 show links between the control signals YE, YS according to a different operational task BB, BC.
  • the complex Links using a variety of parameters are difficult to determine. It’s practically impossible a decoupling of the control signals YE, YS over the entire To reach the operating area.
  • FIG. 6 shows a control structure 37 which, for all operational tasks, such as. according to Figures 3 to 5, can be used is.
  • the control structure 37 comprises a parameter set 50.
  • the parameter set 50 is divided into subgroups 51, 53, 55.
  • subset 51 is a supply valve subset and subset 53 is a bleed valve subset.
  • Each sub-group 51, 53, 55 comprises a first parameter AV1, AV2, AV3 and a second parameter BV1, BV2, BV3.
  • each subgroup 51, 53, 55 each includes one Offset parameters CV1, CV2, CV3.
  • the first control signal YE is converted using the second parameters BV1, BV2, BV3.
  • the second control signal YS is based on the first parameters Converted AV1, AV2, AV3.
  • the parameter set 50 is the current operational task adapted and determined so that on the one hand, there is a decoupling of the controlled variables R1, R2 and on the other hand, the operational areas for the operational task are set.
  • FIG. 7 schematically shows a change from a first operating task BA on a second operational task BB.
  • the first operational task BA is carried out in the manner described via the controller pair 36A from the controlled variables R1A and R2A Generation of the control signals YEA and YSA using the control structure 37A converted into control signals S1A, S2A for valves V1, V2 become.
  • control structure 37B characterized.
  • the controller pair 36B, the controlled variables R1B and R2B are supplied.
  • the rule structure 37B are the control signals YEB from the pair of controllers 36B and YSB transmitted.
  • the rule structure 37B becomes this the control signals S1B and S2B derived.
  • Bumpless switching between operational tasks BA, BB is achieved in that the control signals S1A, S2A off the operational task BA using an inverse control structure 37BI can be converted into start signals YES and YSS.
  • the Start signals YES and YSS become the new pair of controllers 36B
  • Operating task BB supplied as start values, so that in the Operational task BB a control with control signals S1B and S2B begins, the last values of the control signals S1A and Correspond to S2A from operational task BA. So it happens no sudden different control of the actuators.
  • the inverse control structure 37BI corresponds to an inversion the control structure 37 with the parameter set 50 of the second operating task BB. With the use of for all operational tasks BA, BB, BC is the same rule structure 37 ensured in a simple manner that a bumpless switching between operational tasks BA, BB, BC.
  • FIG. 8 shows the coupling of one of the controlled variables R1, here a withdrawal steam quantity 22, 24 with a second controlled variable R2, here a power L, according to the prior art.
  • the lines are the same from points Extraction steam amount 22, 24 formed.
  • the on the lines standing numerical values indicate the extraction steam quantity 22, 24 in Kg / s.
  • the axes show the control variables R1, R2 Control signals YE and YS.
  • Figure 9 shows such a coupling diagram below Use of the rule structure 37. Over almost the entire Operating range is the withdrawal steam amount R1, 22, 24 from the Control variable, power L 'associated control signal YS decoupled.

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Description

Verfahren und Einrichtung zur Regelung einer Dampfturbine mit Dampfentnahme.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Dampfturbine mit Dampfentnahme. Die Erfindung betrifft auch eine Regeleinrichtung für eine solche Dampfturbine.
In dem Buch "Regelung von Dampfturbinen" von Adolf Brücher, 2. Aufl., 1972, Kraftwerkunion AG, Mülheim/Ruhr, wird unter dem Kapitel "Reglereinstellblatt bei gesteuerten Entnahmeturbinen" ab Seite 53 die Regelung einer Dampfturbine mit Entnahmedampf, kurz Entnahmeturbine, beschrieben. Bei einer Entnahmeturbine wird an einer bestimmten Stufe Dampf für normalerweise betriebliche Zwecke abgezweigt. Sofern es sich dabei um die Beaufschlagung von Kondensat- oder Speisewasservorwärmern handelt, wird lediglich eine Verbindung von besagter Stufe zu diesen Vorwärmern ohne ein Regelorgan geschaffen. Es handelt sich hierbei um sogenannte ungesteuerte Entnahmen oder Anzapfung. Der Druck einer Anzapfung wird von der Dampfmenge bestimmt, welche die Turbine durchströmt.
