DE60224490T2

DE60224490T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Drehzahlsteuerung einer Dampfturbine

Info

Publication number: DE60224490T2
Application number: DE60224490T
Authority: DE
Inventors: Naum Des Moines Staroselsky; Dmitry Des Moines Drob; Mykhailo Volynskyi
Original assignee: Compressor Controls LLC
Current assignee: Compressor Controls LLC
Priority date: 2001-11-15
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2009-01-15
Anticipated expiration: 2022-11-14
Also published as: EA200201097A2; EA005895B1; US20030091429A1; EP1312765A3; EP1312765B1; EA200201097A3; DE60224490D1; US6719523B2; EP1312765A2

Description

Gebiet der Technik
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Drehzahlsteuerung von Dampfturbinen. Konkreter bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Überwindung des Leistungsabfalls einer abgenutzten oder defekten Steuerventilgruppe (einer Komponente des Steuersystems) durch Einsatz eines oder mehr als eines zusätzlichen digitalen Reglers; wodurch die Genauigkeit des Steuersystems für die Turbinendrehzahl insgesamt verbessert wird.
Technischer Hintergrund
Um Drehzahl und Leistung einer Dampfturbine zu regeln, muss ein Ventil (oder häufiger ein Satz von Ventilen) eingestellt werden, um den Dampfstrom durch die Turbine zu variieren. Solche Ventile werden typischerweise mit einem hydraulischen Dampfventil-Stellglied eingestellt, das seinerseits über ein Steuerventil betätigt wird, das durch ein elektromechanisches Stellglied moduliert wird, das sein Signal von einem Drehzahl-Steuersystem erhält.
Heutige Drehzahl-Steuersysteme für Dampfturbinen umfassen einen Proportional-Integral-Differential-(PD-)Regler, der Signale nutzt, die die Drehzahl darstellen. Dieser Drehzahlregler übermittelt dann einen Stellglied-Positionssollwert an einen anderen PID-Regler, der die Dampfventil-Stellgliedposition überwacht und dessen Ausgangssignal (indirekt) das Dampfventil-Stellglied aktiviert, um dessen Position auf den Stellglied-Sollwert zu bringen. In Wirklichkeit wird das Ausgangssignal des Dampfventil-Stellgliedreglers als ein Sollwert für ein elektromechanisches Stellglied benutzt, das ein Steuerventil moduliert; ein hydraulisches Fluid wird durch das Steuerventil zum bzw. vom Dampfventil-Stellglied geleitet, um dessen Position zu verändern. Steuerventile können aber auf Grund von Fertigungsfehlern, Abnutzung und anderen Problemen einen Leistungsabfall erleiden, wodurch die Leistung des Systems beeinträchtigt wird.
Im Dokument US 4 461 152 wird eine Steuervorrichtung für eine Dampfturbine offenbart, die ein mit einem Dampfventil verbundenes Dampfventil-Stellglied umfasst, wobei ein Geber ein Signal übermittelt, das für die Position eines Dampfventil-Stellgliedes repräsentativ ist, sowie eine arithmetische Arbeitseinheit für die Dampfturbinen-Drehzahl, um einen Sollwert für das Dampfventil-Stellglied zu erzeugen. Ein Signal, das einen Steuerventil-Eingangsdampfdruck anzeigt, wird verwendet, um das Öffnungssollsignal für Steuerventilregelung in einer bei variablem Dampfdruck betriebenen Dampfturbine korrigierend zu modifizieren.
Im Dokument US 3 340 883 wird ein Steuersystem für eine Dampfturbine offenbart, das einen Drehzahl-Steuerkanal und einen Beschleunigungs-Steuerkanal umfasst, die je ein Signal von Sensoren empfangen, die auf die Drehung eines Zahnrades der Turbine ansprechen. Eine Abweichung der tatsächlichen Turbinendrehzahl von der erwünschten Turbinendrehzahl wird an ein Ventil angelegt, das den Dampfzutritt zur Turbine steuert.
