DE2151661A1

DE2151661A1 - Einrichtung zur anzeige oder kontrolle von lastaenderungen einer dampf- oder gasturbine

Info

Publication number: DE2151661A1
Application number: DE19712151661
Authority: DE
Inventors: Hans Georg Dlugos; Friedrich Dipl-Ing Zerrmayr
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1971-10-16
Filing date: 1971-10-16
Publication date: 1973-04-19
Also published as: US3832893A; NL7213690A; GB1362631A; DE2151661B2; SE379571B; JPS4846707A; FR2157508A5

Description

Kraftwerk Union Aktiengesellschaft Erlangen, 15.10.71

Werner-von-Siemens-Str.

Unser Zeichen:
PA 71/9322 Skn/Di

Einrichtung zur Anzeige oder Kontrolle von Laständerungen
einer Dampf- oder Gasturbine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Anzeige
oder Kontrolle der jeweils als zulässig zu erachtenden Grenzen "beabsichtigter Laständerungen einer mit gleichbleibender oder wechselnder Last betriebenen Dampf- oder Gasturbine mit einem Rechengerät, dem laufend für das Auftreten von thermischen Spannungszuständen maßgebende Meßwerte zugeleitet werden, wobei auch die thermischen Zustände der Turbinenwelle zu · berücksichtigen sind.

Es ist ansich eine Einrichtung zur Anzeige der jeweils
wünschenswerten Grenzen etwaiger Laständerungen einer Dampfoder Gasturbine bekannt geworden, bei der neben der Messung
der vom angetriebenen Stromerzeuger gelieferten elektrischen Leistung die Temperatur des Frischdampfes gemessen und darüber hinaus gegebenenfalls Druck und Temperatur des Dampfes an einer Entnahmestelle bzw. Druck und Temperatur des Abdampfes erfaßt werden, wobei man diese Werte in einer Meßeinrichtung mit einer künstlich gebildeten auf Grund von Erfahrungen gewählten· Abkling funktion vergleicht und die aus diesem Vergleich gewonnenen
Impulse zur Anzeige der wünschenswerten Laständerungsgrenzen ausnutzt (z.B. DAS 1 4-01 4-53).

Darüber hinaus werden bei der Erfindung auch die thermischen Zustände der Turbinenwelle berücksichtigt, da auf Grund von
geometrischen Gegebenheiten und von Werkstoffeigenschaften
die Wellen bei Leistungs- .bzw. Temperaturänderungen thermisch

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außerordentlich stark "beansprucht werden. TJm die thermischen Beanspruchungen in einem Leitrechner kontrollieren zu können, muß man aber jeweils über den Temperaturverlauf in einer Turbinenwelle unterrichtet sein. Die bestehenden Möglichkeiten einer direkten Temperaturmessung an oder im Innern schnell rotierender Bauteile, wie dies eine Turbinenwelle ist, erfüllen aber nicht die Ansprüche, die hinsichtlich Betriebssicherheit und Meßgenauigkeit gefordert werden müssen.

Man hat daher schon versucht, den thermischen Zustand einer Turbinenwelle indirekt durch andere Meßwerte nachzubilden. ψ Bei einer bekannten Vorrichtung zur Nachbildung dieses. Zustandes hat man sich eines zusätzlichen Körpers bedient, der aus einer kreisringförmigen Scheibe gebildet wird und auf der Dampfeinleitung zwischen Turbineneinlaßventil und Einströmung angeordnet wird, wobei der Innendurchmesser der Dampfleitung dem Wellenumfang und der Außendurchmesser der Scheibe der Wellenmitte entspricht (z.B. .0S 1 917 564).

Es hat sich aber herausgestellt, daß eine derartige Nachbildung nicht immer hinreichend genaue Meßwerte liefert, ganz abgesehen davon, daß derartige Modellkörper, die das thermische Verhalten der Welle nachbilden sollen, einen unerwünscht hohen Aufwand bedeuten.

Diese Nachteile werden durch die Erfindung beseitigt. Die Erfindung besteht darin, daß der zeitliche Verlauf der mittleren integralen Temperatur in der Turbinenwelle aus kontinuierlich oder in kurzen Intervallen laufend erfaßten Temperaturmeßwerten nachgebildet wird, die von der zeitlich veränderlichen Oberflächentemperatur der Welle hergeleitet sind oder ihr entsprechen.