Im Gegensatz dazu kann die Anforderung bestehen, Dampf eines bestimmten Drucks zur Verfügung zu haben, ganz gleich, wie hoch sich dabei der Turbinendampfdurchsatz und damit die elektrische Leistung belaufen. Diese Forderung kann aber nur dann erfüllt werden, wenn die Möglichkeit einer Druckhaltung geschaffen wird. In diesem Fall handelt es sich bei der Dampfturbine um eine gesteuerte Entnahmeturbine. Zum Beispiel strömt Dampf in den Hochdruckteil einer solchen Entnahmeturbine. Am Ende des Hochdruckteils strömt der Dampf einerseits in eine Dampfentnahmeleitung und andererseits in einen Niederdruckteil der Turbine. Der durch den Niederdruckteil strömende Dampf kann anschließend sowohl einem Kondensator als auch wiederum einer Entnahmeleitung zugeführt werden. In letzterem Fall spricht man von einer Entnahme-Gegendruckturbine. Eine Entnahmeturbine hat also sowohl die Aufgabe, einen Generator anzutreiben, als auch sogenannten Prozeßdampf für betriebliche Zwecke zur Verfügung zu stellen.
Je nach gewünschter elektrischer Leistung oder gewünschter Prozeßdampfmenge gibt es hinsichtlich der Regelung der Entnahmeturbine unterschiedliche Betriebsaufgaben. Diese sind durch eine unterschiedliche Art der Regelgrößen gekennzeichnet, die zur Regelung herangezogen werden. Die Regelgrößen könnnen z.B. eine Entnahmedampfmenge, eine abgegebene Leistung der Turbine, eine Drehzahl der Turbinenwelle, ein Gegendruck im aus der Turbine strömenden Dampf oder ein Vordruck von in die Turbine strömendem Dampf sein. Eine Betriebsaufgabe wäre somit z.B. durch eine Regelung nach der Entnahmedampfmenge und der Leistung gekennzeichnet. Eine andere Betriebsaufgabe wäre beispielsweise durch eine Regelung nach der Entnahmedampfmenge und dem Gegendruck gekennzeichnet.
Aus der US-PS 4,146,270 ist eine Regeleinrichtung für eine Dampfturbine mit ausgansgsseitig gekoppelter Drehzahl - und Leistungsregelung bekannt. Ein in "Dampfturbinenregelung mit Fuzzy-Logik", R.Hampel, N. Chaker, in ATP Automatisierungstechnische Praxis, 37 (1995) Juni, No. 6, München, DE beschriebener Fuzzy-Regler soll eine solche Regelung bei einer Dampfturbine mit Dampfumleitstationen ermöglichen. Dennoch muß bisher für jede Betriebsaufgabe eine eigene Regelstruktur verwendet werden. Empirisch gewonnene Parameter werden dabei so verknüpft, daß das gewünschte Regelverhalten für die Betriebsaufgabe folgt. Sowohl die Parameter als auch die Verknüpfung der Parameter ist also voneinander verschieden, so daß stats verschiedene Regelstrukturen verwendet werden.
Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zur Regelung einer Dampfturbine mit Dampfentnahme, das in einfacher und betriebssicherer Weise den Betriebsaufgaben der Dampfturbine gerecht wird. Des weiteren soll eine Regeleinrichtung für eine Dampfturbine mit Dampfentnahme angegeben werden, die die Betriebsaufgaben der Dampfturbine in einfacher Weise und betriebssicher erfüllt.
Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäβ gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Dabei können auch mehrere Zufuhrventile oder auch mehrere Entnahmeventile und entsprechende Regler vorhanden sein. Ein Entnahmeventil kann auch gleichzeitig ein Zufuhrventil sein. Z.B. kann eine Dampfentnahme aus einer ersten Stufe der Dampfturbine dadurch gesteuert sein, daß eine Zufuhr-Dampfmenge (kurz Zufuhrmenge) für eine der ersten Stufe folgenden zweiten Stufe der Dampfturbine so eingestellt wird, daß sich die gewünschte Entnahme-Dampfmenge(kurz Entnahmemenge) als Differenz der der ersten Stufe und der der zweiten Stufe zugeführten jeweiligen Zufuhrmengen ergibt.
