EP2510198B1 - Method and device for regulating the production of steam in a steam plant - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Erzeugung von Dampf aus Speisewasser in einem Verdampfer einer Dampfkraftanlage, bei dem in einem ersten Regelsystem ein Zustandsregler mehrere Mediumszustände im Verdampfer mit Hilfe eines Beobachters berechnet und daraus einen Speisewassermassenstrom als Stellgröße des ersten Regelsystems ermittelt.The invention relates to a method for controlling the production of steam from feed water in an evaporator of a steam power plant, wherein in a first control system, a state controller calculates several medium states in the evaporator with the help of an observer and determines therefrom a feedwater mass flow as a control variable of the first control system.

Der Wirkungsgrad einer Dampfkraftwerksanlage steigt mit der Temperatur des im Kraftwerkkessel erzeugten Dampfes und mit der Konstanz der Qualität des nach der Verdampfereinheit bereitgestellten Dampfs. Die Dampferzeugung in einer Dampfkraftanlage erfolgt in der Regel aus Speisewasser, das in einem Hochdruckvorwärmer, auch Economizer genannt, vorgewärmt und dann in einem Verdampfer verdampft wird. Das Speisewasser wird hierbei vor dem Hochdruckvorwärmer mittels einer Speisewasserpumpe auf einen hohen Druck gebracht und durch den Hochdruckvorwärmer und Verdampfer getrieben.The efficiency of a steam power plant increases with the temperature of the steam generated in the power boiler and with the constancy of the quality of the steam provided downstream of the evaporator unit. The steam generation in a steam power plant is usually from feed water, which is called in a high-pressure preheater, also called economizer, preheated and then evaporated in an evaporator. The feed water is brought to a high pressure before the high pressure preheater by means of a feedwater pump and driven by the high pressure preheater and evaporator.

Die Regelung der Dampftemperatur nach dem Verdampfer erfolgt durch das Einstellen eines Massenstroms des Speisewassers als Stellgröße, das in den Verdampfer eingeführt wird. Das Regelverhalten der Dampftemperatur mit dieser Stellgröße ist sehr träge, so dass sich ein Verstellen des Speisewassermassenstroms erst nach mehreren Minuten auf die zu regelnde Temperatur auswirkt. Zusätzlich wird die zu regelnde Temperatur durch zahlreiche Störungen, wie z.B. Laständerungen, Rußblasen im Kessel, Wechsel des Brennstoffes, usw., stark beeinflusst. Eine genaue Temperaturregelung ist aus diesen Gründen schwer zu erreichen.The control of the steam temperature after the evaporator is done by adjusting a mass flow of the feedwater as a control variable, which is introduced into the evaporator. The control behavior of the steam temperature with this control variable is very sluggish, so that an adjustment of the feedwater mass flow only after several minutes affects the temperature to be controlled. In addition, the temperature to be controlled is greatly influenced by numerous disturbances, such as load changes, soot bubbles in the boiler, change of fuel, etc. Precise temperature control is difficult to achieve for these reasons.

Aus Dimeo R. et al., "Boiler-Turbine Control System Design Using a Genetic Algorithm", IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 10, No. 4, December 1995 , ist ein Verfahren zur Regelung eines Dampferzeugers mittels eines Linear quadratischen Reglers (LQR) bekannt.Out Dimeo R. et al., "Boiler Turbine Control System Design Using a Genetic Algorithm," IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 4, December 1995 , a method for controlling a steam generator by means of a linear quadratic regulator (LQR) is known.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Dampftemperatur sowohl genau als auch stabil geregelt werden kann.It is an object of the invention to provide a method with which the steam temperature can be controlled both accurately and stably.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Zustandsregler erfindungsgemäß ein linear-quadratischer Regler ist. Ein solcher Linear Quadratic Regulator (LQR) kann eine linear-quadratische optimale Zustandsrückführung enthalten. Hierbei können dessen Parameter derart bestimmt werden, dass ein Gütekriterium für die Regelqualität optimierbar ist. Hierdurch kann sowohl eine genaue als auch stabile Regelung erreicht werden.This object is achieved in that the state controller according to the invention is a linear-quadratic controller. Such a linear quadratic regulator (LQR) may include a linear-quadratic optimal state feedback. In this case, its parameters can be determined such that a quality criterion for the control quality can be optimized. As a result, both an accurate and stable control can be achieved.

Die Erfindung geht hierbei von der Überlegung aus, dass bei einer Zustandsregelung mehrere - teilweise nicht messbare - Zustände zur Ermittlung der Stellgröße, bzw. des Reglerstellsignals, zurückgeführt werden. Für den vorliegenden Anwendungsfall bedeutet dies, dass Zustände, wie eine Temperatur, ein Druck, eine Enthalpie oder eine andere Zustandsgröße, an mehreren Stellen entlang des Verdampfers im Algorithmus verwendet werden können. Da diese Zustände jedoch nicht messbar sind, wird eine so genannte Beobachterschaltung benötigt, mit deren Hilfe die benötigten Zustände, die durch Zustandsgrößen charakterisiert werden können, geschätzt bzw. errechnet werden können. Die Begriffe "schätzen", "berechnen" und "ermitteln" werden im Folgenden als Synonyme verwendet. Der Vorteil dieses Konzepts besteht darin, dass sehr schnell und akkurat auf Störungen, die auf den Verdampfer wirken, reagiert werden kann.The invention is based on the consideration that in a state control several - sometimes not measurable - states for determining the manipulated variable, or the controller control signal, are returned. For the present application, this means that states such as temperature, pressure, enthalpy, or other state variable can be used at multiple locations along the evaporator in the algorithm. However, since these states are not measurable, a so-called observer circuit is needed, with the aid of which the required states, which can be characterized by state variables, can be estimated or calculated. The terms "estimate," "calculate," and "determine" are used as synonyms below. The advantage of this concept is that it can respond very quickly and accurately to disturbances that act on the evaporator.

Die Dampfkraftanlage ist eine mit Dampfkraft betriebene Anlage. Sie kann eine Dampfturbine, eine Dampfprozessanlage oder jede andere Anlage sein oder umfassen, die mit Energie aus Dampf betrieben wird. Als Verdampfer kann im Folgenden jedes System verstanden werden, in dem Wasser verdampft wird, wobei ein Vorwärmer, insbesondere ein Hochdruckvorwärmer, eingeschlossen sein kann. Das Medium kann Speisewasser, Dampf oder eine Mischung aus Speisewasser und Dampf sein. Ein Mediumszustand - im Folgenden auch vereinfacht Zustand genannt - kann eine Energie, eine Temperatur, ein Druck, eine Enthalpie oder ein anderer Zustand des Mediums sein.The steam power plant is a steam-powered plant. It may be or include a steam turbine, a steam process plant, or any other facility powered by steam energy. The evaporator may be understood below to mean any system in which water is evaporated, wherein a preheater, in particular a high-pressure preheater, may be enclosed. The medium may be feedwater, steam or a mixture of feedwater and steam. A medium state - also referred to below as a simplified state - can be an energy, a temperature, a pressure, an enthalpy or another state of the medium.

Als ein Zustandsregler kann im Folgenden ein Regelkreis verstanden werden, der die Regelgröße auf der Grundlage eines geschätzten Zustands, beispielsweise in Form einer Zustandsraumdarstellung, regelt. Dabei können ein oder mehrere Zustände innerhalb der Regelstrecke durch einen Beobachter geschätzt und der Regelstrecke - oder dem Regler - wieder zugeführt, also zurückgeführt, werden. Die Rückführung, die zusammen mit der Regelstrecke den Regelkreis bildet, kann durch den Beobachter geschehen, der somit eine Messeinrichtung ersetzen kann. Der Beobachter berechnet bzw. schätzt die Zustände des Systems, in diesem Fall des Mediums im Verdampfer, und kann eine Zustands-Differentialgleichung, eine Ausgangsgleichung und einen Beobachtervektor umfassen. Der Ausgang des Beobachters kann mit dem Ausgang der Regelstrecke verglichen werden. Die Differenz kann über den Beobachtervektor auf die Zustands-Differentialgleichung wirken. Weiter ist es vorteilhaft, wenn der Beobachter unabhängig vom Zustandsregler arbeitet.As a state controller, a control loop can be understood in the following which regulates the controlled variable on the basis of an estimated state, for example in the form of a state space representation. In this case, one or more states within the controlled system can be estimated by an observer and the control system - or the controller - fed back, so returned. The feedback, which forms the control loop together with the controlled system, can be done by the observer, who can thus replace a measuring device. The observer computes or estimates the states of the system, in this case the medium in the evaporator, and may include a state differential equation, an output equation, and an observer vector. The output of the observer can be compared with the output of the controlled system. The difference can affect the state-differential equation via the observer vector. Furthermore, it is advantageous if the observer works independently of the state controller.

Zweckmäßigerweise verwendet der Zustandsregler einen Zustand des den Verdampfer verlassenden Dampfs als Regelgröße, wie die Dampftemperatur, oder die Enthalpie des Dampfs. Als Stellgröße wird vorteilhafterweise der Speisewassermassenstrom verwendet.Conveniently, the state controller uses a state of steam leaving the evaporator as a controlled variable, such as the steam temperature, or the enthalpy of the steam. As a manipulated variable, the feedwater mass flow is advantageously used.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Sollwert für den Speisewassermassenstrom an einen Regler eines zweiten Regelsystems zur Regelung des Speisewassermassenstroms weitergegeben. Dieser kann den Sollwert als Regelgröße verwenden. Als Stellgröße des zweiten Regelsystems kann direkt oder indirekt die Drehzahl einer Speisewasserpumpe, die Stellung eines Ventils, z.B. in der Speisewasserleitung, oder ein anderer für die Einstellung des Speisewassermassenstroms geeigneter Parameter verwendet werden.In an advantageous embodiment of the invention, a desired value for the feedwater mass flow to a controller of a second control system for controlling the feedwater mass flow is passed. This can use the setpoint as a controlled variable. As a manipulated variable of the second control system can directly or indirectly the speed of a feedwater pump, the position of a valve, e.g. in the feed water line, or another parameter suitable for adjusting the feedwater mass flow.