Ein insbesondere als elektronischer Analogrechner ausgebildetes Rechengerät kann die für die freie Verformung maßgebende,

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über den betrachteten Wellenquerschnitt integral gemittelte Temperatur aus einer im Gehäuseinnern gemessenen Temperatur, die in ihrem Verlauf der Wellenoberflächentemperatur entspricht, rechnerisch ermitteln. Dabei läßt sich die Differenz der gemessenen Oberflächentemperatur oder der entsprechenden Ersatztemperatur einerseits und der gerechneten mittleren Temperatur andererseits als Maß für die thermische Beanspruchung heranziehen.

Zur Abnahme der Meßwerte läßt sich eine dampfseitige oder gasseitige Gehäusemeßstelle heranziehen, deren Temperaturverlauf sich weitgehend übereinstimmend mit dem an der Wellenoberflä- | ehe verhält. Im Gegensatz zu den bekannten aufwendigen Modellkörpern mit Temperatursonden und Temperatursimulatoren, die das thermische Verhalten der Welle nachbilden sollen, ist diese Meßstelle also verhältnismäßig einfach zu gestalten und erfordert keine zusätzlichen konstruktiven Maßnahmen.

Da die integrale mittlere Temperatur schneller auf Temperaturänderungen des umgebenden Mediums reagiert als eine fest an einem Ersatzmeßort gemessene mittlere Temperatur, die nur bei bestimmten Temperaturverteilungen der integral gemittelten Temperatur der Welle entspricht, erlaubt die Erfindung kleinere Temperaturdifferenzen zu erfassen und damit den tatsächlichen Verhältnissen weitgehend nahe zu kommen. Dies gestattet I im Endergebnis eine bessere Ausnutzung der zulässigen Temperaturdifferenzen, wodurch dann oft schnelle Temperatur- und Leistungsänderungen möglich werden. Die Erfindung erlaubt weiterhin, elektronische Rechenbausteine zu verwenden, die eine leichte und jederzeit modifizierbare Anpassung des Gerätes an jeweils anlagebedingte Verhältnisse gestatten.

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Figuren zeigen schematisch ein Ausführungsbeispiel und die Wirkungsweise der Einrichtung nach der Erfindung.

Wie aus Pig. 1 ersichtlich ist, befindet sich im Innern des

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aus dem Oberteil 1 und dem Unterteil 2 bestehenden Gehäuses einer Gas- oder Dampfturbine die Welle 3, deren thermische Spannungszustände in ihrem zeitlichen Verlauf erfaßt werden sollen. Die für die freie Verformung maßgebende, über den betrachteten Wellenquerschnitt integral gemittelte Temperatur wird aus einer im Innenraum 4 der Turbine gemessenen Temperatur, die in ihrem Verlauf der nicht direkt gemessenen Wellenoberflächentemperatur entspricht, ermittelt. Zur Erfassung der Temperatur dient mindestens ein Temperaturmeßfühler 5» der von der Innenwand mindestens eines der Gehäuseteile 1 oder 2 in den Raum 4 hineinragt.oder unmittelbar im Bereich der Innenwand liegt, oder auch in anderer Weise so angeordnet ist, daß sich die dort vorhandene Temperatur weitgehend gleich wie die Wellenoberflächentemperatur verhält. Das so gewonnene Temperatursignal *& wird auf dem Wege 6 einerseits mit dem Simulator 7 und andererseits über den Weg 8 unmittelbar einem Eingang eines Leitrechners z.B. einem Wandtemperaturgerät 9 zugeleitet. Der Rechner 7 führt auf dem Weg 10 ein nachgebildetes Signal & einem zusätzlichen Eingang des Gerätes 9 zu, wobei jetzt die Differenz der gemessenen Ersatzoberflächentemperatur o^ und der errechneten mittleren Temperatur λ9»_ als Maß für die thermische Beanspruchung herangezogen werden kann.

In Figur 2 ist die Herleitung der mittleren Wellentemperatür „9» und die Temperaturverteilung in der Welle 3 mit dem Radius R veranschaulicht. Bei der Turbinenwelle liegt der Wert mit der größten Abweichung vom Mittelwert im nicht-stationären lall an der Oberfläche, die ja am stärksten auf Temperaturänderungen reagiert. Die mittlere Temperatur *0» müßte im Innern der Welle gemessen werden; allerdings hängt die Lage des Meßwertes von der Form des Temperaturfeldes ab. Ausgehend von einem ausgeglichenen Temperaturzustand liegt die mittlere Temperatur unmittelbar nach einem Sprung der Oberflächentemperatur & noch sehr oberflächennahe (Kurve I). Mit zunehmendem Temperaturausgleich verkürzt sich der Ortsradius der mittleren Temperatur. Die mittlere Temperatur wandert auf

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die Wellenachse zu. Bei einem parabolischen Temperaturverlauf, wie er "bei quasistationären Temperaturveränderungen auftritt,

liegt der Ort der mittleren Wellentemperatur bei 0,71 R (Kurve II).

