DE3888095T2

DE3888095T2 - Regeleinrichtung für Kesselturbinenkraftanlage.

Info

Publication number: DE3888095T2
Application number: DE3888095T
Authority: DE
Inventors: Yukio Fukayama; Shigeyoshi Kawano; Taku Oshima
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1987-11-13
Filing date: 1988-11-11
Publication date: 1994-06-23
Anticipated expiration: 2008-11-12
Also published as: EP0316806A3; DE3888095D1; EP0316806B1; US4888953A; EP0316806A2

Description

FELD DER ERFINDUNG UND DIESBEZÜGLICHE TECHNIK

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung einer Kessel/Turbinen-Anlage, insbesondere auf eine Vorrichtung zur Steuerung einer Kessel/Turbinen-Anlage, die beispielsweise in einem thermischen Kraftwerk verwendet wird.
In einer derartigen Anlage werden die Zustandsgrößen des Dampfes, der der Turbine vom Kessel zuzuführen ist, nach Maßgabe der Last an der Turbine geregelt. Wenn jedoch die Zustandsgrößen wie Temperatur oder Druck direkt nach Maßgabe der Turbinenbelastung geregelt werden würden, wird befürchtet, daß am Turbinenrotor starke thermische Spannungen auftreten würden, die zu dessen Bruch führen würden, weil die der Turbine zugeführte Menge von Dampf in einem Übergangszustand merklich erhöht oder verringert wird, beispielsweise beim Anfahren der Turbine.
Aus diesem Grund sind herkömmliche Anlagen mit einem überwachenden Regelsystem zur Überwachung der in der Turbine der Anlage entstehenden thermischen Spannungen versehen. Das überwachende Regelsystem betätigt ein Einstellventil (Regelventil) zur Einstellung der Flußmenge des vom Kessel zur Turbine geleiteten Dampfes so, daß die thermischen Spannungen der Turbine unter einem bestimmten Niveau bleiben.
In einem Übergangszustand, in dem sich die Turbinenbelastung merklich und schnell ändert, greift das überwachende Regelsystem jedoch häufig ein, so daß sich die Anlaufdauer der Anlage verlängert, wodurch die Betriebseigenschaften des Kraftwerks schlechter werden.
In der GB-A-2 166 200A ist ein Regelungssystem für die Zufuhr von Dampf zu einer Dampfturbine eines Kraftwerks beschrieben. Das Kraftwerk umfaßt einen Kessel, der die Wärme aus einer Verbrennungsturbine sowie einem Nachbrenner verwendet, und der über mehrere steuerbare Ventile Dampf einer Turbine zuführt. Um insbesondere während des Anlaufens plötzliche Temperaturänderungen in der Turbine zu vermeiden, verwendet ein Regelungssystem die an der Turbine gemessene Temperatur, die Temperatur des zugeführten Dampfes und ein Temperatursignal, das aus dem gemessenen Druck des zugeführten Dampfes abgeleitet wird, um den Kraftstofffluß hin zur Verbrennungsturbine und/oder zum Nachbrenner und/oder die Einsprühung in den Überhitzer des Kessels zu variieren, um dadurch entsprechend den gewünschten Enthalpieanforderungen die Dampferzeugung für die Turbine zu regeln.
Die weiter oben beschriebene Verlängerung des Anlaufens verursacht unvermutete Störungen im Betriebsablauf oder in der Planung eines elektrischen Energieversorgungssystems. Deshalb wurde, hauptsächlich um das häufige Eingreifen des überwachenden Regelungssystems zu vermeiden, im Stand der Technik ein Kessel gelegentlich auf eine ungünstig geringe Temperaturanstiegsrate hin geregelt, um den Anstieg der Dampftemperatur an dessen Auslaß zu verhindern. Dies führt jedoch zu einer Verschlechterung der Anlaufeigenschaften der Anlage.

AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Um die dem Stand der Technik innewohnenden Nachteile zu vermeiden, ist es demzufolge Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Regelung einer Kessel/Turbinen-Anlage anzugeben, die zu zufriedenstellenden Anlaufeigenschaften der Anlage führt, wobei überaus starke thermische Spannungen in der Turbine zu vermeiden sind.
Hierzu und angesichts der Tatsache, daß in herkömmlichen Regelungsvorrichtungen lediglich die Temperatur und der Druck von Dampf am Auslaß eines Frhitzers als Dampfzustandsgrößen betrachtet werden, weshalb sich die oben beschriebenen Probleme in der Turbine aufgrund der erhöhten thermischen Spannungen darin ergeben, wird erfindungsgemäß die Anlage so geregelt, daß die Dampftemperaturanstiegsrate, die zwangsläufig zur Aufbrauchung der Lebensdauer führt, am Einlaß einer Reihe von Turbinenschaufeln geändert wird. Um außerdem bei jedem Anlaufvorgang den Lebensdauerverbrauch der Turbine auf einem vorbestimmten Niveau zu halten, ist es notwendig, den Spitzenwert der in der Turbine erzeugten thermischen Spannung auf einen bestimmten Wert zu begrenzen. Die Temperaturänderungsrate des Dampfes am Turbineneinlaß ist im Hinblick auf diesen Punkt geeignet zu regeln.
Zur Regelung der Änderungsrate der Einlaßdampftemperatur am Einlaß der Schaufelreihe der Turbine weist erfindungsgemäß die Vorrichtung hauptsächlich eine Einrichtung auf, mit der die Änderungsrate der Einlaßdampftemperatur auf die Anstiegsrate der Auslaßdampftemperatur des Kessels im Hinblick darauf, daß sich die Dampftemperatur am Einla der Schaufelreihe der Turbine entsprechend dem Öffnungsgrad und der Änderungsrate des Öffnungsgrads eines Flußsteuerungsventils ändert, bezogen werden kann.
Außerdem wird erfindungsgemäß die Temperatur des Dampfes am Einlaß der Schaufelreihe der Turbine nicht direkt gemessen. Es kann nämlich der Wert, auf den sich die Turbineneinlaßdampftemperatur einstellt, sofort ermittelt werden. Demgemäß wird es möglich, in den Fällen, in denen die Einlaßtemperatur einer Turbine durch ein Thermoelement gemessen wird, Probleme zu vermeiden, die sich aus der unvermeidlichen Zeitverzögerung der Erfassung aufgrund der thermischen Kapazität einer Erfassungsstelle (einschließlich einer Thermosenke oder ähnlichem) ergeben, wobei gleichzeitig die Auswirkung der Zeitverzögerung aufgrund der thermischen Kapazität der Wegstrecken zwischen dem oben beschriebenen Einstellventil und der Turbine berücksichtigt werden können.
Erfindungsgemäß wird die Regelung der Dampftemperatur so ausgeführt, daß die Änderung eines Schätzwerts einer Turbineneinlaßdampftemperatur unterdrückt wird. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß ein Vorhersageregelungsverfahren angewendet, bei dem eine Regelung ausgeführt wird, indem vorweg der sich einstellende Wert der betrachteten Größe und nicht der direkt gemessene Wert ermittelt wird, was eine Einflußnahme verschiedener Zeitverzdgerungen mit sich bringen würde.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Auslaß eines Dampfflußeinstellventils direkt und unmittelbar mit dem Einlaß der Schaufelreihe der Turbine verbunden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer ersten erfindungs gemäßen Ausführungsform,
Fig. 2 ist eine Ansicht, die ein Detail des in Fig. 1 gezeigten Setzwertrechners für die Dampftemperatur zeigt,
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
Fig. 4 ist eine Ansicht eines in Fig. 3 dargestellten Korrekturrechners für die Dampftemperatur,
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm des Standes der Technik, und
Fig. 6 bis 9 sind Ansichten anderer erfindungsgemäßer Ausführungsformen.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Nachfolgend wird bezugnehmend auf die Zeichnungen und in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen die Erfindung beschrieben.
Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen. Kesselspeisewasser FW wird durch eine Speisewasserpumpe 11 durch ein Flußeinstellventil 13 zu einem Dampferzeuger 12 gepumpt und wird im Dampferzeuger 12 Dampf. Der Dampf aus dem Dampferzeuger 12 wird in einem Erhitzer 14 weiter erhitzt und über ein Flußeinstellventil 16 an eine Turbine 15 weitergeleitet. Eine Abtriebswelle der Turbine 15 ist mit einer Antriebswelle eines Generators 17 verbunden. Der Dampf treibt die Turbine 15 an, um den Generator 17 zur Stromerzeugung zu betätigen. Das Flußeinstellventil 16 steuert die der Turbine 15 zuzuführende Dampfmenge, um die Ausgangsleistung des Generators 17 zu ändern. Die Temperatur und der Druck des Dampfes werden im allgemeinen mit Werten ausgedrückt die am Ausgang des Erhitzers 14 anliegen und werden "Zustandsgrößen" genannt. Der Druck hängt von der Speisewasserflußrate durch das Ventil 13 ab, während die Temperatur von der Flußrate des Kraftstoffs F abhängt, der von der Kraftstoffpumpe 19 über ein Kraftstoffflußeinstellventil 20 einem Brenner 18 zuzuführen ist. Da außerdem das Ansprechverhalten der Dampftemperaturregelung mittels Änderung der Kraftstoffflußrate für den Brenner 18 schlecht ist, wird über ein Einstellventil 22 dem Kessel fortwährend Wasser zur Verringerung der Dampftemperatur mittels einer Kühleinrichtung 21 zugeführt, so daß während der übergangsweisen Dampftemperaturänderung eine schnelle Temperaturänderung des Dampfes durch Steuerung der Wassermenge, die über das Einstellventil 22 der Kühleinrichtung 21 zugeführt wird, erreicht werden kann.
Der Aufbau der Regelungsvorrichtung, die an die oben beschriebene Kessel/Turbinen-Anlage angeschlossen wird, ist im oberen Teil der Fig. 1 gezeigt. Die Regelvorrichtung veranlaßt den Generator 17, entsprechend einem Befehlssignal IUD für die reine Turbinenlast elektrische Leistung auszugeben, während die Kesseldampfbedingungen auf vorbestimmten Werten gehalten werden.
Das Befehlssignal IUD für die reine Turbinenlast, das die Turbinenlast darstellt, wird durch einen Begrenzer 23 so in ein Turbinenlastbefehlssignal MWD umgewandelt, daß sich die Laständerungsrate innerhalb einer gesetzten Änderungsrate, die durch ein Begrenzungsbefehlssignal RCS dargestellt wird, bewegt. Beispielsweise wird für den Fall, daß die gesetzte Änderungsrate durch das Begrenzungsbefehlssignal RCS zu 3 %/min festgelegt wurde, selbst dann, wenn das Befehlssignal IUD für die reine Turbinenlast abrupt geändert wird (d. h., daß es eine große Änderungsrate hat), das Signal IUD in ein Turbinenlastbefehlssignal MWD unter der gesetzten Änderungsrate von 3 %/min umgeändert. Wenn andererseits durch das Begrenzungsbefehlssignal RCS die gesetzte Änderungsrate zu 0 %/min definiert wurde, wird das Turbinenlastbefehlssignal MWD auf einem Pegel identisch zum momentanen Pegel des Befehlssignals IUD für die reine Turbinenlast gehalten. Es wird dann das gegenwärtige Befehlssignal IUD für die reine Turbinenlast beibehalten. Das Turbinenlastbefehlssignal MWD ist somit ein Lastbefelssignal, das die Folgeeigenschaften einer Anlage berücksichtigt. Das Begrenzungsbefehlssignal RCS entstammt einem Funktionsgenerator 24, der das Begrenzungs befehlssignal RCS so setzt, daß die Änderungsrate Null wird, wenn die Höhe eines Temperaturspannungssignals TSS aus einer Überwachungsvorrichtung 25 für die Turbinentempe raturspannung einen vorbestimmten Wert überschreitet. In diesem Fall befindet sich die in Fig. 1 gezeigte Anlage in einem Zustand der festen Laststeuerung. Die Überwachungsvorrichtung 25 für die Turbinentemperaturspannung wird dazu verwendet, indirekt die Rotortemperaturverteilung innerhalb der Turbine zu erfassen. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise in "Thermal and Nuclear Power", Band 29, Nr. 5 (Juni 1980), S. 437-482 offenbart. Die Vorrichtung 25 ermöglicht es, die nicht direkt erfaßbaren Zustandsgrößen des Turbinenrotors zu erfassen. Die Vorrichtung 25 liest die durch das Signal DTS dargestellte Dampftemperatur um den Turbinenrotor herum, die durch eine Dampftemperaturerfassungsvorrichtung 26 erfaßt wurde. Die Vorrichtung 25 berechnet eine Turbinenrotoroberflächentemperaturverteilung, wobei die Wärmeübertragungseigenschaften des Turbinenrotors berücksichtigt werden, und berechnet die Temperaturverteilung innerhalb des Turbinenrotors, indem dessen Wärmeleitungs eigenschaften berücksichtigt werden, und gewinnt dadurch das Temperaturspannungssignal TSS.
Dem Flußeinstellventil 16 wird ein Befehlssignal VD1 für die Einstellventilansteuerung zugeführt, um dessen Öffnungsgrad mittels einer Proportional-Integral-Regelungs schaltung 27 zu ändern, in der das Befehlssignal VD1 so kompensiert wird, daß das Ausgangssignal OPS, das die Ausgangsleistung des Generators 17 darstellt, identisch mit dem Turbinenlastbefehlssignal MWD an der Subtrahierschaltung 28 wird, oder daß die Abweichung zwischen dem Ausgangssignal OPS und dem Befehlssignal MWD Null wird.