Die Erfindung ist gekennzeichnet dadurch, dass zur Berechnung der Mediumszustände als Zustandsgröße eine Enthalpie des Mediums verwendet wird. Zweckmäßigerweise werden mehrere Zustände und in Folge dessen mehrere Enthalpien verwendet. Die Dampfparameter, wie Enthalpie und/oder Druck und Temperatur, sollen, je nach Lastfall, auf gewünschte Werte gehalten und bei Laständerungen entsprechend geregelt werden. Die Vorteile einer Enthalpie-Zustandsregelung, also einer Verwendung einer Enthalpie oder eines Produkts aus Enthalpie und einer weiteren Größe, wie einen Wassermassenstrom, als Zustand, sind, dass Zustandsregelungen eine höhere Regelgüte erreichen und die Regelung schneller wird. Auch verfahrenstechnisch ergeben sich Vorteile: Der Prozess wird zweckmäßigerweise so ausgelegt, dass am Verdampferende schwach überhitzter Dampf austritt, welcher nahe an der Sattdampfgrenze liegt. Mit sich änderndem Druck, z.B. im Gleitdruckbetrieb, ändert sich der Verdampfungsendpunkt bzw. der Sattdampfpunkt, was bei Temperaturbetrachtung dazu führen kann, dass Nassdampf entsteht. Bei Verwendung der Enthalpie als Zustandsgröße muss der Druck nicht explizit mitbetrachtet werden, da die Enthalpie sowohl Temperatur als auch Druck in einer Größe vereinigt.The invention is characterized in that an enthalpy of the medium is used to calculate the medium states as the state variable. Conveniently, multiple states and in sequence whose multiple enthalpies are used. The steam parameters, such as enthalpy and / or pressure and temperature, should, depending on the load, be kept at desired values and controlled accordingly when load changes occur. The advantages of an enthalpy state control, that is, using an enthalpy or a product of enthalpy and another quantity, such as a water mass flow, as a state, are that state controls achieve higher control quality and control becomes faster. There are also procedural advantages: The process is expediently designed so that slightly superheated steam exits at the end of the evaporator, which is close to the saturated steam limit. With changing pressure, eg in sliding pressure mode, the evaporation end point or the saturated steam point changes, which, when considered in terms of temperature, can lead to wet steam being produced. When enthalpy is used as a state variable, the pressure does not have to be explicitly considered because the enthalpy combines both temperature and pressure in one size.

Vorteilhafterweise werden als Zustandsgrößen Abweichungen der absoluten Enthalpien von Enthalpie-Sollwerten verwendet. Hierdurch kann im Gleichgewicht auf Null geregelt und das mathematische Problem vereinfacht werden.Advantageously, deviations of the absolute enthalpies of enthalpy setpoint values are used as state variables. This can be adjusted to zero in equilibrium and the mathematical problem can be simplified.

Das LQR-Verfahren bezieht sich auf lineare Regelungsprobleme. Durch eine Umrechnung von Temperaturmesswerten und Temperatursollwerten auf Enthalpien kann das mathematische Reglerproblem bei Verwendung von Enthalpie-Zuständen linearisiert und dadurch einer einfacheren Berechnung zugänglich gemacht werden, denn zwischen Eintritts- und Austrittsenthalpie besteht ein linearer Zusammenhang. Die Umrechnung erfolgt zweckmäßigerweise mit Hilfe entsprechender Wasser-/Dampf-Tafel-Beziehungen unter Verwendung z.B. des gemessenen Dampfdruckes.The LQR method relates to linear control problems. By converting temperature measurements and temperature setpoints to enthalpies, the mathematical controller problem can be linearized when using enthalpy states and thus made accessible for easier calculation, because there is a linear relationship between inlet and outlet enthalpy. The conversion is conveniently carried out by means of appropriate water / steam-table relationships using e.g. the measured vapor pressure.

Bei der Regelung der Verdampferstrecke mittels einer Zustandsregelung besteht jedoch das Problem, dass der Zustands am Verdampfereintritt zwar durch eine Enthalpie beschrieben werden kann, die Enthalpie am Verdampfereintritt jedoch nicht eingestellt werden kann, da Druck und Temperatur des Speisewassers nur unwesentlich verändert werden können und als Stellgröße ungeeignet sind. Daher wird zweckmäßigerweise der Speisewassermassenstrom als Stellgröße verwendet und bei der Berechnung der Zustände auf diese aufmultipliziert.In the regulation of the evaporator section by means of a state control, however, there is the problem that the state at the evaporator inlet, although described by an enthalpy However, the enthalpy at the evaporator inlet can not be adjusted because pressure and temperature of the feed water can be changed only slightly and are unsuitable as a manipulated variable. Therefore, the feedwater mass flow is expediently used as a manipulated variable and multiplied up in the calculation of the states to this.

Der Speisewasserstrom wirkt allerdings in nichtlinearer Weise auf die Regelgröße Enthalpie am Verdampferein- und -austritt, so dass das Reglerproblem - trotz Verwendung von Enthalpien - nichtlinear ist. Zur Lösung dieses Problems wird bei der Berechnung der Zustände zweckmäßigerweise eine Linearisierung verwendet. Im vorliegenden Fall wird vorteilhafterweise angenommen, dass sich die Zustände nur um einen Abweichungsbereich um einen Arbeitspunkt bewegen. In diesen Abweichungsbereichen, der zweckmäßigerweise vorbestimmt ist, kann das System als linear angenommen werden.However, the feedwater flow acts in a non-linear manner on the control variable enthalpy at the evaporator inlet and outlet, so that the controller problem - despite the use of enthalpies - is non-linear. To solve this problem, linearization is expediently used in the calculation of the states. In the present case, it is advantageously assumed that the states only move around a deviation range around an operating point. In these ranges of deviation, which is suitably predetermined, the system can be assumed to be linear.

Diese Linearisierung ist für einen Zustand nur für den Arbeitspunkt und den um diesen liegenden Abweichungsbereich sinnvoll. Wandert der tatsächliche Zustand aus dem Abweichungsbereich hinaus, so wird die Linearisierung zu unvorteilhaften Ergebnissen führen. Es ist daher vorteilhaft, den Arbeitspunkt zu aktualisieren. Dies geschieht zweckmäßigerweise dadurch, dass der Arbeitspunkt durch Einsetzen von Messwerten aktualisiert wird. Die Messwerte sind zweckmäßigerweise aktuelle Messwerte, die durch Messung eines aktuell vorliegenden Mediumsparameters, wie Druck, Temperatur und dergleichen, erfasst wurden. Der der Zustandsberechnung zugrunde gelegte Arbeitspunkt kann an einen aktuellen Mediumszustand angepasst werden. Es kann ein nichtlineares Regelsystem verwendet werden, das durch Einsetzen aktueller Messwerte linearisiert wird. Durch die Linearisierung wird ein sehr robustes Regelverhalten erzielt, d.h. die Regelqualität hängt nicht mehr vom aktuellen Betriebspunkt der Anlage ab.This linearization makes sense for a state only for the operating point and the deviation range lying around it. If the actual state moves out of the range of deviation, the linearization will lead to unfavorable results. It is therefore advantageous to update the operating point. This is expediently achieved by updating the operating point by inserting measured values. The measured values are expediently current measured values which were recorded by measuring a currently present medium parameter, such as pressure, temperature and the like. The operating point on which the state calculation is based can be adapted to a current medium state. A non-linear control system can be used, which is linearized by inserting current measured values. The linearization achieves a very robust control behavior, i. the control quality no longer depends on the current operating point of the system.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Regelsystem des Zustandsreglers eine Matrixgleichung, beispielsweise in Form einer Rückführmatrix, beinhaltet, zu deren Berechnung während der Dampferzeugung gemessene Mediumswerte verwendet werden. So kann z.B. die Zustandsrückführung über eine Matrixgleichung erfolgen, deren Parameter zumindest teilweise unter Verwendung aktueller Messwerte bestimmt werden. Durch die Verwendung aktueller Messwerte, z.B. in einer Online-Berechnung der Rückführmatrix, kann sich der Regler ständig an die tatsächlichen Betriebsbedingungen anpassen. Hierdurch kann einer lastabhängigen Änderung des dynamischen Verdampferverhaltens automatisch Rechnung getragen werden. Auch durch diesen Schritt kann eine Erhöhung der Robustheit des Regelalgorithmus erzielt werden. Aufgrund der Tatsache, dass der Regleralgorithmus sehr robust ist, müssen bei der Inbetriebsetzung nur sehr wenige Parameter eingestellt werden. Inbetriebsetzungszeit und -aufwand ist gegenüber allen bislang bekannten Verfahren daher erheblich reduziert.A further advantageous embodiment of the invention provides that the control system of the state controller has a matrix equation, for example, in the form of a feedback matrix, for the calculation of which medium values measured during the steam generation are used. Thus, for example, the state feedback can take place via a matrix equation whose parameters are at least partially determined using current measured values. By using current measured values, eg in an online calculation of the feedback matrix, the controller can constantly adapt to the actual operating conditions. As a result, a load-dependent change in the dynamic evaporator behavior can be automatically taken into account. Also by this step, an increase of the robustness of the control algorithm can be achieved. Due to the fact that the controller algorithm is very robust, very few parameters must be set during commissioning. Commissioning time and effort is therefore significantly reduced compared to all previously known methods.

Vorteilhafterweise wird die Matrixgleichung durch eine Leittechnik der Dampfkraftanlage berechnet. Die Leittechnik kann hierbei ein Steuersystem sein, das die Dampfkraftanlage in ihrem regulären Betrieb steuert. Um die mathematischen Bausteine der Leittechnik einfach zu halten, ist es vorteilhaft, wenn die Matrixgleichung in einen Satz skalarer Differentialgleichungen überführt wird. Eine relativ einfache Integration der Matrixgleichung kann durch eine Integration rückwärts über die Zeit erreicht werden. Da im Realfall keine Information aus der Zukunft zur Verfügung steht, kann eine der Rückwärtsintegration äquivalente Integration erreicht werden, wenn der Satz skalarer Differentialgleichungen mit umgekehrtem Vorzeichen integriert wird, was stabil zur selben stationären Lösung führt.Advantageously, the matrix equation is calculated by a control technology of the steam power plant. The control system can be a control system that controls the steam power plant in its regular operation. In order to keep the mathematical components of the control technology simple, it is advantageous if the matrix equation is converted into a set of scalar differential equations. A relatively simple integration of the matrix equation can be achieved by integration backwards over time. Since no real-time information is available in the real world, backward integration-equivalent integration can be achieved by integrating the set of scalar differential equations of opposite sign, which stably leads to the same stationary solution.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Beobachter ein Kalman-Filter, der auf die linear-quadratische Zustandsrückführung ausgelegt ist. Das Zusammenspiel des linear-quadratischen Reglers mit dem Kalman-Filter wird als LQG (Linear Quadratic Gaussian)-Regler bzw. LQG-Algorithmus bezeichnet.In an advantageous embodiment of the invention, the observer is a Kalman filter designed for linear-quadratic state feedback. The interaction of the linear-quadratic controller with the Kalman filter is called LQG (Linear Quadratic Gaussian) controller or LQG algorithm called.