Unter der Voraussetzung, daß die Wärmeleitung eindimensional er folgt, d.h., daß man den Wärmetransport in Achsrichtung vernachlässigen kann,'läßt sich für den zeitlichen Verlauf von

/^. eine Lösung angeben, und zwar für eine sprunghafte Änderung der Oberflächentemperatur ^_· Diese Lösung stellt eine Übergangs funktion für λ9» dar und charakterisiert das zeitliche Verhalten dieser Temperatur. Bildet man diese Punktion in einer elektronischen Schaltung nach, so erhält man am Ausgang der Schaltung das zeitverzögerte Signal ^_n,* wenn man am Eingang ein Signal *& eingibt; dabei kann die Änderung von *9* nach einem beliebigen zeitlichen Verlauf erfolgen.

Figur 3 zeigt das nachgebildete zeitliche Verhalten von <■& in Abhängigkeit vom gemessenen Temperaturwert ^₀· Zum Zeitpunkt Null der Rechnung muß Temperaturausgleich in der Welle herrschen. Diese Bedingung ist erfüllt, da die radialen Temperaturunterschiede in der Welle im stationären Fall sehr gering sind. .

Im Gegensatz zur ortsfesten Messung, die in den ersten Augenblicken nach einer Temperaturänderung zu große Differenzen zwischen /$ und <& ergeben würde, erhält man hier Temperatur differenzen, die der wahren thermischen Belastung entsprechen. Für das Auffinden eines Temperatursignals, das dem Verlauf der Oberflächentemperatur der Welle entspricht, kommt es nicht so sehr darauf an, den Absolutwert genau zu kennen, sondern vielmehr den zeitlichen Ablauf, da ja im wesentlichen nur die Differenz *& -<& aussagekräftig ist.

Wenn man als Ersatz-Meßstelle für *9» z.B. die Oberfläche des Innengehäuses gegenüber dem zu überwachenden Wellenabschnitt

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wählt, wird, besonders "bei Sattdampfturbinen mit überwiegend Kondensati onswärmeüb ergang-, durch, diese Messung die Wellenoberflächentemperatur gut ersetzt.

Die Differentialgleichung der Wärmeleitung lautet in einem Zylinderq[uerschnitt mit r als Radius und als Temperatur:

— a

■)

dt -" \ 9_T ^T ^r a

mit der Temperaturleitfähigkeit a, die eine Werkstoffgröße ist,

Als Randbedingung wird die als bekannt angesehene Oberflächentemperatur eingeführt.

Die mittlere Temperatur eines Zylinders mit eindimensionaler Verteilung berechnet sich nach der Beziehung:

R ■

^m R

r=o

wobei R den Außenradius der Welle darstellt. Als Lösung ergibt sich

k=1

wobei/U₁₇. für K = 1 bis K = 00 tabellarische Werte beinhaltet

■ / *·
und die Größe

die Form einer Zeitkonstanten hat. Sie berücksichtigt die Abmessungen und die Materialeigenschaften der Welle.

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Die nachzubildende mathematische Beziehung für die Änderung 9> nach einem Spru
hat also die Form:

von *9> nach einem Sprung der Oberflächentemperatur von ο auf

rU "C U "C- «ι

1 - (K₁ e"T. + K_oe~T_o + K~e~T, + K_Ae~T_A + *...)

wobei sowohl die Konstanten Κ™, als auch die Zeitkonstanten Tg. mit steigendem Indices k rasch kleiner werden. , ■

Die einzelnen e-Funktionen der Gleichung lassen sich mit guter Genauigkeit in Langzeitkonstanz mit bekannten Bausteinen nachbilden. ■ f

Wie weit man den Aufwand für die elektrische Schaltung treiben muß, um eine hinreichend genaue Nachbildung der thermischen Verhältnisse zu erhalten, hängt im konkreten Falle von der Größe der Zeitkpns.tanten T., T₂, T, ... ab.

