WO2020088838A1 - Speisewasserregelung für zwangdurchlauf-abhitzedampferzeuger - Google Patents

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WO2020088838A1
WO2020088838A1 PCT/EP2019/075105 EP2019075105W WO2020088838A1 WO 2020088838 A1 WO2020088838 A1 WO 2020088838A1 EP 2019075105 W EP2019075105 W EP 2019075105W WO 2020088838 A1 WO2020088838 A1 WO 2020088838A1
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evaporator
flow
preheater
heating surfaces
feed water
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PCT/EP2019/075105
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Jan BRÜCKNER
Tobias Schulze
Frank Thomas
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F22D5/00—Controlling water feed or water level; Automatic water feeding or water-level regulators
    • F22D5/26—Automatic feed-control systems
    • F22D5/30—Automatic feed-control systems responsive to both water level and amount of steam withdrawn or steam pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
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    • F22B29/067—Steam boilers of forced-flow type of once-through type, i.e. built-up from tubes receiving water at one end and delivering superheated steam at the other end of the tubes operating at critical or supercritical pressure
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    • F22D—PREHEATING, OR ACCUMULATING PREHEATED, FEED-WATER FOR STEAM GENERATION; FEED-WATER SUPPLY FOR STEAM GENERATION; CONTROLLING WATER LEVEL FOR STEAM GENERATION; AUXILIARY DEVICES FOR PROMOTING WATER CIRCULATION WITHIN STEAM BOILERS
    • F22D5/00—Controlling water feed or water level; Automatic water feeding or water-level regulators
    • F22D5/26—Automatic feed-control systems
    • F22D5/34—Applications of valves

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a continuous steam generator designed as a waste heat steam generator. It also relates to a once-through steam generator to carry out the process.
  • the feed water control concept for Benson evaporators is essentially based on the calculation of a pilot control signal for the feed water mass flow based on measured process variables.
  • a pilot signal a1 is typically calculated from known setpoints or disturbance variables of the control loop or their changes and finally multiplied by the output signal of the controller. It anticipates the controller's reaction to a setpoint change or a disturbance variable and increases the dynamics of the controller so that the desired overheating at the evaporator outlet (setpoint) is set as well as possible in all conceivable phases of the process.
  • a feed water control for Benson-Abhit steam generators is disclosed for example in EP 2 212 618 B1.
  • a sufficiently reliable predictive mass flow control that can also be used for steam generators connected as waste heat boilers should be largely adapted to the special features of the waste heat boiler.
  • the firing capacity is not a suitable parameter in this case, which allows a sufficiently reliable conclusion to be drawn about the underlying heat flow balance.
  • other internal gas turbine parameters can also be added, so that no acceptable conclusion can be drawn about the enthalpy conditions when the heating gas enters the Flue gas duct of the steam generator is possible.
  • other, particularly suitable parameters should therefore be used, such as the heating gas temperature when entering the evaporator and the mass flow of the heating gas.
  • EP 2 297 518 B1 also discloses that characteristic correction values are taken into account for the time derivative of the enthalpy at the input of one or more of the evaporator heating surfaces.
  • DE 10 2010 040 210 Al also discloses a method in which a more characteristic for the time derivative of the enthalpy, the temperature or the density of the flow medium at the entrance of one or more of the heating surfaces is used to create the setpoint for the feed water mass flow Correction value is taken into account.
  • DE 10 2011 004 263 A1 also discloses a method for operating a solar-heated heat recovery steam generator, in which a setpoint for the feed water mass flow is supplied to a device for adjusting the feed water mass flow, a characteristic correction value being taken into account by the thermal storage effects of - Corrected or stored thermal energy in one or more of the heating surfaces.
  • the invention solves the object directed to a method by providing that in a continuous steam generator designed as a waste heat treatment generator with a preheater, comprising a number of preheater heating surfaces, and with an evaporator comprising a number of the preheater heating surfaces connected downstream of the flow medium on the evaporator heating surfaces a device for setting a feed water mass flow is supplied with a setpoint for the feed water mass flow, a waste heat flow transferred to a fluid in the evaporator heating surfaces being determined when the setpoint for the feed water mass flow is created and also mass storage and energy storage in the fluid in the evaporator heating surfaces during transient operation of the system are recorded, a temporal behavior of the mass storage in the evaporator is coupled to a temporal behavior of a mass storage in the preheater, a
  • Scaling takes place with a ratio of the density changes in the evaporator and in the preheater.
  • Fluid particles is connected and flows with it through the evaporator, but that the observer views the evaporator as a balance space into which fluid flows in and out.
  • a fluid particle will always absorb energy on the way from the evaporator inlet to the evaporator outlet, regardless of whether the system operation is stationary or non-stationary. It is different when considering the system according to the invention, where in stationary operation of the system (the evaporator) the same temperatures and pressures are measured at different times in the evaporator and thus the time derivatives of the corresponding terms in the descriptions of the process Formulas become zero.
  • the changes in time of these parameters during transient operation of the evaporator are now taken into account by the inventive method. Of course, energy or mass injections as well as energy or mass withdrawals can occur.
  • the storage terms for mass storage and energy storage are advantageously determined from current measured values. This enables a particularly reliable evaluation of the heat flow balance and thus the determination of a particularly precise pre-calculated feed water setpoint.