Vorteilhafterweise berechnet der Beobachter die im Verdampfer in das Medium eingetragene Wärme. Diese kann als Störgröße definiert und im Regelalgorithmus verwendet werden. Hierbei können nicht nur die Enthalpien oder ein davon abgeleiteter Parameter entlang des Verdampfers sondern zusätzlich die Störgröße als Zustand definiert werden und insbesondere mit Hilfe des Beobachters geschätzt bzw. ermittelt werden. Störungen, die direkt auf den Verdampfer wirken, drücken sich dadurch aus, dass sich die Aufwärmspanne im Verdampfer verändert. Durch eine solche Beobachtung der Störgrößen ist eine sehr schnelle, akkurate aber gleichzeitig robuste Reaktion auf entsprechende Störungen möglich.Advantageously, the observer calculates the heat introduced into the medium in the evaporator. This can be defined as a disturbance and used in the control algorithm. In this case, not only the enthalpies or a parameter derived therefrom along the evaporator but additionally the disturbance variable can be defined as a state and, in particular, estimated or determined with the aid of the observer. Disturbances that act directly on the evaporator are expressed by the fact that the warm-up period in the evaporator changes. Such an observation of the disturbance variables makes possible a very fast, accurate but at the same time robust reaction to corresponding disturbances.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum Regeln der Erzeugung von Dampf aus Speisewasser in einem Verdampfer einer Dampfkraftanlage, mit einem Regelsystem, der einen Beobachter und einen Zustandsregler umfasst, der dazu vorbereitet ist, mehrere Mediumszustände im Verdampfer mit Hilfe eines Beobachters zu berechnen und daraus einen Speisewassermassenstrom als Stellgröße des ersten Regelsystems zu ermitteln.The invention also relates to an apparatus for controlling the production of steam from feed water in a steam generator evaporator, comprising a control system comprising an observer and a state controller, which is prepared to calculate and derive a plurality of medium states in the evaporator with the aid of an observer Determine feedwater mass flow as control variable of the first control system.

Es wird vorgeschlagen, dass der Zustandsregler ein linear-quadratischer Regler ist. Es kann eine genaue und stabile Regelung erreicht werden.It is proposed that the state controller is a linear-quadratic controller. An accurate and stable control can be achieved.

Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung dazu ausgelegt, einen, mehrere oder alle der oben vorgeschlagenen Verfahrensschritte auszuführen.Advantageously, the device is designed to carry out one, several or all of the method steps proposed above.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.The invention will be explained in more detail with reference to exemplary embodiments, which are illustrated in the drawings.

Es zeigen:

FIG 1

einen Ausschnitt aus einem Dampfkraftwerk mit einem Verdampfer,

FIG 2

ein Schema einer Regelkaskade,

FIG 3

ein Modell des Verdampfers,

FIG 4

ein lineares Streckenmodell als Grundlage für eine Reglerentwurf,

FIG 5

eine Struktur eines Beobachters und

FIG 6

eine Übersicht über einen Regleraufbau.

Show it:

FIG. 1

a detail of a steam power plant with an evaporator,

FIG. 2

a schema of a rule cascade,

FIG. 3

a model of the evaporator,

FIG. 4

a linear system model as the basis for a controller design,

FIG. 5

a structure of an observer and

FIG. 6

an overview of a controller design.

FIG 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts aus einem Dampfkraftwerk mit einer Dampfkraftanlage, die eine Dampfturbine 2, einen Kessel 4, einen Verdampfer 6 und einen Überhitzer 8 umfasst. Der Kessel 4 gibt Wärme an den Verdampfer 6 ab, in den Speisewasser 10 einströmt, das von einer Speisewasserpumpe 12 zum Verdampfer 6 gepumpt wird und das die Wärme aufnimmt. Mit Hilfe eines Ventils 14 kann der Speisewasserstrom reguliert werden. FIG. 1 shows a schematic representation of a section of a steam power plant with a steam power plant comprising a steam turbine 2, a boiler 4, an evaporator 6 and a superheater 8. The boiler 4 gives off heat to the evaporator 6, flows into the feed water 10, which is pumped by a feedwater pump 12 to the evaporator 6 and receives the heat. With the aid of a valve 14, the feedwater flow can be regulated.

Durch die Aufnahme von Wärme wird das Speisewasser 10 im Verdampfer 6 verdampft, und der entstandene Dampf 16 strömt zum Überhitzer 8 weiter, um dort zu Frischdampf überhitzt und anschließend der Dampfturbine 2 zugeführt zu werden. Zur Regelung der Temperatur des Dampfs 16 wird der Speisewasserstrom mit Hilfe des Ventils 14 und/oder der Speisewasserpumpe 12 geregelt, wobei ein Sollstrom des Speisewassers 10 vor dem Verdampfer 6 die Regelgröße und eine Ventilstellung und/oder eine Pumpenleistung die Stellgröße ist.By absorbing heat, the feed water 10 is evaporated in the evaporator 6, and the resulting steam 16 flows to the superheater 8 on to superheated to live steam and then the steam turbine 2 to be supplied. To regulate the temperature of the steam 16, the feedwater flow is controlled by means of the valve 14 and / or the feedwater pump 12, wherein a desired flow of the feedwater 10 before the evaporator 6, the controlled variable and a valve position and / or a pump power is the manipulated variable.

Ein Temperatursensor 18 und ein Drucksensor 19 messen die Temperatur T_W bzw. den Druck p_W des Speisewassers 10 und ein Sensor 20 den Ist-Speisewasserstrom m_i vor dem Verdampfer 6. Ein Temperatursensor 22 und ein Drucksensor 24 messen die Dampftemperatur T_D bzw. den Dampfdruck p_D des Dampfs 16 nach dem Verdampfer 6.A temperature sensor 18 and a pressure sensor 19 measure the temperature T _W and the pressure p _{W of} the feedwater 10 and a sensor 20, the actual feedwater flow m _i before the evaporator. 6 A temperature sensor 22 and a pressure sensor 24 measure the steam temperature T _D and the steam pressure p _{D of} the steam 16 after the evaporator. 6

Der Verdampfer 6 kann ein nicht dargestellter Vorwärmer Umfassen. Dies ist jedoch für die Erfindung unerheblich, und es wird im Folgenden unter dem Begriff "Verdampfer" auch ein System aus einem Verdampfer mit einem Vorwärmer verstanden.The evaporator 6 may include an unillustrated preheater. However, this is irrelevant to the invention, and it is understood in the following the term "evaporator" and a system of an evaporator with a preheater.

Der Verdampfer 6 ist ein Zwangsdurchlaufdampferzeuger, bei dem der Durchlauf des Wasser- bzw. Dampfstroms von der Speisepumpe 12 erzwungen wird. Das Speisewasser 10 kann hierbei nacheinander einen Speisewasservorwärmer und den Verdampfungsteil durchströmen, insbesondere auch den Überhitzer 8, so dass die Erwärmung des Speisewassers 10 bis zur Sattdampftemperatur, die Verdampfung und die Überhitzung kontinuierlich in einem Durchlauf erfolgen. Hierbei wird keine Trommel benötigt. Insbesondere ist der Verdampfer 6 Teil eines Bensonkessels. Dieser kann im überkritischen Bereich gefahren werden, wobei das Speisewasser 10 von der Speisewasserpumpe 12 auf einen Druck von über 230 bar gebracht werden kann. Der Speisewassermassenstrom kann lastabhängig geregelt werden.The evaporator 6 is a forced once-through steam generator in which the passage of the water or steam flow is forced by the feed pump 12. The feed water 10 can in this case successively flow through a feedwater preheater and the evaporation part, in particular also the superheater 8, so that the heating of the feedwater 10 to the saturated steam temperature, the evaporation and the overheating take place continuously in one pass. No drum is needed here. In particular, the evaporator 6 is part of a Benson boiler. This can be driven in the supercritical range, wherein the feed water 10 can be brought from the feedwater pump 12 to a pressure of about 230 bar. The feedwater mass flow can be regulated depending on the load.

In FIG 2 ist eine Regelkaskade mit einem ersten bzw. äußeren Regelsystem 26 und einem zweiten bzw. inneren Regelsystem 28 schematisch dargestellt. Das äußere Regelsystem 26 umfasst einen linear-quadratischen Regler 30, insbesondere einen LQG-Regler. Diesem werden als Eingangsgrößen der gemessene Ist-Speisewasserstrom m_i, die gemessene Temperatur T_W des Speisewassers 10, die gemessene Temperatur T_D und der gemessene Druck p_D des Dampfs 16 sowie die Solltemperatur T_S des Dampfs 16 nach dem Verdampfer 6 zugeführt. Die Solltemperatur T_S des Dampfs 16 ist die Regelgröße des Reglers 30. Der Sollmassenstrom m_S des Speisewassers 10 wird als Stellgröße vom Regler 30 ausgegeben.In FIG. 2 a control cascade with a first or outer control system 26 and a second or inner control system 28 is shown schematically. The outer control system 26 comprises a linear-quadratic regulator 30, in particular an LQG regulator. This can be as input variables the measured actual feedwater flow m _i, the measured temperature T fed _W of the feed water 10, the measured temperature T _D and the measured pressure p _D of the vapor 16 and the target temperature T _S of the steam 16 downstream of the evaporator. 6 The setpoint temperature T _{S of} the steam 16 is the controlled variable of the controller 30. The setpoint mass flow m _{S of} the feedwater 10 is output as a control variable from the controller 30.