Im Dokument US 3 572 958 wird ein Steuersystem für eine Dampfturbine offenbart, das eine Drehzahl-Steuereinheit umfasst, die ein Signal von einer Drehzahl-Spürvorrichtung empfängt, das mit einem Signal für die erwünschte oder Referenz-Drehzahl verglichen werden soll. Eine Ventilpositioniereinheit bewegt ein Ventil, das den Dampfzutritt zur Turbine in Übereinstimmung mit der Differenz zwischen dem Signal für die tatsächliche Drehzahl und dem Signal für die erwünschte Drehzahl steuert. Eine Drosseldruck-Ausgleichsvorrichtung empfängt ein Signal, das für den Dampfdruck stromauf vom Steuerventil repräsentativ ist, und regelt die Verstärkung des Steuerventils umgekehrt proportional zum augenblicklichen Drosseldruck.
Folglich wird ein Steuerverfahren benötigt, das eine Kompensation für fehlerhafte Steuerventile schafft.
Offenbarung der Erfindung
Zweck dieser Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung der Dampfströmungsgeschwindigkeit durch eine Dampfturbine zur Verfügung zu stellen, indem die Position eines Steuerventils zusammen mit der Dynamik eines Dampfventils überwacht und diese Information verwendet wird, um für die Auswirkungen einer defekten Steuerventilgruppe, die nicht normgerecht funktioniert, Kompensation zu schaffen.
Um diesen Zweck zu erfüllen, werden zum Standardsteuersystem, das zur Regelung der Turbinendrehzahl verwendet wird, weitere Steuerelemente hinzugefügt. Insbesondere werden ein oder zwei zusätzliche PID-Regler einbezogen. In einer ersten Ausführungsform dient eine dieser Einheiten dazu, die Position des Steuerventils auf einem Sollwert zu halten, den ein PID-Regler für die Dampfventil-Stellgliedposition liefert. Daher ist der Regler für die Steuerventilposition mit dem Regler für die Dampfventilposition hintereinander geschaltet.
Diese erste Ausführungsform der Erfindung richtet sich aber nicht auf die beanspruchte Erfindung, sondern wird nur zum Zweck eines klaren Verständnisses der 1 und 2 in den Zeichnungen beschrieben.
In einer zweiten Ausführungsform ist ein zweiter Regler für die Geschwindigkeit des Dampfventil-Stellgliedes reserviert. Aus diesem Grunde ist eine Berechnungsfunktion erforderlich, die die erste zeitliche Ableitung des Signals für die Dampfventilposition errechnet. Der Sollwert für diesen Regler ist der Differenz (der Abweichung) zwischen dem Sollwert der Dampfventilposition und seiner tatsächlichen Position proportional.
Das sich ergebende Signal, das in das elektromechanische Stellglied des Steuerventils eingegeben wird, ist einer linearen Kombination der Ausgangssignale der beiden zusätzlichen PID-Regler proportional.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Dampfturbine mit ihrem Drehzahl-Steuerystem.
2 zeigt eine Ausführungsfunktion.
Beste Weise, die Erfindung auszuführen
Um eine genaue und stabile Drehzahlsteuerung einer Dampfturbine aufrecht zu erhalten, muss das Steuersystem in der Lage sein, Kompensation für eine mögliche fehlerhafte Arbeit einer Steuerventilgruppe zu schaffen, indem sowohl die Position eines Steuerventils als auch die Geschwindigkeit eines Dampfventil-Stellgliedes überwacht wird.
1 zeigt eine Dampfturbine zusammen mit ihrem Drehzahl-Steuersystem, in das ein erster Drehzahl-PID-Regler 101 einbezogen ist, der zusätzlich zum Vergleich und zur Berechnung von Drehzahlmessungen, die ein Drehzahlgeber (N) 103 liefert, einen Drehzahlsollwert (SP) 102 überwacht. Das Ausgangssignal dieses Reglers 101 ist ein Sollwert (für ein Dampfventil-Stellglied 104), das in einem zweiten PID-Regler 105 für die Position des Dampfventil-Stellgliedes verwendet wird, der über einen Geber (XMTR 1) 106 auch die tatsächliche Position des Dampfventil-Stellgliedes überwacht und veranlasst, dass die Position des Stellgliedes mit dem Sollwert für das Stellglied übereinstimmt. Damit die Erfindung diese Aufgabe erfüllen kann, ist das Ausgangssignal des zweiten Reglers 105 ein Steuerventil-Positionssollwert, der in einen dritten zusätzlichen PID-Regler 107 eingegeben wird, der dafür ausgelegt ist, über einen Geber (XMTR 2) 109 die derzeitige Position des Steuerventils 108 sowie dessen Sollwert zu überwachen. Das Ausgangssignal des dritten Reglers 107 ist darauf ausgerichtet, die Differenz zwischen der Position und dem Sollwert des Steuerventils auf null zu reduzieren.