Eine Dampfzufuhr oder auch eine Dampfentnahme können je nach Anforderung an jeder Stelle der Dampfturbine erfolgen. Die Betriebsaufgaben werden je nach der gewünschten Abgabe einer Leistung der Turbine oder der gewünschten Entnahmedampfmenge durch die Art der Regelgrößen gekennzeichnet. Zum Beispiel ist eine Betriebsaufgabe durch die Regelung nach der Entnahmedampfmenge und der Drehzahl der Turbine charakterisiert.
Durch die Regelstruktur werden die Regelsignale der Regler in Stellsignale für Stellglieder des Zufuhr- oder Entnahmeventils umgewandelt. Je nach Betriebsaufgabe muß diese Umwandlung in der Betriebsaufgabe angepaßter Weise erfolgen, da jeder Betriebsaufgabe ein unterschiedlicher Betriebsbereich für das Zufuhr- oder Entnahmeventil zugrundeliegt.
Bei der Erfindung wird dazu nur noch eine einzige Regelstruktur für alle Betriebsaufgaben verwendet. Dabei ist jede Betriebsaufgabe nur noch durch jeweils einen eigenen Satz von Parametern für die gemeinsame Regelstruktur charakterisiert. Damit vereinfacht sich die gesamte Regelung der Dampfturbine. Zudem wird eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet, da insbesondere bei einem Wechsel von einer ersten zu einer zweiten Betriebsaufgabe durch die gleiche Regelstruktur ein stoßfreies Umschalten erfolgen kann. Dies bedeutet, daß es bei einem Wechsel von einem ersten Regler zu einem zweiten Regler nicht zu einem stoßartigen Wechsel des angesteuerten Stellgliedes kommt. Ein solches stoßartiges Wechseln einer Stellglied position, der bisher nicht gewährleistet werden, konnte da unterschiedliche Regelerstrukturen für die verschiedenen Aufgaben verwendet wurden, hat eine hohe mechanische Belastung für dieses Stellglied zur Folge.
Durch die für alle Betriebsaufgaben gemeinsame Regelstruktur ist es möglich, eine weitgehende Entkopplung der Regelgrößen voneinander sicherzustellen. Dies bedeutet, daß beispielsweise bei einem Verändern einer Entnahmedampfmenge keine signifikante Leistungsänderung bei der Dampfturbine erfolgt. Je nach Betriebsanforderung sind somit die gewünschten Parameter unabhängig voneinander einstellbar. Bei einer Regelung mit verschiedenen Reglerstukturen je Betriebsaufgabe mittels empirisch gewonnener Parameter ist eine solche Entkopplung aufgrund der hohen Parameteranzahl praktisch nicht über den gesamten Betriebsbereich einstellbar. Mit der gemeinsamen Regelstruktur werden demgegenüber in einfacher Weise unter Ausnutzung von Kopplungsfunktionen zwischen den Regelgrößen die Regelstrukturparameter für die jeweilige Betriebsaufgabe so festgelegt, daß die Regelgrößen voneinander entkoppelt sind. Vorzugsweise werden die Parameter weiterhin so bestimmt, daß ein der gewählten Betriebsaufgabe angepaßter Betriebsbereich festgelegt wird.
Bevorzugt ist eine der Regelgrößen eine Entnahmedampfmenge, ein Druck in der Dampfturbine, eine Leistung der Dampfturbine oder eine Drehzahl der Dampfturbine.
