EP1982051A1 - Verfahren und vorrichtung zum vorausschauenden bestimmen einer temperaturverteilung in einer wand einer turbinenanlage - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum vorausschauenden bestimmen einer temperaturverteilung in einer wand einer turbinenanlage

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Publication number
EP1982051A1
EP1982051A1 EP06841487A EP06841487A EP1982051A1 EP 1982051 A1 EP1982051 A1 EP 1982051A1 EP 06841487 A EP06841487 A EP 06841487A EP 06841487 A EP06841487 A EP 06841487A EP 1982051 A1 EP1982051 A1 EP 1982051A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wall
determined
temperature
turbine
individual layers
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06841487A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Eckart Brackenhammer
Kilian Link
Oldrich Zaviska
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP1982051A1 publication Critical patent/EP1982051A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F01D19/00—Starting of machines or engines; Regulating, controlling, or safety means in connection therewith
    • F01D19/02—Starting of machines or engines; Regulating, controlling, or safety means in connection therewith dependent on temperature of component parts, e.g. of turbine-casing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/40—Type of control system
    • F05D2270/44—Type of control system active, predictive, or anticipative

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for predictively determining a temperature distribution in a wall of a turbine plant.
  • Such a turbine system has u. a. one or more gas and / or steam turbines with a working medium, d. H. Gas or steam, operated.
  • the turbines may be coupled to a generator for power generation.
  • the guided by the working fluid heat enters walls of components of the turbine system, which come directly or indirectly into contact with the working fluid.
  • Such component walls may be, for example, turbine housings and shafts, pipelines and valve housings, etc.
  • Temperature changes of the working medium are connected. These temperature changes of the working medium are transferred into the component walls due to the heat flow. In the component walls, the temperature changes sometimes cause high transient thermal stresses that cause damage, or at least excessive force
  • the object of the present invention is to make it possible to limit the loading of components of a turbine installation by temperature changes occurring in transient operating modes of the turbine installation. This object is achieved by the technical teaching of claim 1 or claim 10.
  • a predictive determination of a temperature distribution takes place in a wall of a turbine installation.
  • the wall is divided into several layers, wherein for the respective layer, a same temperature is assumed.
  • a continuous determination of actual temperatures of the individual layers of the wall is carried out as a function of a currently determined temperature of a heat-conducting medium adjoining the first wall layer.
  • the predictive determination of the temperatures of the individual layers is carried out cyclically over a predetermined time range. At the beginning of each cycle, the continuously determined current temperatures of the individual layers are taken into account.
  • the determinations of the temperatures are advantageously made on the basis of a mathematical model of the wall. Furthermore, the temperature determinations are made on the basis of mathematical models of the heating and cooling processes. For a single wall, the same temperature is assumed. In particular, this temperature represents an average temperature of the respective layer. The actual temperature of the warming medium adjoining the first wall layer can in particular be measured. As a result, a particularly accurate initial value of this temperature can advantageously be obtained.
  • a prognosis for a future development of the temperatures in the various layers of the wall of the turbine installation is determined.
  • a predictive estimate of changes in the temperature distributions in the wall is made possible.
  • it is advantageously known at each operating point of the turbine system whether an intended mode of operation of the turbine system becomes one Violation of predetermined temperature allowance limits of the turbine system or one of its components can lead. These allowable limits allow the temperature to be varied below the limits without fear of excessive stress on the wall due to stresses which could possibly lead to a deterioration of the service life of the wall.
  • the anticipated temperatures may further allow for estimation of technical and / or economic consequences of non-compliance with the temperature cut-off limits.
  • the predictive determination of the temperature distribution can be carried out for any geometry of the wall.
  • the invention advantageously ensures a particularly good stability of the determination of the temperature distribution. This is achieved in particular by dividing the wall into the several layers.
  • the cyclical determination of the temperature distribution prevents accumulation of a possible integration error, which can occur over a long time interval in the determination.
  • the use according to the invention of the two-module structure with real-time and advance-scan module ensures that the actual temperature distribution in the wall is used as start-up values each time the predictive determination is restarted by means of the look-ahead module. This actual temperature distribution in the wall is continuously determined in the real-time module so that the look-ahead module can access the actual temperature distribution at the beginning of a new cycle.
  • heat flows entering the individual layers of the wall and heat flows emerging from the individual layers are determined.
  • the predictive determination of the temperature distribution is then carried out by means of these heat flows.
  • the determination of the temperatures of the individual layers is thus based on a balancing of the instationary incoming and outgoing heat flows. From this accounting result the respective temperatures of the individual layers of the wall. As a result, the determination of the temperature distribution can be carried out particularly accurately.
  • a mass flow of the heat-conducting medium is determined in the pre-expansion module, which is required to achieve a predetermined criterion.
  • the predetermined criterion can in particular be specified by a higher-level control device. By the given criterion, the behavior of the turbine system can be controlled.
  • the predetermined criterion comprises a specification of a time within which a speed of a turbine of the turbine system is to be changed from a current speed to a predetermined, different speed.
  • the predetermined criterion may alternatively or additionally include a specification of a rate of change for varying the speed of the turbine.
  • Turbine system can be controlled from a Anwarmwindiere to a rated speed. During this start-up process, particularly high temperature changes of the working medium occur, so that the wall is subjected to particularly high loads.
  • the predetermined criterion includes a specification of a time within which the turbine of the turbine system is to be loaded.
  • the predetermined criterion may alternatively or additionally be a specification of a rate of change for changing the power of the
  • the latter corresponds to the specification of a load gradient.
  • an average integral temperature is determined by means of the anticipated determined temperatures of the individual layers.
  • the temperature distribution is determined in a housing of a high-pressure steam turbine.
  • a high-pressure steam turbine usually has particularly large wall thicknesses and is therefore particularly costly.
  • the predictive determination of the temperature distribution in this component is therefore particularly advantageous for the cost-optimized operation of the turbine plant.
  • a heating or cooling of a working medium of the turbine installation is particularly preferably carried out as a function of the predictive determination of the temperature distribution.
  • An optimal control or regulation of the instationary operating modes of the turbine system with respect to the heating and cooling of the working medium is particularly suitable for avoiding loads on the wall or at least limiting it in such a way that the exceeding of the prescribed free allowable limits is prevented.
  • the inventive device can be advantageously connected to a host computer for controlling the turbine system be. This master computer controls the transient operating modes based on the inventive predictive determination of the temperature distribution in one or more walls of the turbine system.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a turbine plant according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic representation of a lookahead computer according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a section of a turbine housing wall which is subdivided into several layers
  • Fig. 5 is a schematic block diagram for calculating a vapor mass flow at startup of a
  • FIG. 6 is a schematic block diagram for calculating the
  • FIG. 8 is a schematic block diagram of a module for calculating a heat transfer coefficient.
  • 9 is a schematic block diagram of a module for predictively calculating a temperature of a first layer of the turbine housing wall.
  • FIG. 10 is a schematic block diagram of a module for predictively calculating a temperature of a layer located between the first and a last layers of the turbine housing wall.
  • Fig. 11 is a schematic block diagram of a module for predictively calculating a temperature of the last layer of the turbine housing wall
  • Fig. 12 is a schematic block diagram of a module for predictively calculating a mean integral temperature.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a turbine plant according to the invention.
  • the turbine plant here is a steam turbine plant 1, which comprises a multi-stage steam turbine 2 and a generator 3, which is driven by the steam turbine.
  • the steam turbine 2 has a high-pressure part 2a and a low-pressure part 2b.
  • the low pressure part 2b is connected on the input side via a steam line 4 to the high pressure part 2a. He is also the output side, that is connected on the exhaust steam side, via an exhaust steam line 5 with a capacitor 6.
  • In an inlet 7 of the high-pressure part 2a opens a live steam line 8.
  • the high-pressure part 2a is provided with a withdrawal line 9 and with a tapping line 10, can be removed from the steam of different stages of the steam turbine 2 each.
  • the turbine installation 1 has various measuring points which reproduce boundary conditions or operating parameters as measured values. So can be used as operating parameters Pressure and a temperature of the steam, which serves as a working medium, and a quantity of steam at the various measuring points are measured. 1 shows a representative of the various measuring points a measuring point 11 on the exhaust steam line 5, a measuring point 12 at the extraction line 9 and a measuring point 13 at the tap line 10. Furthermore, a measuring point 14 is set up in the interior of the high-pressure part 2a of the steam turbine 2 a temperature T AM of the steam and a mass flow m AM of the steam as close as possible to a housing wall 15 of the
  • High pressure part 2a is measured.