  • the current measured values are expediently pressures and temperatures at the preheater inlet, at the preheater outlet or evaporator inlet and at the evaporator outlet.
  • the enthalpy of boiling and the enthalpy of saturation are determined via at least one pressure measurement at the evaporator inlet or at the evaporator outlet.
  • the correction values for mass storage and energy storage for determining the setpoint for the feed water mass flow are advantageously determined taking into account the time derivatives of the boiling and saturation enthalpies in the evaporator and a density of the flow medium in the preheater.
  • an average fluid density in the preheater can be defined and calculated, in particular by suitable measurements of temperature and pressure at the inlet and at the outlet of the respective preheater heating surface, expediently using a linear density profile. This can be used to compensate for mass storage effects that result from transient processes. If, for example, the heat supply drops into the evaporator heating surfaces during a load change, fluid is temporarily stored there. With a constant flow rate of the feed water pump, the mass flow would decrease when the heating surface emerged. This can now be compensated for by temporarily increasing the feed water mass flow.
  • Time derivatives are advantageously determined via a first and a second differentiating element, preferably DTI elements, to which parameters such as temperature and pressure are supplied on the input side at suitable measuring points.
  • the first differentiator describing the course of the density change in the preheater for the estimation of the mass storage is acted upon with a gain factor corresponding to the total volume of the flow medium in the evaporator heating.
  • the first differentiating element is subjected to a time constant that corresponds to substantially half of the flow time of the flow medium through the evaporator.
  • the second differentiating element is subjected to a time constant for the estimation of the energy storage which is between 5s and 40s.
  • the above-mentioned object is achieved by a once-through steam generator with a number of evaporator heating surfaces and a number of preheater heating surfaces connected upstream of the fluid medium and with a device for adjusting the feed water mass flow which can be carried out on the basis of a set value for the feed water mass flow, the set value being designed on the basis of the invented method,
  • the correction of the control signal before can be significantly reduced by the controller and the controller can be parameterized with a lower gain.
  • the problem of undesirable process residual fluctuations of significant order of magnitude described above can thus be eliminated.
  • the operating behavior of the system is not negatively affected.
  • Empirically found correction factors for the pilot control signal are also conceivable.
  • Figure 1 is a sketch of the algorithm for calculating the
  • FIG. 2 shows the measured variables and the approximations derived therefrom for the changes in the algorithm for calculating the nominal value of the feed water mass flow, as they are to be implemented in the power plant automation.
  • FIG. I shows schematically the change in the algorithm resulting from the invention for calculating the setpoint for the feed water mass flow M TM.
  • the portion of the algorithm relevant to the invention is shown within the dashed outline and the state of the art outside.
  • the setpoint for the feed water mass flow M FW is therefore composed of the feed water mass flow for the evaporator M EV , i n and the mass flow MS, E stored or stored in the preheater, corrected by a factor fctri
  • the feed water mass flow for the evaporator M Ev , i n results as the quotient of the heat flow ⁇ E V , fi transferred from the exhaust gas to the fluid in the evaporator and the setpoint for the enthalpy change in the evaporator Ev, set.
  • the term for the evaporator to the fluid in the Ver ⁇ transmitted heat flow through two further terms will he supplemented and corrected.
  • the first correction concerns the mass storage effect in comparison liner
  • the second correction refers to the Energy Profifact ⁇ fect in the evaporator.
  • the mass storage effect is in the heat flows in FIG. 1
  • Ki ⁇ These values are approximated according to the invention adapted so that it consists of process variables determined .ge messengeren NEN.
  • FIG. 2 shows these measured variables or the measuring points in the forced-flow heat recovery steam generator and their processing.
  • the forced-flow heat recovery steam generator according to FIG. 2 comprises a preheater 1, also referred to as an economizer, for as Flow medium provided feed water, with a number of preheater heating surfaces 2, and an evaporator 3 with a number of evaporator heating surfaces 4 connected downstream of the preheater heating surfaces 2 on the flow medium side 4.
  • the evaporator 3 is followed by a superheater 12 with corresponding superheat heating surfaces 13.
  • the heating surfaces are located in a throttle cable, not shown, which is subjected to the exhaust gas of an ordered gas turbine system.
  • the once-through steam generator is designed for a controlled supply of feed water.
  • a feed water pump 31 is a servomotor
  • the 32 driven throttle valve 33 is connected downstream, so that the feed water quantity fed by the feed water pump 31 in the direction of the preheater 1 or the feed water mass flow is adjustable via a suitable control of the throttle valve 33.
  • the throttle valve is used to determine a current characteristic value for the feed water mass flow supplied
  • a measuring device 34 for determining the feed water mass flow through the feed water line 35.
  • the servomotor 32 is controlled via a control element 36 which is supplied on the input side with a setpoint for the feed water mass flow M F supplied via a data line 37 and with the current actual value of the feed water mass flow determined via the measuring device 34. By forming a difference between these two signals, a need for follow-up is transmitted to the controller 36, so that if the actual value deviates from the target value, the throttle valve 33 is correspondingly controlled by controlling the motor 32.
  • the data line 37 is connected on the input side to a feed water flow rate control 38 designed for specifying the set point value for the feed water mass flow MF W.