Außerdem wird eine Speisewasserregelung durchgeführt, indem die aus dem Kessel abgegebene Dampfmenge und die Wassermenge, die sich im Kessel befindet, berücksichtigt werden.
Durch Addition eines Grundbefehlssignals BCS aus einem Last/Wasser-Raten-Funktionsgenerator 30 und eines Befehlssignal CRS für eine kompensierte Last/Wasser-Rate wird zuerst durch die Addierschaltung 29 ein gewünschtes Kesseleingangsbefehlssignal DIS ermittelt. Das kompensierte Befehlssignal CRS kann mittels einer Proportional-Integral-Regelungsschaltung 31 gewonnen werden, in der die aus einer Subtrahierschaltung 32 stammende Abweichung zwischen einem Setzbefehlssignal 555 für den Hauptdampfdruck aus einer Dampfdrucksetzeinrichtung 33 und einem Hauptdampfdrucksignal SPS aus einer Dampfdruckerfassungsvorrichtung 34 proportional und integral geregelt wird. Das Signal DIS stellt die gewünschte Gesamtmenge von Wasser im Kessel dar. Ein Befehlssignal, das die aus einer Subtrahierschaltung 35 stammende Abweichung zwischen der gewünschten Gesamtmenge von Wasser im Kessel und der Gesamtmenge von Wasser, die tatsächlich in den Kessel eingeleitet wurde, darstellt, wird über eine Proportional-Integral-Regelungsschaltung 36 dem Flußeinstellventil 13 als Flußsteuerungsansteuerungsbefehlssignal DV2 zugeführt, um es zur Steuerung der Menge von Speisewasser, das in den Kessel einzuspeisen ist, zu betätigen. Das Signal, das die Gesamtmenge von Wasser darstellt, die tatsächlich in den Kessel eingespeist wurde, wird erhalten aus einer Addierschaltung 37, indem ein Signal aus einer Zählvorrichtung 38 zur Erfassung der Menge von Speisewasser, die in den Kessel eingespeist wurde, und ein Signal aus einer Zählvorrichtung 39 zur Erfassung der Menge des Speisewassers, das in die Kühleinrichtung 21 eingespeist wurde, addiert werden. Das Befehlssignal VD2 wird nicht dem Einstellventil 22 zugeführt, weil das Einstellventil 22 ausschließlich dazu dient, die Dampftemperatur im Kessel zu steuern, nicht die Menge von Wasser im Kessel, wie später beschriebben wird. Demgemäß wird das Einstellventil 13 so angesteuert, daß nicht nur die Änderung der Menge des Wassers, die in den Kessel über Einstellventil 13 eingespeist wird, kompensiert wird, sondern auch die Änderung der Menge des Wassers, die über Einstellventil 22 in die Kühleinrichtung 21 eingespeist wird.
Im Hinblick auf die Kraftstoffzufuhr zum Brenner 18 wird das Kraftstoffflußeinstellventil 20 in geregelter Weise mittels eines Ventilansteuerungsbefehlssignals VD3 aus einer Proportional-Integral-Regelungsschaltung 40 so bedient, daß ein Kraftstoffzuführbefehlssignal FSS gleich wird zu einem zugeführten Kraftstoffsignal SFS aus einer Kraftstoffzählvorrichtung 41 , das die tatsächliche Menge des Kraftstoffs, die dem Brenner 18 zugeführt wurde, darstellt, so daß die Abweichung zwischen den Signalen FSS und SFS in der Subtrahierschaltung 42 Null wird. Das Kraftstoffzufuhrbefehlssignal FSS entstammt einer Additionsschaltung 44, indem ein Wasser/Kraftstoff-Raten-Korrektursignal FCS zu einem Wasser/Kraftstoff-Raten-Signal WRS addiert wird, wobei letzteres auf der Grundlage des gewünschten Kesseleingangsbefehlssignals DIS mittels eines Funktionsgenerators 43 gewonnen wird. Das Wasser/Kraftstoff-Raten- Korrektursignal FCS erhält man aus einer Proportional- Integral-Regelungsschaltung 45 aus einem Dampftemperaturabweichungssignal SDS, das die Abweichung zwischen einem Dampftemperatursignal STS aus einer Erfassungsvorrichtung 46 für die Dampftemperatur und einem Befehlssignal SCS für die Dampftemperatur aus einem Setzwertrechner 47 für die Dampftemperatur darstellt. Diese Abweichung wird in der Subtrahierschaltung 48 bestimmt.
Das Einstellventil 22 wird zur Verbesserung der langsamen Ansprechgeschwindigkeit der Dampftemperaturregelung aufgrund der weiter oben beschriebenen Kraftstoffzufuhrregelung verwendet, das Einstellventil 22 wird mittels eines Ventilansteuerungsbefehlssignals VD4 angesteuert, das aus der Addierschaltung 49 erhalten wird, indem ein Korrekturbefehlssignal CCS für die Kühleinrichtung-Wassser/Kraftstoff- Rate, das auf der Grundlage des Abweichungssignals SDS mittels einer Proportional-Regelungsschaltung 50 erhalten wird, und ein Speisewassermengensignal, das auf der Grundlage des Signals DIS von einem Funktionsgenerator 51 ausgegeben wird, addiert werden.
Fig. 2 zeigt die Details des Setzwertrechners 47 für die Dampftemperatur. Der Rechner 47 beinhaltet eine Dampftabellenreferenzschaltung 471, die das Dampfdrucksignal SPS und das Dampftemperatursignal STS empfängt, um daraus ein Spezifisches-Volumen-Signal SVS zu ermitteln das das spezifische Volumen des Dampfs am Einlaß des Ventils 16 darstellt, sowie ein Enthalpiesignal ETS, das dessen Enthalpie darstellt. Das spezifische Volumen und die Enthalpie können berechnet werden, indem unter Verwendung der Dampftabelle interpoliert wird, sie können auch durch Annäherung berechnet werden.
Eine Ventilkennlinienfunktionsschaltung 472 empfängt das Dampfdrucksignal SPS und das Ventilansteuerungsbefehls signal VD1 des Ventils 16, um aus der Druck/Flußraten- Kennlinie und unter Berücksichtigung von Turbine 15 und Ventil 16 als Einheit die Flußrate durch das Ventil 16 zu bestimmen, und berechnet danach aus der Flußrate durch das Ventil 16 einen Ventildifferenzdruck und gibt ein Druckverlustsignal PLS aus. Auch diese Berechnung kann durch Interpolation in der Dampftabelle oder mittels Kennlinienannäherung durchgeführt werden.
Eine Subtrahierschaltung 473 subtrahiert das Signal PLS vom Dampfdrucksignal SPS, um das Ventilausgangsdrucksignal VPS zu erzeugen. Eine Dampftabellenreferenzschaltung 474 erzeugt ein Dampftemperatursignal OTS entsprechend dem Ausgangsdruck am Ventil 16 bei der gleichen Enthalpie wie am Einlaß des Ventils 16 in gleicher Weise wie die Schaltung 471.
Eine Subtrahierschaltung 475 subtrahiert das Signal OTS vom Signal STS, um ein Temperaturabnahmebreitensignal TDS auszugeben, das einen durch das Ventil 16 verursachten Temperaturabfall darstellt. Ein Dampftemperatursetzer 476 setzt ein Setzwertsignal SVS der Dampftemperatur, das eine wünschenswerte Auslaßdampftemperatur am Ventil 56 (also am Einlaß der Turbine 15) anzeigt. Normalerweise wird dieses Wertsignal SVS konstant gehalten. Wenn jedoch, wie beispielsweise im Anlaufvorgang, die Turbine 15 ausgekühlt ist, wird das Wertsignal SVS allmählich von einem niedertemperaturigen Setzwert auf einen vorbestimmten Wert angehoben.
Eine Addierschaltung 477 addiert das Temperaturabnahmebreitensignal TDS und das Dampftemperatursetzwertsignal SVS, um das Dampftemperatursetzbefehlssignal SCS auszugeben.
Bezugnehmend auf Fig. 5 wird nun die Beziehung zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik beschrieben.
Ein Unterschied zwischen der obigen Ausführungsform und dem Stand der Technik liegt in der Signalsetzschaltung 52 zur Ausgabe eines primären Dampftemperatursetzsignals PSS (siehe Fig. 5). Anstelle des Dampftemperatursetzwertrechners 47 wird die Signalsetzschaltung 52 verwendet. Die übrige Anordnung entspricht im wesentlichen der in Fig. 1 gezeigten.
In herkömmlichen Anlagen wird die Laststeuerung durch die Einstellung der Entnahmemenge von Dampf durch Ventil 16 gesteuert. Dementsprechend würden hier ein Druckabfall und ein Temperaturabfall auftreten. Der Druckabfall wird benötigt, um die in die Turbine 15 fließende Dampfmenge einzustellen. Der Druckabfall selbst würde keine Probleme verursachen. Aus den nachfolgend beschriebenen Gründen würde jedoch der mit dem Druckabfall einhergehende Temperaturabfall in der Turbine 15 thermische Spannungen verursachen.
Der Dampftemperaturabfall entsteht aufgrund der Tatsache, daß sich die Temperatur ändert, wenn sich der Druck ändert, selbst wenn sich die Enthalpie (einschließlich einer Wärmemenge) des Dampfs zwischen Einlaß und Auslaß des Ventils 16 nicht ändern würde. Anders ausgedrückt sinkt entsprechend der Arbeit, die durch die Dampfausdehnung verrichtet wird, die innere Energie, wenn sich der Dampf ausdehnt und wenn der Druck vermindert wird, so daß die Temperatur sinkt. Es ist jedoch in den Bereichen, in denen sich eine nennenswerte Verringerung des Öffnungsgrads des Ventils 16 ergibt, auch der Temperaturabfall nennenswert, er erreicht eine Temperatur von 100 ºC. Diese Situation des Druckabfalls bei konstanter Enthalpie kann durch Verwendung der Dampftabelle, die von der "Japanese Society of Mechanical Engineering" (JSME) heräusgegeben wird, genau beschrieben werden.
Im Regelungssystem nach Fig. 5 werden die Temperatur und der Druck des Dampfes am Auslaß des Erhitzers 14 als Dampfzustandsgrößen geregelt. Somit wäre es nicht schwer, die Dampfdruckabweichung innerhalb eines Bereichs von ± 5 kg/cm² bei einer Hochlaständerungsrate von etwa 5 %/min zu begrenzen. Aufgrund der mit dem Lastwechsel einhergehenden Anderung der Ventilöffnung des Einstellventils 16 ändert sich aber auch die Temperatur des durch das Ventil 16 tretenden Dampfes am Einlaß der Turbine 15 in der Größenordnung mehrerer zehn ºC. Dies würde am Turbinenrotor starke thermische Spannungen verursachen.