Ein weiterer vierter zusätzlicher PID-Regler 110 hat die Bestimmung, die Geschwindigkeit des Dampfventil-Stellgliedes zu regeln. Ein Eingangssignal für diesen Regler kommt von einem Funktionsblock (d/dt) 111, der aus den von seinem Geber 106 übermittelten Messwerten für die Position des Stellgliedes 104 die Geschwindigkeit des Dampfventils berechnet. Der Sollwert für den vierten Regler 110 wird von einem Summierblock (Σ) 112 und einem Festwertmultiplizierblock (K) 113 festgelegt, und er (der Geschwindigkeitssollwert) ist der Abweichung zwischen der Position des Dampfventils und seinem Positionssollwert proportional. Konkret ist der Sollwert
wobei X_sv die augenblickliche Position des Stellglieds, SP_sv der Sollwert des Stellgliedes und Δt_a die Zeitkonstante des Stellgliedes sind.
Die Ausgangssignale des dritten 107 und vierten 110 Reglers werden dann von einer Ausführungsfunktion 114 verwendet, deren Zweck darin besteht, diese beiden Signale zu einem Ausgangssignal zu kombinieren (siehe 2), was (in der einen Ausführungsform) dadurch erreicht wird, dass eine gewichtete Summe der beiden Ausgangssignale 107, 110 berechnet wird. Die Wichtungen (oder Verstärkungen) 201, 202 dienen dazu, die jeweiligen Beiträge jedes Ausgangssignals zur resultierenden Steuertätigkeit zu verstärken bzw. abzuschwächen.
Die erste Verstärkung 201 wird durch das Ausgangssignal des dritten Reglers 107 in einem Multiplizierblock 203 beeinflusst, während die zweite Verstärkung 202 durch das Ausgangssignal des vierten Reglers 110 in einem zweiten Multiplizierblock 204 beeinflusst wird. Diese beiden Produkte werden dann summiert 205. Andere Ausführungsformen der Ausführungsfunktion 114 sind möglich; der Hauptzweck besteht darin, eine zufriedenstellende Kombination der beiden Signale, der Steuerventilposition 107 und der Dampfventil-Stellgliedgeschwindigkeit 110, zu erreichen.
Die erste 201 und die zweite 202 Verstärkung können durch Bedienungs- oder technisches Personal festgelegt werden oder könnten Funktionen der Grösse der Abweichungen im dritten 107 und vierten 110 Regler sein. Die Verstärkungen könnten auch eine Funktion der Betriebsbedingungen der Turbine sein.
Das Ausgangssignal der Ausführungsfunktion 114 gelangt in einen Signalverstärker (AMPL) 115 und von dort in ein elektromechanisches Stellglied (ACTR) 116, welches das Steuerventil 108 moduliert, das über ein hydraulisches Fluid das Dampfventil-Stellglied 104 aktiviert, so dass dessen Position verändert wird. Das Dampfventil-Stellglied 104 ist mit einem oder mehr als einem Dampfventil (in 1 als ein einziges Ventil 117 dargestellt) verbunden, das verwendet wird, um die Strömungsgeschwindigkeit des durch eine Turbine 118 hindurchgehenden Dampfes zu regeln. Wenn der Dampf aus der Turbine austritt, gelangt er in einen Kondensator 119 oder einen weiteren Prozess; ausserdem wird die Turbine dazu verwendet, eine Last 120 anzutreiben (in 1 als ein Generator gezeigt), aber diese Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Last beschränkt.
Offensichtlich sind angesichts der obigen Lehren viele Abwandlungen und Varianten der vorliegenden Erfindung möglich. Daher ist zu verstehen, dass die Erfindung innerhalb des Rahmens der beigefügten Ansprüche auch anders als konkret beschrieben praktiziert werden kann.

