EP0937194B1 - Turbinenleiteinrichtung sowie verfahren zur regelung eines lastwechselvorgangs einer turbine - Google Patents

Turbinenleiteinrichtung sowie verfahren zur regelung eines lastwechselvorgangs einer turbine Download PDF

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EP0937194B1
EP0937194B1 EP97949887A EP97949887A EP0937194B1 EP 0937194 B1 EP0937194 B1 EP 0937194B1 EP 97949887 A EP97949887 A EP 97949887A EP 97949887 A EP97949887 A EP 97949887A EP 0937194 B1 EP0937194 B1 EP 0937194B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbine
var
unit
exhaustion
load alternation
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP97949887A
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English (en)
French (fr)
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EP0937194A1 (de
Inventor
Edwin Gobrecht
Rolf Langbein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Application granted granted Critical
Publication of EP0937194B1 publication Critical patent/EP0937194B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D19/00—Starting of machines or engines; Regulating, controlling, or safety means in connection therewith
    • F01D19/02—Starting of machines or engines; Regulating, controlling, or safety means in connection therewith dependent on temperature of component parts, e.g. of turbine-casing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/12—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for responsive to temperature

Definitions

  • the invention relates to a turbine guide device and a Method for regulating a load change process in a turbine, especially a steam turbine, taking into account a maximum permissible material load during the load change process takes place.
  • an associated signal is on a turbine speed control device or a power control device transmitted depending on whether the turbine is in an acceleration phase in which the Rotational speed of the shaft is increased, or whether the turbine is in a power coupling phase where the turbine connected to the generator and to the desired power is started up.
  • the process and the associated computer system serve to achieve the shortest possible start-up time considering that for a particular Starting frequency of permissible material stresses.
  • a maximum permissible temperature difference (T m - T 1 ) is specified as a function of the mean temperature T m .
  • the current temperature difference is determined by the turbine control computer and from this the allowance for the maximum permissible temperature difference is calculated.
  • a preview of the expected course of the allowance is also carried out. From these two values, a guide variable is formed, with which the start-up and loading speed can be changed at an early stage by means of a setpoint control for speed and power, thus adapting to the dynamics of the system behavior.
  • the service life consumption is calculated from fatigue fatigue, so that it can be determined in good time and with foresight when the point will be reached when a precise inspection of the turbine is necessary.
  • the start-up mode "normal” corresponds exactly to such a start-up mode, through which 4,000 load changes of the turbine are possible.
  • the "fast” start-up mode leads to a higher load corresponding to approximately 800 possible load changes, and the “slow” start-up mode leads to less material fatigue, so that approximately 10,000 load changes are possible.
  • the object of the invention is a turbine guide device to regulate a load change process of a turbine, by taking into account a maximum allowable Material stress flexible, the operational Corresponding requirements for the generation of electrical energy Change in operating conditions of the turbine achievable is.
  • the task aimed at a turbine guide device is according to the invention by the features of claim 1 and on a method for regulating a load change process
  • a turbine directed task is accomplished by solved the features of claim 7.
  • the advantage of a turbine guide device according to the invention is the direct or indirect specification of the desired time for starting and stopping and changing the power of the turbo set taking physical limits into account.
  • a selection device may be provided. This is one Size for a variable specification of the duration of the load change process feedable, which size in particular the Period of time itself can be.
  • the time period can be freely selected, i.e. physically assume meaningful value. It can be steplessly applied to everyone physically and operationally meaningful value set become.
  • the operator can, depending on the requirement, in particular with regard to the required provision of electrical energy, the duration of a load change from one Initial state can be specified to a target state.
  • a turbine guide variable is given the duration determined in the limiting unit as a function of time in the period between leaving the initial state and Reaching the target state is determined.
  • This turbine benchmark depends on the preselected time (start-up time, Departure time, load change time) preferably also from Initial temperature at the time of the initial state and the Final temperature at the time of the target state, the component geometry, the material used, the vapor state and the temperature level.
  • start-up time, Departure time, load change time preferably also from Initial temperature at the time of the initial state and the Final temperature at the time of the target state, the component geometry, the material used, the vapor state and the temperature level.
  • the turbine guide device preferably has an exhaustion unit on in which a determination of material exhaustion to be carried out according to the turbine guide variable Load change process takes place.