Angesichts der eben beschriebenen Tatsachen ist zur Sicherstellung der Zuverlässigkeit des Turbinenrotors die Überwachungsvorrichtung für die thermischen Spannungen der Turbine bzw. das überwachende Steuerungssystem 25 vorgesehen. Gelegentlich würde jedoch die (durch das Signal TSS dargestellte) thermische Spannung so groß werden, daß eine Änderung des Öffnungsgrades des Einstellventils 16 verhindert werden würde. Durch den Funktionsgenerator 24 des Begrenzers 23 wird deshalb eine Begrenzungsfunktion für die Laständerungsrate oder eine Lastfestsetzungsfunktion durchgeführt, so daß sich der Zeitraum der Laständerung verlängert, wodurch sich die Betriebsleistung des Kraftwerks verschlechtert.
Auch im Anlaufzustand des thermischen Kraftwerks würden sich aufgrund desselben Phänomens ernste Probleme ergeben.
Insbesondere wird im Übergangsprozeß des Anlaufs die Dampftemperatur am Auslaß des Erhitzers 14 erhöht, um nach Beendigung des Anlaufvorgangs einen bestimmten Wert zu erreichen, und gleichzeitig hierzu wird der Öffnungsgrad des Einstellventils 16 von einer verringerten Bedingung zu einer erhöhten Bedingung hin erhöht. Unter dieser Bedingung erreicht aber die Differenz zwischen der Zunahme der Dampftemperatur am Einlaß des Einstellventils 16 und dem Dampftemperaturabfall am Einstellventil 16 100 ºC und mehr. Die Temperatur nimmt plötzlich ab. Deshalb wird in einigen Fällen die Temperatur des Dampfes am Einlaß der Turbine 15 plötzlich erhöht. Deshalb wird in den meisten Fällen während des Übergangszustands des Anfahrens die Lastfestsetzungsfunktion umgesetzt. In vielen Fällen würde die Last innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer nicht die vorbestimmte Last erreichen, was zu einer Verlängerung der Anlaufzeitdauer führen würde.
Die eben beschriebene Verlängerung der Anlaufzeit aufgrund der Zunahme der thermischen Spannungen verursacht unerwartete Verwicklungen im Zeitablauf bzw. Plan des Kraftwerksystems. Um die Tätigkeit der Lastfestsetzungsfunktion aufgrund hoher thermischer Spannungen zu verhindern, wurde deshalb im Stand der Technik die Dampftemperatur am Auslaß des Erhitzers 14 auf eine ungünstig niedrige Temperaturanstiegsrate hin geregelt.
Im Gegensatz hierzu kann entsprechend dem Effekt dieser Ausführungsform lediglich durch Änderung des Bereichs entsprechend der Schaltung 52 in herkömmlichen Regelungs- Systemen (Fig. 5) die Dampftemperatur am Einlaß der Turkine 15 auf einen vorbestimmten Wert unabhängig von der Öffnungsgradänderung des Ventils 16 geregelt werden.
Fig. 3 und 4 zeigen eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform. In diesen Figuren bezeichnen die gleichen Bezugsziffern gleiche oder ähnliche Komponenten, wie sie in Fig. 1 und 2 gezeigt sind, so daß sich deren wiederholte Erläuterung erübrigt.
In der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform sind die in Fig. 5 gezeigten Elemente 48 und 52 zur Erzeugung des Dampftemperaturabweichungssignals SDS durch einen Korrekturrechner 53 für die Dampftemperatur ersetzt, der die Signale SPS, STS und VD1 empfängt, und der ein Dampftemperaturabweichungssignal SDS ausgibt.
Fig. 4 zeigt die Details des Rechners 53. In dieser Ausführungsform subtrahiert ein Subtrahierer 531 das Dampftemperatursignal STS am Auslaß des Überhitzers 14 (oder am Einlaß des Ventils 16) von einem Signal STS einer Setzdampftemperatur, das durch eine Setzschaltung 532 für die Ventileinlaßdampftemperatur gegeben ist, um ein Abweichungssignal VIS für die Ventileinlaßdampftemperatur zu erhalten. Andererseits wird bezüglich des durch das Signal OTS gegebenen Dampftemperaturfolgewerts an der Auslaßseite des Ventils 16 ein Setzwertsignal SVS durch einen Ventilauslaßtemperatursetzer 533 gegeben, dann wird in einer Subtrahierschaltung 534 ein Ventilauslaßtemperaturabweichungssignal OTD gewonnen. Eine Abweichungsgewichtungssetzschaltung 535 liefert ein Abweichungsgewichtungssignal DWS innerhalb des Bereichs zwischen 0 und 1. Ein Subtrahierer 536 gibt ein Abweichungskorrektursignal DCS aus, indem er das Signal DWS von 1 aus einem Funktionsgenerator 537 subtrahiert. Die Produkte zwischen dem Signal DWS und dem Signal OTD und zwischen dem Signal VIS und dem Signal DCS aus den Multiplizierern 538 und 539 werden in der Addierschaltung 540 zueinander addiert, um das Dampftemperaturabweichungssignal SDS zu erhalten. Das Signal SDS wird durch das Signal SDS in Fig. 5 ersetzt. Nachfolgend wird die Dampftemperatursteuerung in der gleichen Weise wie im Stand der Technik durchgeführt, um das System gemäß dieser Ausführungsform umzusetzen.
Diese Ausführungsforin hat den Effekt, daß dann, wenn der Wert des Signals DWS zu 1 gesetzt wird, die Funktion der in Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsform identisch zu derjenigen der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform wird. In der in Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform wird die Regelung der Turbineneinlaßdampftemperatur unabhängig von der Öffnungsgradänderung des Ventils 16 durchgeführt. Genauso ist es möglich, wenn das Signal DWS auf Null gesetzt wird und indem die Auslaßdampftemperaturregelung für den Überhitzer 14 in gleicher Weise wie im Stand der Technik durchgeführt wird und das Signal DWS allmählich im Bereich zwischen 0 und 1 geändert wird, die Rate (bzw. Gewichtung oder Anteil) für die Dampftemperaturabweichungswerte am Einlaß der Turbine 15 und am Auslaß des Überhitzers 14 frei zu setzen. In der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform wird die mit der Öffnungsgradänderung des Ventils 16 einhergehende Temperaturänderung dem Auslaßtemperatursetzwert des Überhitzers 14 zugeschlagen, wenn die Regelung der Turbineneinlaßdampftemperatur durchgeführt wird. Dementsprechend ist es möglich, den Wert des Gewichtungssignals DWS zum Zuteilen der Priorität zur Dampftemperaturänderungsverringerung (also der Dampftemperaturregelung) zur ernsten Seite hin bezüglich der Erzeugung thermischer Spannungen in der Turbine 15 und im Überhitzer 14 entsprechend der Bedingung zu setzen, um der Sorge Rechnung zu tragen, daß aufgrund der Änderung der Auslaßdampftemperatur am Auslaß des Überhitzers 14 ernste thermische Spannungen auftreten. Das Signal DWS kann vor dem Anfahrvorgang oder im Testbetrieb der Anlage auf einen konstanten Wert gesetzt werden. Andererseits kann der Setzwert entsprechend dem Zustand und gemäß dem Wert der thermischen Spannungen RCS oder ähnlichem geändert werden.
Tendenziell läßt sich sagen, daß der Lebensdauerverbrauch dickwandiger Bauelemente aufgrund thermischer Spannungen schlagartig zunimmt, wenn der Wert der thermischen Spannungen eine obere Grenze überschreitet. Liegt deshalb wie in dieser Ausführungsform der Fall vor, daß in irgendeinem Teil der Anlage eine Temperaturänderung nicht zu vermeiden ist, wird die Änderung auf mehrere Teile verteilt, um die Werte der thermischen Spannungen der jeweiligen Einzelteile zu verringern. Dies ist sehr nützlich, um den Lebensdauerverbrauch der gesamten Anlage zu verringern.
Erfindungsgemäß ist es möglich, den Dampftemperaturabfall beim Durchtritt des Dampfes durch das Turbineneinlaßregelventil vorauszusagen. Deshalb ist es möglich, die Kesselauslaßdampftemperatur so zu setzen, daß sich eine passende Turbineneinlaßtemperatur ergibt. Die Turbinenlaständerung kann sanft durchgeführt werden.
Bezugnehmend auf Fig. 6 bis 9 wird nun eine andere Ausführungsform beschrieben.
Angesichts der Tatsache, daß in herkömmlichen Regelsystemen lediglich die Temperatur und der Druck des Dampfes am Auslaß des Erhitzers 14 als sog. Dampfzustandsgrößen behandelt und eingeregelt werden, was aufgrund hoher thermischer Spannungen in der Turbine 15 zu Problemen führt, wird in dieser Ausführungsform die Einlaßdampftemperaturänderungsrate an der Turbine 15, die die Lebensdauer der Turbine 15 mitbestimmt, geregelt. Um außerdem den Lebensdaueraufbrauch der Turbine 15 bei jedem Anfahrvorgang auf einem geplanten Wert zu halten, ist es notwendig, den Spitzenwert der in der Turbine 15 erzeugten thermischen Spannung zu begrenzen. Angesichts dessen wird der Umfang der Regelung der Einlaßdampftemperaturänderungsrate der Turbine 15 zur Regelung bestimmt.
Der wesentliche Teil dieser Ausführungsform wird durch eine Einrichtung zur Bezugnahme auf die Erhöhungsregelung der Kesselauslaßtemperatur gebildet, um die Einlaßdampftemperaturänderungsrate der Turbine 15 unter Berücksichtigung der vorherigen Regelung und unter Betrachtung der Dampftemperaturänderung aufgrund der Ventilöffnungsgradänderungsrate und der Öffnung des Einstellventils 16 zu regeln.