Dieser Sollmassenstrom m_S wird einem Regelkreis 32 des inneren Regelsystems 28 als Sollwert für die Regelgröße vorgegeben. Der gemessene Speisewasserstrom m_i ist die Regelgröße des Regelkreises 32. Der Regelkreis 32 hat eine Stellung des Regelventils 14 und/oder eine Leistung der Speisewasserpumpe 12 als Stellgröße.This setpoint mass flow m _S is given to a control loop 32 of the inner control system 28 as a desired value for the controlled variable. The measured feedwater flow m _i is the control variable of the control loop 32. The control loop 32 has a position of the control valve 14 and / or a power of the feedwater pump 12 as a manipulated variable.

Der Regler 30 wirkt nicht direkt über ein Stellorgan auf den Prozess ein, sondern übergibt den Sollwert m_S für Speisewassermassenstrom an den unterlagerten Regelkreis 32, mit dem er somit eine Kaskade aus äußerem Regelsystem 26 und innerem Regelsystem 28 bildet. Die gemessene Temperatur T_W und der Druck p_W des Speisewassers 10 vor dem Verdampfer 6 werden vom Regler 30 als zusätzliche Information benötigt, um die spezifische Enthalpie h₁ des Speisewassers 10 vor dem Verdampfer 6 zu ermitteln. Die Enthalpie h₁ lässt sich über die Wasser-Dampf-Tafel bestimmen. Aus dem Dampfdruck p_D und der Dampftemperatur T_D wird die spezifische Enthalpie h₂ des Dampfs 16 nach dem Verdampfer 6 berechnet.The controller 30 does not act directly on an actuator to the process A, but passes the desired value m _S for feed water mass flow to the subordinate control circuit 32, with which it thus forms a cascade of external control system 26 and internal control system 28th The measured temperature T _W and the pressure p _{W of} the feedwater 10 before the evaporator 6 are required by the controller 30 as additional information to determine the specific enthalpy h _{1 of} the feedwater 10 before the evaporator 6. The enthalpy h ₁ can be determined via the water-steam table. From the vapor pressure p _D and the steam temperature T _D , the specific enthalpy h _{2 of} the steam 16 after the evaporator 6 is calculated.

FIG 3 zeigt ein Modell der Verdampfungsstrecke im Verdampfer 6, die in drei Verzögerungsglieder 34 erster Ordnung eingeteilt ist, so dass sich in deren Reihenschaltung ein verzögerndes Verhalten dritter Ordnung ergibt. Die drei Verzögerungsglieder können jeweils PT₁-Glieder sein, die durch einen negativ rückkoppelnden Integrator 36 realisiert sind. Die Zeitkonstanten dieser Verzögerungsglieder sind lastabhängig und werden mit sinkender Last größer und umgekehrt. Nach jedem Verzögerungsglied 34 ist ein Zustand x_i angegeben, mit i = 1, 2, 3, wobei der Zustand x₁ die Ausgangsenthalpie h₂ angibt. Ein Eingangszustand ist durch die Eingangsenthalpie h₁ der Verdampfungsstrecke charakterisiert. Die beiden mittleren Zustände x₂, x₃ sind rechnerische und nicht messbare Zustände, die durch den Beobachter geschätzt werden. Alle Zustände x_i sind zeitabhängige Größen. FIG. 3 shows a model of the evaporation path in the evaporator 6, which is divided into three first-order delay elements 34, so that in their series connection a third-order delaying behavior results. The three delay elements can each be PT ₁ elements, which are realized by a negative-feedback integrator 36. The time constants of these delay elements are load-dependent and increase with decreasing load and vice versa. After each delay element 34, a state x _{i is} indicated, with i = 1, 2, 3, the state x ₁ indicating the output enthalpy h ₂ . An input state is characterized by the enthalpy of entry h _{1 of} the evaporation path. The two middle states x ₂ , x ₃ are computational and immeasurable states that are estimated by the observer. All states x _i are time dependent quantities.

In die Verdampfungsstrecke strömt Speisewasser 10 mit der Enthalpie h₁ ein. Im Prinzip könnte diese Enthalpie h₁ als Stellgröße des ersten bzw. äußeren Regelsystems 26 verwendet werden, da mit Enthalpien anstelle von Temperaturen die Annahme eines linearen Verhaltens der Verdampfungsstrecke gerechtfertigt ist. Allerdings lässt sich die Enthalpie h₁ kaum einstellen, da der Druck p_W und die Temperatur T_W des Speisewassers kaum in genügendem Maße und schnell genug einstellbar sind, um als Stellgröße dienen zu können.Feed water 10 with the enthalpy h ₁ flows into the evaporation section. In principle, this enthalpy h _{1 could be used} as a manipulated variable of the first or outer control system 26, since with enthalpies instead of temperatures the assumption a linear behavior of the evaporation path is justified. However, the enthalpy h _{1 can} hardly be set, since the pressure p _W and the temperature T _{W of} the feedwater can barely be adjusted to a sufficient extent and quickly enough to be able to serve as a manipulated variable.

Zur Lösung dieses Problems wird der Ist-Massenstrom m_i des Speisewassers 10 auf die Enthalpie h₁ aufmultipliziert, so dass sich aus dem Produkt eine Leistung ergibt. Diese ist einfach mittels der Speisewasserpumpe 12 und/oder dem Ventil 14 einstellbar und kann somit als Stellgröße verwendet werden. Da die Enthalpie h₁ im Wesentlichen konstant ist, kann der Ist-Massenstrom m_i des Speisewassers 10 alleine als Stellgröße verwendet werden.To solve this problem, the actual mass flow m _{i of} the feedwater 10 is up-multiplied to the enthalpy h ₁ , so that a power results from the product. This is easily adjustable by means of the feedwater pump 12 and / or the valve 14 and can thus be used as a control variable. Since the enthalpy h ₁ is essentially constant, the actual mass flow m _{i of} the feedwater 10 can be used alone as a manipulated variable.

Entsprechend wird im dynamischen Modell, das in FIG 3 dargestellt ist, in jedes Verzögerungsglied 34 jeweils m_i auf die vorliegende Enthalpie aufmultipliziert, wie durch Multiplikatoren 38 dargestellt ist, so dass als Größe eine Leistung gebildet wird. Auf diese Leistungen wird in jeder der drei Verzögerungsstufen 34 jeweils 1/3 einer angenommenen Feuerungsleistung Q_F aufaddiert, so dass die gesamte Feuerungsleistung Q_F in das dynamische Modell der gesamten Verdampfungsstrecke eingebracht wird.Accordingly, in the dynamic model that is in FIG. 3 m _i is multiplied in each delay element 34 to the present enthalpy, as represented by multipliers 38, so that a power is formed as a variable. In each of the three delay stages 34, 1/3 of an assumed firing rate Q _{F is} added to these outputs, so that the entire firing rate Q _{F is introduced} into the dynamic model of the entire evaporation length.

Diese Leistungssumme wird mit einem Zeitglied G multipliziert, die eine verzögernde Zeitkonstante im Nenner enthält, z.B. die verzögernde Zeitkonstante t eines PT₁-Gliedes bei Volllast. Außerdem enthält G = (mt)^-1 einen Speisewassermassenstrom m im Nenner, z.B. denjenigen bei Volllast, so dass nach dem Zeitglied G eine spezifische Enthalpie pro Zeit vorliegt. Diese wird in jedem Verzögerungsglied 34 durch jeweils die Integratoren 36 aufintegriert, so dass als Ergebnis eine Enthalpie vorliegt. Diese wird von der Eingangsenthalpie des jeweiligen Verzögerungsglieds 34 abgezogen. Es ergibt sich als Gleichungen für die Zustände x_i nach den drei Verzögerungsgliedern 34: $${\dot{x}}_1=\frac{1}{\mathit{mt}}\left(\frac{Q_F}{3}+m_1\left(x_2-x_1\right)\right)$$

$${\dot{x}}_2=\frac{1}{\mathit{mt}}\left(\frac{Q_F}{3}+m_2\left(x_3-x_2\right)\right)$$

$${\dot{x}}_3=\frac{1}{\mathit{mt}}\left(\frac{Q_F}{3}+m_3\left(h_1-x_3\right)\right)\mathrm{.}$$

This power sum is multiplied by a timer G which contains a delaying time constant in the denominator, for example the delaying time constant t of a PT ₁ component at full load. In addition, G = (mt) ^{-1 contains} a feedwater mass flow m in the denominator, eg those at full load, so that after the timer G there is a specific enthalpy per time. This is integrated in each delay element 34 by integrators 36, so that the result is an enthalpy. This is subtracted from the input enthalpy of the respective delay element 34. It results as equations for the states x _i after the three delay elements 34: $${\dot{x}}_1=\frac{1}{\mathit{<figure-callout\; id="3"\; label="mt\; Q\; F"\; filenames="imgf0003.png"\; state="\{\{state\}\}">mt\; </figure-callout>}}\left(\frac{Q_F}{}\right)\left(\frac{{}_{}}{3}+m_1\left(x_2-x_1\right)\right)$$

$${\dot{x}}_2=\frac{1}{\mathit{<figure-callout\; id="3"\; label="mt\; Q\; F"\; filenames="imgf0003.png"\; state="\{\{state\}\}">mt\; </figure-callout>}}\left(\frac{Q_F}{}\right)\left(\frac{{}_{}}{3}+m_2\left(x_3-x_2\right)\right)$$

$${\dot{x}}_3=\frac{1}{\mathit{<figure-callout\; id="3"\; label="mt\; Q\; F"\; filenames="imgf0003.png"\; state="\{\{state\}\}">mt\; </figure-callout>}}\left(\frac{Q_F}{}\right)\left(\frac{{}_{}}{3}+m_3\left(H_1-{\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="x"\; filenames="imgf0003.png"\; state="\{\{state\}\}">x</figure-callout>}}_3\right)\right)\mathrm{,}$$

Der Zustand x_i ist die Ausgangsenthalpie h₂. Es ist zu erkennen, dass ein Zustand x konstant ist, seine Ableitung also Null ist, wenn die Enthalpiedifferenz über ein Verzögerungsglied 34 multipliziert mit dem Speisewasserstrom m_i in Addition mit dem Drittel der Feuerungsleistung Q_F Null ist, sich Enthalpiedifferenz mal Speisewasserstrom m_i und Q_F/3 die Waage halten. In diesem Fall ist das System in einem eingeschwungenen Zustand und somit im Gleichgewicht von Speisewasserzufuhr und Erhitzung.The state x _i is the output enthalpy h ₂ . It can be seen that a state x is constant, its derivative is therefore zero, if the enthalpy difference over a delay element 34 multiplied by the feedwater flow m _i in addition to the third of the combustion output Q _{F is} zero, enthalpy difference times feedwater flow m _i and hold Q _F / 3 the scale. In this case, the system is in a steady state and thus in balance of feedwater supply and heating.