  • the exhaustion unit can calculate additional material exhaustion in advance, so that based on this material depletion and the desired operating time the turbine manually or automatically decided can be whether the load change process is actually in the desired Period of time to be performed. For this, the material fatigue to be expected, preferably via an output medium, such as a screen, a printer etc. shown.
  • the exhaustion unit is preferably used also determining the material exhaustion when the load change process actually in the desired length of time was carried out.
  • the values of additional material exhaustion can also via a corresponding output medium shown and in a storage medium, in particular a storage medium of a computer system become.
  • a corresponding output medium shown and in a storage medium in particular a storage medium of a computer system become.
  • This allows future Load changes in turn each with a corresponding perform flexibly preselectable duration, whereby with already high material exhaustion a more gentle Carrying out the load change (longer time period) or with a sufficiently large reserve (low material exhaustion) a quick load change (short period of time) can be carried out is.
  • the turbine guide device preferably has a control unit and / or a control unit, each with a Actuator of the turbine for regulating and / or controlling the Load change process is connectable.
  • the actuator is preferably a valve through which the Inflow of hot steam is adjustable.
  • the turbine guide device preferably a stress unit on, the system values, such as pressure values or temperature values of the Turbine that can be fed.
  • This stress unit is with connected to the exhaustion unit and / or the limiting unit.
  • the processed in the stress unit or forwarded system values are the limiting unit fed so that a comparison between setpoint and actual value the turbine guide variable is feasible and with a corresponding Deviation a control intervention, i.e. an actuation of the actuator.
  • the additional values are determined based on the system values Material exhaustion, which - as already mentioned - can be saved or displayed.
  • the turbine guide variable preferably represents a measure of the material fatigue
  • the material fatigue is during the Load change process kept largely constant.
  • the turbine benchmark the temperature difference between an average component temperature and a surface component temperature, in particular the turbine shaft or the turbine housing, be, as for example in the above Article "Turbine master computer for thermal monitoring of steam turbines ".
  • System values are preferably stored in the stress unit at different locations on the turbine and at different locations Components (turbine shaft, valves, boiler, etc.) determined. This allows the for different components of the turbine Fatigue levels occurred separately in the exhaustion unit grasped and from it a total exhaustion the turbine or individual components are determined and get saved.
  • turbine guide device as a whole or that individual units as computer programs, as electronic Component or as a circuit and on a microprocessor can be present.
  • FIG. 1 schematically shows a steam turbine 7 with a generator 13 connected to it and with a turbine guide device 1.
  • the turbine guide device 1 can be supplied with a signal or a variable 20 for the desired time period t v of a load change process (for example via an input device), as indicated by the arrow 20.
  • the signal corresponding to the time period t v is fed to a limiting unit 3.
  • a determination of a respective turbine guide variable VAR is made as a function of the time period t v , so that the load process can be controlled from an initial state A to a target state Z. This is shown enlarged in FIG. 2.
  • the turbine guide variables VAR are formed for the various components to be monitored, such as valve housing, turbine housing and turbine shaft, and represent temperature differences of the temperature T 0 between the respective surface and an integral mean temperature T m of the respective component.
  • Each turbine guide variable VAR represents the temperature difference between the Both temperatures (T 0 - T m ) represent a measure of the thermal stress or thermal expansion and thus of the alternating stress fatigue.
  • the turbine guide variables VAR are determined over the period of time t v in such a way that constant fatigue and thus during the entire period of time t v a constant increase in fatigue occurs.
  • FIG. 2 shows the course for a start-up process in which the average temperature T m is less than the surface temperature T 0 . During a shutdown process (not shown), the average temperature T m is greater than the surface temperature T 0 .
  • the limiting unit 3 is with the exhaustion unit 4 connected, so that the latter the predetermined values of the Turbine guide variables VAR can be supplied.
  • the load change process is used to calculate in advance additional fatigue.
  • This additional fatigue is also on an output medium 11, which is connected to the exhaustion unit 4.
  • the output medium 11 can be a monitor, for example be in the control room (not shown) of the turbine 7 containing power plant is arranged.
  • the difference value from the turbine guide variable VAR and the measured temperature difference (T 0 -T m ) of the component is fed to a setpoint control function unit 2.
  • the permissible speed and power change is determined in the setpoint control function unit 2.
  • a signal for changing the turbine speed and power is sent to a control unit 5, via which an actuator 6, in particular a steam valve, of the turbine 7 is actuated.