Der Druckverlust aufgrund des Vorhandenseins des Ventils wird allgemein durch einen CV-Wert bestimmt, der sich entsprechend dem Ventilöffnungsgrad, der Flußrate und charakteristischer Werte (spezifisches Volumen, Viskositätskoeffizient und ähnliches) des durch das Ventil tretenden Fluids bestimmt. Im Falle des Einstellventils 16 ist es hinsichtlich der Flußrate möglich, das Ventil 16 gemeinsam mit der stromabwärtig vom Ventil 16 gelegenen Turbine 15 zu behandeln. In einem derartigen Anlagezustand ist jedoch die Differenz zwischen dem Einlaßdruck des Ventils 16 und dem Auslaßdruck der Turbine 15 ausreichend groß, um eine sog. "kritische Differenzdruckbedingung" zu überschreiten. Die durch das Ventil 16 hindurchtretende Flußrate hängt hauptsächlich vom Öffnungsgrad des Ventils und dem Einlaßdampfdruck und dessen charakteristischen Werten (insbesondere seines spezifischen Volumens) ab und weniger von den Auslaßbedingungen der Turbine 15.
Es sei angemerkt, daß die Dampfkennwerte einheitlich durch Dampftemperatur und Druck bestimmt werden (siehe die von der "Japanese Society of Mechanical Engineering" herausgegebene Dampftabelle). Die durch das Ventil 16 tretende Flußrate wird als Funktion der Dampftemperatur und des Drucks und des Ventilöffnungsgrades ausgedrückt. Genauso werden der Druckverlust im Ventil 16 und der Auslaßstromdruck des Ventils 16 als Funktionen der obigen drei Größen angegeben.
Eine geringe Zeitverzögerung ergibt sich aufgrund der thermischen Kapazität der Wegstrecken hin zum Ventil 16 und zur Turbine 15, aber die Turbineneinlaßdampftemperatur ist eine Temperatur, die dem Auslaßdruck des Ventils 16 entspricht bei derselben Enthalpie (einschließlich einer Wärmemenge) wie der Einlaßdampf am Ventil 16. In diesem Fall ist es möglich, die wechselseitigen Beziehungen zwischen Dampftemperatur, Druck und Enthalpie entprechend der Dampftabelle oder ähnlichem zufriedenstellend aufzulösen. Als Ergebnis läßt sich die Einlaßdampftemperatur der Turbine 15 auch als Funktion des Öffnungsgrads des Ventils 16, des Drucks und der Temperatur des Dampfes am Einlaß des Ventils 16 in gleicher Weise ausdrücken. Für die Kesselvorrichtung, in der die Stromzustände geeignet geregelt werden, besteht die Möglichkeit, den Einlaßdampfdruck am Ventil 16 als konstanten Wert anzusehen. Wenn zumindest der Öffnungsgrad des Ventils 16 und die Einlaßdampftemperatur am Ventil 16 gut erfaßt werden, ist es möglich, die Einlaßstromtemperatur an der Turbine 15 aufzulösen bzw. zu berechnen.
Entsprechend dem eben beschriebenen Verfahren ist es nicht notwendig, die Einlaßdampftemperatur an der Turbine 15 direkt zu messen. Außerdem können Probleme vermieden werden, die in dem Fall, daß die Einlaßtemperatur an der Turbne 15 mit beispielsweise einem Thermoelement gemessen wird, mit der unvermeidlichen Erfassungsverzögerung aufgrund der thermischen Kapazität der Erfassungsstelle (einschließlich einer thermischen Senke oder ähnlichem) einhergehen. Der Wert, auf den sich die Temperatur einstellt, kann unmittelbar erfaßt werden angesichts der Auswirkung der Zeitverzögerung aufgrund der thermischen Kapazität der Wegstrecken zu dem oben beschriebenen Ventil 16 und Turbine 15.
Erfindungsgemäß wird die Dampftemperaturregelung so durch geführt, daß eine Änderung des Folgewerts der Einlaßdampftemperatur an der Turbine 15 unterdrückt wird. Hieraus ergibt sich, daß ein Verfahren (Voraussageregelung) zur Systemregelung durch vorheriges Ermitteln des sich einätellenden Werts der zu regelnden Temperatur ohne Verwendung direkt gemessener Werte, die durch verschiedene Zeitverzögerungen beeinflußt wären, als Regelungstechnik sehr effektiv ist.
Erfindungsgemäß ist es wichtig, die Beziehungen zwischen der Dampftemperaturänderungsrate und dem Maximalwert der thermischen Spannungen sowie die Beziehung zwischen dem Maximalwert der thermischen Spannungen und des Aufbrauchwerts der Lebensdauer für jeden thermischen Zyklus zu kennen. In ersterem Fall wirken sich die merklichen Zeitverzögerungen aufgrund der thermischen Kapazität, der themischen Leitfähigkeit oder ähnlichem, auf den Maximalwert der thermischen Spannungen nach einer Anderung der Fluidtemperatur aus. In letzterem Fall kann die Beziehung nicht ermittelt werden, ohne daß der Ablauf des einen thermischen Zyklus nach Vollendung des Zyklus berücksichtigt würde. Demzufolge ist es schwierig, die zwei obigen Beziehungen auf der Grundlage des Verfahrens (physikalisches Modell), das nachfolgend beschrieben wird und das ein System von Differentialgleichungen auf der Grundlage physikalischer Gesetze verwendet, zu behandeln.
Andererseits ist es für den Fall, daß diese Beziehungen auf die Anlage angewendet werden, wobei sich üblicherweise während der Lebensdauer Anlaufvorgänge in der Größenordnung von tausend ergeben, ausreichend, daß die zwei Beziehungen hinsichtlich ihres Durchschnittswerts genau sind. Fehler wären nicht merkbar, wenn sich diese Fehler aufgrund unerwarteter Einflüsse in den einzelnen Fällen gegenseitig aufheben würden. Bei einer derartigen Anwendung reicht es aus, die Beziehungen auf der Grundlage der Daten der momentanen Vorgänge (statistisches Verfahren) zu gewinnen.
Unter verschiedenen Verfahren mit statistischen Modellen ist das als Verfahren eines linear-regressiven Modells bekannte Verfahren zu empfehlen, da es einfach und effektiv ist. Dieses Verfahren wird nachfolgend kurz erläutert. Für genauere Einzelheiten der Verfahren anhand statistischer Modelle sei auf "MULTIVARIATE ANALYSIS" von OKUNO et al., Nikka Giren Syuppan, 1971 sowie auf "STATISTIC ANALYSIS AND CONTROL OF DYNAMIC SYSTEM von AKAIKE et al., SAIENSU-SHA, 1972, verwiesen.
Für den Fall, daß zu Zeitpunkten i (i = 1 . . . N) Variablenkombinationen (xi, yi) gewonnen werden, wird angenommen, daß die Beziehung zwischen den Variablen x und y durch die folgende Formel (1) ausgedrückt wird:
y = b&sub0; exp(b&sub1;x) .... (1)
wobei die Parameter b&sub0; und b&sub1;, die in der Formel auftreten, durch das nachfolgende Verfahren bestimmt werden können.
Durch Linearisierung der Logarithmen beider Seiten der Formel (1) wird die folgende Formel (2) gewonnen.
log y = log b&sub0; + b&sub1;x .... (2)
Die Werte xi zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten werden in die Formel (2) eingesetzt, und die Differenzen zwischen den erhaltenen Werten und den Werten entsprechender log yi, werden als &epsi;i definiert.
&epsi;i = log b&sub0; + b&sub1;xi - log yi .... (3)
wobei &epsi;i einem Abschätzungsfehler in Formel (1) entspricht.
Danach wird die Summe der Quadrate &epsi;i² der Differenzen &epsi;i, die für die aufeinanderfolgenden Zeitpunkte gewonnen werden, als S definiert.
Für die Zwecke der Erfindung müssen die Parameter b&sub0; und b&sub1; so bestimmt werden, daß der Wert der Summe S in Formel (4) minimal wird. Dies kann durchgeführt werden, indem die Werte b&sub0; und bi bestimmt werden, die die folgenden zwei Gleichungen (5) und (6) erfüllen, die dadurch erhalten wurden, daß die partiellen Ableitungen der Formel (4) nach log b&sub0; und b&sub1; gleich Null gesetzt wurden.
Die simultanen Gleichungen (5) und (6) können gelöst werden, so daß man die folgenden Gleichungen (7) und (8) erhält.
Wenn die Werte der Parameter b&sub0; und b&sub1; entsprechend dem eben beschriebenen Verfahren bestimmt worden sind, kann der Wert der Summe S, der durch die Gleichung (5) ausgedrückt ist, auf einen ausreichend kleinen Wert gebracht werden, wenn naturgemäß zwischen x und y eine enge Beziehung besteht, so daß die durch Gleichung (1) wiedergegebene Annahme gültig ist. Da sowohl zwischen der Temperaturanstiegsrate und dem lokalen Maximalwert der thermischen Spannung als auch zwischen dem lokalen Maximalwert der thermischen Spannung und dem Lebensdauerverbrauch eine enge Beziehung besteht, kann das oben beschriebene Verfahren zufriedenstellend zur Ausführung der Erfindung angewendet werden.
Zur theoretischen Untermauerung der Möglichkeit der Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens im Kesselregelungsverfahren gemäß der Erfindung wird nachfolgend eine kurze Erklärung der physikalischen Mechanismen der Beziehung zwischen der Temperaturanstiegsrate und dem lokalen Maximalwert der thermischen Spannung gegeben, genauso wie desjenigen zwischen dem lokalen Maximalwert der thermischen Spannung und dem Lebensdauerverbrauch.
Im Hinblick auf die Anwendung der Erfindung ist es bekannt, daß die zwei Beziehungen zwischen der Temperaturanstiegsrate und dem Maximalwert der thermischen Spannung sowie zwischen dem Maximalwert der thermischen Spannung und dem Lebensdauerverbrauch eng aufeinander bezogen sind. Die vorher beschriebenen Berechnungen sind wirkungsvoll.
Zur Unterstützung der eben gebrachten Argumente werden nachfolgend die physikalischen Mechanismen der Beziehungen zwischen der Temperaturanstiegsrate und dem Maximalwert der thermischen Spannung sowie zwischen dem Maximalwert der thermischen Spannung und dem Lebensdauerverbrauch kurz erläutert.