  • a feed water flow rate control 38 designed for specifying the set point value for the feed water mass flow MF W.
  • This is for it designed to determine the setpoint for the feed water mass flow M FW on the basis of a heat flow balance in the evaporator heating surfaces 4, the set value for the feed water mass flow M FW being determined by determining a waste heat flow transferred to a fluid in the evaporator heating surfaces 4 and furthermore mass storage and energy storage tion in the fluid in the evaporator heating surfaces 4 are taken into account.
  • FIG. 2 shows only the elements in the feed water flow control 38 that are relevant for the correction of the feed water mass flow setpoint M F according to the invention. The part known from the prior art is not shown.
  • the measured values for determining a setpoint for the feed water mass flow FW are pressure and temperature values and the measuring points are in the areas of preheater inlet 5, preheater outlet 6 or evaporator inlet 7 and evaporator outlet 8.
  • the measured values determined are processed in function elements 14, 15, 16, 17 and 18.
  • the density of the fluid at different locations of the heating surfaces of preheater 1 and evaporator 3 is determined from the measured values of pressure and temperature.
  • the fourth and fifth function elements 17 and 18 deliver the enthalpy of boiling and saturation from measured pressure values.
  • the storage term for mass storage dt is approxi mated by a mean value is formed from the determined densities at preheater input b and at preheater output 6 via a first adder 19 and a first multiplier 20, which is then in the first differentiator 9 with a corresponding selected time constants processed further and with a corresponding to the total volume V EV of the flow medium in the evaporator heating surfaces 4 Gain factor in the second multiplier 21 is applied.
  • a further scaling takes place in a subsequent third multiplication element 22 with a ratio of the changes in the fluid in the evaporator 3 and in the preheater 1, which is determined by means of the first and second subtraction elements 23 and 24 and the first dividing element 25 in the manner as in shown in Figure 2.
  • the storage term for energy storage dt is approved by forming an average value from the determined enthalpies with the aid of the second adder 26 and the fourth multiplication member 27. This mean value is a good assumption for the specific enthalpy of the fluid in the evaporator 3. dUE V
  • the storage term for energy storage dt is now determined by the sum of two terms.
  • the first term is determined by further processing the specific enthalpy of the fluid in the evaporator 3 in the second differentiating element 10 with an appropriately selected time constant and applying an average value of the fluid masses M Ev i m evaporator at maximum and minimum load in the fifth multiplication element 28. For the sake of simplicity, this mean value is regarded as a constant value over time.
  • the second term is determined by the specific enthalpy of the fluid in the evaporator 3 with the storage term for the mass storage v
  • the two terms are combined.
  • the corresponding algorithm is to be implemented in the function plans of the feed water control and thus in the power plant automation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines als Abhitzedampferzeuger ausgebildeten Durchlaufdampferzeugers mit einem Vorwärmer (1), umfassend eine Anzahl von Vorwärmerheizflächen (2), und mit einem Verdampfer (3), umfassend eine Anzahl von den Vorwärmerheizflächen (2) strömungsmediumseitig nachgeschalteten Verdampferheizflächen (4), bei dem einer Vorrichtung zum Einstellen eines Speisewassermassenstroms ein Sollwert für den Speisewassermassenstrom zugeführt wird, wobei bei der Erstellung des Sollwerts für den Speisewasser- massenstrom ein auf ein Fluid in den Verdampferheizflächen (4) übertragener Abwärmestrom ermittelt wird sowie ferner Massenspeicherung und Energiespeicherung im Fluid in den Verdampferheizflächen (4) beim instationären Anlagenbetrieb erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitliches Verhalten der Massenspeicherung im Verdampfer (3) an ein zeitliches Verhalten einer Massenspeicherung im Vorwärmer (1) gekoppelt wird, wobei eine Skalierung mit einem Verhältnis der Dichteänderungen im Verdampfer (3) und im Vorwärmer (1) erfolgt. Die Erfindung betrifft ebenfalls einen Zwangdurch-lauf-Abhitzedampferzeuger (11).

Description

Beschreibung
Speisewasserregelung für Zwangdurchlauf-Abhitzedampferzeuger
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines als Abhitzedampferzeuger ausgebildeten Durchlaufdampferzeugers . Sie bezieht sich weiterhin auf einen Zwangdurchlaufdampfer- zeuger zur Durchführung des Verfahrens.
Das Speisewasserregelungskonzept für Benson-Verdampfer ba siert im Wesentlichen auf der Berechnung eines Vorsteuersig nals für den Speisewassermassenstrom anhand gemessener Pro zessgrößen. Ein solches Vorsteuersigna1 wird typischerweise aus bekannten Sollwerten oder Störgrößen des Regelkreises bzw. deren Änderungen berechnet und final mit dem Ausgangs signal des Reglers multiplikativ korrigiert. Es nimmt die Re aktion des Reglers auf eine Sollwertänderung oder eine Stör größe vorweg und erhöht die Dynamik des Reglers, so dass die gewünschte Überhitzung am Verdampferaustritt (Sollwert) in allen denkbaren Phasen des Prozesses möglichst gut einge stellt wird. Bei der Erstanwendung eines Be son-Verdampfers in einem Abhitzedampferzeuger vertikaler Bauart hat sich nun gezeigt, dass besagter Reglereingriff designbedingt deutlich stärker ausfailen muss als bei der bekannten horizontalen Bauweise. Allerdings erhöht sich dadurch auch die Schwin gungsfähigkeit des Regelkreises. Dies führt dazu, dass eine unzureichende Stellgenauigkeit der Speisewasserregelventile (z. B. infolge geringer Hardwarequalität) noch zusätzlich an Bedeutung gewinnt. So lassen sich im Extremfall unerwünschte Prozessrestschwankungen von signifikanter Größenordnung bei sonst stationärem Anlagenbetrieb beobachten.
