EP3309453A1 - Regler zur enthalpieregelung von wasserdampf - Google Patents

Regler zur enthalpieregelung von wasserdampf Download PDF

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EP3309453A1
EP3309453A1 EP16193611.7A EP16193611A EP3309453A1 EP 3309453 A1 EP3309453 A1 EP 3309453A1 EP 16193611 A EP16193611 A EP 16193611A EP 3309453 A1 EP3309453 A1 EP 3309453A1
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enthalpy
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control loop
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EP16193611.7A
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English (en)
French (fr)
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Svea Guntermann
Stephan Minuth
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B35/00—Control systems for steam boilers

Definitions

  • the invention relates to a controller for enthalpy control of water vapor.
  • the injection of finely divided cooling water or condensate into the steam flow is an effective method of steam cooling also up to near the saturated steam temperature.
  • the injected cooling water is heated by the water vapor, so that the cooling water evaporates and overheats while the water vapor itself is cooled.
  • the required injection quantity is determined here from the equality of the enthalpies and the sum of the mass flows.
  • a controller for enthalpy control of water vapor is designed to set a desired value for the enthalpy to compare with an actual value for the enthalpy, wherein the controller is designed as a cascade controller.
  • a direct control is provided without complex pre-control.
  • the design as a cascade controller provides a controller with high control accuracy and high stability.
  • the enthalpy and thus the energy input into the capacitor can be kept constant in a surprisingly simple manner.
  • the controller has an enthalpy controller, a flow controller and a position controller, the enthalpy controller being associated with an external control loop, the flow controller with a middle control loop, and the positioner with an internal control loop.
  • the total rules are divided into several smaller sections.
  • the inner control loop has a time constant which is smaller than the time constant of the middle control loop, and the time constant of the middle control loop is smaller than the time constant of the outer control loop. This ensures that the innermost control loop is the fastest and the outermost control loop is the slowest control loop.
  • the controller is assigned an enthalpy calculation element for determining the actual value for the enthalpy, which is designed to represent a value representative of a pressure and a further value representative of a temperature.
  • Enthalpy is understood to mean an energy or a state variable which is composed of the sum of internal energy and the product of the pressure and the volume. It is a measure of the energy required for a phase transition and the energy content of a substance.
  • the internal energy is an extensive state variable. For example, it can be determined using the caloric equation of state, which, for example, links values for pressure, temperature, particle number, entropy, and volume.
  • the enthalpy calculation element is designed to evaluate values that are detected downstream of a device for water injection with a temperature sensor and a pressure sensor.
  • a temperature sensor and a pressure sensor are used to detect the energy input in a capacitor arranged downstream of an injection point.
  • the invention includes a computer program product for providing such a controller, a diverter station with a device for water injection and with such a controller and a steam power plant with such a diverter.
  • the steam power plant 1 a steam generator 2, a turbine 3 with a coupled generator (not shown) and a capacitor 4.
  • the steam required for operating the turbine 3 is generated in the steam generator 2 from previously purified and treated water. From the steam generator 2 from steam flows via pipelines into the turbine 3, where it delivers a part of its previously absorbed energy as kinetic energy to the turbine 3. Thereafter, the expanded and cooled water vapor flows into the condenser 4, where it condenses by heat transfer to the environment and collects as liquid water at the lowest point of the condenser 4. The liquid water is returned to the steam generator 2.
  • a diverter station 5 also called steam turbine diverter station or bypass station
  • a valve 6 which is designed to direct steam from the steam generator 2 around the turbine 3.
  • the bypass station 5 may have a fast-acting shut-off valve (not shown) in addition to the valve 6, wherein in the present exemplary embodiment the valve 6 is designed as a pressure-reducing valve with an integrated device 7 for water injection.
  • the Umleitstation 5 is associated with a regulator 8 for enthalpy control of water vapor, which now with additional reference to the FIGS. 2 and 3 is explained.
  • the controller 8 is designed as a cascade controller with an outer control loop 14, a middle control loop 15 and an inner loop 16.
  • the outer control loop 14 is a enthalpy controller 9, the middle control loop 15, a flow controller 10, and the inner control loop 16, a positioner 11 assigned.
  • the enthalpy controller 9 With the enthalpy controller 9, the enthalpy of water vapor is regulated, which is passed around the turbine 3, while the flow rate of the injected water and the position controller 11, an opening degree of the injection water control valve 21 are controlled with the flow controller 10.