Diese drei Gleichungen sind nicht linear, da die Zustände x_i mit dem Speisewasserstrom m_i multipliziert werden. Dies ist korrekt, da der unbeständige Eintrag der Feuerungswärme nichtlinear abgebildet werden soll. Diese Nichtlinearität der Feuerungswärme wird im Zustandsmodell, genauer: im Beobachter, der in FIG 5 näher beschrieben ist, durch die Multiplikation von Zuständen x_i mit dem Speisewasserstrom m_i nachgebildet. Hierdurch steht die Veränderung des Speisewasserstroms m_i der unbeständigen Feuerungsleistung Q_F als Gegenspieler zu dessen Ausgleich gegenüber. Folgerichtig wird der Speisewasserstrom m_i als Stellgröße des ersten Regelsystems 26 verwendet.These three equations are not linear because the states x _i are multiplied by the feedwater flow m _i . This is correct because the volatile entry of the combustion heat should be displayed non-linearly. This nonlinearity of the heat of combustion is described in the state model, more precisely in the observer, who in FIG. 5 described in more detail by the multiplication of states x _i with the feedwater flow m _i . As a result, the change of the feedwater flow m _{i of} the unstable firing capacity Q _F is opposed to its compensation. Consequently, the feedwater flow m _{i is used} as the manipulated variable of the first control system 26.

Um einen LQ-Regler oder einen LQG-Regler verwenden zu können, muss dieses nichtlineare Gleichungssystem mittels einer Linearisierung in ein lineares System überführt werden. Dazu werden die Zustände und der Eingang zunächst als Summe von stationären Werten und den Abweichungen um diese stationären Werte ausgedrückt. Die stationären Zustände ergeben sich aus den nichtlinearen Systemgleichungen, indem die zeitlichen Ableitungen der Zustände gleich Null gesetzt werden. Dies bedeutet, dass keine zeitliche Änderung der Zustände im System mehr stattfindet und diese sich in einer stationären Ruhelage befinden. Zusätzlich wird der stationäre Zustand als Sollzustand definiert.In order to use an LQ controller or an LQG controller, this nonlinear system of equations must be converted into a linear system by means of linearization. For this purpose, the states and the input are first expressed as a sum of stationary values and the deviations around these stationary values. The stationary states result from the nonlinear system equations by setting the time derivatives of the states equal to zero. This means, that no temporal change of the states in the system takes place any more and these are in a stationary rest position. In addition, the steady state is defined as the target state.

Entsprechend gilt für den stationären Zustand: $$h_2=h_1+\frac{Q_F}{m_s},$$

wobei m_S der gewünschte Speisewassermassenstrom ist, mit dem der stationäre Zustand erreicht wird, bei dem der Speisewasserstrom also gerade so groß ist, dass er die Wärmezufuhr Q_F bei konstanter Ausgangsenthalpie h₂ nach dem Verdampfer aufnimmt. Durch Umformung erhält man den Stellwert m_S des ersten Regelsystems: $$m_s=\frac{Q_F}{h_2-h_1}\mathrm{.}$$

The same applies to the stationary state: $${\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="H"\; filenames="imgf0001.png"\; state="\{\{state\}\}">H</figure-callout>}}_2=H_1+\frac{Q_F}{m_s}.$$

where m _{S is} the desired feedwater mass flow, with which the steady state is reached, in which the feedwater flow is just so great that it receives the heat input Q _F at a constant output enthalpy h ₂ after the evaporator. By transformation, the control value m _{S of} the first control system is obtained: $$m_s=\frac{Q_F}{H_2-H_1}\mathrm{,}$$

Dann wird weiter zur Linearisierung angenommen, dass sich die Zustände und der Eingang nur um einen Abweichungsbereich um einen Arbeitspunkt bewegen. Somit kann das System in diesem Arbeitspunkt als linear angenommen werden. Als Arbeitspunkte werden Sollzustände gewählt, u stellt den Eingang des Systems dar: $$x_i=x_{i,\mathit{soll}}+{\mathrm{\Delta }\mathit{x}}_i$$

$$u=m_s+\mathrm{\Delta }\mathit{u}\mathrm{.}$$

Then it is assumed further for the linearization that the states and the input move only by one deviation range around an operating point. Thus, the system can be assumed to be linear at this operating point. Setpoint states are selected as operating points, u represents the input of the system: $$x_i=x_{i.\mathit{should}}+{\mathrm{\Delta }\mathit{x}}_i$$

$$u=m_s+\mathrm{\Delta }\mathit{u}\mathrm{,}$$

Unter der Annahme, dass die Produkte der Abweichungen, also Δu·Ax_i sehr klein sind und vernachlässigt werden können, ergibt sich folgende linearisierte Zustandsgleichung: $$\mathrm{\Delta }{\dot{x}}_1=\frac{1}{m\cdot T}\left(\frac{Q_F}{h_{2s}-h_1}\cdot \left({\mathrm{\Delta }\mathit{x}}_2-x_1\right)-\frac{h_{2s}-h_1}{3}\cdot \mathrm{\Delta }\mathit{u}\right)$$

$$\mathrm{\Delta }{\dot{x}}_2=\frac{1}{m\cdot T}\left(\frac{Q_F}{h_{2s}-h_1}\cdot \left({\mathrm{\Delta }\mathit{x}}_3-x_2\right)-\frac{h_{2s}-h_1}{3}\cdot \mathrm{\Delta }\mathit{u}\right)$$

$$\mathrm{\Delta }{\dot{x}}_3=\frac{1}{m\cdot T}\left(\frac{Q_F}{h_{2s}-h_1}\cdot \left({\mathrm{\Delta }\mathit{x}}_3\right)-\frac{h_{2s}-h_1}{3}\cdot \mathrm{\Delta }\mathit{u}\right)$$

$$y=x_{1s}+\mathrm{\Delta }\mathit{x}$$

Somit bleibt ein Ausgangsoffset x_1s, der direkt auf zum Ausgang aufaddiert wird.Assuming that the products of the deviations, ie Δu · Ax _{i, are} very small and can be neglected, the following linearized equation of state results: $$\mathrm{\Delta }{\dot{x}}_1=\frac{1}{m\cdot T}\left(\frac{{\mathrm{<figure-callout\; id="2s"\; label="Q\; F\; H"\; filenames="imgf0004.png"\; state="\{\{state\}\}">Q\; </figure-callout>}}_F}{H_{}}\cdot \left({\mathrm{\Delta }\mathit{x}}_2-x_1\right)-\frac{{\mathrm{<figure-callout\; id="2s"\; label="H"\; filenames="imgf0004.png"\; state="\{\{state\}\}">H</figure-callout>}}_{2s}-H_1}{3}\cdot \mathrm{\Delta }\mathit{u}\right)$$

$$\mathrm{\Delta }{\dot{x}}_2=\frac{1}{m\cdot T}\left(\frac{{\mathrm{<figure-callout\; id="2s"\; label="Q\; F\; H"\; filenames="imgf0004.png"\; state="\{\{state\}\}">Q\; </figure-callout>}}_F}{H_{}}\cdot \left({\mathrm{\Delta }\mathit{x}}_3-x_2\right)-\frac{{\mathrm{<figure-callout\; id="2s"\; label="H"\; filenames="imgf0004.png"\; state="\{\{state\}\}">H</figure-callout>}}_{2s}-H_1}{3}\cdot \mathrm{\Delta }\mathit{u}\right)$$

$$\mathrm{\Delta }{\dot{x}}_3=\frac{1}{m\cdot T}\left(\frac{{\mathrm{<figure-callout\; id="2s"\; label="Q\; F\; H"\; filenames="imgf0004.png"\; state="\{\{state\}\}">Q\; </figure-callout>}}_F}{H_{}}\cdot \left({\mathrm{\Delta }\mathit{x}}_3\right)-\frac{{\mathrm{<figure-callout\; id="2s"\; label="H"\; filenames="imgf0004.png"\; state="\{\{state\}\}">H</figure-callout>}}_{2s}-H_1}{3}\cdot \mathrm{\Delta }\mathit{u}\right)$$

$$y=x_{1s}+\mathrm{\Delta }\mathit{x}$$

This leaves an output offset x _1s , which is added directly to the output.

Es ist zu beachten, dass die Differentialgleichungen nur für kleine Abweichungen um den Arbeitspunkt gelten. Der Arbeitspunkt wird hier durch die lastabhängige Sollenthalpie nach Verdampfer h_2s =x_1s definiert. Die Arbeitspunkte sind daher anhand aktueller Messungen nachzuführen. Dies geschieht durch Variablen in Matrizen A und B, die sich aus den Grundgleichungen des linearisierten Modells ergeben: $$\dot{x}\left(t\right)=A\left(t\right)\cdot x\left(t\right)+B\left(t\right)\cdot u\left(t\right)$$

$$y\left(t\right)=C\left(t\right)\cdot x\left(t\right)+D\left(t\right)\cdot u\left(t\right),$$

wobei der Eingang u(t) in vielen Fällen nicht direkt auf den Ausgang y(t) wirkt und somit D(t) Null ist. Auf diese Weise ändern sich die Matrizen A und B mit der Last bzw. mit dem aktuellen Sollwert der Enthalpie h_2s nach dem Verdampfer 6. Das bedeutet, dass die Dynamiken dem aktuellen Lastfall angepasst werden und der Prozess somit über den gesamten Lastbereich nachgeführt wird.It should be noted that the differential equations apply only to small deviations around the operating point. The operating point is defined here by the load-dependent desired enthalpy after evaporator h _2s = x _1s . The operating points must therefore be tracked using current measurements. This is done by variables in matrices A and B , which result from the basic equations of the linearized model: $$\dot{x}\left(t\right)=A\left(t\right)\cdot x\left(t\right)+B\left(t\right)\cdot u\left(t\right)$$

$$y\left(t\right)=C\left(t\right)\cdot x\left(t\right)+D\left(t\right)\cdot u\left(t\right).$$

the input u (t) in many cases does not act directly on the output y (t) and thus D (t) is zero. In this way, the matrices A and B change with the load or with the current setpoint of enthalpy h _2s after the evaporator 6. This means that the dynamics are adapted to the current load case and the process is thus tracked over the entire load range.