  • the measured values determined by the measuring points 11-14 are fed via data lines 16 and a data bus 17 to a control device 18.
  • the control device 18 is used to process the measured values.
  • the control device 18 is in particular a
  • Forecast calculator implemented for predictive determination, i. H. here to calculate, one
  • FIG. 1 further shows a higher-level control computer 19, which is likewise connected to the data bus 17.
  • the master computer 19 is used to control the turbine system 1.
  • the host computer 19 controls u. a. transient operating modes of the turbine system 1, in which a heating or cooling of the working medium is required.
  • transient operating modes are, for example, startup and shutdown processes or load changes.
  • the unsteady modes are associated with large temperature changes, the high transient thermal stresses in walls, such.
  • the occurrence of harmful thermal stresses can be limited by optimally controlling the transient modes of operation.
  • the control device 18th carried out a predictive estimation regarding changes in temperature distributions within the affected walls. This predictive estimate is then used by host computer 19 to appropriately control the transient modes of operation.
  • the temporal course of the temperature changes in the affected walls during a compensation process of the material properties, an initial temperature distribution and the time course of the heat input in the respective affected wall depends.
  • Temperature distributions 18 mathematical models of the Anürungs- and Abkuhlungsvone and the affected walls are used in the look-ahead computer of the controller.
  • the look-ahead computer of the control device 18 contains two modules with which the predictive calculation of the temperature distributions of the walls is carried out.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a look-ahead computer 20 having a look-ahead module 21 and a real-time module 22.
  • the functions of the two modules 21 and 22 are advantageously implemented in the controller 18 by means of software.
  • the two modules 21, 22 each include a model 23 of the wall for which the temperature distribution is to be predicted.
  • the model 23 is the same here in both modules 21, 22.
  • the wall is divided into several layers.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a portion of the turbine housing wall 15 in the form of a hollow cylinder.
  • the section is characterized by a section length L, an inner radius r, an outer radius R and an outer radius of an insulation R ISOL .
  • the housing wall 15 is divided into several layers 24i-24 n. The subdivision is carried out according to the same material weight of the individual layers 24i-24 n .
  • the look-ahead module 21 of the look-ahead computer 20 of the control device 18 shown in FIG. 2 contains a function block 25 which performs a calculation of a mass flow m of the steam serving as the working medium. Thus, that mass flow m is calculated, which is necessary to achieve a predetermined by the master computer 19 criterion for the operation of the turbine system 1.
  • Such a criterion may be, for example, a specific time within which the turbine system 1 is to be moved from one current power to another power.
  • the calculation of this necessary steam mass flow m is carried out for a given forecast time range for which the temperature distribution in the housing wall 15 is to be determined in a forward-looking manner.
  • the predefined look-ahead time range can be, for example, the time range up to which the desired power of the turbine system is reached.
  • the necessary steam mass flow m calculated by the function block 25 is transmitted to the layer model 23 in the look-ahead module 21.
  • a continuously determining is of current temperatures of the individual layers 24i-24 of the housing wall 15 n as a function of the currently determined temperature T AM and a currently determined mass flow M at the adjacent to the first wall layer 24i carried heat-conducting steam.
  • the measured values of the current temperature T ffl and the current mass flow m AM are determined by the measuring point 14. These two measured values T AM and m AM therefore serve as input values for the layer model 23 of FIG.
  • the look-ahead predictive determining the temperatures of the individual layers 24i-24 is n, the temperature distribution that is in the housing wall 15, performed over the predetermined look-ahead time domain.
  • the function block 25 As input values to the function block 25 to a current pressure P ABD of Abdampfs, ie the exiting the turbine 2 steam, a current speed n DT of the steam turbine 2 and the current temperature T AM of Steam supplied.
  • the function block 25 is an indication GA supplied to the desired operation of the turbine system 1.
  • the specification GA specifies, for example, whether the predetermined criterion should be reached quickly or slowly.
  • Controller 18 obtains various further indications PA about parameters that are required for calculating the anticipatory temperature distribution. Such information is z. As material data, surface information and alpha numbers, ie heat transfer coefficients, etc. About a signal AK of the prediction computer 20 is activated.
  • the look ahead module 21 cyclically calculates the predictive temperature distribution in the housing wall 15. In this case, the beginning of each cycle of the continuously determined from the real-time module 22 current temperatures of the individual layers 24i-n 24 are taken into account. For this purpose, the start-ahead module 21 and the real-time module 22 are supplied with a start signal ST, with which the current temperature distribution in the housing wall 15 determined by the real-time module 22 from the layer model 23 of the real-time module 22 to the
  • Layer model 23 of the Vorschaumoduls 21 is transferred.
  • the layer model 23 of the look ahead module 21 determines the predictive temperature distribution with the predicted temperatures of the individual layers 24i-24 n and outputs the same to its output from the look-ahead computer 20th
  • the control device 18 then transmits the calculated prospective temperature distribution to the master computer 19.
  • FIG. 4 shows two successive process sections controlled by the host computer 19 during operation of the turbine installation 1.
  • a first process section 26 comprises a startup of the turbine installation 1 from an application speed to a nominal speed and a subsequent synchronization with a power grid connected to the generator 3 is.
  • a second process section 27 comprises loading the turbine installation 1 to desired power.
  • the two process sections 26, 27 provide predetermined Forecasting time ranges over which the control device 18 determines predictive temperature distributions.
  • the predictive temperature distributions are to be determined here in the housing wall 15 of the high-pressure part 2 a of the steam turbine 2.
  • the turbine 2 is initially heated to the heating speed. This is illustrated in FIG. 4 by a function block 28.
  • the host computer 19 controls the startup to the rated speed of the turbine 2. This is indicated by a function block 29.
  • the real-time module 22 of the control device 18 determines continuously during the ramp-up to the rated speed, the current temperature distribution in the
  • the Vorschaumodul 21 is transmitted from the master computer 19, a predetermined criterion, based on which the Vorschaumodul 21 determines a required for booting to the rated speed of steam or a required steam mass flow.
  • the predetermined criterion is a speed change rate dn / dt which the turbine 2 is to maintain at startup. It can also be alternatively or additionally a run-up time t H ocH be given as a predetermined criterion, during which the start up to the rated speed is to take place.
  • the specification of the predetermined criterion is shown in FIG. 4 by a function block 31.
  • the Vorschaumodul 21 cyclically takes over the current temperature distribution in the housing wall 15 during startup to the rated speed of the real-time module 22 and calculated with this current temperature distribution as the starting value, the predictive temperature distribution. These is supplied to the host computer 19, which checks whether predetermined allowable temperature differences are maintained or exceeded in the calculated predictive temperature distribution. This is illustrated in FIG. 4 by a function block 32. If it is determined that permissible temperature differences are not adhered to, the master computer 19 suitably controls the startup process so that the permissible temperature differences can be maintained. If it is determined that the permissible temperature differences are complied with, then the
  • Control computer 19 the operation of the turbine system in the second process section 27th
  • the turbine 2 first heats up at the power level after
  • a function block 33 Based on the warm-up at the power level after the synchronization, the host computer 19 controls the loading of the turbine 2 to the power setpoint. This is indicated by a function block 34.
  • the real-time module 22 of the control device 18 determines continuously during loading the current temperature distribution in the layers 24i-24 15 n of the housing wall as a function of current and continuously measured temperature T M1 of the steam and the steam mass flow 171 micro This is shown in Fig. 4 made clear by a function block 35.
  • the Vorschaumodul 21 is transmitted from the master computer 19, another predetermined criterion, on the basis of which the Vorschaumodul 21 a required for the burden
  • the predetermined criterion is a power change speed, or a power gradient, dP / dt or a load time t B EL, during which the turbine 2 is to be loaded.
  • the specification of the predetermined criterion is shown in FIG. 4 by a function block 36.
  • the look-ahead module 21 takes over cyclically during the loading of the Real-time module 22, the current temperature distribution in the housing wall 15 and thus calculates the predictive temperature distribution. This is fed to the master computer 19, which checks whether predetermined permissible temperature differences are maintained or exceeded in the calculated predictive temperature distribution. This is illustrated in FIG. 4 by a function block 37.