Eine Speisewasserregelung für Benson-Abhit zedampferzeuger ist beispielsweise in EP 2 212 618 Bl offenbart. Dort geht man davon aus, dass eine auch für als Abhitzekessel geschaltete Dampferzeuger nutzbare, ausreichend zuverlässige prädiktive Massenstromregelung weitgehend an die Besonderheiten des Ab hitzekessels angepasst werden sollte. Dabei sollte insbeson- dere berücksichtigt werden, dass anders als bei gefeuerten Kesseln in diesem Fall die Feuerungsleistung kein geeigneter Parameter ist, der einen ausreichend zuverlässigen Rück schluss auf die zugrunde liegende Wärmestrombilanz zulässt. Insbesondere sollte dabei berücksichtigt werden, dass bei ei ner für Abhitzekessel äquivalenten Größe , nämlich der aktuel len Gasturbinenleistung oder mit dieser korrelierenden Para meter, noch weitere, gasturbineninterne Parameter hinzutreten können, so dass kein akzeptabler Rückschluss auf die Enthal pieverhältnisse beim Eintritt des Heizgases in den Rauchgas kanal des Dampferzeugers möglich ist. Bei der zur Ermittlung des benötigten Speisewasserstroms zugrunde gelegten Wär mestrombilanz sollte daher auf andere, besonders geeignete Parameter zurückgegriffen werden, wie die Heizgastemperatur beim Eintritt in den Verdampfer sowie der Massenstrom des Heizgases .
Die EP 2 297 518 Bl offenbart ferner, dass für die zeitliche Ableitung der Enthalpie am Eingang einer oder mehrerer der Verdampferheizflächen charakteristische Korrekturwerte be rücksichtigt werden.
Für die Anwendung im Solarthermiekraftwerk offenbart die DE 10 2010 040 210 Al ebenfalls ein Verfahren, bei dem für die Erstellung des Sollwerts für den Speisewassermassenstrom ein für die zeitliche Ableitung der Enthalpie, der Temperatur oder der Dichte des Strömungsmediums am Eingang einer oder mehrerer der Heizflächen charakteristischer Korrekturwert be rücksichtigt wird.
Die US 2014/034044 Al beansprucht neben einem solarthermi schen Dampferzeuger selbst, ebenfalls ein Verfahren zum Be trieb dieses solarthermischen Dampferzeugers, bei dem die Einstellung des Speisewassermassenstroms prädiktiv geregelt wird. Zu diesem Zweck wird auch hier mit einem Korrekturwert gearbeitet, durch den thermische Speichereffekte von ein- oder ausgespeicherter thermischer Energie korrigiert werden. Schließlich offenbart auch die DE 10 2011 004 263 Al ein Ver fahren zum Betreiben eines solarbeheizten Abhitzedampferzeu gers, bei dem einer Vorrichtung zum Einstellen des Speisewas sermassenstroms ein Sollwert für den Speisewassermassenstrom zugeführt wird, wobei ein charakteristischer Korrekturwert berücksichtigt wird, durch den thermische Speichereffekte von ein- oder ausgespeicherter thermischer Energie in eine oder mehrere der Heizflächen korrigiert werden.
Da das vorliegende Problem im Rahmen der Erstanwendung eines Benson-Verdampfers in einem vertikalen Abhitzedampferzeuger auftrat, gibt es keine weiterführenden Ansätze zur Problemlö sung. Die im konkreten Fall gewählte Problemlösung bestand darin, die Verstärkung des Reglers wieder etwas zu verrin gern. Allerdings muss bei dieser Herangehensweise in Abhän gigkeit von den gegebenen Randbedingungen ein schlechteres und im Extremfall auch unerwünschtes Betriebsverha 1ten der Anlage in Kauf genommen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betrei ben eines als Abhitzedampferzeuger ausgebildeten Durchlauf dampferzeugers bereitzustellen, bei dem eine verbesserte Speisewasserregelung zu einem stabilen Betriebsverhalten der Anlage führt. Des Weiteren soll ein für die Durchführung des Verfahrens besonders geeigneter Zwangdurchlaufdampferzeuger angegeben werden.