Jeder Betriebsaufgabe ist eine diese kennzeichnende Parametergruppe für die Regelstruktur zugeordnet. Bei einem Wechsel von einer ersten der Betriebsaufgaben zu einer zweiten der Betriebsaufgaben erfolgt ein Wechsel von einem ersten Regler zu einem zweiten Regler so, daß Startgrößen für den Ausgang des zweiten Reglers mittels einer Invers-Regelstruktur festgelegt werden. Die Invers-Regelstruktur ist dabei invers zu der Regelstruktur mit der Parametergruppe für die zweite Betriebsaufgabe. Die Startgrößen werden dem zweiten Regler zugeleitet. Der zweite Regler startet somit mit Werten, die der letzten Ansteuerung des ersten Reglers aus der alten Betriebsaufgabe entsprechen. Damit kommt es nicht zu einem plötzlichen Wechsel in der Ansteuerung des Stellgliedes. Die Festlegung der Startgrößen für den zweiten Regler ist durch die Verwendung der gemeinsamen Regelstruktur in einfacher Weise dadurch bestimmt, daß die Startgrößen aus den Stellgrößen des ersten Reglers mittels der Invers-Regelstruktur umgerechnet werden. Die Invers-Regelstruktur entspricht einem Zurückrechnen der Regelstruktur, wobei die Regelstrukturparameter für die neue Betriebsaufgabe zugrundegelegt sind. Ein stoßfreies Umschalten zwischen Betriebsaufgaben ist somit in einfacher Weise realisiert.
Vorzugsweise umfaßt jede Parametergruppe eine Zufuhrventil-Untergruppe und eine Entnahmeventil-Untergruppe, wobei ein erstes der Regelsignale mit einem ersten Parameter und ein zweites der Regelsignale mit einem zweiten Parameter jeder dieser Untergruppen verknüpft werden und wobei zusätzlich mittels eines jeweiligen, jeder Untergruppe zugeordneten Offset-Parameters die Zufuhrventil-Stellgröße bzw. die Entnahmeventil-Stellgröße bestimmt werden.
Bezüglich der Regeleinrichtung wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 4.
Die Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch:
FIG 1
eine Dampfturbine,
FIG 2
eine Regeleinrichtung für eine Dampfturbine ,
FIG 3-5
Regelstrukturen für verschiedene Betriebsaufgaben einer Entnahmedampfturbine gemäß dem Stand der Technik,
FIG 6
eine für alle Betriebsaufgaben einer Entnahmedampfturbine ausgelegte gemeinsame Regelstruktur,
FIG 7
einen Wechsel von einer ersten Betriebsaufgabe zu einer zweiten Betriebsaufgabe einer Entnahmedampfturbine,
FIG 8
ein Kopplungsdiagramm für eine Entnahmemenge gemäß dem Stand der Technik, und
FIG 9
ein Kopplungsdiagramm für eine Entnahmemenge unter Verwendung einer für alle Betriebsaufgaben gleichen Regelstruktur.
Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
Figur 1 zeigt schematisch eine Dampfturbine 1. Auf einer Dampfturbinenwelle 2 sind hintereinander angeordnet ein Hochdruckteil 3, ein Mitteldruckteil 5 und ein Niederdruckteil 7. Die Dampfturbine 1 ist über die Dampfturbinenwelle 2 mit einem Generator 8 zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden. Der Hochdruckteil 3 weist eine Dampfzufuhr 9 auf. Der Mitteldruckteil 5 weist eine Dampfzufuhr 11 auf. Der Niederdruckteil 7 weist eine Dampfzufuhr 13 auf. In den Dampfzufuhren 9, 11, 13 strömende Dampfzufuhrmengen 10, 12, 14 sind über jeweilige Zufuhrventile 15, 17, 19 einstellbar. Das Hochdruckteil 3 weist weiterhin eine Dampfentnahme 21 auf, über die eine Entnahmemenge 22 einstellbar durch ein Entnahmeventil 25 strömt. Das Mitteldruckteil 5 weist eine Dampfentnahme 23 auf, durch die eine Entnahmemenge 24 einstellbar durch ein Entnahmeventil 27 strömt. Das Niederdruckteil 7 weist eine Dampfentnahme 29 auf. Die Zufuhrventile 15, 17, 19 und die Entnahmeventile 25, 27 sind mit einer Regeleinrichtung 30 verbunden.