FIG 4 zeigt eine Prinzipskizze einer Zustandsregelung. Eine Zustandsregelung ist eine lineare Regelung, bei der Istzustände eines Prozesses 40 mit den entsprechenden Sollzuständen vergleichen werden und die resultierende Differenz mit einem Faktor multipliziert auf den Prozess aufgeschaltet wird. Konkret auf die Verdampfungsstrecke angewendet, werden die berechneten Istzustände x(t) mit vorgegebenen Sollzuständen x_soll(t) verglichen. Mit der fetten Schreibweise ist hier und im Folgenden ein Vektor oder eine Matrix angezeigt, der im vorliegenden Fall die drei Zustände x₁, x₂, x₃ und Q_F als vierte Größe enthält bzw. die entsprechenden Sollgrößen. Als Faktor kann ein Rückführvektor K(t) mit den Größen K₁, K₂, K₃ verwendet werden. u(t) ist die Stellgröße und y(t) die Ausgangsgröße des Prozesses. FIG. 4 shows a schematic diagram of a state control. A state control is a linear control in which actual states of a process 40 are compared with the corresponding desired states and the resulting difference multiplied by a factor is applied to the process. Specifically applied to the evaporation path, the calculated actual states x (t) are compared with predetermined target states x _soll (t) . The bold notation here and below shows a vector or a matrix which, in the present case, contains the three states x ₁ , x ₂ , x ₃ and Q _F as the fourth variable or the corresponding set values. As a factor, a feedback vector K (t) with the sizes K ₁ , K ₂ , K ₃ can be used. u (t) is the manipulated variable and y (t) is the output of the process.

Um dieses Regelungsprinzip der Zustandsrückführung implementieren zu können, müssen die aktuellen Werte der Istzustände x(t) bekannt sein und zur Verfügung stehen. Nun können aber in realen Prozessen nicht immer alle Zustände gemessen werden. Im vorliegenden System lassen sich zum Beispiel die Zustände x₂, x₃ und Q_F nicht messen. Der Grund hierfür liegt darin, dass der genaue Messpunkt der beiden Zustände innerhalb des Verdampfers nicht ermittelt werden kann. Die ersten beiden Verzögerungsglieder des Modells bilden lediglich die zeitliche Dynamik des Prozesses ab. Dies sagt aber nichts über die örtliche Dynamik aus, weshalb ein Messpunkt für die Temperatur nicht bestimmt werden kann. Ferner liegt bei den Zuständen x₂ und x₃ Nassdampf vor, was eine Bestimmung von deren Enthalpie zusätzlich erschwert. Deshalb muss eine andere Möglichkeit gefunden werden, um die Zustände zu bestimmen.In order to be able to implement this control principle of state feedback, the current values of the actual states x (t) must be known and available. However, in real processes, not all states can always be measured. In the present system, for example, the states x ₂ , x ₃ and Q _F can not be measured. The reason for this is that the exact measuring point of the two states within the evaporator can not be determined. The first two delay elements of the model only represent the temporal dynamics of the process. However, this does not say anything about the local dynamics, which is why a measuring point for the temperature can not be determined. Furthermore, in the states x ₂ and x _3, wet steam is present, which makes it even more difficult to determine their enthalpy. Therefore, another way must be found to determine the states.

Diese Zustandsbestimmung, oder Zustandsschätzung, kann durch eine Zustandsrückführung erreicht werden. Die Regelung per Zustandsrückführung ist eine reine Proportionalregelung. Das bedeutet, dass die Zustände nur durch einen Faktor multipliziert negativ zurückgeführt werden. Diese Art der Rückführung kann zu einer Regelabweichung führen, was bedeutet, dass vorgegebene Sollwerte nicht erreicht werden. Um dafür zu sorgen, dass diese Sollwerte erreicht werden, ist die Implementierung eines Integralanteils sinnvoll. In einer einfachen Ausführung einer Zustandsrückführung wird die Implementierung eines Integralanteils über eine Schaltung gelöst, bei der die Regeldifferenz zwischen Ausgangs- und Führungswert über einen Integrator rückgekoppelt und auf die Stellgröße mit aufgeschaltet wird.This state determination, or state estimation, can be achieved by state feedback. The control by state feedback is a pure proportional control. This means that the states are only negatively attributed multiplied by a factor. This type of feedback can lead to a system deviation, which means that specified setpoints are not reached. In order to ensure that these setpoints are achieved, the implementation of an integral part makes sense. In a simple embodiment of a state feedback, the implementation of an integral component is achieved via a circuit in which the control difference between output and reference value is fed back via an integrator and applied to the manipulated variable.

Im vorliegenden Fall wird jedoch eine andere Möglichkeit gewählt, nämlich die Implementierung eines Beobachters oder Störgrößenbeobachters, der ein Zustandsschätzer ist. Dieser beinhaltet einen Integralanteil um die Zustände zu bestimmen wodurch die bleibende Regelabweichung verschwindet. Des Weiteren hat er den Vorteil, dass mit ihm eine auf den Prozess einwirkende Störgröße abschätzbar ist. Dies lässt ein schnelleres Regeln des Prozesses zu, da die Dimension der Störgröße direkt in einem geschätzten Zustand sichtbar wird. Ohne Störgrößenbeobachter kann die Störgröße und deren Einfluss auf den Prozess lediglich indirekt über die Änderungen der einzelnen Zustände gesehen werden.In the present case, however, another possibility is chosen, namely the implementation of an observer or disturbance observer, who is a state estimator. This contains an integral part to determine the states whereby the remaining control deviation disappears. Furthermore, it has the advantage that it can be used to estimate a disturbance that affects the process. This leaves a faster one Rules of the process, since the dimension of the disturbance is directly visible in an estimated state. Without disturbance observers, the disturbance and its influence on the process can only be seen indirectly via the changes in the individual states.

Im vorliegenden System gibt es zwei Störgrößen, für welche eine Abschätzung mittels Störgrößenbeobachter in Frage kommt. Zum einen ist dies die Schwankung der Feuerungswärmeleistung Q_F, die dem Verdampfer 6 zugeführt wird, und zum anderen die Schwankung der Enthalpie h₁ vor Verdampfer 6. Die Schwankung von h₁ ist jedoch über die Wasser-Dampf-Tafel aus der Messung von Druck und Temperatur bestimmbar und muss somit nicht zwingend abgeschätzt werden.In the present system, there are two disturbances for which estimation by means of disturbance observers is possible. On the one hand, this is the fluctuation of the rated thermal input Q _F supplied to the evaporator 6 and, on the other hand, the fluctuation of the enthalpy h ₁ before the evaporator 6. However, the fluctuation of h ₁ is over the water-steam table from the measurement of pressure and temperature can be determined and therefore need not be estimated.

Eine nicht messbare Störgröße ist die Schwankung in der Feuerungswärmeleistung Q_F, welche großen Einfluss auf den vorliegenden Prozess nimmt. Die Schwankung wird hervorgerufen durch variierende Heizwerte der verfeuerten Primärenergieträger (Kohle, Öl oder Gas). Somit bietet es sich an die Feuerungswärmeleistung Q_F als neuen geschätzten Zustand Q = X₄ zu definieren. Die Dynamik wird zu dX₄/dt = 0 gewählt. Mit diesen Informationen lässt sich eine erweiterte Zustandsraumform für den Beobachter herleiten.An immeasurable disturbance variable is the fluctuation in the firing heat output Q _F , which has a great influence on the present process. The fluctuation is caused by varying calorific values of the burned primary energy sources (coal, oil or gas). Thus, it makes sense to define the firing heat output Q _F as the new estimated state Q = X ₄ . The dynamics are selected to dX ₄ / dt = 0. With this information, an extended state space form for the observer can be derived.

Im Folgenden wird der Beobachter beschrieben, auch als Störbeobachter oder Störgrößenbeobachter bezeichnet, da er die Störung beobachtet. FIG 5 zeigt die Struktur des Störgrößenbeobachters. Zu erkennen ist das Modell der Verdampfungsstrecke im Verdampfer 6 analog zu FIG 3, jedoch mit kleinen Veränderungen. So stehen die Zustände X₁, X₂ und X₃ für die geschätzten Zustände, wobei auch der Zustand X₁ = H₂ die geschätzte Enthalpie H₂ am Ausgang des Verdampfers 6 angibt und nicht die reale und messbare Enthalpie h₂. Trotz des großen Buchstabens ist mit H₂ eine spezifische Enthalpie angegeben. Diese geschätzte Enthalpie H₂ wird mit der - via Druck und Temperatur - gemessenen Enthalpie h₂ verglichen, und die Differenz, also der Beobachterfehler e, wird auf den beobachteten, also berechneten Prozess aufgeschaltet, jedoch nicht unmittelbar, sondern als Produkt mit einer Beobachterkorrektur L, dem so genannten Beobachtervektor. Dieser ist ein vierdimensionaler Vektor, enthält also vier Komponenten, L₁, L₂, L₃ und L₄, die jeweils mit dem Beobachterfehler - einem Skalar - multipliziert werden.In the following, the observer is described, also referred to as observer or disturbance observer, since he observes the disturbance. FIG. 5 shows the structure of the disturbance observer. Evident is the model of the evaporation section in the evaporator 6 analogous to FIG. 3 but with small changes. So the states are X _1, X ₂ and X ₃ for the estimated states, whereby the state X = ₁ H ₂ indicating the estimated enthalpy _H2 at the outlet of the evaporator 6 and not the real and measurable enthalpy _H2. Despite the large letter, H ₂ indicates a specific enthalpy. This estimated enthalpy H ₂ is compared with the enthalpy h ₂ measured via pressure and temperature, and the difference, ie the observer error e ₂ , is observed on the thus calculated process switched, but not directly, but as a product having a L correction observer, the so-called observer vector. This is a four-dimensional vector, thus contains four components, L ₁ , L ₂ , L ₃ and L ₄ , which are each multiplied by the observer error - a scalar.