Die Erfindung löst die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einem als Abhitzedanipierzeuger ausgebildeten Durchlaufdampferzeuger mit einem Vorwärmer, um fassend eine Anzahl von Vorwärmerheizflächen, und mit einem Verdampfer, umfassend eine Anzahl von den Vorwärmerheizflä chen strömungsmediumseitig nachgeschalteten Verdampferheiz flächen, bei dem einer Vorrichtung zum Einstellen eines Spei sewassermassenstroms ein Sollwert für den Speisewassermassen strom zugeführt wird, wobei bei der Erstellung des Sollwerts für den Speisewassermasseristrom ein auf ein Fluid in den Ver dampferheizflächen übertragener Abwärmestrom ermittelt wird sowie ferner Massenspeicherung und Energiespeicherung im Flu id in den Verdampferheizflächen beim instationären Anlagenbe trieb erfasst werden, ein zeitliches Verhalten der Massen speicherung im Verdampfer an ein zeitliches Verhalten einer Massenspeicherung im Vorwärmer gekoppelt wird, wobei eine
Skalierung mit einem Verhältnis der Dichteänderungen im Ver dampfer und im Vorwärmer erfolgt.
Wichtig ist es, zu verstehen, dass bei der vorliegenden Er- findung ein Beobachter im übertragenen Sinn nicht mit einem
Fluidteilchen verbunden ist und mit diesem durch den Verdamp fer strömt, sondern dass der Beobachter den Verdampfer als Bilanzraum betrachtet, in den Fluid ein- und ausströmt. Ein Fluidteilchen wird im normalen Betrieb der Anlage immer auf dem Weg vom Verdampfereingang zum Verdampferausgang Energie aufnehmen, egal ob der Anlagenbetrieb stationär oder instati onär verläuft. Anders ist es bei der Betrachtung des Systems gemäß der Erfindung, wo im stationären Betrieb der Anlage (des Verdampfers) an einem bestimmten Ort im Verdampfer zu unterschiedlichen Zeiten dieselben Temperaturen und Drücke gemessen werden und somit die Zeitableitungen der entspre chenden Terme in den den Vorgang beschreibenden Formeln Null werden. Durch das erfinderische Verfahren werden nun die zeitlichen Änderungen dieser Parameter im instationären Be- trieb des Verdampfers berücksichtigt. Dabei kann es selbst verständlich sowohl zu Energie- oder Massen-Einspeicherungen als auch zu Energie- oder Massenausspeicherungen kommen.
Mit diesem Verfahren, bei dem der Algorithmus zur Berechnung des Vorsteuersignals, der im Stand der Technik im einfachsten Fall lediglich den auf das Fluid im Verdampfer übertragenen
Wärmestrom fi berücksichtigt, der sich aus dem Wärmestrom im Abgas <?EG abzüglich der Wärmespeicherung im Wandmaterial der Heizflächenrohre Qs,w ergibt, um den Einfluss der fluid- seifigen Massen- und Energiespeichereffekte im Verdampfer er weitert wird, wird die Qualität des VorsteuerSignals insbe sondere für den beschriebenen Anwendungsfall des vertikalen Abhitzedampferzeugers weiter verbessert und somit die notwen dige Korrektur durch den Regler minimiert. Dies hat potenti ell zur Folge, dass der Regler dann wieder schwächer parame- triert werden kann, so dass das oben beschriebene Problem nicht auftritt, gleichzeitig aber auch das Betriebsverhalten der Anlage nicht negativ beeinflusst wird.
Vorteilhafterweise werden die Speicherterme für Massenspei cherung und Energiespeicherung aus aktuellen Messwerten be stimmt. Damit ist eine besonders zuverlässige Auswertung der Wärmestrombilanz und somit die Ermittlung eines besonders ge nau vorausberechneten Speisewasser-Sollwerts ermöglicht.
Zweckmäßigerweise sind die aktuellen Messwerte Drücke und Temperaturen am Vorwärmereingang, am Vorwärmerausgang respek tive Verdampfereingang und am Verdampferausgang.
Es ist vorteilhaft, wenn eine für die Abschätzung der Ener giespeicherung benötigte spezifische Enthalpie des Fluids im Verdampfer durch den arithmetischen Mittelwert von Siede- und Sättigungsenthalpie approximiert wird.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn Siedeenthalpie und Sättigungs enthalpie über mindestens eine Druckmessung am Verdampferein gang oder am Verdampferausgang ermittelt werden.
Die Korrekturwerte zu Massenspeicherung und Energiespeiche rung für die Ermittlung des Sollwerts für den Speisewasser- massenstrom werden vorteilhafterweise unter Berücksichtigung der zeitlichen Ableitungen der Siede- und Sättigungsenthal pien im Verdampfer sowie einer Dichte des Strömungsmediums im Vorwärmer bestimmt. Im Hinblick auf die Dichte kann insbeson dere durch geeignete Messungen von Temperatur und Druck am Eintritt und am Austritt der jeweiligen Vorwärmerheizflache eine mittlere Fluiddichte im Vorwärmer definiert und berech net werden, wobei zweckmäßigerweise ein lineares Dichteprofil zugrunde gelegt wird. Damit lassen sich Massenspeichereffekte kompensieren, die sich bei transienten Vorgängen ergeben. Wenn beispielsweise bei einer Laständerung die Wärmezufuhr in die Verdampferheizflächen absinkt, so wird dort temporär Flu- id eingespeichert. Bei konstantem Förderstrom der Speisewas serpumpe würde somit der Massenstrom beim Austritt der Heiz fläche absinken. Dies lässt sich nun durch eine temporäre Er höhung des Speisewassermassenstroms kompensieren.