  • the master computer 19 suitably controls the loading process, so that the permissible temperature differences can be maintained. If it is determined that the permissible temperature differences are adhered to, the master computer 19 ends the starting process. This is shown with a function block 38.
  • FIG. 5 shows a schematic block diagram for calculating the mass steam flow m AM required for starting up the turbine 2 at the rated speed during the first process section 26. This calculation is performed in the function block 25 of FIG. 5
  • Advance module 21 is performed.
  • the functional block 25 receives as input values the criterion of the speed change speed dn / dt, the shaft inertia and the current turbine speed, the current steam temperature T AM prevailing at the moment of the calculation, and the steam pressure P ABD - the required steam mass flow m AM is calculated by means of the function block 25 for each cyclic time step of the look-ahead time range, ie here for the ramp-up to the rated speed.
  • a heat flow can then be determined which is fed to the control volume of interest, the housing wall 15, during startup.
  • FIG. 6 shows a schematic block diagram for calculating the mass steam flow m AM required during loading of the turbine 2 during the second process section 27. This calculation is performed in the function block 25 of the look-ahead module 21.
  • the functional block 25 receives as input values the criterion of the power change speed dP / dt, the starting power PO at nominal speed, the current steam temperature T AM prevailing at the moment of the calculation, and the exhaust steam pressure P ABD - the required steam mass flow m m is calculated by means of the function block 25 for each cyclic time step of the prediction time range, ie here for the load pickup.
  • the determined steam mass flow m AM and the current steam temperature T AM a heat flow can then be determined that corresponds to the one of interest
  • Control volume the housing wall 15, is supplied during loading.
  • a heat flow calculated in the real-time module 22, which is supplied to the control volume, the housing wall 15, is determined directly from the measured steam temperature T AM and the steam throughput m AM.
  • Fig. 7 shows a schematic block diagram of the layer model 23 for predictive calculating each temperature Ti-T n of the layers 24i-24 n of the housing wall 15.
  • the layer model 23 includes a module 39 for calculating a heat transfer coefficient alpha and a saturation temperature.
  • the heat transfer coefficient alpha is relevant for the transfer of heat from the
  • the module 39 is supplied as input variables of the steam mass flow m AM (FIGS. 5, 6) previously determined for the relevant preview time range, the current steam pressure P AM and the current steam temperature T AM . Furthermore, the temperature Ti of the first layer 24i, which is determined in advance by the module 401, is fed back to the input of the module 39. From these input variables, the module 39 determines the heat transfer coefficient alpha for the transfer of heat from the working medium into the first layer 24i of the housing wall 15. In the case of steam condensation, a constant heat transfer coefficient is assumed. The saturation temperature corresponding to the pressure is determined from the saturation function. In the presence of superheated steam, the heat transfer coefficient is calculated as a function of the steam flow rate. The exact structure of the module 39 is shown with reference to a block diagram of the module 39 shown schematically in FIG.
  • the heat transfer coefficient alpha determined by the module 39 is transmitted to the module 40i as an input variable.
  • Alpha represents a foresight determined heat flow ⁇ r i AM the passage of the working medium in the first layer 24 X.
  • the module 4Oi furthermore receives the current steam temperature T AM , the temperature T 2 of the second layer 24 2 determined by the module 40 2, and the temperatures T ANF of the layers of the housing wall 15 currently calculated by the real-time module 22 as input variables.
  • the module 40i outputs, as output variables, the anticipated temperature Ti and a forwardly determined heat flow ⁇ i_ 2 , which transitions from the first layer 24i into the second layer 24 2 .
  • 4Oi is shown with reference to a block diagram of the module 4Oi shown schematically in FIG. 9.
  • the quantities Ti and ⁇ 1 - 2 output by the module 4Oi are supplied to the module 4Ü2 as input variables.
  • the module 4Ü2 receives the temperature T3 of the third layer 24 3 , which was determined in advance by the module 4O3, and which is currently calculated by the real-time module 22
  • the module 4Ü2 outputs as output variables the anticipated determined temperature T 2 and a predictive determined heat flow ⁇ 2-3, which is transferred from the second layer 242 in the third layer 24 3rd
  • the exact structure of the module 4Ü2 is shown with reference to a block diagram shown schematically in FIG.
  • the block diagram shown in Fig. 10 is the structure between the first module and the last module 4Oi 4O n lying modules 402-40 n _i again k thereby provides a variable for the respective module 402-40 _i n represents 2 wherein ⁇ k ⁇ (nl).
  • the layer temperature T x -T n determined in advance by the respectively following module 40 i-40 n is fed back to the respectively preceding module 39, 40 i-40 n -i as an input variable. Furthermore, the modules 40i-40 n -i are each supplied with the temperatures T ANF of the layers of the housing wall 15 currently calculated by the real-time module 22 as input variables.
  • the module 40 n -i output sizes T n _i and are supplied to the module 4O n as input variables.
  • the module 4O n receives the temperatures T ANF currently calculated by the real-time module 22 and a currently measured ambient temperature T UM , which prevails outside the housing wall 15.
  • the module 4O n outputs as output the predictive determined temperature T n .
  • the exact structure of the module 4O n is shown with reference to a block diagram shown schematically in FIG. 11.
  • calculating the average temperatures T x -T n of the individual layers is based 24i-24 n on the recognition of the incoming and outgoing heat flows ⁇ .
  • the temperatures Ti-T n determined in a forward-looking manner by the modules 40 i-40 n are supplied to the module 41 as input variables.
  • the module 41 receives an indication of weights Gi-G n of the individual layers 24i-24 n.
  • the module 41 determines the average integral temperature T with int.
  • the individual temperatures Ti-T n are weighted with the weights Gi-G n of the individual layers.
  • the exact structure of the module 41 is shown with reference to a block diagram shown schematically in FIG. 12.

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Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum vorausschauenden Bestimmen einer Temperaturverteilung in einer Wand (15) einer Turbinenanlage (1) vorgeschlagen. Dabei wird die Wand (15) in mehrere Schichten (24) eingeteilt, wobei für die jeweilige Schicht (24) eine gleiche Temperatur (T<SUB>i</SUB>-T<SUB>n</SUB>) angenommen wird. In einem Echtzeitmodul (22) wird ein kontinuierliches Bestimmen von aktuellen Temperaturen (T<SUB>ANF</SUB>) der einzelnen Schichten (24) der Wand (15) in Abhängigkeit von einer aktuell bestimmten Temperatur (T<SUB>AM</SUB>) eines an die erste Wandschicht (24<SUB>i</SUB>) angrenzenden, wärmeführenden Mediums durchgeführt. Ferner wird in einem Vorausschaumodul (21) das vorausschauende Bestimmen der Temperaturen (T<SUB>i</SUB>-T<SUB>n</SUB>) der einzelnen Schichten (24) zyklisch über einen vorgegebenen Zeitbereich durchgeführt, wobei zu Beginn eines jeden Zyklus' die kontinuierlich bestimmten aktuellen Temperaturen (T<SUB>ANF</SUB>) der einzelnen Schichten (24) berücksichtigt werden.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum vorausschauenden Bestimmen einer Temperaturverteilung in einer Wand einer Turbinenanlage
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum vorausschauenden Bestimmen einer Temperaturverteilung in einer Wand einer Turbinenanlage.
