DE2732219B1 - Verfahren und Einrichtung zur Regelung einer Zwischenueberhitzer-Dampfturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung einer Zwischenüberhitzer-Dampfturbine, bei dem ein Sollwert-Istwertvergleich der Drehzahl durchgeführt und eine von der Sollwert-Istwertdifferenz abgeleitete Stellgröße auf eine Regelventilanordnung gegeben wird. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens, bo

Dampfturbinenregelungen umfassen eine Drehzahlregelung im allgemeinen in Form einer direkten Drehzahlregelung mit im wesentlichen einfach geschlossenem Regelkreis oder in Form einer Drehzahlbzw. Frequenz-Leistungsregelung, z. B. als Leistungsre- _h > gelkreis mit unterlagertem Drehzahlregelkreis. In beiden Fällen wird ein Sollwert-Istwertvergleich der Drehzahl durchgeführt und von der Sollwert-Istwertdifferenz — direkt bzw. indirekt — eine Stellgröße abgeleitet. Für die Stabilität und Güte der Regelung, d. h. für einen raschen und schwingungsfreien Übergang zwischen verschiedenen, stationären Drehzahlen nach Auftreten von stoßartigen Störungen, z. B. durch Lastsprünge im Netz eines mit der Turbine gekuppelten elektrischen Generators, ist eine Optimierung des Übergangsverhaltens des Regelkreises mit entsprechender Dämpfung erforderlich. Für diese Optimierung stehen bei komplexen Regelschaltungen verschiedene Übertragungsglieder mit einstellbaren oder wählbaren Parametern zur Verfügung, was jedoch mit vergleichsweise hohem Schaltungsaufwand verbunden ist Insbesondere bei Anlagen mit mechanischen oder hydraulischen, proportional wirkenden Drehzahlregelungen kann die Erzielung eines raschen und schwingungsfreien Drehzahl-Übergangsverhaltens Schwierigkeiten bereitea Dies trifft vor allem für Turbinen-Generatorsätze zu, die sowohl im sogenannten Inselbetrieb wie auch im Verbundbetrieb arbeiten sollen.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Regelungsverfahrens und einer entsprechenden Einrichtung, mittels deren ein vorteilhaftes Drehzahl-Übergangsverhalten mit vergleichsweise geringem regelungstechnischem Aufwand erzielt werden kann, und zwar insbesondere — wenn auch nicht ausschließlich — für einfache Proportional- Proportional-Drehzahlregelungen, z. B. für im Insel- und Verbundbetrieb arbeitende Turbinen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich in Verbindung mit den eingangs genannten Merkmalen dadurch, daß von dem Zwischenüberhitzerdruck eine zeitlich auf Null nachgebende Rückführgröße abgeleitet und gegensinnig zur Stellgröße in den Regelkreis eingekoppelt wird.

Entsprechend kennzeichnet sich die erfindungsgemäße Einrichtung zur Lösung der gestellten Aufgabe dadurch, daß der Ausgang eines an den Zwischenüberhitzer angeschlossenen Druck-Meßwandlers durch eine Übertragungsschaltung mit auf Null nachgebendem Verzögerungsverhalten an einem gegensinnig zur Stellgröße wirkenden Eingang eines im Regelkreis angeordneten Überlagerungsgliedes angeschlossen ist

Für eine durch eine Störung, z. B. einen Lastsprung, verursachte Stellgrößenänderung wirkt die Rückführgröße im Sinne einer Gegenkopplung, vermindert also grundsätzlich die entsprechende Stellgrößenänderung, jedoch mit einer Verzögerung entsprechend der Strömungsträgheit des Zwischenüberhitzers, d.h. der Zwischenüberhitzer-Zeitkonstante. Infolge dieser Trägheit reagiert der Druck am Ausgang des Zwischenüberhitzers mit einer Verzögerungszeitkonstante in der Größenordnung von einigen Sekunden auf eine einlaßseitige Druckänderung der vorangehenden Turbinenstufe, die ihrerseits mit nur geringer Verzögerung dem Eingriff der Regelventilanordnung unter der Wirkung der Stellgröße folgt Im groben kann die stabilisierende Wirkung dieser Rückführung dadurch gedeutet werden, daß es im allgemeinen bevorzugt die Strömungsträgheit des Zwischenüberhitzers und damit die verzögerte Reaktion des Drehmomentenanteils der nachfolgenden Turbinenstufe ist die zu Überschwingen und allenfalls Instabilität Anlaß geben kann. Diese verzögerte Reaktion der Regelstrecke kann durch die vorliegende Gegenkopplung mehr oder weniger kompensiert werden. Dabei ist das auf Null nachgebende Übergangsverhalten der Rückführgröße wesentlich, weil dadurch eine zusätzliche Statikkomponente, d. h.

ORIGINAL INSPECTED

ein zusätzlicher stationärer Regelfehler, vermieden wird.