  • the enthalpy controller 9 and the flow controller 10 are realized in the present embodiment in the control system of the steam power plant 1, while the position controller 11 is installed as hardware directly on the valve 6.
  • the enthalpy controller 9, the flow controller 10 and the position controller 11 can be described as continuous-time, e.g. be designed as a PID controller, or as discrete-time controller.
  • the inner control circuit 16 with the positioner 11 has a time constant which is smaller than the time constant of the middle control loop 15 with the flow controller 10.
  • the time constant of the middle control loop 15 with the flow controller 10 is again smaller than the time constant of outer control loop 14 with the flow controller 10.
  • the inner loop 16 of the fastest and the outermost loop 14 is the slowest loop.
  • An enthalpy calculator 13 (see FIG. 3 ) is provided which is adapted to read in a value for a pressure D and a temperature T of the water vapor, which are detected respectively with a pressure sensor 17 and a temperature sensor 18, both of which are arranged downstream of the device 7 for water injection.
  • FIG. 3 shows FIG. 3 in that the difference between the enthalpy set value S-ET and the enthalpy actual value I-ET is normalized by a normalizing member 12 before it is fed to the enthalpy controller 9 as an input variable.
  • the controller 8 and / or the enthalpy controller 9 and / or the flow controller 10 and / or the position controller 11 and / or the enthalpy calculator 13 may include hardware and / or software components.
  • the Entropiebeticiansglied 13 delivers in operation under evaluation of the pressure D and the temperature T an enthalpy actual value I-ET.
  • the enthalpy actual value I-ET is compared with a predetermined enthalpy set point S-ET and fed to the enthalpy controller 9 as an input variable.
  • the enthalpy controller 9 supplies as output variable a flow setpoint S-DF.
  • An actual flow value I-DF is detected with a flow sensor 19, which is arranged upstream of the injection water control valve 21.
  • the pressure sensor 17 and the temperature sensor 18 are disposed downstream of the water injection device 7.
  • the actual flow value I-DF is compared with the flow rate setpoint S-DF and fed to the flow controller 10 as an input variable.
  • the flow controller 10 supplies as output a position setpoint S-ST for an opening degree of the valve 6.
  • the position setpoint value S-ST is compared with a position actual value I-ST which is detected by a position sensor 20 associated with the valve 6 and supplied to the position controller 11 as an input variable.
  • the positioner 11 supplies as output a control signal S for driving the valve 6 to open or close it.
  • a protective device is provided in order to prevent an energy input into the capacitor 4 from exceeding a limit value.
  • the deviations between periodically recorded enthalpy actual values I-ET and enthalpy setpoint values SET are recorded, for example in the form of percentage values, and then added up or integrated. If the sum or integral value exceeds the limit value, a quick closing of the bypass station 5 is triggered.
  • the enthalpy and thus the energy input into the capacitor 4 are kept constant and at the same time the capacitor 4 are protected from an excessive energy input.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Regler (8) zur Enthalpieregelung von Wasserdampf, wobei der Regler (8) dazu ausgebildet ist, einen Sollwert für die Enthalpie (S-ET) mit einem Istwert für die Enthalpie (I-ST) zu vergleichen, wobei der Regler (8) als Kaskadenregler ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Regler zur Enthalpieregelung von Wasserdampf.
  • Bei Betrieb von Dampfkraftwerken ist das Einspritzen von fein verteiltem Kühlwasser bzw. Kondensat in den Dampfstrom ein wirksames Verfahren zur Dampfkühlung auch bis nahe an die Sattdampftemperatur heran. In diesem Mischprozess wird das eingespritzte Kühlwasser durch den Wasserdampf erwärmt, so dass das Kühlwasser verdampft und überhitzt, während der Wasserdampf selbst gekühlt wird. Die benötigte Einspritzmenge wird hierbei aus der Gleichheit der Enthalpien und der Summe der Massenströme ermittelt.
  • Bei bekannten Enthalpieregelungen werden Werte für die Drücke, Temperaturen und Mengen vom Wasserdampf und Einspritzwasser vor der Armatur und der Dampfdruck hinter der Armatur, wie ein Einspritzventil, gemessen. Mit einem Computerprogramm wird dann die erforderliche Einspritzmenge entsprechend den Sollwerten berechnet. Hierbei erfolgt keine weitere Kontrolle stromabwärts des Einspritzortes ob sich die gewünschte Zielenthalpie wirklich einstellt.