Die Rekonstruktion der Streckenzustände erfolgt durch die Berechnung eines dynamischen Streckenmodells parallel zum echten Prozess. Die Abweichung zwischen Messgrößen aus dem Prozess und den entsprechenden Werten, die mit dem Streckenmodell ermitteltet werden, ist der Beobachterfehler e. Die einzelnen Zustände des Streckenmodells werden jeweils durch den mit L_i gewichteten Beobachterfehler korrigiert, wodurch dieser stabilisiert wird.The reconstruction of the track conditions is done by calculating a dynamic track model parallel to the real process. The deviation between measured variables from the process and the corresponding values which are determined with the system model is the observer error e. The individual states of the distance model are each corrected by the L _i weighted observer error, which stabilizes it.

In jedem der drei Verzögerungsglieder 34 wird die entsprechende Korrekturkomponente mit dem Beobachterfehler aufgeschaltet, mit dem Ziel, den eingeschwungenen Zustand, also den Gleichgewichtszustand zu erreichen. Die geschätzte Feuerungsleistung Q - im Gegensatz zur realen Feuerungsleistung Q_F - wird hierbei als vierte Komponente X₄ des Zustandsvektors X verwendet, und entsprechend wird die Korrekturkomponente L₄ mit dem Beobachterfehler e auf die geschätzte Feuerungsleistung Q aufgeschaltet.In each of the three delay elements 34, the corresponding correction component is switched with the observer error, with the aim of achieving the steady state, ie the equilibrium state. The estimated firing rate Q - in contrast to the actual firing rate Q _F - is here used as the fourth component X _{4 of} the state vector X , and accordingly the correction component L _{4 is switched} to the estimated firing rate Q with the observer error e.

Die Beobachterkorrektur L, auch Rückführvektor genannt, ist hierbei so zu berechnen, dass der Beobachterfehler korrigiert wird, also verschwindet. Der Beobachter lässt sich als nichtlinearer Beobachter realisieren, da die Eingangsgröße m_i messbar ist. Das nichtlineare System lässt sich somit direkt in eine Zustandsraumdarstellung umschreiben. Dies ist unter der Bezeichnung erweiterter Luenberger-Beobachter bzw. erweiterter Kalman-Filter (extended Kalman filter - EKF) geläufig. Es wird ein nichtlineares Modell parallel zum Prozess gerechnet. Der Rückführvektor L(t), der den Beobachterfehler stabilisiert, wird jedoch aus einem linearen Modell gewonnen. Die Linearisierung erfolgt durch Einsetzen des jeweils gemessenen Speisewassermassenstroms m_i.The observer correction L, also called the feedback vector, is to be calculated so that the observer error is corrected, ie disappears. The observer can be realized as a nonlinear observer since the input variable m _i can be measured. The nonlinear system can thus be rewritten directly into a state space representation. This is known under the name extended Luenberger observer or extended Kalman filter (extended Kalman filter - EKF). A nonlinear model is calculated parallel to the process. However, the feedback vector L (t) which stabilizes the observer error is obtained from a linear model. The Linearization takes place by inserting the respectively measured feedwater mass flow m _i .

Die Regelung im ersten Regelungssystem 26 umfasst einen linear-quadratischen Regler, insbesondere einen LQG-Regler 30. Ein LQG-Regler ist eine gemeinsame Implementierung eines Linear-Quadratic (LQ) Reglers und eines Kalman-Filters. Ein LQ-Regler kann ein so genannter optimaler Regler sein, dem ein quadratisches Gütekriterium zu Grunde liegt. Mit diesem Gütekriterium und einem Algorithmus wird ein Rückführvektor K(t) der Zustandsregelung berechnet. Ein Kalman-Filter ist ein spezieller Beobachter bzw. Zustandsschätzer, bei dem zusätzlich auch Messungenauigkeiten am Ausgang (Messrauschen) und Modellungenauigkeiten (Prozessrauschen) mitberücksichtigt bzw. mitmodelliert werden können. Mittels eines Algorithmus lässt sich der weitere Rückführvektor L(t) für den Beobachter bestimmen.The control in the first control system 26 comprises a linear-quadratic controller, in particular an LQG controller 30. An LQG controller is a common implementation of a linear quadratic (LQ) controller and a Kalman filter. An LQ controller can be a so-called optimal controller, which is based on a quadratic quality criterion. With this quality criterion and an algorithm, a feedback vector K (t) of the state control is calculated. A Kalman filter is a special observer or state estimator, in which additionally measurement inaccuracies at the output (measurement noise) and model inaccuracies (process noise) can be considered or co-modeled. By means of an algorithm, the further feedback vector L (t) for the observer can be determined.

Ein solcher LQG-Regler ist in FIG 6 dargestellt. Dem LQG-Regler-Baustein werden als Eingänge die gemessene Enthalpie h₂ nach dem Verdampfer 6, der aktuellen Speisewassermassenstrom m_i, die Enthalpie h₁ vor dem Verdampfer 6 und die Sollenthalpie h_2s nach dem Verdampfer 6 übergeben, die sich aus der Solltemperatur des Dampfs 16 und dessen Druck errechnen lässt. Außerdem werden Berechnungsmatrizen A, B, A_Obs, C_Obs, R_Regler,Q_Regler, R_Obs und Q_Obs übergeben.Such a LQG controller is in FIG. 6 shown. The measured enthalpy h ₂ after the evaporator 6, the current feedwater mass flow m _i , the enthalpy h ₁ before the evaporator 6 and the desired enthalpy h _2s after the evaporator 6 are transferred to the LQG controller module as inputs, which are derived from the setpoint temperature of the evaporator 6 Steam 16 and its pressure can be calculated. In addition, calculation matrices A, B, A _Obs , C _Obs , R _controllers , Q _controllers , R _Obs and Q _{Obs are} transferred.

A, B, A_Obs, C_Obs ergeben sich aus der linearisierten Systemdarstellung, R_Regler, Q_Regler, R_Obs und Q_Obs enthalten Gewichtungsfaktoren zum einstellen des gewünschten Reglerverhaltens (Empfindlichkeit, Aggressivität).A, B, A _Obs , C _Obs result from the linearized system representation, R _controller , Q _controller , R _Obs and Q _Obs contain weighting factors to set the desired controller behavior (sensitivity, aggressiveness).

Der Ausgang ist der geforderte Speisewassermassenstrom m_S, der sich aus der Differenz der Störgrößenaufschaltung m_Gs und der Zustandsreglung Δm berechnet. Hierbei ist zu beachten, dass die Störgrößenaufschaltung m_GS mit der geschätzten Feuerungswärmeleistung Q berechnet wird. Diese Störgrößenaufschaltung m_GS wird in anderen Konzepten über den Kohlenmassenstrom vorgesteuert, hier wird er jedoch direkt über die geschätzte Feuerungswärmeleistung Q berechnet. Die Zustandsreglung Δm hingegen ist das Ergebnis der Zustandsregelung.The output is the required feedwater mass flow m _S , which is calculated from the difference between the feedforward control m _Gs and the state control Δm. It should be noted here that the feedforward control m _{GS is} calculated with the estimated thermal heat output Q. This feedforward m _GS is in other concepts on the coal mass flow pre-controlled, but here it is calculated directly via the estimated thermal heat output Q. The state control Δm, on the other hand, is the result of the state control.

Der LQG-Regler 30 umfasst den in FIG 5 dargestellten Beobachter 42, dem als Eingangsgrößen die gemessene Eingangsenthalpie h₁, die gemessene Ausgangsenthalpie h₂ und der gemessene Speisewasserstrom m_i zugeführt werden. Weiter wird dem Beobachter der Rückführvektor L(t) zum Ausgleich des Beobachterfehlers e zugeführt. Der Rückführvektor L(t) wird mittels eines Lösers L KR der Kalman-Riccati-Differentialgleichung berechnet, dem die Berechnungsmatrizen A_Obs, C_Obs, R_Obs und Q_Obs übergeben werden.The LQG controller 30 includes the in FIG. 5 represented observers 42, which are supplied as input variables, the measured enthalpy h ₁ , the measured output enthalpy h ₂ and the measured feedwater flow m _i . Furthermore, the feedback vector L (t) is supplied to the observer to compensate for the observer error e. The return vector L (t) is calculated by means of a solver L KR of the Kalman-Riccati differential equation to which the calculation _matrices A _Obs , C _Obs , R _Obs and Q _Obs are transferred.

Als weiteren Baustein umfasst der LQG-Regler 30 einen Baustein 44 zum Berechnen der Sollzustände X_s , die für die Zustandsrückführung benötigt werden. Die Eingänge in den Baustein 44 sind die Eingangsenthalpie h₁ und die Soll-Ausgangsenthalpie h_2s. Der LQG-Regler 30 verwendet zur Zustandsrückführung jedoch nicht die Zustände X(t) direkt, sondern die Abweichung der Zustände von ihrem Arbeitspunkt, also von den Sollzuständen X_s (t). Als weiter zu verwendende Zustandsgrößen stehen somit Abweichungen der absoluten Enthalpien von Enthalpie-Sollwerten zur Verfügung. Die Abweichung jedes Zustands X_i von seinem Arbeitspunkt X_is wird im Arbeitspunkt zu Null. Ist die gewichtete Summe X(t)- X_s(t) = 0, so erfolgt kein Reglereingriff. Daher werden die Zustände X(t) direkt mit den Sollzuständen X_s (t) verglichen und die Differenz wird weiter verwendet.As a further module, the LQG controller 30 comprises a module 44 for calculating the desired states X _s , which are required for the state feedback. The inputs to the module 44 are the enthalpy of input h ₁ and the desired output _enthalpy h _2s . However, the LQG controller 30 does not use the states X (t) directly for state feedback, but rather the deviation of the states from its operating point, that is, from the set states X _s (t). Deviations of the absolute enthalpies from enthalpy setpoints are therefore available as state variables to be used further. The deviation of each state X _i from its operating point X _is becomes zero at the operating point. If the weighted sum X (t) - X _s ( t) = 0, then no controller intervention takes place. Therefore, the states X (t) are directly compared with the target states X _s (t), and the difference is further used.