Im praktischen Anwendungsfalle wird es genügen, die Reihe der e-Funktionen nach dem zweiten Glied abzubrechen und die restlichen Glieder durch ein noch zu ermittelndes Korrekturglied zu ersetzen. Das Korrekturglied soll den durch Abbruch der e-Funktionen bedingten Fehler, der im Zeitpunkt t = ο besonders spürbar ist, eliminieren.

Die ersten beiden Glieder der e-Reihe sowie das relativ kurze Zeit wirksame Korrekturglied werden mit drei Langzeitintegratoren nachgebildet und mit dem Summationsverstärker einzeln bewertet und zur Gesamtfunktion zusammengesetzt.

Die Schaltung des in Figur 1 mit 7 bezeichneten Simulators ist in Figur 4 dargestellt. Auf dem Wege 6 gelangt das Eingangssignal als gemessene Oberfläehentemperatur +"^_o zum Simulator 7· Am Ausgang des Verstärkers V« wird das Temperatursignal in eine normierte elektrische Größe umgewandelt, sodaß sich am Punkt 14 eine normierte Eingabespannung entsprechend dem

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Temperaturwert -<&. ergibt-«

Die drei Langzeitintegfatof en sind mit J-, J₂ und J, bezeiciaiiet. An den Punkten Π, 12 und 13 ergeben sick die entspre-

t__ %__ _'t eilenden Teilfunktionen (1 - e~ T., 1 - e~ T₂, 1 - e

Am Ausgang des Summierverstärkers Vj ergibt sieh, am Punkt der nachgebildete Wert de:
Für die Verstärkung gilt':

der nachgebildete Wert der mittleren Temperatur -""&_

Die allgemeine Form der Funktion *Φ (<&₀,t) mit 2 Gliedern und Korrekturglied heißt:

& = ^_A Γ T - (K₁ e" Τ" + K_oe"
m ο L 1 1 2

Mit der Bedingung

K₁ + Ko ■*■ K«. = 1
erhält man

ft U _

tr ^ 1 _ö*~ m ^ -ι 'τ Yi _ _Q~ fn \ j. TT ( ι _ e~

Xv₁ I I ~" -B X₁ Vt Λ— Vl — C X r) / τ XVt»· \ I C

I Ic ί. xV.

Der Wert der 'eckigen Klammer wird schrittweise ermittelt.

_ t_ Die Integratoren J₁ und J₂ bilden die Funktionen (1 - e~ T₁

_ t__
Und (1 - e~ T₂ ) mit den Zeitkonstanten T₁ und T₂.

_ t_ Der Integrator J, errechnet die Korrekturfunktion (1 - e~ Tj

mit der aus dem vorgegebenen Funktionsverlauf ermittelten

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Zeitkqnstanten iDg. Im Summationsverstärker Vj werden die drei Punktionen entsprechend der Paktoren K₁, K₂ und "bewertet und zur Gesamtfunktion aufsummiert.

4 Patentansprüche
4 Figuren

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Claims

- 10 - ' PA 71/9322 Patentansprüche

/ I./Einrichtung zur Anzeige oder Kontrolle der jeweils als zulässig zu erachtenden Grenzen beabsichtigter Laständerungen einer mit gleichbleibender oder wechselnder Last betriebenen Dampf-oder Gasturbine mit einem Rechengerät, dem laufend für das Auftreten von thermischen Spannungszustanden maßgebende Meßwerte zugeleitet werden, wobei auch die thermischen Zustände der Turbinenwelle zu berücksichtigen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Verlauf der mittleren integralen Temperatur in der Turbinenwelle aus kontinuierlich oder in kurzen Intervallen laufend erfaßten Temperaturmeßwerten nachgebildet wird, die von der zeitlich veränderlichen Oberflächentemperatur der Welle hergeleitet sind oder ihr entsprechen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein insbesondere als elektrischer Analogrechner ausgebildetes Rechengerät, das die für die freie Verformung maßgebende über den betrachteten Wellenquerschnitt integral gemittelte Temperatur aus einer im Gehäuseinnern gemessenen Temperatur, die in ihrem Verlauf der Wellenoberflächentemperatur entspricht, rechnerisch ermittelt.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der gemessenen Oberflächentemperator oder der Ersatztemperatur und der gerechneten mittleren Temperatur als Maß für die thermische Beanspruchung dient.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Temperaturmeßfühler im Innern des ■ Gehäuses an einer solchen Stelle angeordnet ist, an der sich die Temperatur weitgehend übereinstimmend mit der an der Wellenoberfläche verhält.

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