  • Ferner ist es bekannt, zur Kontrolle eine Temperaturmessstelle vorzusehen. Diese erlaubt eine Kontrolle der Temperatur, führt aber nicht dazu, dass wie gewünscht eine konstante Enthalpie eingehalten wird, da diese ebenfalls vom sich einstellenden Staudruck einstellt. Der Enthalpie - bzw. Energieeintrag in den Kondensator schwankt somit.
  • Es besteht daher Bedarf daran, zumindest einen Weg aufzuzeigen, wie die Enthalpie konstant gehalten werden kann.
  • Erfindungsgemäß ist ein Regler zur Enthalpieregelung von Wasserdampf dazu ausgebildet ist, einen Sollwert für die Enthalpie mit einem Istwert für die Enthalpie zu vergleichen, wobei der Regler als Kaskadenregler ausgebildet ist.
  • Somit wird eine direkte Regelung ohne aufwändige Vorsteuerung bereitgestellt. Durch die Ausbildung als Kaskadenregler wird ein Regler mit hoher Regelgenauigkeit sowie mit hoher Stabilität bereitgestellt. So kann auf überraschend einfache Weise die Enthalpie und somit der Energieeintrag in den Kondensator konstant gehalten werden.
  • Bevorzugt weist der Regler einen Enthalpie-Regler, einen Durchfluss-Regler und einen Stellungs-Regler auf, wobei der Enthalpie-Regler einem äußeren Regelkreis, der Durchflussregler einem mittleren Regelkreis und der Stellungsregler einem inneren Regelkreis zugeordnet sind. Somit werden die Gesamtregelstrecken in mehrere, kleinere Teilstrecken unterteilt. Dabei weist der innere Regelkreis eine Zeitkonstante auf, die kleiner ist als die Zeitkonstante des mittleren Regelkreises, und die Zeitkonstante des mittleren Regelkreises ist kleiner als die Zeitkonstante des äußeren Regelkreises. So wird sichergestellt, dass der innerste Regelkreis der schnellste und der äußerste Regelkreis der langsamste Regelkreis ist.
  • Bevorzugt ist dem Regler ein Enthalpieberechnungsglied zur Bestimmung des Istwertes für die Enthalpie zugeordnet, das dazu ausgebildet ist, einen Wert repräsentativ für einen Druck und ein weiteren Wert repräsentativ für eine Temperatur auszuwerten. Unter Enthalpie wird eine Energie bzw. eine Zustandsgröße verstanden, die sich aus der Summe aus innerer Energie und dem Produkt aus dem Druck und dem Volumen zusammensetzt. Sie ist ein Maß für den Energieaufwand für einen Phasenübergang und den Energiegehalt eines Stoffes. Die innere Energie ist eine extensive Zustandsgröße. Sie kann z.B. mit der kalorischen Zustandsgleichung bestimmt werden, die z.B. Werte für den Druck, Temperatur, Teilchenzahl, Entropie und Volumen miteinander verknüpft.
  • Bevorzugt ist das Enthalpieberechnungsglied dazu ausgebildet, Werte auszuwerten, die stromab einer Vorrichtung zur Wassereinspritzung mit einem Temperatursensor und einem Drucksensor erfasst werden. Somit werden für den Energieeintrag in einen stromab einer Einspritzstelle angeordneten Kondensator direkt erfasst, was eine genauere Erfassung des Energieeintrags erlaubt.
  • Ferner gehören zur Erfindung ein Computerprogrammprodukt zum Bereitstellen eines derartigen Reglers, eine Umleitstation mit einer Vorrichtung zur Wassereinspritzung und mit einem derartigen Regler sowie ein Dampfkraftwerk mit einer derartigen Umleitstation.
  • Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbindungselements anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung eines Dampfkraftwerks,
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung eines Reglers zur Enthalpiereglung in dem in Figur 1 dargestellten Dampfkraftwerk, und
    Fig. 3
    eine schematische Darstellung von Details des in Figur 2 dargestellten Reglers.
  • Es wird zunächst auf die Figur 1 Bezug genommen.
  • Dargestellt ist ein Dampfkraftwerk 1, z.B. zur Stromerzeugung. Als wesentliche Komponenten weist das Dampfkraftwerk 1 einen Dampferzeuger 2, eine Turbine 3 mit einem angekoppelten Generator (nicht dargestellt) und einen Kondensator 4 auf.