In der Praxis werden diese zeitlich veränderlichen Vorgänge bzw . zeitlichen Ableitungen vorteilhafterweise über ein ers tes und ein zweites Differenzierglied, bevorzugt DTl-Glieder, ermittelt, denen einganqsseitig an geeigneten Messstellen Pa rameter wie Temperatur und Druck zugeführt werden.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn das den zeitlichen Verlauf der Dichteänderung im Vorwärmer für die Abschätzung der Massen speicherung beschreibende erste Differenzierglied mit einem dem Gesamtvolumen des Strömungsmediums in den Verdampferheiz flächen entsprechenden Verstärkungsfaktor beaufschlagt wird.
Die mit der Erfindung erzeugten Korrektursignale für den Speisewassermassenstrom können Effekte der Massen- und der
Energiespeicherung besonders vorteilhaft abbilden, wenn ge. eignete Verstärkungen und Zeitkonstanten für das jeweilige DT-l-Glied gewählt werden.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das erste Differenzier glied mit einer im Wesentlichen der Hälfte der Durchlaufzeit des Strömungsniediums durch den Verdampfer entsprechenden Zeitkonstante beaufschlagt wird.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn das zweite Differenzierglied für die Abschätzung der Energiespeicherung mit einer Zeitkon stante beaufschlagt wird, die zwischen 5s und 40s liegt.
Bezüglich des Zwangdurchlaufdampferzeugers wird die genannte Aufgabe gelöst durch einen Zwangdurchlaufdampferzeuger mit einer Anzahl von Verdampferheizflächen und einer Anzahl von strömungsmediumseitig vorgeschalteten Vorwärmerheizflächen und mit einer Vorrichtung zum Einstellen des Speisewassermas senstroms , die anhand eines Sollwerts für den Speisewasser massenstrom führbar ist, wobei der Sollwert anhand des erfin derischen Verfahrens ausgelegt ist,
Mit der vorliegenden Erfindung kann die Korrektur des Vor steuersignals durch den Regler merklich reduziert und der Regler mit einer geringeren Verstärkung parametriert werden. Das oben beschriebene Problem unerwünschter Prozessrest- Schwankungen von signifikanter Größenordnung kann damit besei tigt werden. Das Betriebsverhalten der Anlage wird nicht ne gativ beeinflusst.
Es sind auch empirisch gefundene Korrekturfaktoren für das Vorsteuersignal (oder gar ganze Parameterfelder) denkbar.
Diese zu finden bedeutet allerdings einen sehr großen Auf wand. Im Gegensatz dazu basiert die beschriebene Erfindung auf physikalischen Ansätzen und muss nicht weiter parame triert werden.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch;
Figur 1 eine Skizze des Algorithmus zur Berechnung des
Speisewassermassenstroms und
Figur 2 eine Darstellung der Messgrößen und der daraus ab geleiteten Approximationen für die Änderungen im Algorithmus zur Berechnung des Sollwerts des Spei sewassermassenstroms , wie sie in der Kraftwerksau tomatisierung zu implementieren sind .
Die Figur i zeigt schematisch die sich aus der Erfindung er gebende Änderung des Algorithmus zur Berechnung des Sollwerts für den Speisewassermassenstrom M™ . Dabei ist der erfin- dungsrelevante Anteil des Algorithmus innerhalb der gestri chelten Umrandung und der Stand der Technik außerhalb darge stellt . Der Sollwert für den Speisewassermassenstrom MFW setzt sich demnach zusammen aus dem Speisewassermassenstrom für den Ver dampfer MEV,in und dem im Vorwärmer ein- oder ausgespeicherten Massenstrom MS,E, korrigiert mit einem Faktor fctri ·
Der Speisewassermassenstrom für den Verdampfer MEv,in ergibt sich nach dem Stand der Technik als Quotient des vom Abgas auf das Fluid im Verdampfer übertragenen Wärmestroms ^EV, fi und des Sollwerts für die Enthalpieänderung im Verdampfer
Figure imgf000010_0001
Ev, set . Der auf das Fluid im Verdampfer übertragene Wär¬ mestrom EV, fi wiederum ergibt sich aus dem Wärmestrom im Ab¬ gas QEG abzüglich der Wärmespeicherung im Wandmaterial der Heizflächenrohre Qs,w.
Erfindungsgemäß wird der Term für den auf das Fluid im Ver¬ dampfer übertragenen Wärmestrom durch zwei weitere Terme er gänzt und korrigiert.
Die erste Korrektur betrifft den Massenspeichereffekt im Ver dampfer, die zweite Korrektur betrifft den Energiespeicheref¬ fekt im Verdampfer.
Der Massenspeichereffekt ist in den Wärmeströmen der Figur 1
dMEv
durch das Produkt aus di {Massenspeicherung) und EV, out set
düEv
{Enthalpie am Austritt des Verdampfers) dargestellt. dt steht für den Energiespeichereffekt.
Diese Werte werden gemäß der Erfindung geeignet approximiert, so dass sie aus .gemessenen Prozessgrößen bestimmt werden kön¬ nen .
Figur 2 zeigt diese Messgrößen bzw. die Messpunkte im Zwang durchlauf-Abhitzedampferzeuger und deren Verarbeitung.