Im Betrieb der Dampfturbine 1 strömt Dampf von einem nicht dargestellten Dampferzeuger über die Dampfzufuhr 9 gesteuert über das Zufuhrventil 15 in das Hochdruckteil 3. Aus dem Hochdruckteil 3 strömt Dampf einerseits über die Dampfentnahme 21, gesteuert über das Entnahmeventil 25, und andererseits über die Dampfzufuhr 11, gesteuert über das Zufuhrventil 17, in das Mitteldruckteil 5. Das Mitteldruckteil 5 kann auch eine vom Hochdruckteil 3 getrennte Dampfzufuhr aufweisen, also z.B. eine Wiedereinspeisung von Prozeßdampf. Aus dem Mitteldruckteil 5 strömt Dampf gesteuert über das Entnahmeventil 25 über die Dampfentnahme 23 aus und/oder strömt über die Dampfzufuhr 13, gesteuert über das Zufuhrventil 19, in den Niederdruckteil 7.
Die Entnahmeventile 25, 27 können auch mit den Zufuhrventilen 17, 19 zusammengefaßt sein. In diesem Fall werden die Entnahmedampfmengen 22, 24 über die Zufuhrdampfmengen 12, 14 indirekt gesteuert.
Aus dem Niederdruckteil 7 strömt der Dampf über die Dampfentnahme 29 aus. Er kann z.B. einem nicht näher dargestellten Kondensator zugeführt oder, wie auch Dampf aus den Dampfentnahmen 21, 23, betrieblichen Zwecken zugeleitet werden.
Der durch die Dampfturbine 1 strömende Dampf versetzt die Dampfturbinenwelle 2 in eine Rotation mit der Drehzahl D. Die Dampfturbine 1 gibt eine Leistung L an den elektrischen Generator 8 zur Erzeugung elektrischer Energie ab. Vor Eintritt in die Dampfturbine 1, also etwa in der Dampfzufuhr 9, herrscht im Dampf ein Druck PV. Hinter dem Hochdruckteil 3 herrscht im Dampf ein Druck P1. Hinter dem Mitteldruckteil 5 herrscht im Dampf ein Druck P2. Hinter dem Niederdruckteil 7 herrscht im Dampf ein Druck P3. Die Drücke P1, P2, P3 können auch gegebenenfalls an anderer, geeigneter Stelle in den jeweiligen Turbinenteilen 3, 5, 7 gemessen werden. Hinter der Dampfturbine 1 herrscht ein Druck PN. Die Drücke PV, P1, P2, P3, PN können als Regelgrößen zur Regelung der Dampfturbine 1 herangezogen werden. Regelgrößen können z.B. auch die Drehzahl D oder die Leistung L sein. Weitere Regelgrößen können z.B. die Entnahmedampfmengen 22, 24 sein. Je nach den betrieblichen Anforderungen an die Dampfturbine 1 sind z.B. unterschiedliche Entnahmedampfmengen 22, 24 oder unterschiedliche Leistungen L einzustellen. Dementsprechend sind für eine Regelung der Dampfturbine 1 unterschiedliche Regelgrößen je nach Betriebsanforderungen heranzuziehen. Die Verwendung der Regelgrößen kennzeichnet eine Betriebsaufgabe der Dampfturbine 1. Dies wird weiter unten näher erläutert.
Figur 2 zeigt schematisch eine Regeleinrichtung 30. Die Regeleinrichtung 30 weist einen ersten Regler 33 und einen zweiten Regler 35 auf, die zusammen ein Reglerpaar 36 bilden. Der erste Regler 33 und der zweite Regler 35 sind jeweils mit einer gemeinsamen Regelstruktur 37 verbunden. Die Regelstruktur 37 ist mit einem ersten Kennliniengeber 39 und mit einem zweiten Kennliniengeber 41 verbunden. Der erste Kennliniengeber 39 ist mit einem Stellglied 43 verbunden. Der zweite Kennliniengeber 41 ist mit einem zweiten Stellglied 45 verbunden. Das erste Stellglied 43 dient der Betätigung eines ersten Ventils V1. Das zweite Stellglied 45 dient der Betätigung eines zweiten Ventils V2. Die Ventile V1,V2 können jeweils z.B. ein Zufuhrventil 15,17,19 oder ein Entnahmeventil 25,27 für Dampf sein.