  • Der zum Betrieb der Turbine 3 notwendige Wasserdampf wird in dem Dampferzeuger 2 aus zuvor gereinigten und aufbereiteten Wasser erzeugt. Von dem Dampferzeuger 2 aus strömt Wasserdampf über Rohrleitungen in die Turbine 3, wo er einen Teil seiner zuvor aufgenommenen Energie als Bewegungsenergie an die Turbine 3 abgibt. Danach strömt der entspannte und abgekühlte Wasserdampf in den Kondensator 4, wo er durch Wärmeübertragung an die Umgebung kondensiert und sich als flüssiges Wasser an der tiefsten Stelle des Kondensators 4 sammelt. Das flüssige Wasser wird wieder dem Dampferzeuger 2 zugeführt.
  • Ferner weist das Dampfkraftwerk 1 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Umleitstation 5 auf. Dabei wird unter einer Umleitstation 5 (auch Dampfturbinen-Umleitstation oder Bypass-Station genannt) ein Ventil 6 verstanden, das dazu ausgebildet, Wasserdampf von dem Dampferzeuger 2 um die Turbine 3 herum zu leiten.
  • Das ist - zumindest vorübergehend - notwendig, weil der Dampferzeuger 2 nur langsam an einen geänderten Verbrauch angepasst werden kann. Die Umleitung erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel direkt in den Kondensator 4.
  • Die Umleitstation 5 kann neben dem Ventil 6 ein schnellwirkendes Absperrventil (nicht dargestellt) aufweisen, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Ventil 6 als Druckreduzierventil mit einer integrierten Vorrichtung 7 zur Wassereinspritzung ausgebildet ist.
  • Der Umleitstation 5 ist ein Regler 8 zur Enthalpieregelung von Wasserdampf zugeordnet, der nun unter zusätzliche Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 erläutert wird.
  • Der Regler 8 ist als Kaskadenregler mit einem äußeren Regelkreis 14, einem mittleren Regelkreis 15 und einem inneren Regelkreis 16 ausgebildet. Dabei ist dem äußeren Regelkreis 14 ein Enthalpie-Regler 9, dem mittleren Regelkreis 15 ein Durchflussregler 10, und dem inneren Regelkreis 16 ein Stellungsregler 11 zugeordnet.
  • Mit dem Enthalpie-Regler 9 wird die Enthalpie von Wasserdampf geregelt, der um die Turbine 3 herumgeleitet wird, während mit dem Durchfluss-Regler 10 die Durchflussmenge des einzuspritzenden Wassers und mit dem Stellungs-Regler 11 ein Öffnungsgrad des Einspritzwasserregelventils 21 geregelt werden.
  • Der Enthalpie-Regler 9 und der Durchflussregler 10 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel in der Leittechnik des Dampfkraftwerks 1 realisiert, während der Stellungs-Regler 11 als Hardware direkt am Ventil 6 verbaut ist. Der Enthalpie-Regler 9, der Durchfluss-Regler 10 und der Stellungs-Regler 11 können als zeitkontinuierliche, z.B. als PID-Regler, oder als zeitdiskrete Regler ausgebildet sein.
  • Dabei weist der innere Regelkreis 16 mit dem Stellungsregler 11 eine Zeitkonstante auf, die kleiner ist als die Zeitkonstante des mittleren Regelkreises 15 mit dem Durchfluss-Regler 10. Die Zeitkonstante des mittleren Regelkreises 15 mit dem Durchfluss-Regler 10 ist wiederum kleiner als die Zeitkonstante des äußeren Regelkreises 14 mit dem Durchfluss-Regler 10. Somit ist der innere Regelkreis 16 der schnellste und der äußerste Regelkreis 14 der langsamste Regelkreis.
  • Ein Enthalpieberechnungsglied 13 (siehe Figur 3) ist vorgesehen, das dazu ausgebildet ist, einen Wert für einen Druck D und eine Temperatur T des Wasserdampfes einzulesen, die mit jeweils mit einem Drucksensor 17 und einem Temperatursensor 18 erfasst werden, die beide stromab der Vorrichtung 7 zur Wassereinspritzung angeordnet sind.
  • Ferner zeigt die Figur 3, dass die Differenz aus dem Enthalpie-Sollwert S-ET und dem Enthalpie-Istwert I-ET von einem Normierungsglied 12 normiert, bevor sie dem Enthalpie-Regler 9 als Eingangsgröße wird zugeführt wird.