Die thermische Spannung, die in der Turbine auftritt, verursacht Probleme in den Teilen, in denen sich die thermischen Spannungen konzentrieren, beispielsweise in Vorsprüngen oder ähnlichem. Es ist bekannt, daß es zur Bestimmung des Wertes der thermischen Spannung in einem Bereich ausreicht, eine infinite planare Platte anzunehmen, die mit dem Dampf innerhalb der Turbine in Kontakt ist, und die thermische Spannung in diesem Bereich durch Multiplizieren des Spannungskonzentrationskoeffizienten mit dem ermittelten Wert der thermischen Spannung auf der Oberfläche, die mit dem Dampf Kontakt hat, abzuschätzen. Außerdem wird eine Komponente der thermischen Spannung auf der Oberfläche, die gleichförmig in der jeweiligen Richtung parallel zur Oberfläche ist und die durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird, auf einem Maximalwert gehalten, wenn sie senkrecht zur Oberfläche ist. Diese Tatsache ist zur Steuerung der thermischen Spannungen zu berücksichtigen.
δ = (Tau - Ti) .... (9)
wobei δ die thermische Spannung in Richtung parallel zur Oberfläche ist,
E das Young-Modul,
α der lineare Ausdehnungskoeffizient,
ν das Poisson-Verhältnis,
Tau die durchschnittliche Metalltemperatur der infiniten planaren Platte,
Ti die Metalltemperatur an der Oberfläche der infiniten planaren Platte, und
a eine Proportionalitätskonstante.
Die thermische Übertragung innerhalb der infiniten planaren Platte beruht auf der Leitfähigkeit und erfüllt grundsätzlich die Fourier-Gleichung. Da es ausreicht, die thermische Übertragung lediglich in vertikaler Richtung in bezug auf die Oberfläche der infiniten planaren Platte zu betrachten, kann das Phänomen durch die folgende Formel ausgedrückt werden:
wobei k die Wärmeleitfähigkeit ist,
c die spezifische Wärme,
w der radiale Abstand, und
T die Metalltemperatur.
Indem die infinite planare Platte in verschiedene Schichten in Dickenrichtung unterteilt wird und indem jede Schicht mit einer Konzentrationskonstante beschrieben wird, kann der j-te Abschnitt, gezählt von der Oberfläche weg, auf der Grundlage der Formel (10) durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden.
wobei Δr die Dicke der abgeteilten Schicht ist.
Es sei nun der typische Fall angenommen, daß sich die infinite planare Platte im thermischen Gleichgewicht befindet und daß Wärme vom Fluid, das längs der infiniten planaren Platte fließt, übertragen wird. Da in diesem die Wärmeänderung unter der Bedingung, daß Ti+1 gleich Ti ist, von ti+1 aus übertragen wird, wird Gleichung (11) wie folgt modifiziert.
Gleichung (12) ist eine Differentialgleichung, die eine Totzeitkennlinie erster Ordnung darstellt. Die Zeitverzögerungskonstante τ o wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt.
Durch Laplace-Transformation wird Gleichung (12) in die folgende Gleichung umgewandelt.
wobei S der Laplace-Operator ist (Ableitung nach der Zeit); und das Suffix * den Wert darstellt, der durch die Laplace- Transformation erhalten wird.
Durch Verwendung der Beziehung aus Gleichung (14), kann die Temperatur TN des N-ten Abschnitts innerhalb der dicken Metallwand wie folgt durch die Oberflächentemperatur To ausgedrückt werden.
Wie vorher erläutert wurde, wird die thermische Spannung, die in Bereichen dicken Metalls auftritt, anhand der Differenz zwischen der Temperatur an der inneren Oberfläche und der Temperatur des inneren Abschnitts des Bereichs dicken Metalls ermittelt, wie man Gleichung (9) entnehmen kann.
Indem diese Temperaturdifferenz durch ΔT dargestellt wird, kann aus Gleichung (15) die folgende Beziehung abgeleitet werden.
Die durch die Gleichung (16) angegebene Entwicklung folgt darauf binominal.
Die höherrangigen Terme von S des Zählparameters in Gleichung (16) führen zu höheren Ableitungen der inneren Oberflächentemperatur T&sub0;. Offensichtlich ist die Veränderung der Temperatur T&sub0; sanft, so daß die Koeffizienten höheren Ableitungsgrads deshalb als Null angesehen werden können, so daß die Terme zweiten und höheren Grades vernachlässigt werden können. Somit kann Gleichung (16) wie folgt vereinfacht werden.
wobei
einen log N-ter Ordnung darstellen, N&sub0; eine Verstärkung darstellt und ST&sub0;* eine Temperaturänderungsrate darstellt.
Gleichung (17) zeigt, daß die Temperaturdifferenz an der Metalloberfläche der unter Druck stehenden Teile, die den Wert der thermischen Spannung bestimmt, Verzögerungen der Änderungsrate der Metalloberflächentemperatur höherer Ordnung hat. Dies beweist, daß die Asymptote an dem Metalltemperaturunterschied proportional zur Änderungsrate der Fluidtemperatur ist. Der Zustand, bei dem der Metalltemperaturunterschied entsprechend Gleichung (17) am nähesten an der Asymptote maximal ist, ist der Zustand, wo die thermische Spannung ein lokales Maximun hat. Gleichung (17) belegt das Konzept, wonach der lokale Maximalwert der thermischen Spannung durch Bezugnahme auf die Änderungsrate der Dampftemperatur genau bestimmt werden kann.
In gleicher Weise ist die Ermittlung der Lebensdauer unter Verwendung des Maximalwerts der thermischen Spannung genau in der japanischen Patentanmeldung 58-116201 mit dem Titel "Boiler Load Controlling Apparatus" beschrieben. Die genaue Beschreibung unterbleibt deshalb hier. Kurz gesagt, hängt der Lebensdaueraufbrauch von der Ermüdung und vom Kriechen bzw. von Ausdehnungen ab. Die Ermüdung hängt von der maximalen Breite (Spitze zu Spitze) zwischen positiven und negativen Spitzen entsprechend zwei Komponenten bezüglich jeder der drei Achsenrichtungen des primären Spannungsunterschieds innerhalb eines thermischen Zykus ab. Das Kriechen bzw. die Verformung hängt vom Maximalwert des Betrags der Spannungswerte (entsprechende Spannung) im Hochtemperaturbereich ab. Deshalb liegt eine starke bzw. bemerkenswerte Korrelation zwischen dem lokalen Maximalwert der thermischen Spannung und dem Lebensdaueraufbrauch vor. Es ist bekannt, daß sie zur Beschreibung der Beziehung zwischen ihnen in einem statistischen Ausdruck herangezogen werden kann.
Es wird abermals auf Fig. 6 Bezug genommen. Eine erste Berechnungsschaltung 501 empfängt ein Begrenzungssignal CRS der Temperaturänderungsrate des Schaufelreiheneinlaßdampfes, ein Primärdampftemperatursignal STS, ein Primärdampfdrucksignal SPS und ein Ansteuerungsbefehlssignal VD&sub1; für das Einstellventil am gegenwärtigen Punkt, und gibt ein Befehlssignal BTS zur Erhöhung der Kesseltemperatur aus. In dieser Ausführungsform wird das Begrenzungssignal CRS für die Temperaturänderungsrate des Schaufelreiheneinlaßdampfes durch eine vierte Berechnungsschaltung 502 gegeben. Auf die vierte Berechnungsschaltung 504 oder ähnliches kann jedoch auch verzichtet werden, indem das Signal auf einen festen Wert gesetzt wird, der im Stadium des Entwurfs der Anlage bestimmt wurde, oder auf einen Erfahrungswert.
Eine zweite Berechnungsschaltung 502 empfängt das Primärdampftemperatursignal STS, das Primärdampfdrucksignal SPS und das Befehlssignal VD&sub1; für die Einstellventilansteuerung und berechnet ein Auslaßdampftemperatursignal OTS, das die Dampftemperatur am Auslaß des Einstellventils 16 darstellt, sowie ein Änderungsratensignal OCS der Auslaßdampftemperatur, das die Dampftemperaturänderungsrate am Auslaß des Einstellventils 16 darstellt.
Eine dritte Berechnungsschaltung 503 empfängt das Auslaßdampftemperatursignal OTS und gibt ein Signal TSS aus, das die in den beweglichen Schaufeln der Turbine erzeugte thermische Spannung darstellt. Genauso empfängt eine sechste Berechnungsschaltun 506 das Signal TSS der thermischen Spannung und gibt ein Lebensdaueraufbrauchsignal LCS für die beweglichen Schaufeln für jeden thermischen Zyklus aus.
Eine fünfte Berechnungsschaltung 505 empfängt ein Aufteilungssignal LSS des Lebensdaueraufbrauchs der beweglichen Schaufeln bezüglich der Lastwechsel oder Anlaufwechsel pro Zyklus und gibt ein Begrenzungssignal MBS der thermischen Spannung der beweglichen Schaufeln aus, indem sie auf den Inhalt in einem zweiten Speicher 508 Bezug nimmt, worin Daten gespeichert sind, die durch das Lebensdaueraufbrauchsignal LCS und das Signal TSS der thermischen Spannung gegeben sind. Das Aufteilungssignal LSS des Lebensdaueraufbrauchs kann im Stadium des Entwurfs der Anlage auf ein konstantes Signal gesetzt werden, so daß sich der Setzvorgang erübrigt oder das Signal kann entsprechend dem Erfahrungswert des Lebensdaueraufbrauchs der Anlage und entsprechend den Anforderungen hinsichtlich des Anlaufvorgangs sowie hinsichtlich plötzlicher Lastwechsel gesetzt werden.
Eine vierte Berechnungsschaltung 504 empfängt das Begrenzungssignal MBS für die thermische Spannung und gibt ein Begrenzungssignal CRS für die Dampftemperaturänderungsrate am Einlaß der Turbinenschaufelreihe aus, indem sie auf den Inhalt eines ersten Speichers 507 Bezug nimmt, der Datenpaare speichert, die durch das Änderungsratensignal OCS der Dampftemperatur und das Signal TSS der thermischen Spannung gegeben sind. In dieser Ausführungsform wird das Begrenzungssinal MBS für die thermische Spannung durch die fünfte Berechnungsschaltung 505 erstellt. Es kann jedoch auf die fünfte Berechnungsschaltung oder ähnliches verzichtet werden, indem im Entwurfsstadium der Anlage das Signal konstant gesetzt wird oder indem ein Erfahrungswert gesetzt wird.