Der Zwangdurchlauf-Abhitzedampferzeuger gemäß Figur 2 umfasst einen auch als Economizer bezeichneten Vorwärmer 1 für als Strömungsmedium vorgesehenes Speisewasser, mit einer Anzahl von Vorwärmerheizflächen 2, sowie einen Verdampfer 3 mit ei ner Anzahl von den Vorwärmerheizflächen 2 strömungsmediumsei tig nachgeschalteten Verdampferheizflachen 4. Auf den Ver- dampfer 3 folgt ein Überhitzer 12 mit entsprechenden Überhit zerheizflächen 13. Die Heizflächen befinden sich in einem nicht näher dargestellten Gaszug, der mit dem Abgas einer zu geordneten Gasturbinenanlage beaufschlagt wird. Der Zwangdurchlaufdampferzenger ist, wie bereits ausgeführt, für eine geregelte Beaufschlagung mit Speisewasser ausgelegt. Dazu ist einer Speisewasserpumpe 31 ein von einem Stellmotor
32 angesteuertes Drosselventil 33 nachgeschaltet, so dass über eine geeignete Ansteuerung des Drosselventils 33 die von der Speisewasserpumpe 31 in Richtung des Vorwärmers 1 geför derte Speisewassermenge oder der Speisewassermassenstrom ein stellbar ist. Zur Ermittlung eines aktuellen Kennwerts für den zugeführten Speisewassermassenstrom ist dem Drosselventil
33 eine Messeinrichtung 34 zur Ermittlung des Speisewasser- massenstroms durch die Speisewasserleitung 35 nachgeschaltet.
Der Stellmotor 32 ist über ein Regelelement 36 angesteuert, das eingangsseitig mit einem über eine Datenleitung 37 zuge führten Sollwert für den Speisewassermassenstrom MF und mit dem über die Messeinrichtung 34 ermittelten aktuellen Istwert des Speisewassermassenstroms beaufschlagt ist. Durch Diffe renzbildung zwischen diesen beiden Signalen wird an den Reg ler 36 ein Nachführungsbedarf übermittelt, so dass bei einer Abweichung des Istwerts vom Sollwert eine entsprechende Nach führung des Drosselventils 33 über die Ansteuerung des Motors 32 erfolgt .
Zur Ermittlung eines besonders bedarfsgerechten Sollwerts für den Speisewassermassenstrom MFW in der Art einer prädiktiven, vorausschauenden oder am zukünftigen oder aktuellen Bedarf orientierten Einstellung des Speisewassermassenstroms ist die Datenleitung 37 eingangsseitig mit einer zur Vorgabe des Sollwerts für den Speisewassermassenstrom MFW ausgelegten Speisewasserdurchflussregelung 38 verbunden. Diese ist dafür ausgelegt den Sollwert für den Speisewassermassenstrom MFW anhand einer Wärmestrombilanz in den Verdampferheizflächen 4 zu ermitteln, wobei der Sollwert für den Speisewassermassen strom MFW dadurch ermittelt wird, dass ein auf ein Fluid in den Verdampferheizflächen 4 übertragener Äbwärmestrom be stimmt wird und ferner Massenspeicherung und Energiespeiche rung im Fluid in den Verdampferheizflächen 4 berücksichtigt werden. Zu Lasten der Vollständigkeit, aber zugunsten der Übersichtlichkeit zeigt die Figur 2 in der Speisewasserdurch flussregelung 38 lediglich die Elemente, die für die erfin dungsgemäße Korrektur des Speisewassermassenstromsollwertes MF relevant sind. Der aus dem Stand der Technik bekannte Teil ist nicht dargestellt.
Die Messwerte zur Bestimmung eines Sollwerts für den Speise wassermassenstrom FW sind Druck- und Temperaturwerte und die Messstellen liegen in den Bereichen Vorwärmereingang 5, Vor wärmerausgang 6 bzw. Verdampfereingang 7 und Verdampferaus gang 8.
Die ermittelten Messwerte werden in Funktionsgliedern 14, 15, 16, 17 und 18 verarbeitet. Mittels der ersten, zweiten und dritten Funktionsglieder 14, 15, und 16 wird aus den Messwer ten zu Druck und Temperatur die Dichte des Fluids an ver schiedenen Orten der Heizflächen von Vorwärmer 1 und Verdamp fer 3 bestimmt. Die vierten und fünften Funktionsglieder 17 und 18 liefern aus gemessenen Druckwerten die Siede- und Sät tigungsenthalpie .
dMEv
Der Speicherterm für die Massenspeicherung dt wird approxi miert, indem aus den ermittelten Dichten am Vorwärmereingang b und am Vorwärmerausgang 6 zuerst über ein erstes Addier glied 19 und ein erstes Multiplikationsglied 20 ein Mittel wert gebildet wird, der anschließend im ersten Differenzier glied 9 mit einer entsprechend gewählten Zeitkonstanten wei ter verarbeitet und mit einem dem Gesamtvolumen VEV des Strö mungsmediums in den Verdampferheizflächen 4 entsprechenden Verstärkungsfaktor im zweiten Multiplikationsglied 21 beauf schlagt wird.