  • Der Regler 8 und/oder der Enthalpie-Regler 9 und/oder der Durchflussregler 10 und/oder der Stellungs-Regler 11 und/oder das Enthalpieberechnungsglied 13 können Hard- und/oder Softwarekomponenten aufweisen.
  • Das Entropieberechnungsglied 13 liefert im Betrieb unter Auswertung des Druckes D und der Temperatur T einen Enthalpie-Istwert I-ET. Der Enthalpie-Istwert I-ET wird mit einem vorgegebenen Enthalpie-Sollwert S-ET verglichen und dem Enthalpie-Regler 9 als Eingangsgröße zugeführt.
  • Der Enthalpie-Regler 9 liefert als Ausgangsgröße einen Durchfluss-Sollwert S-DF. Ein Durchfluss-Istwert I-DF wird mit einem Durchflusssensor 19 erfasst, der stromauf des Einspritzwasserregelventils 21 angeordnet ist. Der Drucksensor 17 und der Temperatursensor 18 stromab der Vorrichtung 7 zur Wassereinspritzung angeordnet.
  • Der Durchfluss-Istwert I-DF wird mit dem Durchfluss-Sollwert S-DF verglichen und dem Durchfluss-Regler 10 als Eingangsgröße zugeführt. Der Durchfluss-Regler 10 liefert als Ausgangsgröße einen Stellungs-Sollwert S-ST für einen Öffnungsgrad des Ventils 6.
  • Der Stellungs-Sollwert S-ST wird mit einem Stellungs-Istwert I-ST verglichen, der einem Stellungssensor 20 erfasst wird, der dem Ventil 6 zugeordnet ist, und dem Stellungs-Regler 11 als Eingangsgröße zugeführt. Der Stellungsregler 11 liefert als Ausgangsgröße ein Steuersignal S zum Ansteuern des Ventils 6, um dieses zu Öffnen oder zu Schließen.
  • Des Weiteren ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Schutzeinrichtung vorgesehen, um zu Verhindern, das ein Energieeintrag in den Kondensator 4 einen Grenzwert überschreitet. Hierzu werden die Abweichungen zwischen periodisch erfassten Enthalpie-Istwerten I-ET und Enthalpie-Sollwerten SET erfasst, z.B. in Form von Prozentwerten, und anschließend aufsummiert bzw. aufintegriert. Wenn der Summen- bzw. Integralwert den Grenzwert überschreitet wird ein Schnellschluss der Umleitstation 5 ausgelöst.
  • So kann auf überraschend einfache Weise die Enthalpie und somit der Energieeintrag in den Kondensator 4 konstant gehalten werden und zugleich der Kondensator 4 vor einem zu großen Energieeintrag geschützt werden.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (7)

  1. Regler (8) zur Enthalpieregelung von Wasserdampf,
    wobei der Regler (8) dazu ausgebildet ist, einen Sollwert für die Enthalpie (S-ET) mit einem Istwert für die Enthalpie (IST) zu vergleichen,
    wobei der Regler (8) als Kaskadenregler ausgebildet ist.
  2. Regler (8) nach Anspruch 1,
    wobei der Regler (8) einen Enthalpie-Regler (9), einen Durchfluss-Regler (10) und einen Stellungs-Regler (11) aufweist, wobei der Enthalpie-Regler (9) einem äußeren Regelkreis (14), der Durchflussregler (10) einem mittleren Regelkreis (15) und der Stellungsregler (11) einem inneren Regelkreis (16) zugeordnet sind.
  3. Regler (8) nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei dem Regler (8) ein Enthalpieberechnungsglied (13) zur Bestimmung des Istwertes für die Enthalpie (I-ST) zugeordnet ist, das dazu ausgebildet ist, einen Wert repräsentativ für einen Druck (D) und ein weiteren Wert repräsentativ für eine Temperatur (T) auszuwerten.
  4. Regler (8) nach Anspruch 3,
    wobei das Enthalpieberechnungsglied (13) dazu ausgebildet ist, Werte auszuwerten, die stromab einer Vorrichtung (7) zur Wassereinspritzung mit einem Temperatursensor (18) und einem Drucksensor (19) erfasst werden.
  5. Computerprogrammprodukt,
    mit Komponenten, die dazu ausgebildet sind, einen Regler (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 bereitzustellen.
  6. Umleitstation (5) mit einer Vorrichtung zur Wassereinspritzung (7) und mit einem Regler (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
  7. Dampfkraftwerk (1) mit einer Umleitstation (5) nach Anspruch 6.
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