Eine solche Turbinenanlage weist u. a. ein oder mehrere Gas- und/oder Dampfturbinen auf, die mit einem Arbeitsmedium, d. h. Gas oder Dampf, betrieben werden. Die Turbinen können zur Stromerzeugung mit einem Generator gekoppelt sein. Die von dem Arbeitsmedium geführte Wärme tritt in Wände von Komponenten der Turbinenanlage ein, die mit dem Arbeitsmedium mittel- oder unmittelbar in Kontakt kommen. Solche Komponentenwände können beispielsweise Turbinengehäuse und - wellen, Rohrleitungen und Ventilgehäuse, etc. sein. Beim Betrieb der Turbinenanlage treten, beispielsweise bei An- und Abfahrvorgängen oder beim Lastwechselbetrieb, etc., instationäre Fahrweisen auf, die mit großen
Temperaturänderungen des Arbeitsmediums verbunden sind. Diese Temperaturänderungen des Arbeitsmediums werden aufgrund des Wärmestroms in die Komponentenwände übertragen. In den Komponentenwänden verursachen die Temperaturänderungen mitunter hohe instationäre Wärmespannungen, die zu Beschädigungen, zumindest aber zu starken
Alterungserscheinungen des Materials der Komponentenwände führen können. Dadurch ist ein hoher Wartungsaufwand erforderlich und einzelne Komponenten der Turbinenanlage müssen frühzeitig gegen neue Komponenten ausgetauscht werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Begrenzen einer Belastung von Komponenten einer Turbinenanlage durch bei instationären Fahrweisen der Turbinenanlage auftretende Temperaturänderungen zu ermöglichen . Diese Aufgabe wird durch die technische Lehre des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 10 gelost. Erfindungsgemaß erfolgt ein vorausschauendes Bestimmen einer Temperaturverteilung in einer Wand einer Turbinenanlage. Dabei wird die Wand in mehrere Schichten eingeteilt, wobei für die jeweilige Schicht eine gleiche Temperatur angenommen wird. In einem Echtzeitmodul wird ein kontinuierliches Bestimmen von aktuellen Temperaturen der einzelnen Schichten der Wand in Abhängigkeit von einer aktuell bestimmten Temperatur eines an die erste Wandschicht angrenzenden, warmefuhrenden Mediums durchgeführt. Ferner wird in einem Vorausschaumodul das vorausschauende Bestimmen der Temperaturen der einzelnen Schichten zyklisch über einen vorgegebenen Zeitbereich durchgeführt. Dabei werden zu Beginn eines jeden Zyklus' die kontinuierlich bestimmten aktuellen Temperaturen der einzelnen Schichten berücksichtigt.
Die Bestimmungen der Temperaturen werden vorteilhafterweise auf der Basis eines mathematischen Modells der Wand durchgeführt. Ferner werden die Bestimmungen der Temperaturen auf der Basis von mathematischen Modellen der Anwarmungs- und Abkuhlungsprozesse durchgeführt. Für eine einzelne Wand wird die gleiche Temperatur angenommen. Diese Temperatur stellt insbesondere eine mittlere Temperatur der jeweiligen Schicht dar. Die aktuelle Temperatur des an die erste Wandschicht angrenzenden, warmefuhrenden Mediums kann insbesondere gemessen werden. Dadurch kann vorteilhafterweise ein besonders genauer Ausgangswert dieser Temperatur erhalten werden .
Aufgrund der vorliegenden Erfindung wird eine Prognose für eine zukunftige Entwicklung der Temperaturen in den verschiedenen Schichten der Wand der Turbinenanlage ermittelt. Es wird eine vorausschauende Abschätzung bezuglich der Änderungen der Temperaturverteilungen in der Wand ermöglicht. Dadurch ist in jedem Betriebspunkt der Turbinenanlage vorteilhafterweise bekannt, ob eine beabsichtigte Betriebsweise der Turbinenanlage zu einer Verletzung von vorgegebenen Temperatur-Freibetragsgrenzen der Turbinenanlage oder einer ihrer Komponenten führen kann. Diese Freibetragsgrenzen erlauben ein Verändern der Temperatur unterhalb der Grenzen, ohne eine zu große Belastung der Wand durch auftretende Spannungen befürchten zu müssen, die gegebenenfalls zu einer Beeinträchtigung der Lebensdauer der Wand führen könnten. Die vorausschauend ermittelten Temperaturen können ferner eine Abschätzung von technischen und/oder wirtschaftlichen Folgen einer Nichteinhaltung der Temperatur-Freibetragsgrenzen ermöglichen. Die vorausschauende Bestimmung der Temperaturverteilung kann für beliebige Geometrien der Wand durchgeführt werden. Die Erfindung gewährleistet vorteilhafterweise eine besonders gute Stabilität der Bestimmung der Temperaturverteilung. Dies wird insbesondere durch die Aufteilung der Wand in die mehreren Schichten erreicht. Insbesondere das zyklische Bestimmen der Temperaturverteilung verhindert ein Kumulieren eines eventuellen Integrationsfehlers, der über einen langen Zeitabstand beim Bestimmen auftreten kann. Die erfindungsgemäße Verwendung der Zweimodulstruktur mit Echtzeit- und Vorausschaumodul gewährleistet, dass bei jedem erneuten Starten des vorausschauenden Bestimmens mittels des Vorausschaumoduls die tatsächliche Temperaturverteilung in der Wand als Startwerte eingesetzt werden. Diese tatsächliche Temperaturverteilung in der Wand wird in dem Echtzeitmodul kontinuierlich bestimmt, so dass das Vorausschaumodul bei Beginn eines neuen Zyklus' auf die tatsächliche Temperaturverteilung zugreifen kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden in die einzelnen Schichten der Wand eintretende Wärmeströme und aus den einzelnen Schichten austretende Wärmeströme bestimmt. Das vorausschauende Bestimmen der Temperaturverteilung wird dann mittels dieser Wärmeströme durchgeführt. Das Bestimmen der Temperaturen der einzelnen Schichten basiert somit auf einer Bilanzierung der instationär jeweils ein- und austretenden Wärmeströme. Aus dieser Bilanzierung ergeben sich die jeweiligen Temperaturen der einzelnen Schichten der Wand. Dadurch kann das Bestimmen der Temperaturverteilung besonders genau durchgeführt werden.
In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird in dem Vorausschaumodul ein Massestrom des warmefuhrenden Mediums bestimmt, der zum Erreichen eines vorgegebenen Kriteriums erforderlich ist. Das vorgegebene Kriterium kann insbesondere von einer übergeordneten Steuereinrichtung vorgegeben werden. Durch das vorgegebene Kriterium kann das Verhalten der Turbinenanlage gesteuert werden.
Bevorzugt umfasst das vorgegebene Kriterium eine Vorgabe einer Zeit, innerhalb der eine Drehzahl einer Turbine der Turbinenanlage von einer aktuellen Drehzahl auf eine vorgegebene, andere Drehzahl verändert werden soll. Das vorgegebene Kriterium kann alternativ oder zusatzlich eine Vorgabe einer Anderungsgeschwindigkeit zum Verandern der Drehzahl der Turbine enthalten. Durch diese Kriterien kann vorteilhafterweise ein Hochfahrvorgang zum Hochfahren der
Turbinenanlage von einer Anwarmdrehzahl auf eine Nenndrehzahl gesteuert werden. Wahrend dieses Hochfahrvorgangs treten besonders hohe Temperaturanderungen des Arbeitsmediums auf, so dass die Wand besonders hoch beansprucht wird.
Besonders bevorzugt umfasst das vorgegebene Kriterium eine Vorgabe einer Zeit, innerhalb der die Turbine der Turbinenanlage belastet werden soll. Das vorgegebene Kriterium kann alternativ oder zusatzlich eine Vorgabe einer Anderungsgeschwindigkeit zum Verandern der Leistung der
Turbine enthalten. Letzteres entspricht der Vorgabe eines Lastgradienten. Durch diese Kriterien kann vorteilhafterweise ein Belastungsvorgang der Turbinenanlage gesteuert werden, bei dem die Turbinenanlage auf Sollleistung voll belastet wird. Bei diesem Vorgang treten ebenfalls besonders hohe
Temperaturanderungen des Arbeitsmediums auf, so dass die Wand besonders hoch beansprucht wird. Ferner kann dieser Vorgang über eine sehr lange Zeit anhalten, so dass aufgrund der Erfindung eine vorausschauende Bestimmung der Temperaturverteilung vorteilhafterweise über diesen langen Zeitbereich möglich ist.
Vorzugsweise wird ein Warmeubertragungskoeffizient in
Abhängigkeit von dem Massestrom des warmefuhrenden Mediums bestimmt. Mit diesem Warmeubertragungskoeffizienten kann das Warmeubertragungsverhalten von dem warmefuhrenden Medium in die erste Schicht der Wand exakt beschrieben werden.
Des Weiteren vorzugsweise wird zu einem vorausschauenden Bestimmen eines Spannungsverlaufs von in den mehreren Schichten der Wand auftretenden Spannungen eine mittlere integrale Temperatur mittels der vorausschauend bestimmten Temperaturen der einzelnen Schichten bestimmt. Mittels dieser mittleren integralen Temperatur lassen sich die in den einzelnen Schichten aufgrund der Temperaturanderungen entstehenden Spannungen besonders exakt bestimmen.
Bevorzugt wird die Temperaturverteilung in einem Gehäuse einer Hochdruck-Dampfturbine bestimmt. Eine solche Turbine weist üblicherweise besonders große Wanddicken auf und ist dementsprechend besonders kostenintensiv. Das vorausschauende Bestimmen der Temperaturverteilung in dieser Komponente ist daher für den kostenoptimierten Betrieb der Turbinenanlage besonders vorteilhaft.