  • the inflow of steam into the turbine 7 is thus adjusted in accordance with the turbine guide variable VAR, which also indirectly controls the surface temperature T 0 and the average temperature T m , in particular the turbine shaft.
  • the system values of the turbine 7, in particular the steam temperature, the component temperature and the steam pressures, are recorded by measuring elements (not shown), for example thermocouples, and recorded in a temperature measuring unit 9.
  • This temperature measuring unit 9 is connected to the stress unit 8 and transmits the determined system values to it.
  • the system values are evaluated in the stress unit 8, in particular a calculation of the surface temperature T 0 and the average temperature T m of the turbine shaft. These values are transmitted to the limiting unit 3 and / or to the exhaustion unit 4. In the limiting unit 3, a comparison is made between the setpoint previously determined, in particular in the limiting unit 3, and the actual value of the turbine guide determined in the stress unit 8. size VAR.
  • the control unit 5 performs a corresponding control intervention in the actuator 6 by means of the target value management function.
  • the additional exhaustion ie material fatigue, is determined from the values of the stress unit 8 by the load change process actually carried out. This exhaustion is displayed on the one hand on the output medium 11 and, on the other hand, is optionally stored with additional system values of the turbine 7 in a storage medium 10, in particular a permanent memory of a computer system or another data carrier.
  • the invention is characterized by a turbine guide device which works in a time-oriented, in particular in a starting-time-oriented manner, the time duration of a load change process being infinitely adjustable within a maximum permissible material load. Due to the possibility of setting load change processes in the desired times t v , load change processes can be particularly advantageously adapted to the provisioning requirements.
  • the turbine guide device enables predictive and up-to-date life monitoring. The accumulated fatigue of the monitored turbine components is continuously recorded.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenleiteinrichtung sowie ein Verfahren zur Regelung eines Lastwechselvorgangs einer Turbine, insbesondere einer Dampfturbine, wobei eine Berucksichtigung einer maximal zulässigen Materialbeanspruchung während des Lastwechselvorgangs erfolgt.
In dem Artikel "Digital Computer Control System for Turbine Start-Up" von N. Honda, Fh. Kavano, J. Matsumura in Hitachi Review, Vol. 27, No. 7/1978, sind ein Computersystem sowie ein Verfahren zur Durchführung eines beschleunigten Anfahrprozesses einer Dampfturbine beschrieben. Der Anfahrvorgang wird hierbei über thermische Spannungen als Regelgrößen geregelt, die vorausberechnet werden und als Regelgrößen für das Hochfahren der Turbinendrehzahl und das Ankoppeln der Turbine an den Generator zur Lastabgabe dienen. Der Anfahrvorgang wird in viele kleine Zeitschritte unterteilt, wobei für jeden Zeitschritt die Temperaturverteilung entlang der Turbinenwelle durch Lösung einer partiellen Differentialgleichung gelöst wird. Sind die daraus berechneten thermischen Spannungen in einem erlaubten Rahmen, so wird ein zugehöriges Signal an eine Turbinendrehzahlregeleinrichtung oder eine Leistungsregeleinrichtung übertragen, abhängig davon, ob die Turbine sich in einer Beschleunigungsphase befindet, bei der die Drehgeschwindigkeit der Welle erhöht wird, oder ob die Turbine in einer Leistungsankopplungsphase ist, bei der die Turbine an den Generator geschaltet und zur gewünschten Leistung hochgefahren wird. Das Verfahren sowie das dazugehörige Computersystem dienen dem Erreichen einer möglichst kurzen Anfahrzeit unter Berücksichtigung der für eine bestimmte Starthäufigkeit zulässigen Materialbeanspruchungen.