Dem ersten Regler 33 wird eine erste Regelgröße R1 zugeleitet. Dem zweiten Regler 35 wird eine zweite Regelgröße R2 zugeleitet. Der erste Regler 33 gibt ein erstes Regelsignal YE an die Regelstruktur 37. Der zweite Regler 35 gibt ein zweites Regelsignal YS an die Regelstruktur 37. Aus der Regelstruktur 37 wird gemäß der aktuell vorliegenden Betriebsaufgabe ein erstes Stellsignal S1 an den ersten Kennliniengeber 39 und ein zweites Stellsignal S2 an den zweiten Kennliniengeber 41 ausgegeben. Die Kennliniengeber 39, 41 ,steuern ihre jeweils zugeordneten Stellglieder 43, 45 so an, daß die Ventile V1, V2 gemäß der Regelaufgabe eingestellt werden.
Die Figuren 3 bis 5 zeigen Auführungen von Regelstrukturen 37 gemäß dem Stand der Technik. In Figur 3 wird gemäß einer ersten Betriebsaufgabe BA ein erstes Regelsignal YE mit einem zweiten Regelsignal YS unter Verwendung empirisch gewonnener Parameter K1, K2, K3, K4, Y1, Y2, Y3, Y4, KHP, KLP2, KLP1 so verknüpft, daß Stellsignale S1, S2, S3 zur geeigneten Ansteuerung der Ventile V1, V2, V3 ausgegeben werden. Die Figuren 4 und 5 zeigen Verknüpfungen der Regelsignale YE, YS gemäß jeweils einer anderen Betriebsaufgabe BB, BC. Die komplexen Verknüpfungen unter Verwendung einer Vielzahl von Parametern sind aufwendig zu bestimmen. Es ist praktisch unmöglich, eine Entkopplung der Regelsignale YE, YS über den gesamten Betriebsbereich zu erreichen. Zudem kann nicht sichergestellt werden, daß bei einem Wechsel von einer ersten der Betriebsaufgaben BA, BB, BC zu einer zweiten der Betriebsaufgaben BA, BB, BC keine schlagartige Änderung in der Ansteuerung der Stellglieder erfolgt. Dies liegt daran, daß jede Regelstruktur 37 unabhängig Stellsignale S1, S2, S3 produziert, so daß bei einem Wechsel zwischen den Regelstrukturen 37, also bei einem Wechsel der Betriebsaufgabe BA, BB, BC im allgemeinen unterschiedliche Stellsignale S1, S2, S3 vorliegen, so daß es zu einem stoßartigen Wechsel in der Ansteuerung der Stellglieder für die Ventile V1, V2, V3 kommt. Dies kann hohe mechanische Belastungen und auf Dauer Schäden zur Folge haben.
Die Figur 6 zeigt eine Regelstruktur 37, die für alle Betriebsaufgaben, wie z.B. gemäß der Figuren 3 bis 5, verwendbar ist. Die Regelstruktur 37 umfaßt einen Parametersatz 50. Der Parametersatz 50 ist in Untergruppen 51, 53, 55 unterteilt. Zum Beispiel ist die Untergruppe 51 eine Zufuhrventil-Untergruppe und die Untergruppe 53 eine Entnahmeventil-Untergruppe. Jede Untergruppe 51, 53, 55 umfaßt einen ersten Parameter AV1, AV2, AV3 und einen zweiten Parameter BV1, BV2, BV3. Weiterhin umfaßt jede Untergruppe 51, 53, 55 jeweils einen Offset-Parameter CV1, CV2, CV3. Das erste Regelsignal YE wird mit Hilfe der zweiten Parameter BV1, BV2, BV3 umgerechnet. Das zweite Regelsignal YS wird mit Hilfe der ersten Parameter AV1, AV2, AV3 umgerechnet. Diese Umrechnungen erfolgen in jeder der Untergruppen 51, 53, 55. Die Ergebnisse jeder der Umrechnungen werden miteinander innerhalb der Untergruppe 51, 53, 55 unter Hinzunahme der jeweiligen Offsetparameter CV1, CV2, CV3 miteinander verknüpft. Mit jeder der Untergruppen 51, 53, 55 wird ein Stellsignal S1, S2, S3 aus dieser Verknüpfung ermittelt. Der Parametersatz 50 ist der aktuellen Betriebsaufgabe angepaßt und so bestimmt, daß sich einerseits eine Entkopplung der Regelgrößen R1, R2 ergibt und andererseits die Betriebsbereiche für die Betriebsaufgabe festgelegt sind.