Eine Schaltung 509 zur Steuerung des Kesseltemperaturanstiegs empfängt das Befehlssignal RTS, um das Ende des Betriebs des Kessels anzusteuern.
Fig. 7 zeigt die Details der zweiten Berechnungsschaltung 502. In einer Dampftabellenreferenzschaltung 5021 werden ein Signal SVS für das spezifische Volumen, das das spezifische Volumen des Dampfs am Einlaß des Einstellventils 16 anzeigt, sowie ein Enthalpiesignal ETS, das die Dampfenthalpie am Einlaß des Einstellventils 16 anzeigt, berechnet. Eine Funktionsgeneratorschaltung 5022 für die Ventilkennlinie berechnet ein Druckverlustsignal PLS, das den Druckverlust im Einstellventil 16 aus dem Ventilansteuerungsbefehlssignal VD1, dem Dampfdrucksignal SPS und dem Signal SVS des spezifischen Volumens berechnet. Eine Dampftabellenreferenzschaltung 5023 berechnet die Temperatur des Dampfes, dessen Enthalpie identisch zu derjenigen am Ventileinlaß entsprechend dem Ventilauslaßdruck ist. Ein Ventilauslaßdrucksignal VOP, das diesen Ventilauslaßdruck darstellt, wird erhalten, indem das Druckverlustsignal PLS vom Dampfdrucksignal SPS subtrahiert wird. Wie weiter oben beschrieben, sind die Dampftemperatur, die sich durch die Änderung mit gleichbleibender Enthalpie ergibt, sowie ihr Differenzwert jeweils das Auslaßdampftemperatursignal OTS und das Dampftemperaturänderungsratensignal OCS.
Bezugsziffern 5024 und 5025 bezeichnen jeweils eine Subtrahierschaltung und eine Differenzierschaltung.
Die dritte Berechnungsschaltung 503 ist ein Überwachungssystem für die thermische Spannung, die herkömmlicherweise benutzt wurde. Der schematische Vorgang wurde durch die Gleichungen (9) bis (13) dargestellt.
Die sechste Rerechnungsschaltung 506 setzt ein Lebensdauerermittlungsverfahren um, das üblicherweise durchgeführt wird, indem der Maximalwert der thermischen Spannung verwendet wird. Seine Details sind in der japanischen Patentanmeldung 58-116201 gezeigt.
Die in den Gleichungen (1) bis (8) gezeigten statistischen Verfahren werden jeweils durch die vierte und die fünfte Berechnungsschaltung 504 und 505 auf die im ersten Speicher 507 und im zweiten Speicher 508 gespeicherten Daten angewendet.
Da die erste Berechnungsschaltung 501 ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, wird ihre Wirkungsweise und ihre Auswirkung nachfolgend genau beschrieben. Wie weiter oben beschrieben, ist der Abfall der Dampftemperatur aufgrund des Einstellventils eine Änderung mit gleichbleibender Enthalpie. Der diesbezügliche Mechanismus wurde in der Beschreibung der zweiten Berechnungsschaltung 502 in Verbindung mit Fig. 7 erläutert. Sie werden wie folgt ausgedrückt.
θo = h(Po, Hi) .... (18)
Po = Pi - g(Pi, A, µi) .... (19)
µi = fµ(Pi, θi) .... (20)
Hi = fH(Pi, θi) .... (21)
wobei θi die Dampftemperatur am Einlaß des Einstellventils 16 ist;
θo die Dampftemperatur am Auslaß des Einstellventils 16;
A der Öffnungsgrad des Einstellventils 16;
Hi die Dampfenthalpie am Einlaß des Einstellventils 16;
Pi der Dampfdruck am Einlaß des Einstellventils 16;
Po der Dampfdruck am Auslaß des Einstellventils 16;
fµ die Dampftabelle, in der man das spezifische Volumen aus dem Dampfdruck und der Dampftemperatur erhält;
fH die Dampftabelle, in der man die Enthalpie aus dem Dampfdruck und der Dampftemperatur erhält;
g die Funktion, die den Differenzdruck aus dem Dampfdruck, dem spezifischen Volumen und dem Ventilöffnungsgrad ergibt;
h die Dampftabelle, aus der die Temperatur aus dem Dampfdruck und der Enthalpie hervorgeht; und
µi das spezifische Volumen des Dampfs am Einlaß des Einstellventils 16.
Die Gleichungen (19) bis (21) werden in die Gleichung (18) eingesetzt, diese wird differenziert, so daß sich die folgende Gleichung bezüglich der Änderungsrate der Dampftemperatur aus θo am Auslaß des Einstellventils 16 ergibt.
Die Aufgabe der Erfindung wird erreicht, indem wie folgt das θi ermittelt wird, das dazu führt, daß mit den gegebenen Änderungsraten der gegebenen Pi und A die Änderungsrate θo ein vorbestimmter Wert wird.
Die partiellen Differentialkoeffizienten in obiger Gleichung können ermittelt werden, wenn die gegenwärtigen Werte Pi, A und θi gegeben sind. Insbesondere ist die erste Berechnungsschaltung 501 in Fig. 8 gezeigt. Das Temperaturerhöhungssignal TIS2 in Fig. 8 entspricht der durch Gleichung (23) gegebenen Änderungs rate von θi.
Das in Fig. 8 gezeigte System enthält Differenzierschaltungen 120 und 121, Erzeugungsschaltungen 122 bis 130 für partielle Differentialkoeffizienten, Subtrahierschaltungen 133, 136, 144 und 147, eine Konstantmultiplikationsschaltung 134, Multiplikationsschaltungen 135, 137 bis 141, 145, 146 und 148, Addierschaltungen 142, 143 und 149, eine Dividierschaltung 150 und eine Auswahlschaltung 151.
In Fig. 8 wird das Befehlssignal TIS1 für die Temperaturzunahmerate aus der Differenz zwischen dem Primärdampftemperatursignal STS zum gegenwärtigen Zeitpunkt und der Primärdampftemperatur, die durch eine Signalsetzschaltung 132 gegeben ist, ermittelt. Ein ausgewähltes Befehlssignal SIS für die Temperaturzunahmerate wird gewonnen, indem in der Auswahlschaltung 151 aus den Signalen TIS1 und TIS2 das niedrigere ausgewählt wird, um so einen besonderen Effekt der Ausführungsform zu erzielen. Wenn nämlich die Primärdampftemperatur (Signal STS) gleich oder größer als der Setzwert ist, ist das Signal TIS1 Null oder negativ. Das Signal TIS1 wird ausgewählt, um die Zunahme der Temperatur über den gesetzten Wert hinaus zu unterbinden. Genauso wird, wenn die Primärdampftemperatur den gesetzten Wert überschreitet, das negative ausgewählte Befehlssignal SIS für die Temperaturanstiegsrate angelegt um die Temperatur zurück auf den gesetzten Wert zu führen.
Die Wirkungsweise der Steuerungseinrichtung für die Kesseltemperaturzunahmerate ist in der japanischen Patentanmeldung 59-145932 mit dem Titel "Boiler starting Controlling Apparatus" beschrieben. Die Anlagensteuerungseingabe (Eingabe zur optimalen Steuerung) wie etwa ein Ventilöffnungsgrad oder ähnliches wird unter der Bedingung minimaler Kraftstoffzufuhrmenge im Anfahrbetrieb mit einer Temperaturanstiegsrate, die entsprechend dem Anlagenzustand durch das Signal SIS gegeben ist, berechnet, wodurch der Anfahrvorgang durchgeführt wird.
Wenn die in der japanischen Patentanmeldung 61-076801 offenbarte Technik mit dem Titel "Boiler Starting Operation Controlling Apparatus" als Steuerungseinrichtung für die Temperaturanstiegsrate verwendet wird, ist es möglich, hierauf die Kalman-Filter-Theorie oder die Theorie der optimalen Regelung anzuwenden. Es ist von Vorteil, daß die Eingabe zur optimalen Steuerung den Leistungsindex minimieren kann.
Um im in Fig. 5 gezeigten herkömmlichen System einer Steuerungseinrichtung für die Temperaturanstiegsrate nur möglichst geringe Veränderungen vornehmen zu müssen, wird der Befehlswert (SIS) der Temperaturanstiegsrate zu einem Temperaturbefehlswert integriert, der der Subtrahierschaltung 48 anstelle des Setzsignals PSS für die Primärdampftemperatur, das durch den in Fig. 5 gezeigten Setzer 52 gegeben ist, zugeführt wird.
Gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird im in Fig. 5 gezeigten Steuerungssystem eine Kaskadenregelung auf das Setzsignal für die Primärdampftemperatur angewendet, mit einer Abweichung zwischen der tatsächlichen Temperaturanstiegsrate (OCS) am Einlaß der Schaufelreihe und deren Begrenzungswert (ORS) für die Temperaturanstiegsrate. Dies ist in Fig. 9 gezeigt. Dieses Verfahren ist insofern vorteilhaft, als damit die Erfindung auf einfachste Weise durchgeführt werden kann.
In Fig. 9 bezeichnen die Bezugsziffern 152 und 158 Subtrahierschaltungen. Bezugsziffern 153 und 156 bezeichnen eine Proportional-Integral-Schaltung bzw. eine Addierschaltung.
Die vorliegende Erfindung führt zu den folgenden Vorteilen.
i) Angesichts der Dampftemperaturänderung, die mit dem Durchfluß durch das Einstellventil einhergeht, ist es möglich, die Einlaßdampftemperaturänderung an der Turbinenschaufelreihe unter einen bestimmten Wert zu regeln.
ii) Mit der Vorhersage des sich einstellenden Wertes der Temperaturänderungsrate bei der Regelung der Änderungsrate der Einlaßdampftemperatur der Turbinenschaufelreihe ist es möglich, mit schneller Ansprechgeschwindigkeit zu regeln.
iii) Es ist möglich, die Änderungsrate der Einlaßdampftemperatur an der Turbinenschaufelreihe zu regeln, während der Maximalwert der in der Turbinenschaufelreihe erzeugten thermischen Spannung unter einem vorbestimmten Wert gehalten wird.
iv) Es ist möglich, die Regelung der Einlaßdampftemperatur an der Turbinenschaufelreihe entsprechend dem gesetzten Lebensdaueraufbrauch der Turbinenschaufelreihe vorzunehmen.