Besonders bevorzugt wird ein Aufheizen oder Abkühlen eines Arbeitsmediums der Turbinenanlage in Abhängigkeit von dem vorausschauenden Bestimmen der Temperaturverteilung durchgeführt. Eine optimale Steuerung oder Regelung der instationaren Fahrweisen der Turbinenanlage bezuglich des Aufheizens und Abkuhlens des Arbeitsmediums ist besonders dazu geeignet, Belastungen der Wand zu vermeiden oder zumindest so zu begrenzen, dass das Überschreiten der vorgegebenen Freibetragsgrenzen verhindert wird. Die erfindungsgemaße Vorrichtung kann dazu vorteilhafterweise mit einem Leitrechner zum Steuern der Turbinenanlage verbunden sein. Dieser Leitrechner steuert die instationären Fahrweisen basierend auf der erfindungsgemäßen vorausschauenden Bestimmung der Temperaturverteilung in einer Wand oder mehreren Wänden der Turbinenanlage.
Nachfolgend werden die Erfindung und ihre Vorteile anhand von Beispielen und Ausführungsbeispielen und der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Turbinenanlage,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Vorausschaurechners,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines in mehrere Schichten unterteilten Abschnitts einer Turbinengehäusewand,
Fig. 4 eine schematische Darstellung zweier aufeinanderfolgender Prozessabschnitte beim Betrieb der Turbinenanlage,
Fig. 5 ein schematisches Blockschaltbild zum Berechnen eines Dampfmassestroms beim Hochfahren einer
Turbine auf ihre Nenndrehzahl,
Fig. 6 ein schematisches Blockschaltbild zum Berechnen des
Dampfmassestroms beim Belasten der Turbine,
Fig. 7 ein schematisches Blockschaltbild eines Schichtenmodells,
Fig. 8 ein schematisches Blockschaltbild eines Moduls zum Berechnen eines Wärmeübertragungskoeffizienten, Fig. 9 ein schematisches Blockschaltbild eines Moduls zum vorausschauenden Berechnen einer Temperatur einer ersten Schicht der Turbinengehäusewand,
Fig. 10 ein schematisches Blockschaltbild eines Moduls zum vorausschauenden Berechnen einer Temperatur einer zwischen der ersten und einer letzten Schicht der Turbinengehäusewand befindlichen Schicht,
Fig. 11 ein schematisches Blockschaltbild eines Moduls zum vorausschauenden Berechnen einer Temperatur der letzten Schicht der Turbinengehäusewand und
Fig. 12 ein schematisches Blockschaltbild eines Moduls zum vorausschauenden Berechnen einer mittleren integralen Temperatur.
In den Figuren sind nachfolgend gleiche oder funktionsgleiche Elemente - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Turbinenanlage. Die Turbinenanlage ist hier eine Dampfturbinenanlage 1, die eine mehrstufige Dampfturbine 2 und einen Generator 3 umfasst, der von der Dampfturbine angetrieben wird. Die Dampfturbine 2 hat einen Hochdruckteil 2a und einen Niederdruckteil 2b. Der Niederdruckteil 2b ist eingangsseitig über eine Dampfleitung 4 mit dem Hochdruckteil 2a verbunden. Er ist außerdem ausgangsseitig, d. h. auf der Abdampfseite, über eine Abdampfleitung 5 mit einem Kondensator 6 verbunden. In einen Einlass 7 des Hochdruckteils 2a mündet eine Frischdampfleitung 8. Der Hochdruckteil 2a ist mit einer Entnahmeleitung 9 und mit einer Anzapfleitung 10 versehen, über die jeweils Dampf aus verschiedenen Stufen der Dampfturbine 2 entnommen werden kann. Die Turbinenanlage 1 verfügt über verschiedene Messstellen, die Randbedingungen oder Betriebsparameter als Messwerte wiedergeben. So können als Betriebsparameter ein Druck und eine Temperatur des Dampfes, der als Arbeitsmedium dient, und eine Dampfmenge an den verschiedenen Messstellen gemessen werden. Die Fig. 1 zeigt stellvertretend für die verschiedenen Messstellen eine Messstelle 11 an der Abdampfleitung 5, eine Messstelle 12 an der Entnahmeleitung 9 und eine Messstelle 13 an der Anzapfleitung 10. Ferner ist im Innern des Hochdruckteils 2a der Dampfturbine 2 eine Messstelle 14 eingerichtet, mit der eine Temperatur TAM des Dampfes und ein Massestrom m AM des Dampfes möglichst unmittelbar benachbart zu einer Gehäusewand 15 des
Hochdruckteils 2a gemessen wird. Die von den Messstellen 11- 14 ermittelten Messwerte werden über Datenleitungen 16 und einen Datenbus 17 einer Steuereinrichtung 18 zugeführt. Die Steuereinrichtung 18 dient zum Verarbeiten der Messwerte. In der Steuereinrichtung 18 ist insbesondere ein
Vorausschaurechner implementiert, der zum vorausschauenden Bestimmen, d. h. hier zum Berechnen, einer
Temperaturverteilung in der Gehäusewand 15 des Hochdruckteils 2a dient. Die Fig. 1 zeigt des Weiteren einen übergeordneten Leitrechner 19, der ebenfalls an den Datenbus 17 angeschlossen ist. Der Leitrechner 19 dient zum Steuern der Turbinenanlage 1. Dazu verwendet er u. a. die von der Steuereinrichtung 18 verarbeiteten Messwerte. Der Leitrechner 19 steuert u. a. instationäre Fahrweisen der Turbinenanlage 1, in denen ein Erwärmen oder Abkühlen des Arbeitsmediums erforderlich ist. Solche instationäre Fahrweisen sind beispielsweise An- und Abfahrvorgänge oder Lastwechsel. Die instationären Fahrweisen sind mit großen Temperaturänderungen verbunden, die hohe instationäre Wärmespannungen in Wänden, wie z. B. Turbinengehäuse und -wellen, Rohrleitungen oder Ventilgehäuse, der verschiedenen Komponenten der Turbinenanlage 1 verursachen können. Dies betrifft insbesondere solche Wände, die unmittelbar mit dem Arbeitsmedium in Kontakt sind.
Das Auftreten der schädlichen Wärmespannungen kann begrenzt werden, indem die instationären Fahrweisen optimal gesteuert werden. Dazu wird erfindungsgemäß in der Steuereinrichtung 18 eine vorausschauende Abschätzung betreffend die Änderungen der Temperaturverteilungen innerhalb der betroffenen Wände durchgeführt. Diese vorausschauende Abschätzung wird dann von dem Leitrechner 19 dazu eingesetzt, die instationaren Fahrweisen geeignet zu steuern. Der zeitliche Verlauf der Temperaturanderungen in den betroffenen Wanden ist wahrend eines Ausgleichsvorgangs von den Werkstoffeigenschaften, einer Anfangstemperaturverteilung und dem zeitlichen Verlauf des Warmeeintrags in die jeweils betroffene Wand abhangig. Zur hinreichend genauen Abschätzung der Änderungen der
Temperaturverteilungen werden in dem Vorausschaurechner der Steuereinrichtung 18 mathematische Modelle der Anwarmungs- und Abkuhlungsprozesse sowie der betroffenen Wände eingesetzt .