Das nachgebende Übergangsverhalten der Rückführung kann auf einfache Weise mittels eines differenzierenden Übertragungsgliedes (D-G\ied) in der Übertragungsschaltung des Rückführzweiges oder durch ein zusammengesetztes Übertragungsglied mit differenzierend wirkendem Zählerterm seiner Übertragungsfunktion verwirklicht werden. Im allgemeinen enthält die Übertragungsschaltung dabei ferner ein serielles Verzögerungsglied, und zwar in vorteilhaft einfacher Ausgestaltung der Erfindung ein solches erster Ordnung. Bei passender Bemessung der entsprechenden Verzögerungszeitkonstante läßt sich mit einem solchen einfachen Übertragungsglied eine überraschend gute Annäherung an die aperiodische Dämpfung erreichen. Wie eingehende Untersuchungen gezeigt haben, kommen dabei für die Verzögerungszeitkonstante Werte entsprechend der Zwischenüberhitzer-Zeitkonstante und darüber in Betracht

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden weiter anhand des in den Zeichnungen schematisch veranschaulichten Ausführungsbeispiels erläutert Hierin zeigt

F i g. 1 das Prinzip-Wirkschaltbild einer zweistufigen Dampfturbine mit Zwischenüberhitzer und Drehzahlregelkreis mit Rückführung des Zwischenüberhitzerdrukkes,

F i g. 2 einen abgewandelten Schaltungsbaustein aus der Anordnung gemäß F i g. 1 und

F i g. 3 ein Diagramm der auf die Nenndrehzahl n_o bezogenen Drehzahländerung Δη über der Zeit t als Antwort auf eine sprungartige Abnahme der Turbinenleistung (negativer Lastsprung).

Die in F i g. 1 angedeutete Turbine besteht aus einer über eine Regelventilanordnung R V gespeisten Hochdruckstufe HD mit nachfolgendem Zwischenüberhitzer ZU und von letzterem gespeister Niederdruckstufe ND. An die Turbine als Regelstrecke ist ein Tachogenerator Gn als Meßglied angeschlossen, welches die Turbinendrehzahl in ein entsprechendes Istwertsignal η, umsetzt Letzteres wird in einem als Sollwert-Istwertvergleicher wirkenden Überlagerungsglied SIV subtraktiv mit einem von einem entsprechenden Geber gelieferten Sollwertsignal n_s überlagert. Die sich hieraus ergebende Sollwert-Istwertdifferenz wird im Beispielsfall einer einfachen Proportionalregelung in einem Regelverstärker VR unmittelbar in eine Stellgröße y umgesetzt welche den z.B. elektro-hydraulischen Antrieb der Regelventilanordnung steuert

Ein solcher Drehzahl-Regelkreis ergibt bei einem negativen Lastsprung typisch einen Ausgleichsvorgang, wie er in F i g. 3 durch die Kurve I angedeutet ist Die auf Nenndrehzahl n_o bezogene Drehzahländerung Δη/η_ο geht nach ausgeprägten Schwingungen, die sich typisch über eine Zeitdauer von etwa 15 Sekunden erstrecken, in einen durch die Statik des Regelkreises bestimmten, stationären Wert Ober. Dabei erreicht die maximale Überschwingungsamplitude von Δη/η_ο etwa den 2,5fachen Wert der stationären Drehzahländerung. Ein w> derartiges Übergangsverhalten ist insbesondere für den Inselbetrieb eines größeren Turbosatzes im Hinblick auf die entsprechenden Polradpendelungen des Generators und Frequenzschwankungen im Lastnetz unerwünscht oder sogar unzulässig.

Abhilfe bringt die in F i g. 1 angedeutete Rückführung

(l) einer von dem auf seinen Nennwert P₁₀ bezogenen Zwischenüberhitzerdruck p_z am Ausgang eines Meßwandlers Tr abgeleiteten Größe in den Regelkreis mit gegensinniger Wirkung zur Stellgröße. Das entsprechende Ausgangssignal pjp_zo des Wandlers Tr wird im Rückführzweig R in Serie über einen als Proportionalverstärker M wirkenden Multiplikator mit einstellbarem Verstärkungsfaktor g und eine Übertragungsschaltung VDT in eine Rückführgröße k umgesetzt, die an einen gegensinnig zur Polarität des Sollwertsignals n_s und damit zu derjenigen der Stellgröße y wirkenden Eingang eines zusätzlichen Überlagerungsgliedes SI am Ausgang des Regelverstärkers VR angeschlossen ist.