In dem Artikel "Temperaturleitgerät für Kraftwerksturbinen" von P. Martin et al in BWK, Band 36, Nr. 12/1984, ist eine Vorrichtung beschrieben, durch die eine Überwachung der Beanspruchung ausgewählter Turbinenteile erfolgt. Mit der Vorrichtung erfolgt eine Regelung jedes Startvorganges einer Turbine, so daß die Ermüdung des Materials über die zu erwartende Betriebszeit der Turbine unter einem kritischen Wert verbleibt. Es wird hierbei vorausgesetzt, daß eine Turbine während ihrer Einsatzdauer etwa 4.000 Anfahrvorgänge durchläuft, von denen etwa 3.000 Heißstarts, 700 Warmstarts und 300 Kaltstarts sind. Für die Regelung vorgegeben sind die Zielleistung sowie der Soll-Leistungstransient. Unter Berücksichtigung der gemessenen Drehzahl werden die Wärmeübergänge von Dampf auf das Läufermaterial, daraus die Temperaturverteilung in dem Läufer und daraus wiederum ein Spannungswert als Überlagerung thermischer und mechanischer Spannungen bestimmt. Aus der Gesamtspannung innerhalb des Läufers sowie der Ventilgehäuse werden Ermüdungsgradanteile aus Zeitstand- und Dehnungswechselbeanspruchung berechnet und zu dem gesamten Ermüdungsgrad summiert, welcher täglich protokolliert wird. Die berechneten Spannungswerte dienen der Regelung des Anfahrprozesses, wobei die Soll-Temperaturtransienten als begrenzend vorgegeben werden.
Im Artikel "Turbinenleitrechner zur thermischen Überwachung von Dampfturbinen" von E. Gelleri und F. Zerrmayr in Siemens-Energietechnik 4, Heft 2/1982, ist ein Turbinenleitrechner beschrieben, bei dem Anfahr- und Leistungsänderungsgeschwindigkeit mit Rücksicht auf die Werkstoffermüdung kontrolliert und gleichzeitig die verursachte Werkstoffermüdung erfaßt wird. Als Maß für die Wärmebeanspruchung dient die Differenz zwischen einer mittleren Temperatur Tm und der Oberflächentemperatur Tl eines Bauteils. Zur Anpassung der Regelung an unterschiedliche Anfahr- und Abfahrvorgänge sowie bei Leistungsänderungen von festdruckbetriebenen Turbinen sind drei unterschiedlichen Regelungsmoden vorgesehen, die einer schnellen, einer mittleren und einer langsameren Änderung entsprechen. Je nach Modus ist eine maximal zulässige Temperaturdifferenz (Tm - T1) in Abhängigkeit der mittleren Temperatur Tm vorgegeben. Durch den Turbinenleitrechner wird die jeweils aktuelle Temperaturdifferenz bestimmt und daraus der Freibetrag zur maximal zulässigen Temperaturdifferenz berechnet. Neben der Ermittlung des momentanen Freibetrages wird auch eine Vorschau auf den zu erwartenden Verlauf des Freibetrages durchgeführt. Aus diesen beiden Werten wird eine Leitgröße gebildet, mit der über eine Sollwertführung für Drehzahl und Leistung die Anfahr- und Belastungsgeschwindigkeit frühzeitig verändert und damit eine Anpassung an die Dynamik des Anlageverhaltens erreicht wird. Betriebsbegleitend zur Regelung eines Anfahr- oder Abfahrvorgangs sowie eines Leistungsänderungsvorgangs wird der Lebensdauerverbrauch aus Dehnungswechselermüdung berechnet, so daß rechtzeitig und vorausschauend ermittelt werden kann, wann der Zeitpunkt erreicht sein wird, an dem eine genaue Inspektion der Turbine nötig ist. Der Anfahrmodus "normal" entspricht gerade einem solchen Anfahrmodus, durch den sicher 4.000 Lastwechsel der Turbine möglich sind. Der Anfahrmodus "schnell" führt zu einer höheren Belastung entsprechend etwa 800 möglichen Lastwechseln, und der Anfahrmodus "langsam" führt zu einer geringeren Materialermüdung, so daß hierbei etwa 10.000 Lastwechsel sicher möglich sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbinenleiteinrichtung zur Regelung eines Lastwechselvorgangs einer Turbine anzugeben, durch die unter Berücksichtigung einer maximal zulässigen Materialbeanspruchung eine flexible, den betrieblichen Anforderungen zur Erzeugung elektrischer Energie entsprechende Änderung der Betriebsbedingungen der Turbine erreichbar ist. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zur Regelung eines Lastwechselvorgangs einer Turbine anzugeben.
Die auf eine Turbinenleiteinrichtung gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und die auf ein Verfahren zur Regelung eines Lastwechselvorgangs einer Turbine gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 7 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Turbinenleiteinrichtung sowie des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorteil einer erfindungsgemäßen Turbinenleiteinrichtung ist die mittelbare oder unmittelbare Vorgabe der gewünschten Zeit für das An- und Abfahren und das Leistungsändern des Turbosatzes unter Berücksichtigung physikalischer Grenzwerte.