Claims

1. Regelungsvorrichtung für eine Kessel/Turbinen-Anlage, mit

einer Einrichtung zum Ansteuern eines Einstellventils (16) für den Turbineneinlaßdampffluß auf der Grundlage einer Differenz zwischen einem Lastbefehlssignal, das durch den Wert einer thermischen Spannung in einer Turbine (15) eingestellt wurde, und einem tatsächlich gemessenen Ausgangssignal einer Anlage;

einer Einrichtung zur Ansteuerung eines Einstellventils (13) für den Kesselspeisewasserfluß auf der Grundlage einer Differenz zwischen einem Wert, der dadurch erhalten wird, daß eine Kesselspeisewassermenge mit einer Überhitzer-Speisewassermenge addiert wird, und einem Wert, der durch ein Befehlssignal für den Kesseleinlaß dargestellt wird;

einer Einrichtung zur Ansteuerung eines Einstellventils (20) für den Kraftstofffluß gemäß einer tatsächlich gemessenen Kraftstoffmenge und einem Kraftstoffbefehlssignal, das mittels eines Differenzsignals zwischen einem Setzsignal für die Primärdampftemperatur und einem Dampftemperatursignal, das einen gemessenen Wert einer primären Dampftemperatur darstellt, korrigiert wird; und

einer Einrichtung zur Ansteuerung eines Speisewasserventils (22) eines Überhitzers auf der Grundlage eines Differenzwerts zwischen dem Setzwert der primären Dampftemperatur und dem Dampftemperatursignal, das den gemessenen Wert einer Primärdampftemperatur darstellt,

gekennzeichnet durch

eine Einrichtung zur Berechnung eines Dampftemperaturabfalls zwischen einem Einlaß des Dampfflußeinstellventils (16), das am Einlaß der Dampfturbine angebracht ist, und dem Einlaß einer Schaufelreihe der Dampfturbine auf der Grundlage des Öffnungsgrads des Dampfeinstellventils und einer Temperatur und eines Drucks des Dampfs am Einlaß des Dampfflußeinstellventils (16);

einer Einrichtung zur Berechnung des Setzwerts der primären Dampftemperatur auf der Grundlage des berechneten Werts aus der Berechnungseinrichtung.

2. Regelungsvorrichtung für eine Kessel/Turbinen-Anlage, in der eine Dampfturbine (15) über ein Dampfflußeinstellventil (16) mit einer Dampfauslaßeinrichtung eines Kessels verbunden ist, die einen Regler für die Änderungsrate der Dampftemperatur hat, wobei die Vorrichtung eine erste Berechnungseinrichtung (501) aufweist zum Empfangen zumindest eines Dampftemperatursignals, das die Dampftemperatur am Einlaß des Dampfflußeinstellventils darstellt,

eines Dampfdrucksignals, das den dort herrschenden Dampfdruck darstellt, und

einer Information betreffend die Dampftemperatur am Einlaß einer Schaufelreihe der Dampfturbine sowie zum Berechnen zumindest eines gewünschten Werts der Änderungsrate der Dampftemperatur oder des gewünschten Werts der Änderungsratenkorrektur der Dampftemperatur des Kessels;

weiter gekennzeichnet durch

ein Öffnungsgradsignal, das einen Öffnungsgrad des Einstellventils darstellt, das durch die erste Berechnungseinrichtung (501) empfangen wird.

3. Regelungsvorrichtung nach Anspruch 2, die außerdem eine zweite Berechnungseinrichtung (502) aufweist zum Empfangen des Dampftemperatursignals, des Dampfdrucksignals und des Öffnungsgradsignals sowie zur Berechnung einer Dampftemperatur und einer Dampftemperaturänderungs rate am Einlaß der Schaufelreihe der Dampfturbine.

4. Regelungsvorrichtung nach Anspruch 3, die außerdem aufweist:

eine dritte Berechnungseinrichtung (503) zur Berechnung der thermischen Spannungen der Turbinenschaufeln der Turbine, indem die durch die zweite Berechnungseinrichtung gegebene Dampftemperatur oder Dampftemperaturänderungsrate verwendet wird;

eine erste Speichereinrichtung (507) zur Speicherung von Sätzen von Werten der thermischen Spannung, die durch die dritte Berechnungseinrichtung (503) berechnet wurden, sowie der Dampftemperatur oder der Dampftemperaturänderungsrate, die in der zweiten Berechnungseinrichtung (502) berechnet wurden; und

eine vierte Berechnungseinrichtung (504) zum Empfangen eines Begrenzungswerts für thermische Spannungsspitzen der Turbinenschaufeln, der vorweg oder für jeden Befehl gesetzt wird, sowie zur Berechnung eines Begrenzungswerts für die Dampftemperaturänderungsrate für den Einlaß der Schaufelreihe der Turbine (15), der der ersten Berechnungseinrichtung (501) zuzuführen ist, indem die Sätze der in der ersten Speichereinrichtung (507) gespeicherten Werte verwendet werden.

5. Regelungsvorrichtung nach Anspruch 4, die außerdem aufweist:

eine fünfte Berechnungseinrichtung (505) zum Empfangen des Werts der thermischen Spannung der Schaufeln der Turbine (15), der durch die dritte Berechnungseinrichtung (503) gegeben ist, sowie zur Berechnung des Lebensdaueraufbrauchs der Turbinenschaufeln;

eine zweite Speichereinrichtung (508) zum Speichern von Sätzen von Werten des Lebensdaueraufbrauchs, wie er durch die fünfte Berechnungseinrichtung (505) bestimmt wurde, sowie der thermischen Spitzenwerte, die durch die dritte Berechnungseinrichtung (503) bestimmt wurden; und

eine sechste Berechnungseinrichtung (506) zum Empfangen eines Setzwerts des zulässigen Lebensdaueraufbrauchs für einen Anlaufvorgang, einen Abschaltvorgang oder einen Lastwechsel für die Turbinenschaufeln sowie zur Berechnung des Begrenzungswerts für die thermischen Spannungsspitzen der Turbinenschaufeln, der der vierten Berechnungseinrichtung (504) zuzuführen ist.