Eine weitere Skalierung erfolgt in einem nachfolgenden drit ten Multiplikationsglied 22 mit einem Verhältnis der Dich teänderungen des Fluids im Verdampfer 3 und im Vorwärmer 1, welches mittels der ersten und zweiten Subtrahierglieder 23 und 24 und des ersten Dividierglieds 25 in der Weise bestimmt wird, wie in der Figur 2 gezeigt.
Figure imgf000013_0001
Der Speicherterm für die Energiespeicherung dt wird appro ximiert , indem aus den ermittelten Enthalpien ein Mittelwert mit Hilfe des zweiten Addierglieds 26 und des vierten Multi plikationsglieds 27 gebildet wird . Dieser Mittelwert stellt eine gute Annahme für die spezifische Enthalpie des Fluids im Verdampfer 3 dar . dUEV
Der Speicherterm für die Energiespeicherung dt wird nun durch die Summe zweier Terme bestimmt. Der erste Term wird dadurch ermittelt, dass die spezifische Enthalpie des Fluids im Verdampfer 3 im zweiten Differenzierglied 10 mit einer entsprechend gewählten Zeitkonstanten weiter verarbeitet und mit einem Mittelwert der Fluidmassen MEv im Verdampfer bei maximaler und minimaler Last im fünften Multiplikationsglied 28 beaufschlagt wird. Dieser Mittelwert wird der Einfachheit halber als zeitlich konstanter Wert angesehen. Der zweite Term wird ermittelt, indem die spezifische Enthalpie des Flu ids im Verdampfer 3 mit dem Speicherterm für die Massenspei- dM v
cherung dt multipliziert wird. Dies erfolgt im sechsten Multiplikationsglied 29.
Im dritten Addierglied 30 werden die beiden Terme zusammenge führt . Der entsprechende Algorithmus ist in den Funktionsplänen der Speisewasserregelung und damit in der Kraftwerksautomatisie- rung zu implementieren.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines als Abhitzedampferzeuger ausgebildeten Durchlaufdampferzeugers mit einem Vorwärmer (1), umfassend eine Anzahl von Vorwärmerheizflächen (2), und mit einem Verdampfer (3) , umfassend eine Anzahl von den Vorwärmerheizflächen (2) strömungsmediumseitig nach geschalteten Verdampferheizflächen (4), bei dem einer Vorrichtung zum Einstellen eines Speisewassermassenstroms ein Sollwert für den Speisewassermassenstrom zugeführt wird, wobei bei der Erstellung des Sollwerts für den Speisewassermassenstrom ein auf ein Fluid in den Ver dampferheizflächen (4) übertragener Abwärmestrom ermit telt wird sowie ferner Massenspeicherung und Energiespei cherung im Fluid in den Verdampferheizflächen (4) beim instationären Anlagenbetrieb erfasst werden,
dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitliches Verhalten der Massenspeicherung im Verdampfer (3) an ein zeitliches Verhalten einer Massenspeicherung im Vorwärmer (1) gekop pelt wird, wobei eine Skalierung mit einem Verhältnis der Dichteänderungen im Verdampfer (3) und im Vorwärmer (1) erfolgt .
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Speicherterme für Mas senspeicherung und Energiespeicherung aus aktuellen Mess werten bestimmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die aktuellen Messwerte Drücke und Temperaturen am Vorwärmereingang (5) , am Vor wärmerausgang (6) respektive Verdampfereingang (7) und am Verdampferausgang (8) sind.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine für die Abschätzung der Energiespeicherung benötigte spezifische Enthalpie des Fluids im Verdampfer (3) durch den arithmetischen Mittelwert von Siede- und Sättigungs enthalpie approximiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei Siedeenthalpie und Sät tigungsenthalpie über mindestens eine Druckmessung entwe der am Verdampfereingang (7) oder am Verdampferausgang (8) ermittelt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei zeitliche Ableitungen der Siede- und Sättigungsenthalpien im Verdampfer (3) so wie einer Dichte des Strömungsmediums im Vorwärmer (1) ausgewertet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die zeitlichen Ableitun gen über erste und zweite Differenzierglieder (9, 10) er mittelt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das den zeitlichen
Verlauf der Dichteänderung im Vorwärmer (1) für die Ab schätzung der Massenspeicherung beschreibende erste Dif ferenzierglied (9) mit einem dem Gesamtvolumen des Strö mungsmediums in den Verdampferheizflächen (4) entspre chenden Verstärkungsfaktor beaufschlagt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei das erste Differenzierglied (9) mit einer im Wesentlichen der Hälfte der Durchlaufzeit des Strömungsmediums durch den Verdampfer (3) entsprechenden Zeitkonstante beaufschlagt wird .
10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das zweite Differenzier glied (10) für die Abschätzung der Energiespeicherung mit einer Zeitkonstante beaufschlagt wird, die zwischen 5s und 40s liegt.
11. Zwangdurchlauf-Abhitzedampferzeuger (11) mit einer Anzahl von Verdampferheizflächen (4) und einer Anzahl von strö mungsmediumseitig vorgeschalteten Vorwärmerheizflächen (2) und mit einer Vorrichtung zum Einstellen des Speise wassermassenstroms, die anhand eines Sollwerts für den Speisewassermassenstrom führbar ist, wobei der Sollwert anhand des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgelegt ist.
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