Figur 7 zeigt schematisch einen Wechsel von einer ersten Betriebsaufgabe BA zu einer zweiten Betriebsaufgabe BB. Bei der ersten Betriebsaufgabe BA erfolgt in der geschilderten Weise über das Reglerpaar 36A aus den Regelgrößen R1A und R2A eine Erzeugung der Regelsignale YEA und YSA, die mittels der Regelstruktur 37A in Stellsignale S1A, S2A für Ventile V1, V2, umgerechnet werden. Bei einem Wechsel zur Betriebsaufgabe BB wird die gleiche Regelstruktur 37 mit einem neuen Parametersatz 50 verwendet. Dies ist in Figur 7 als Regelstruktur 37B gekennzeichnet. In der Betriebsaufgabe BB werden dem Reglerpaar 36B die Regelgrößen R1B und R2B zugeführt. An die Regelstruktur 37B werden vom Reglerpaar 36B die Regelsignale YEB und YSB übermittelt. Aus der Regelstruktur 37B werden daraus die Stellsignale S1B und S2B abgeleitet.
Ein stoßfreies Umschalten zwischen den Betriebsaufgaben BA, BB wird dadurch erreicht, daß die Stellsignale S1A, S2A aus der Betriebsaufgabe BA mittels einer Invers-Regelstruktur 37BI in Startsignale YES und YSS umgerechnet werden. Die Startsignale YES und YSS werden dem Reglerpaar 36B der neuen Betriebsaufgabe BB als Startwerte zugeführt, so daß in der Betriebsaufgabe BB eine Ansteuerung mit Stellsignalen S1B und S2B beginnt, die den letzten Werten der Stellsignale S1A und S2A aus der Betriebsaufgabe BA entsprechen. Somit erfolgt keine schlagartig unterschiedliche Ansteuerung der Stellglieder. Die Inversregelstruktur 37BI entspricht einer Umkehrung der Regelstruktur 37 mit dem Parametersatz 50 der zweiten Betriebsaufgabe BB. Mit der Verwendung der für alle Betriebsaufgaben BA, BB, BC gleichen Regelstruktur 37 ist somit in einfacher Weise sichergestellt, daß ein stoßfreies Umschalten zwischen den Betriebsaufgaben BA, BB, BC erfolgt.
Ein weiterer großer Vorteil der Verwendung der einzigen Regelstruktur 37 ist, daß die Regelgrößen R1, R2 über nahezu den gesamten Betriebsbereich voneinander entkoppelt werden. Figur 8 zeigt die Kopplung einer der Regelgrößen R1, hier eine Entnahmedampfmenge 22, 24, mit einer zweiten Regelgröße R2, hier eine Leistung L, gemäß dem Stand der Technik. Die Linien sind aus Punkten gleicher Entnahmedampfmenge 22, 24 gebildet. Die an den Linien stehenden Zahlenwerte geben die Entnahmedampfmenge 22, 24 in Kg/s an. Die Achsen zeigen die den Regelgrößen R1, R2 zugeordneten Regelsignale YE und YS. Man erkennt, daß in großen Intervallen des Betriebsbereiches eine starke Abhängigkeit der Entnahmedampfmenge 22, 24 auch vom Regelsignal YS besteht. Insbesondere in einem Bereich zwischen Null und 25% der Werte für YS besteht eine solche starke Kopplung.