Erfindungsgemaß enthalt der Vorausschaurechner der Steuereinrichtung 18 zwei Module, mit denen das vorausschauende Berechnen der Temperaturverteilungen der Wände durchgeführt wird. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Vorausschaurechners 20 mit einem Vorausschaumodul 21 und einem Echtzeitmodul 22. Die Funktionen der beiden Module 21 und 22 sind vorteilhafterweise mittels einer Software in der Steuereinrichtung 18 realisiert. Die beiden Module 21, 22 umfassen jeweils ein Modell 23 derjenigen Wand, für die die Temperaturverteilung prognostiziert werden soll. Das Modell 23 ist hier in beiden Modulen 21, 22 gleich. In dem Modell 23 der Wand ist die Wand in mehrere Schichten unterteilt.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts der Turbinengehausewand 15 in der Form eines Hohlzylinders . Der Abschnitt ist durch eine Abschnittslange L, einen inneren Radius r, einen äußeren Radius R und einen äußeren Radius einer Isolierung RISOL charakterisiert. Die Gehausewand 15 ist in mehrere Schichten 24i-24n unterteilt. Die Unterteilung erfolgt nach gleichem Werkstoffgewicht der einzelnen Schichten 24i-24n. Das Vorausschaumodul 21 des in der Fig. 2 gezeigten Vorausschaurechners 20 der Steuereinrichtung 18 enthält einen Funktionsblock 25, der ein Berechnen eines Massestroms m des als Arbeitsmedium dienenden Dampfes durchführt. Damit wird derjenige Massestroms m berechnet, der zum Erreichen eines von dem Leitrechner 19 vorgegebenen Kriteriums für den Betrieb der Turbinenanlage 1 notwendig ist. Ein solches Kriterium kann beispielsweise eine bestimmte Zeit sein, innerhalb der die Turbinenanlage 1 von einer aktuellen Leistung auf eine andere Leistung gefahren werden soll. Das Berechnen dieses notwendigen Dampfmassestroms m erfolgt für einen vorgegebenen Vorausschauzeitbereich, für den die Temperaturverteilung in der Gehäusewand 15 vorausschauend bestimmt werden soll. Der vorgegebene Vorausschauzeitbereich kann beispielsweise der Zeitbereich sein, bis zu dem die gewünschte Leistung der Turbinenanlage erreicht ist. Der von dem Funktionsblock 25 berechnete notwendige Dampfmassestroms m wird in dem Vorausschaumodul 21 an das Schichtenmodell 23 übermittelt .
In dem Echtzeitmodul 22 gemäß der Fig. 2 wird ein kontinuierliches Bestimmen von aktuellen Temperaturen der einzelnen Schichten 24i-24n der Gehäusewand 15 in Abhängigkeit von der aktuell bestimmten Temperatur TAM und einem aktuell bestimmten Massestroms m AM des an die erste Wandschicht 24i angrenzenden, wärmeführenden Dampfes durchgeführt. Die Messwerte der aktuellen Temperatur Tffl und des aktuellen Massestroms m AM werden von der Messstelle 14 ermittelt. Diese beiden Messwerte TAM und mAM dienen daher als Eingangswerte zu dem Schichtenmodell 23 des
Echtzeitmoduls 22. In dem Vorausschaumodul 21 wird das vorausschauende Bestimmen der Temperaturen der einzelnen Schichten 24i-24n, d. h. der Temperaturverteilung in der Gehäusewand 15, über den vorgegebenen Vorausschauzeitbereich durchgeführt. Als Eingangswerte werden dem Funktionsblock 25 dazu ein aktueller Druck PABD des Abdampfs, d. h. des aus der Turbine 2 austretenden Dampfes, eine aktuelle Drehzahl nDT der Dampfturbine 2 und die aktuelle Temperatur TAM des Dampfes zugeleitet. Zusatzlich wird dem Funktionsblock 25 eine Angabe GA zu der gewünschten Betriebsweise der Turbinenanlage 1 zugeführt. Die Angabe GA gibt beispielsweise vor, ob das vorgegebene Kriterium schnell oder langsam erreicht werden soll. Der Vorausschaurechner 20 der
Steuereinrichtung 18 erhalt verschiedene weitere Angaben PA zu Parametern, die für das Berechnen der vorausschauenden Temperaturverteilung erforderlich sind. Solche Angaben sind z. B. Werkstoffdaten, Flachenangaben und Alpha-Zahlen, d. h. Warmeubertragungskoeffizienten, etc. Über ein Signal AK wird der Vorausschaurechner 20 aktiviert. Das Vorausschaumodul 21 berechnet zyklisch die vorausschauende Temperaturverteilung in der Gehausewand 15. Dabei werden zu Beginn eines jeden Zyklus' die kontinuierlich von dem Echtzeitmodul 22 bestimmten aktuellen Temperaturen der einzelnen Schichten 24i-24n berücksichtigt. Dem Vorausschaumodul 21 und dem Echtzeitmodul 22 werden dazu ein Startsignal ST zugeführt, mit dem die von dem Echtzeitmodul 22 ermittelte aktuelle Temperaturverteilung in der Gehausewand 15 von dem Schichtenmodell 23 des Echtzeitmoduls 22 an das
Schichtenmodell 23 des Vorausschaumoduls 21 übergeben wird. Das Schichtenmodell 23 des Vorausschaumoduls 21 bestimmt dann die vorausschauende Temperaturverteilung mit den prognostizierten Temperaturen der einzelnen Schichten 24i-24n und gibt diese an seinem Ausgang aus dem Vorausschaurechner 20 aus. Die Steuereinrichtung 18 übermittelt die berechnete vorausschauende Temperaturverteilung anschließend an den Leitrechner 19.
Fig. 4 zeigt zwei aufeinander folgende, durch den Leitrechner 19 gesteuerte Prozessabschnitte beim Betrieb der Turbinenanlage 1. Ein erster Prozessabschnitt 26 umfasst ein Hochfahren der Turbinenanlage 1 von einer Anwarmdrehzahl auf eine Nenndrehzahl sowie eine anschließende Synchronisation mit einem Stromnetz, das mit dem Generator 3 verbunden ist. Ein zweiter Prozessabschnitt 27 umfasst ein Belasten der Turbinenanlage 1 auf Sollleistung. Die beiden Prozessabschnitte 26, 27 stellen vorgegebene Vorausschauzeitbereiche dar, über die die Steuereinrichtung 18 vorausschauende Temperaturverteilungen ermittelt. Die vorausschauenden Temperaturverteilungen sollen hier in der Gehäusewand 15 des Hochdruckteils 2a der Dampfturbine 2 ermittelt werden.
In dem ersten Prozessabschnitt 26 erfolgt zunächst ein Anwärmen der Turbine 2 auf die Anwärmdrehzahl. Dies ist in der Fig. 4 durch einen Funktionsblock 28 dargestellt. Ausgehend von dem Erreichen der Anwärmdrehzahl steuert der Leitrechner 19 das Hochfahren auf die Nenndrehzahl der Turbine 2. Dies ist durch einen Funktionsblock 29 kenntlich gemacht. Das Echtzeitmodul 22 der Steuereinrichtung 18 bestimmt kontinuierlich während des Hochfahrens auf die Nenndrehzahl die aktuelle Temperaturverteilung in den
Schichten 24i-24n der Gehäusewand 15 in Abhängigkeit von der aktuell und kontinuierlich gemessenen Temperatur TAM des Dampfes und dem Dampfmassestrom 171Mi- Dies ist in der Fig. 4 durch einen Funktionsblock 30 deutlich gemacht. Dem Vorausschaumodul 21 wird von dem Leitrechner 19 ein vorgegebenes Kriterium übermittelt, auf dessen Grundlage das Vorausschaumodul 21 eine für das Hochfahren auf die Nenndrehzahl benötigte Dampfmenge oder einen benötigten Dampfmassestrom bestimmt. Im Beispiel nach Fig. 4 ist das vorgegebene Kriterium eine Drehzahländerungsgeschwindigkeit dn/dt, die die Turbine 2 beim Hochfahren einhalten soll. Es kann auch alternativ oder zusätzlich eine Hochlaufzeit tHocH als vorgegebenes Kriterium vorgegeben sein, während der das Hochfahren auf die Nenndrehzahl erfolgen soll. Dadurch kann die zum Hochfahren unter den vorgegebenen Rahmenbedingungen benötigte Dampfmenge oder der benötigte Dampfmassestrom bestimmt werden. Die Vorgabe des vorgegebenen Kriteriums ist in der Fig. 4 durch einen Funktionsblock 31 dargestellt. Das Vorausschaumodul 21 übernimmt zyklisch während des Hochfahrens auf die Nenndrehzahl von dem Echtzeitmodul 22 die aktuelle Temperaturverteilung in der Gehäusewand 15 und berechnet mit dieser aktuellen Temperaturverteilung als Startwert die vorausschauende Temperaturverteilung. Diese wird dem Leitrechner 19 zugeführt, der überprüft, ob bei der berechneten vorausschauenden Temperaturverteilung vorgegebene zulässige Temperaturdifferenzen eingehalten oder überschritten werden. Dies ist in der Fig. 4 durch einen Funktionsblock 32 dargestellt. Wird festgestellt, dass zulässige Temperaturdifferenzen nicht eingehalten werden, so steuert der Leitrechner 19 geeignet den Hochfahrvorgang, damit die zulässigen Temperaturdifferenzen eingehalten werden können. Wird festgestellt, dass die zulässigen Temperaturdifferenzen eingehalten werden, so steuert der
Leitrechner 19 den Betrieb der Turbinenanlage in den zweiten Prozessabschnitt 27.