Die Übertragungsschaltung VDTweist eine Übertragungsfunktion vom Typ T\sl(\ + T₂- s) auf, wobei s der Laplace-Operator und T₂ die Verzögerungszeitkonstante des durch den Nennerterm gegebenen Verzögerungsgliedes erster Ordnung ist Neben dieser Verzögerung, welche den Zeitverlauf der Rückführgröße in einem Anfangsabschnitt des Überganges bestimmt, bewirkt der differenzierende Zählerterm der Übertragungsfunktion ein auf Null nachgebendes Übergangsverhalten der Rückführgröße. Dadurch wird ein statischer Fehler bzw. eine zusätzliche bleibende Regelabweichung vermieden. Die Differentialzeitkonstante 71 im Zähler entspricht im allgemeinen wenigstens annähernd der Zwischenüberhitzer-Zeitkonstante.

Kurve II in Fig.3 zeigt die Wirkung des Rückführzweiges für folgende Parametereinstellung: Verstärkungsfaktor g '/2, Zeitkonstante T₂ - Zwischenüberhitzer-Zeitkonstante. Ersichtlich wird dadurch eine wesentliche Verbesserung des Übergangsverhaltens mit praktisch vollständiger Vermeidung von Pendelungen erzielt und zwar bemerkenswerterweise praktisch ohne Vergrößerung der maximalen Drehzahlüberhöhung im Vergleich zu der maximalen Überschwindungsamplitude der Kurve I. Eine noch weitergehende Optimierung der Parametereinstellung mit g = 1,5 und wiederum T₂ - Zwischenüberhitzer-Zeitkonstante zeigt Kurve IH, die nicht nur frei von Pendelungen ist sondern auch merklich früher als Kurve II in den neuen stationären Drehzahlwert einmündet und daher etwa dem anzustrebenden Idealfall der aperiodischen Dämpfung entspricht Verstärkungswerte im Bereich zwischen 1 und 2 sind also zu bevorzugen, insbesondere solche im Bereich von etwa 1,5. Im einzelnen nicht wiedergegebene Untersuchungen führten ferner zum Ergebnis, daß die Verzögerungszeitkonstante T₂ die Zwischenüberhitzer-Zeitkonstante nicht unterschreiten, sondern eher überschreiten sollte.

Fig.2 zeigt noch eine schaltungstechnisch einfach realisierbare Ausführung der Übertragungsschaltung VDT mit auf Null nachgebendem Übergangsverhalten unter Verwendung eines einfachen Verzögerungsgliedes VT. Hiernach sind der Eingang und der Ausgang des Verzögerungsgliedes VT an je einen von zwei zueinander gegensinnigen Eingängen eines subtraktiven Überlagerungsgliedes SU angeschlossen, dessen Ausgang denjenigen der Übertragungsschaltung VDT bildet und somit die Rückführgröße k liefert Wie sich durch analytische Darstellung der Übertragungsfunktion der Parallelschaltung mit subtraktiver Überlagerung zeigen läßt, ergibt sich ebenfalls ein nachgebendes Verzögerungsglied erster Ordnung (DT-GKed), ohne im Schaltungsaufbau ein Differenzierglied vorzusehen. Dabei wird zwangsläufig 7Ϊ - T₂ - T.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Regelung einer Zwischenüberhitzer-Dampfturbine, bei dem ein Sollwert-Istwertvergleich der Drehzahl durchgeführt und eine von der Soliwert-Istwertdifferenz abgeleitete Stellgröße auf eine Regelventilanordnung gegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Zwischenüberhitzerdruck (p_z) eine zeitlich auf Null nachgebende Rückführgröße (k) abgeleitet und gegensinnig zur Stellgröße (y) in den Regelkreis eingekoppelt wird.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang eines an den Zwischenüberhitzer (ZU) angeschlossenen Druck-Meßwandlers (Tr) durch eine Übertragungsschaltung (VDT) mit auf Null nachgebendem Verzögerungsverhalten an einen gegensinnig zur Stellgröße (y) wirkenden Eingang eines im Regelkreis angeordneten Überlagerungsgliedes (SI) angeschlossen ist

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine differenzierende und verzögernde Übertragungsschaltung (VDT) erster Ordnung mit einer der Zwischenüberhitzer-Zeitkonstante wenigstens annähernd gleichen Differentialzeitkonstante (Τη vorgesehen ist

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die Verzögerungszeitkonstante (T₂) der Übertragungsschaltung mindestens gleich der Zwischenüberhitzer-Zeitkonstante bemessen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet daß der an den Meßwandler (Tr) angeschlossene Rückführzweig ein auf den Nenn- 3s wert des zwischenüberhitzerdruckes bezogenes Drucksignal (PJPzoi führt und einen Proportionalverstärker (M) mit einer auf den Betrag der Stellgröße />>bezogenen Verstärkung (^zwischen den Werten 1 und 2, vorzugsweise von etwa IA umfaßt

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß die Übertragungsschaltung (VDT) ein Verzögerungsglied (VT) aufweist dessen Eingang und dessen Ausgang an je einen von zwei zueinander gegensinnigen Eingängen eines substraktiven Überlagerungsgliedes (SU) angeschlossen sind, dessen Ausgang gegensinnig zur Stellgröße (y)in den Regelkreis eingekoppelt ist

so