Weiter umfasst der LQG-Regler 30 einen Löser L RR für die Regler-Riccati-Differentialgleichung, der den Rückführvektor K(t) berechnet. Diesem werden die Berechnungsmatrizen A, B, R_Regler und Q_Pegler übergeben. Der Einsatz des Rückführvektors K(t) ist analog dem des Rückführvektors L(t). Während das Ziel von L(t) ist, den Beobachterfehler e durch Aufmultiplikation und Rückführung auszugleichen, wird der Rückführvektor K(t) einem Zustandsfehler aufmultipliziert und dient zur Zustandsregelung, also zu einer Schwankungsausregelung bzw. zum Ausgleich des Regelfehlers des LQG-Reglers 30: Aus der Differenz des Zustandsvektors X(t) mit den Komponenten X₁, X₂ und X₃ und dem ebenfalls dreidimensionalen Zustandsvektor für die Sollzustände X_s (t) wird der dynamische Anteil des LQG-Reglers 30 erzeugt, mit der die Zustandsregelung ausgeführt wird: $$K_1\left(X_1-X_{1s}\right)+K_2\left(X_2-X_{2s}\right)+K_3\left(X_3-X_{3s}\right)=\mathrm{\Delta }\mathit{m}\mathrm{.}$$

Further, the LQG controller 30 comprises a solver L RR for the controller Riccati differential equation which calculates the feedback vector K (t). This the calculation matrices A, B, R and Q _{Pegler controller} are transferred. The use of the return vector K (t) is analogous to that of the return vector L (t). While the goal of L (t) is to compensate for the observer error e by up-multiplication and feedback, the feedback vector K (t) is up-multiplied to a state error and is used for state control, Thus, to a fluctuation compensation or to compensate for the control error of the LQG controller 30: From the difference of the state vector X (t) with the components X ₁ , X ₂ and X ₃ and the also three-dimensional state vector for the target states X _s (t) is generates the dynamic portion of the LQG controller 30, with which the state control is performed: $$K_1\left(X_1-X_{1s}\right)+K_2\left(X_2-{\mathrm{<figure-callout\; id="2s"\; label="X"\; filenames="imgf0004.png"\; state="\{\{state\}\}">X</figure-callout>}}_{2s}\right)+K_3\left(X_3-X_{3s}\right)=\mathrm{\Delta }\mathit{m}\mathrm{,}$$

Der dynamische Anteil bzw. die Zustandsreglung Δm ist ein Anteil des Speisewassermassenstroms, der mit der berechneten Störgrößenaufschaltung m_Gs· verglichen wird, der also die Störgrößenaufschaltung ergänzt. Die Störgrößenaufschaltung m_Gs ist ein berechneter Sollmassenstrom, auch Grundsollwert genannt, der sich aus dem Quotient aus der geschätzten Feuerungsleistung Q und der sich daraus ergebenden Enthalpiedifferenz Δh über die Verdampfungsstrecke ergibt.The dynamic portion or the state regulation Dm is a portion of the feed water mass flow, which is compared with the calculated feedforward m · _Gs, that complements the feedforward control. The feedforward control m _Gs is a calculated target mass flow, also called the basic setpoint, which results from the quotient of the estimated firing output Q and the resulting enthalpy difference Δh over the evaporating section.

Diesem Sollmassenstrom bzw. Grundsollwert m_Gs wird der dynamische Regelanteil Δm negativ aufaddiert, so dass sich der Soll-Speisewassermassentrom m_S ergibt, die Stellgröße des ersten Regelsystems 26. Dieser Sollmassentrom m_S wird dem zweiten Regelsystem 28 als Regelgröße übergeben, das diesen Sollmassentrom m_S mit Hilfe einer oder mehrerer geeigneter Komponenten einstellt, z.B. der Speisewasserpumpe 12 und/oder dem Ventil 14.This setpoint mass flow or basic setpoint value m _Gs is negatively added to the dynamic control component Δm, so that the setpoint feedwater mass m _S results, the manipulated variable of the first control system 26. This setpoint mass m _S is passed to the second control system 28 as a controlled variable which m this setpoint mass _S using one or more suitable components, such as the feedwater pump 12 and / or the valve 14th

Die Berechnung der beiden Rückführvektoren, nämlich der Beobachterkorrektur L(t) und dem Vektor K(t) zur Regelkorrektur ist dem mit thermodynamischen Zustandsberechnungen vertrauten Fachmann bekannt. Hierzu sind das Filterproblem mit dem Löser L KR der Kalman-Riccati-Differentialgleichung und das Reglerproblem mit dem Löser L RR für die Regler-Riccati-Differentialgleichung zu lösen. Die Lösung des LQ-Regler-Problems erfolgt über die Matrix-Riccati-DGL: $$\frac{\mathit{dS}\left(t\right)}{\mathit{dt}}=A^T\left(t\right)\cdot S\left(t\right)+S\left(t\right)\cdot A\left(t\right)-S\left(t\right)\cdot B\left(t\right)\cdot R_{\mathrm{Re}\mathit{gler}}^{-1}\cdot B^T\left(t\right)\cdot S\left(t\right)+Q_{\mathrm{Re}\mathit{gler}}\mathrm{.}$$

The calculation of the two feedback vectors, namely the observer correction L (t) and the vector K (t) for the control correction, is known to the person familiar with thermodynamic state calculations. For this, the filter problem with the solver L KR of the Kalman-Riccati differential equation and the controller problem with the solver L RR for the controller-Riccati differential equation have to be solved. The solution to the LQ controller problem is via the Matrix Riccati DGL: $$\frac{\mathit{dS}\left(t\right)}{\mathit{dt}}=A^T\left(t\right)\cdot S\left(t\right)+S\left(t\right)\cdot A\left(t\right)-S\left(t\right)\cdot B\left(t\right)\cdot R_{\mathrm{re}\mathit{gler}}^{-1}\cdot B^T\left(t\right)\cdot S\left(t\right)+Q_{\mathrm{re}\mathit{gler}}\mathrm{,}$$

Mit der Lösungsmatrix S(t) lässt sich auch die Reglerrückführmatrix K(t) berechnen: $$K\left(t\right)=R_{\mathrm{Re}\mathit{gler}}^{-1}\cdot B^T\left(t\right)\cdot S\left(t\right)\cdot$$

The solution matrix S (t) can also be used to calculate the regulator feedback matrix K (t): $$K\left(t\right)=R_{\mathrm{re}\mathit{gler}}^{-1}\cdot B^T\left(t\right)\cdot S\left(t\right)\cdot$$

Selbes gilt für die Lösung des Kalman-Filter-Problems, welches ebenfalls über eine Matrix-Riccati-DGL gelöst wird: $$\frac{\mathit{dP}\left(\mathit{t}\right)}{\mathit{dt}}=A\left(t\right)\cdot P\left(t\right)+P\left(t\right)\cdot A^T\left(t\right)-P\left(t\right)\cdot C^T\left(t\right)\cdot R_{\mathit{Obs}}^{-1}\cdot C\left(t\right)\cdot P\left(t\right)+Q_{\mathit{Obs}}\mathrm{.}$$

The same applies to the solution of the Kalman filter problem, which is also solved by a matrix Riccati DGL: $$\frac{\mathit{dP}\left(\mathit{t}\right)}{\mathit{dt}}=A\left(t\right)\cdot P\left(t\right)+P\left(t\right)\cdot A^T\left(t\right)-P\left(t\right)\cdot C^T\left(t\right)\cdot R_{\mathit{obs}}^{-1}\cdot C\left(t\right)\cdot P\left(t\right)+Q_{\mathit{obs}}\mathrm{,}$$

Hier lässt sich der Beobachterrückführmatrix L(t) mit Hilfe der Lösungsmatrix P(t) berechnen: $$L\left(t\right)=P\left(t\right)\cdot C^T\left(t\right)\cdot R_{\mathit{Obs}}^{-1}\mathrm{.}$$

Here, the observer feedback matrix L (t) can be calculated using the solution matrix P (t): $$L\left(t\right)=P\left(t\right)\cdot C^T\left(t\right)\cdot R_{\mathit{obs}}^{-1}\mathrm{,}$$

P bzw S sind die Matrizen, nach denen die Matrix-Riccati-Gleichungen gelöst werden und stellen hier nur Zwischengrößen dar, um L bzw K zu bestimmen. P and S are the matrices according to which the matrix-Riccati equations are solved and here represent only intermediate quantities to determine L and K, respectively.

Claims (9)

1. Method for regulating the production of steam (16) from feed water (10) in an evaporator (6) of a steam power plant, in which a state controller (30) calculates a plurality of medium states in the evaporator (6) by means of an observer (42) and determines therefrom a feed-water mass flow (m_S) as a manipulated variable, wherein
   the state controller (30) is a linear-quadratic controller, characterized in that an enthalpy of the medium is used as a state variable for calculating a medium state (X_i).
2. Method according to Claim 1,
   characterized in that a setpoint value for the feed-water mass flows (m_S) is transmitted to an additional controller (32) for controlling the feed-water mass flow (m_i).
3. Method according to one of the preceding claims, characterized in that deviations of the absolute enthalpies from enthalpy setpoint values are used as state variables.
4. Method according to one of the preceding claims, characterized in that use is made of a non-linear control system which is linearized within a predetermined deviation band around an operating point.
5. Method according to Claim 4,
   characterized in that the operating point is actualized by using measured values.
6. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the control system of the state controller includes a matrix equation, for the calculation of which use is made of medium values which are measured during the steam.
7. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the observer (42) is a Kalman filter which is designed upon a linear-quadratic state feedback.
8. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the observer (42) calculates the heat (Q_F) which is yielded to the medium in the evaporator (6).
9. Device for regulating the production of steam (16) from feed water (10) in an evaporator (6) of a steam power plant, with a control system which comprises an observer (42) and a state controller (30) which is preconfigured to calculate a plurality of medium states (X_i) in the evaporator (6) by means of the observer (42) and to determine therefrom a feed-water mass flow (m_S) as a manipulated variable of the control system, wherein the state controller (30) is a linear-quadratic controller, characterized in that an enthalpy of the medium is used as a state variable for calculating a medium state (X_i).

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