In dem zweiten Prozessabschnitt 27 erfolgt zunächst ein Anwärmen der Turbine 2 am Leistungsniveau nach der
Synchronisierung. Dies ist in der Fig. 4 durch einen Funktionsblock 33 dargestellt. Ausgehend von dem Anwärmen am Leistungsniveau nach der Synchronisierung steuert der Leitrechner 19 das Belasten der Turbine 2 bis zur Leistungssollwertvorgabe. Dies ist durch einen Funktionsblock 34 kenntlich gemacht. Das Echtzeitmodul 22 der Steuereinrichtung 18 bestimmt kontinuierlich während des Belastens die aktuelle Temperaturverteilung in den Schichten 24i-24n der Gehäusewand 15 in Abhängigkeit von der aktuell und kontinuierlich gemessenen Temperatur TM1 des Dampfes und dem Dampfmassestrom 171Mi- Dies ist in der Fig. 4 durch einen Funktionsblock 35 deutlich gemacht. Dem Vorausschaumodul 21 wird von dem Leitrechner 19 ein anderes vorgegebenes Kriterium übermittelt, auf dessen Grundlage das Vorausschaumodul 21 eine für das Belasten benötigte
Dampfmenge oder einen benötigten Dampfmassestrom bestimmt. Im Beispiel nach Fig. 4 ist das vorgegebene Kriterium eine Leistungsänderungsgeschwindigkeit, oder ein Leistungsgradient, dP/dt oder eine Belastungszeit tBEL, während der die Turbine 2 belastet werden soll. Die Vorgabe des vorgegebenen Kriteriums ist in der Fig. 4 durch einen Funktionsblock 36 dargestellt. Das Vorausschaumodul 21 übernimmt zyklisch während des Belastens von dem Echtzeitmodul 22 die aktuelle Temperaturverteilung in der Gehäusewand 15 und berechnet damit die vorausschauende Temperaturverteilung. Diese wird dem Leitrechner 19 zugeführt, der überprüft, ob bei der berechneten vorausschauenden Temperaturverteilung vorgegebene zulässige Temperaturdifferenzen eingehalten oder überschritten werden. Dies ist in der Fig. 4 durch einen Funktionsblock 37 dargestellt. Wird festgestellt, dass zulässige Temperaturdifferenzen nicht eingehalten werden, so steuert der Leitrechner 19 geeignet den Belastungsvorgang, damit die zulässigen Temperaturdifferenzen eingehalten werden können. Wird festgestellt, dass die zulässigen Temperaturdifferenzen eingehalten werden, so beendet der Leitrechner 19 den Anfahrvorgang. Dies ist mit einem Funktionsblock 38 dargestellt.
Fig. 5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild zum Berechnen des zum Hochfahren der Turbine 2 auf die Nenndrehzahl während des ersten Prozessabschnitts 26 benötigten Dampfmassestroms mAM- Dieses Berechnen wird in dem Funktionsblock 25 des
Vorausschaumoduls 21 durchgeführt. Als Eingangswerte erhält der Funktionsblock 25 hier das von dem Leitrechner 19 vorgegebene Kriterium der Drehzahländerungsgeschwindigkeit dn/dt, die Wellenträgheit und die aktuelle Turbinendrehzahl, die im Moment des Starts der Berechnung herrschende, aktuelle Dampftemperatur TAM und den Abdampfdruck PABD- Der benötigte Dampfmassestrom m AM wird mittels des Funktionsblocks 25 für jeden zyklischen Zeitschritt des Vorausschauzeitbereichs berechnet, d. h. hier für das Hochfahren auf die Nenndrehzahl. Mittels des bestimmten Dampfmassestroms m AM und der aktuellen Dampftemperatur TAM kann dann ein Wärmestrom bestimmt werden, der dem interessierenden Kontrollvolumen, der Gehäusewand 15, beim Hochfahren zugeführt wird. Ein im Echtzeitmodul 22 berechneter Wärmestrom, der dem Kontrollvolumen, der Gehäusewand 15, zugeführt wird, wird direkt aus der gemessenen Dampftemperatur TAM und dem Dampfdurchsatz m AM ermittelt. Fig. 6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild zum Berechnen des beim Belasten der Turbine 2 während des zweiten Prozessabschnitts 27 benötigten Dampfmassestroms m AM- Dieses Berechnen wird in dem Funktionsblock 25 des Vorausschaumoduls 21 durchgeführt. Als Eingangswerte erhält der Funktionsblock 25 hier das von dem Leitrechner 19 vorgegebene Kriterium der Leistungsänderungsgeschwindigkeit dP/dt, die Startleistung PO bei Nenndrehzahl, die im Moment des Starts der Berechnung herrschende, aktuelle Dampftemperatur TAM und den Abdampfdruck PABD- Der benötigte Dampfmassestrom m m wird mittels des Funktionsblocks 25 für jeden zyklischen Zeitschritt des Vorausschauzeitbereichs berechnet, d. h. hier für die Lastaufnahme. Mittels des bestimmten Dampfmassestroms m AM und der aktuellen Dampftemperatur TAM kann dann ein Wärmestrom bestimmt werden, der dem interessierenden
Kontrollvolumen, der Gehäusewand 15, beim Belasten zugeführt wird. Ein im Echtzeitmodul 22 berechneter Wärmestrom, der dem Kontrollvolumen, der Gehäusewand 15, zugeführt wird, wird direkt aus der gemessenen Dampftemperatur TAM und dem Dampfdurchsatz mAM ermittelt.
Fig. 7 zeigt ein schematisches Blockschaltbild des Schichtenmodells 23 zum vorausschauenden Berechnen von einzelnen Temperaturen Ti-Tn der Schichten 24i-24n der Gehäusewand 15. Dabei wird für die einzelnen Schichten 24χ- 24n jeweils eine gleiche Temperatur Ti-Tn angenommen. Das Schichtenmodell 23 enthält ein Modul 39 zum Berechnen eines Wärmeübertragungskoeffizienten Alpha und einer Sättigungstemperatur. Der Wärmeübertragungskoeffizient Alpha ist relevant für die Übertragung von Wärme von dem
Arbeitsmedium in die erste Schicht der Gehäusewand 15. Das Schichtenmodell 23 enthält ferner n Module 40i-40n für die Berechnung der jeweiliger mittlerer Schichttemperaturen Ti-Tn der n einzelnen Schichten der Gehäusewand 15. Darüberhinaus ist ein Modul 41 zur Berechnung einer mittleren integralen Temperatur Tmit int der Gehäusewand 15 vorhanden. Diese mittlere integrale Temperatur Tmit mt wird zum Berechnen der in der Gehäusewand 15 auftretenden Spannungen eingesetzt. In den einzelnen Modulen werden die Temperaturabhangigkeiten der Warmeleitungskoeffizienten λ=f (T) und der spezifischen Werkstoffwarme c=f (T) berücksichtigt.
Dem Modul 39 werden als Eingangsgroßen der zuvor für den interessierenden Vorschauzeitbereich ermittelte Dampfmassestrom m AM (Fig. 5, 6), der aktuelle Dampfdruck PAM und die aktuelle Dampftemperatur TAM zugeführt. Ferner wird die von dem Modul 4Oi vorausschauend ermittelte Temperatur Ti der ersten Schicht 24i auf den Eingang des Moduls 39 zuruckgekoppelt . Aus diesen Eingangsgroßen ermittelt das Modul 39 den Warmeubertragungskoeffizienten Alpha für die Übertragung der Warme von dem Arbeitsmedium in die erste Schicht 24i der Gehausewand 15. Im Fall der Dampfkondensation wird ein konstanter Warmeubertragungskoeffizient angenommen. Die dem Druck entsprechende Sattigungstemperatur wird aus der Sattigungfunktion bestimmt. Bei Vorhandensein von überhitztem Dampf wird der Warmeubertragungskoeffizient als Funktion des Dampfdurchsatzes berechnet. Der genaue Aufbau des Moduls 39 ist anhand eines in der Fig. 8 schematisch dargestellten Blockschaltbilds des Moduls 39 gezeigt.