Claims

Verfahren zur Steuerung der Geschwindigkeit des Dampfstromes durch eine Dampfturbine (118), bei dem ein Steuersystem mit einem Regler (101) für die Dampfturbinen-Drehzahl, der einen Sollwert (SP_sv) für das Dampfventil-Stellglied erzeugt, und mit einem Geber (106), der ein Signal übermittelt, das einer Position (X_sv) eines mit einem Dampfventil (117) verbundenen Dampfventil-Stellgliedes (104) proportional ist, benutzt wird und das dadurch gekennzeichnet ist, dass es umfasst: – in einem zusätzlichen Regler (110) für ein Steuerventil (108), das den Strom eines hydraulischen Fluids zu und von dem mit einem Dampfventil (117) verbundenen Dampfventil-Stellglied (104) leitet, a) einen ersten Wert, der einer Differenz zwischen dem Sollwert (SP_sv) des Dampfventil-Stellgliedes und der Position (X_sv) des Dampfventil-Stellgliedes proportional ist; b) einen zweiten Wert, der einer ersten zeitlichen Ableitung der Position (X_sv) des Dampfventil-Stellgliedes als einer Steuervariablen für den Steuerventilregler (110) gleich ist; und c) auf der Grundlage des ersten und zweiten Wertes ein Steuerventil-Positionssignal zu berechnen – und d) auf der Grundlage des Steuerventil-Positionssignals des Steuerventilreglers (110) ein Steuerventil-Stellglied (116) zu positionieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung eines ersten Wertes eine Proportionalitätskonstante verwendet wird, die einer Zeitkonstanten für das Dampfventil-Stellglied gleich ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil-Stellglied eine elektromechanische Vorrichtung ist.
Vorrichtung zur Steuerung der Geschwindigkeit des Dampfstromes durch eine Dampfturbine (118), bei dem ein Steuersystem mit einem Regler (101) für die Dampfturbinen-Drehzahl, der einen Sollwert (SP_sv) für das Dampfventil-Stellglied erzeugt, und mit einem Geber (106), der ein Signal übermittelt, das (X_sv) eines mit einem Dampfventil (117) verbundenen Dampfventil-Stellgliedes (104) proportional ist, benutzt wird und die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie umfasst: – einen zusätzlichen Regler (110) für ein Steuerventil (108), das den Strom eines hydraulischen Fluids zum und vom Dampfventil-Stellglied (104) leitet, um a) einen ersten Wert, der einer Differenz zwischen dem Sollwert (SP_sv) des Dampfventil-Stellgliedes und der Position (X_sv) des Dampfventil-Stellgliedes proportional ist; b) einen zweiten Wert, der einer ersten zeitlichen Ableitung der Position (X_sv) des Dampfventil-Stellgliedes als einer Steuervariablen für den Steuerventilregler (110) gleich ist; und c) auf der Grundlage des ersten und zweiten Wertes ein Steuerventil-Positionssignal zu berechnen und – Mittel, um d) auf der Grundlage des Positionssignals des Steuerventilreglers (110) ein Steuerventil-Stellglied (116) zu positionieren.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung eines ersten Wertes eine Proportionalitätskonstante verwendet wird, die einer Zeitkonstanten für das Dampfventil-Stellglied gleich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil-Stellglied eine elektromechanische Vorrichtung ist.