Demgegenüber zeigt Figur 9 ein solches Kopplungsdiagramm unter Verwendung der Regelstruktur 37. Über nahezu den gesamten Betriebsbereich ist die Entnahmedampfmenge R1, 22, 24 vom der Regelgröße ,Leistung L' zugeordneten Regelsignal YS entkoppelt.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Regelung einer Dampfturbine (1), bei dem eine Dampfzufuhr (9,11,13) über ein Zufuhrventil (15,17,19) und eine Dampfentnahme (21,23) über ein Entnahmeventil (25,27) geregelt werden,
    wobei ein erster Regler (36A) oder ein zweiter Regler (36B) abhängig von diesem jeweils zugeführten Regelgrößen (R1A, R2A; R1B, R2B) ein erstes Regelsignal (YEA;YEB) und ein zweites Regelsignal (YSA; YSB) an eine Regelstruktur (37A; 37B) ausgeben,
    wobei bei einem aufgabenspezifischen Wechsel zwischen den Reglern (36A,36B) unter Verwendung einer stets gleichen Regelstruktur (37) mit einem in Untergruppen (51,53) mit jeweils einem ersten Parameter (AV1,AV2) und einem zweiten Parameter (BV1, BV2) unterteilten Parametersatz (50) innerhalb jeder Untergruppe (51,53) das Ergebnis einer Umrechnung des ersten Regelsignals (YE) mit dem zweiten Parameter (BV1,BV2) und das Ergebnis einer Umrechnung des zweiten Reglersignals (YS) mit dem ersten Parametern (AV1,AV2) miteinander verknüpft werden, und
    wobei mit einer ersten Untergruppe (51) ein dem Zufuhrventil (15,17,19) zugeleitetes erstes Stellsignal (S1) und mit einer zweiten Untergruppe (53) ein dem Entnahmeventil (25,27) zugeleitetes zweites Stellsignal (S2) ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei einem Wechsel vom ersten Regler (36A) auf den zweiten Regler (36B) Startgrößen (YES,YSS) für dessen Ausgang mittels einer Invers-Regelstruktur (37BI) bestimmt werden, die invers zu der Regelstruktur (37) mit der Parametergruppe (50) für den zweiten Regler (36B) ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Stellsignal (S1) und das zweite Stellsignal (S2) mittels eines einer jeden Untergruppe (51,53) zusätzlich zugeordneten Offset-Parameters (CV1, CV2) bestimmt werden.
  4. Regeleinrichtung (30) für eine Dampfturbine (1) mit zwei Reglern (36A,36B), die abhängig von diesen jeweils zugeführten Regelgrößen (R1A,R2A;R1B,R2B) ein erstes Regelsignal (YEA;YEB) und ein zweites Regelsignal (YSA;YSB) an eine den beiden Reglern (36A,36B) gleiche Regelstruktur (37) ausgeben,
    wobei die Regelstruktur (37) mit einem in Untergruppen (51,53) mit jeweils einem ersten Parameter (AV1,AV2) und einem zweiten Parameter (BV1,BV2) unterteilten Parametersatz (50) innerhalb jeder Untergruppe (51,53) das Ergebnis einer Umrechnung des ersten Regelsignals (YE) mit dem zweiten Parameter (BV1,BV2) und das Ergebnis einer Umrechnung des zweiten Reglersignals (YS) mit dem ersten Parametern (AV1,AV2) miteinander verknüpft, und
    wobei eine erste Untergruppe (51) ein erstes Stellsignal (S1) für das Zufuhrventil (15,17,19) und eine zweite Untergruppe (53) ein zweites Stellsignal (S2) für das Entnahmeventil (25,27) erzeugt.
  5. Regeleinrichtung (30) nach Anspruch 4, wobei eine der Regelgrößen (R1,R2) eine Entnahmedampfmenge (22,24), ein Druck (P) im Dampf für die Dampfturbine (1), eine Leistung (L) der Dampfturbine (1) oder eine Drehzahl (D) der Dampfturbine (1) ist.
  6. Regeleinrichtung (30) nach Anspruch 4 oder 5, wobei jeder Parametersatz (50) eine Zufuhrventil-Untergruppe (51) und eine Entnahmeventil-Untergruppe (53) umfasst.
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