Der von dem Modul 39 ermittelte Warmeubertragungskoeffizient Alpha wird dem Modul 4Oi als Eingangsgroße übermittelt. Alpha repräsentiert einen vorausschauend ermittelten Warmestrom ^AM ir der von dem Arbeitsmedium in die erste Schicht 24X übertritt. Dem Modul 4Oi werden ferner die aktuelle Dampftemperatur TAM, die von dem Modul 4O2 vorausschauend ermittelte Temperatur T2 der zweiten Schicht 242 und die von dem Echtzeitmodul 22 aktuell berechneten Temperaturen TANF der Schichten der Gehausewand 15 als Eingangsgroßen zugeführt. Das Modul 4Oi gibt als Ausgangsgroßen die vorausschauend ermittelte Temperatur Ti und einen vorausschauend ermittelten Warmestrom ^i_2 aus, der von der ersten Schicht 24i in die zweite Schicht 242 übertritt. Der genaue Aufbau des Moduls
4Oi ist anhand eines in der Fig. 9 schematisch dargestellten Blockschaltbilds des Moduls 4Oi gezeigt. Die von dem Modul 4Oi ausgegebenen Größen Ti und ^1-2 werden dem Modul 4Ü2 als Eingangsgrößen zugeführt. Als weitere Eingangsgrößen erhält das Modul 4Ü2 die von dem Modul 4O3 vorausschauend ermittelte Temperatur T3 der dritten Schicht 243 und die von dem Echtzeitmodul 22 aktuell berechneten
Temperaturen TANF. Das Modul 4Ü2 gibt als Ausgangsgrößen die vorausschauend ermittelte Temperatur T2 und einen vorausschauend ermittelten Wärmestrom ^2-3 aus, der von der zweiten Schicht 242 in die dritte Schicht 243 übertritt. Der genaue Aufbau des Moduls 4Ü2 ist anhand eines in der Fig. 10 schematisch dargestellten Blockschaltbilds gezeigt. Das in der Fig. 10 gezeigte Blockschaltbild gibt den Aufbau der zwischen dem ersten Modul 4Oi und dem letzten Modul 4On liegenden Module 402-40n_i wieder, k stellt dabei eine Variable für das jeweilige Modul 402-40n_i dar, wobei 2≤k≤(n-l) . Wie Fig. 7 zeigt, wird die von dem jeweils nachfolgenden Modul 40i-40n vorausschauend ermittelte Schichttemperatur Tx-Tn an das jeweils vorhergehende Modul 39, 40i-40n-i als Eingangsgröße zurückgekoppelt. Des Weiteren werden den Modulen 40i-40n-i jeweils die von dem Echtzeitmodul 22 aktuell berechneten Temperaturen TANF der Schichten der Gehäusewand 15 als Eingangsgrößen zugeführt.
Die von dem Modul 40n-i ausgegebenen Größen Tn_i und werden dem Modul 4On als Eingangsgrößen zugeführt. Als weitere Eingangsgrößen erhält das Modul 4On die von dem Echtzeitmodul 22 aktuell berechneten Temperaturen TANF und eine aktuell gemessene Umgebungstemperatur TUM, die außerhalb der Gehäusewand 15 herrscht. Das Modul 4On gibt als Ausgangsgröße die vorausschauend ermittelte Temperatur Tn aus. Der genaue Aufbau des Moduls 4On ist anhand eines in der Fig. 11 schematisch dargestellten Blockschaltbilds gezeigt.
Wie die Fig. 7 zeigt, basiert das Berechnen der mittleren Temperaturen Tx-Tn der einzelnen Schichten 24i-24n auf der Bilanzierung der ein- und austretenden Wärmeströme ^ . Die von den Modulen 40i-40n vorausschauend ermittelten Temperaturen Ti-Tn werden dem Modul 41 als Eingangsgrößen zugeführt. Zusätzlich erhält das Modul 41 eine Angabe über Gewichte Gi-Gn der einzelnen Schichten 24i-24n. Mittels dieser Eingangsgrößen ermittelt das Modul 41 die mittlere integrale Temperatur Tmit int • Dabei werden die einzelnen Temperaturen Ti-Tn mit den Gewichten Gi-Gn der einzelnen Schichten gewichtet. Der genaue Aufbau des Moduls 41 ist anhand eines in der Fig. 12 schematisch dargestellten Blockschaltbilds gezeigt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum vorausschauenden Bestimmen einer Temperaturverteilung in einer Wand (15) einer Turbinenanlage (1) , bei dem
- die Wand (15) in mehrere Schichten (24) eingeteilt wird, wobei für die jeweilige Schicht (24) eine gleiche Temperatur
(Ti-Tn) angenommen wird,
- in einem Echtzeitmodul (22) ein kontinuierliches Bestimmen von aktuellen Temperaturen (TANF) der einzelnen Schichten (24) der Wand (15) in Abhängigkeit von einer aktuell bestimmten Temperatur (TAM) eines an die erste Wandschicht (24i) angrenzenden, wärmeführenden Mediums durchgeführt wird und
- in einem Vorausschaumodul (21) das vorausschauende Bestimmen der Temperaturen (Ti-Tn) der einzelnen Schichten (24) zyklisch über einen vorgegebenen Zeitbereich durchgeführt wird, wobei zu Beginn eines jeden Zyklus' die kontinuierlich bestimmten aktuellen Temperaturen (TANF) der einzelnen Schichten (24) berücksichtigt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die einzelnen Schichten (24) der Wand (15) eintretende Wärmeströme (^) und aus den einzelnen Schichten (24) austretende Wärmeströme (^) bestimmt werden und das vorausschauende Bestimmen der Temperaturverteilung mittels dieser bestimmten Wärmeströme (^) bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Vorausschaumodul (21) ein Massestrom (m AM) des wärmeführenden Mediums bestimmt wird, der zum Erreichen eines vorgegebenen Kriteriums erforderlich ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgegebene Kriterium eine Vorgabe einer Zeit, innerhalb der eine Drehzahl einer Turbine (2) der Turbinenanlage (1) von einer aktuellen Drehzahl auf eine vorgegebene, andere Drehzahl verändert werden soll, oder einer Änderungsgeschwindigkeit zum Verändern der Drehzahl der Turbine (2) umfasst.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgegebene Kriterium eine Vorgabe einer Zeit, innerhalb der die Turbine (2) der Turbinenanlage (1) belastet werden soll, oder einer Änderungsgeschwindigkeit zum Verändern der Leistung der Turbine (2) umfasst.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeübertragungskoeffizient in Abhängigkeit von dem Massestrom (171Mi) des wärmeführenden Mediums bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu einem vorausschauenden Bestimmen eines Spannungsverlaufs von in den mehreren Schichten (24) der Wand (15) auftretenden Spannungen eine mittlere integrale Temperatur (Tmit mt) mittels der vorausschauend bestimmten Temperaturen (Ti-Tn) der einzelnen Schichten (24) bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturverteilung in einem Gehäuse (15) einer Hochdruck-Dampfturbine (2a) bestimmt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aufheizen oder Abkühlen eines Arbeitsmediums der Turbinenanlage (1) in Abhängigkeit von dem vorausschauenden Bestimmen der Temperaturverteilung durchgeführt wird.
10. Vorrichtung (18) zum vorausschauenden Bestimmen einer Temperaturverteilung in einer Wand (15) einer Turbinenanlage (1), wobei die Vorrichtung so ausgestaltet ist, dass sie - die Wand (15) in mehrere Schichten (24) einteilt und für die jeweilige Schicht (24) eine gleiche Temperatur (Ti-Tn) annimmt,
- ein Echtzeitmodul (22) aufweist, mit dem ein kontinuierliches Bestimmen der aktuellen Temperaturen (TANF) der einzelnen Schichten (24) der Wand (15) in Abhängigkeit von einer aktuellen bestimmten Temperatur (TAM) eines an die erste Wandschicht (24i) angrenzenden, wärmeführenden Mediums durchführbar ist und - ein Vorausschaumodul (21) aufweist, mit dem das vorausschauende Bestimmen der Temperaturen (Ti-Tn) der einzelnen Schichten (24) zyklisch über einen vorgegebenen Zeitbereich durchführbar ist, wobei es zu Beginn eines jeden Zyklus' die kontinuierlich bestimmten aktuellen Temperaturen (TANF) der einzelnen Schichten (24) berücksichtigt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem Leitrechner (19) zum Steuern der Turbinenanlage (1) verbunden ist.
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