Zur Zuführung einer Zeitgröße kann eine Eingabeeinrichtung, eine Anwahleinrichtung, vorgesehen sein. Dieser ist eine Größe für eine variable Vorgabe der Zeitdauer des Lastwechselvorgangs zuführbar, welche Größe insbesondere bereits die Zeitdauer selbst sein kann. Für die Durchführung des Lastwechselvorgangs wird vorzugsweise eine individuell für jeden Lastwechselvorgang flexibel vorgebbare Zeitdauer bestimmt. Die Zeitdauer kann frei ausgewählt werden, also jeden physikalisch sinnvollen Wert annehmen. Sie kann stufenlos auf jeden physikalisch und betrieblich sinnvollen Wert eingestellt werden. Somit kann betreiberseits je nach Anforderung, insbesondere im Hinblick auf die erforderliche Bereitstellung von elektrischer Energie, die Dauer für einen Lastwechsel von einem Anfangszustand zu einem Zielzustand vorgegeben werden. Für die Regelung des Lastwechselvorgangs, welcher ein An- oder Abfahrvorgang sowie ein Leistungsänderungsvorgang sein kann, wird unter Vorgabe der Zeitdauer eine Turbinenleitgröße in der Begrenzungseinheit bestimmt, die als Funktion der Zeit in der Zeitdauer zwischen Verlassen des Anfangszustandes und Erreichen des Zielzustandes ermittelt wird. Diese Turbinenleitgröße hängt neben der vorgewählten Zeitdauer (Anfahrzeit, Abfahrzeit, Laständerungszeit) vorzugsweise auch noch von der Ausgangstemperatur zum Zeitpunkt des Anfangszustandes und der Endtemperatur zum Zeitpunkt des Zielzustandes, der Bauteilgeometrie, dem verwendeten Werkstoff, dem Dampfzustand und dem Temperaturniveau ab. Mit der Bestimmung der Turbinenleitgröße erfolgt beispielsweise bei einem Anfahrgang eine Festlegung der Fortschaltkriterien für das Hochfahren der Drehzahl von Anwärmdrehzahl auf Nenndrehzahl, das anschließende Synchronisieren und die Mindest-Leistungsaufnahme. Hierzu werden Turbinenparameter, wie Turbinendrehzahl, Dampfdruck, Temperatur und Leistung, über die Turbinenleitgröße mit Hilfe einer Sollwertfunktion geändert (geregelt, gesteuert).
Die Turbinenleiteinrichtung weist vorzugsweise eine Erschöpfungseinheit auf, in der eine Ermittlung der Materialerschöpfung des entsprechend der Turbinenleitgröße durchzuführenden Lastwechselvorgangs erfolgt. Die Erschöpfungseinheit kann die zusätzliche Materialerschöpfung vorab berechnen, so daß anhand dieser Materialerschöpfung und der noch gewünschten Betriebsdauer der Turbine manuell oder automatisch entschieden werden kann, ob der Lastwechselvorgang tatsächlich in der gewünschten Zeitdauer durchgeführt werden soll. Hierzu wird die zu erwartende Materialermüdung vorzugsweise über ein Ausgabemedium, wie beispielsweise einen Bildschirm, einen Drucker etc., dargestellt. Die Erschöpfungseinheit dient vorzugsweise auch der Ermittlung der Materialerschöpfung, wenn der Lastwechselvorgang tatsächlich in der gewünschten Zeitdauer durchgeführt wurde. Die Werte der zusätzlichen Materialerschöpfung können ebenfalls über ein entsprechendes Ausgabemedium dargestellt sowie in einem Speichermedium, insbesondere einem Speichermedium eines Computersystems, abgespeichert werden. Somit ist zu jedem Zeitpunkt eine Information über die Erschöpfung des Materials und damit über die Restbetriebsdauer der Turbine bekannt. Hierdurch lassen sich zukünftige Lastwechselvorgänge jeweils wiederum mit einer entsprechend flexibel vorwählbaren Zeitdauer durchführen, wobei bei bereits hoher Materialerschöpfung eine materialschonendere Durchführung des Lastwechsels (längere Zeitdauer) oder bei noch hinreichend großer Reserve (geringer Materialerschöpfung) ein schneller Lastwechsel (kurze Zeitdauer) durchführbar ist.
Die Turbinenleiteinrichtung weist vorzugsweise eine Regeleinheit und/oder eine Steuereinheit auf, die jeweils mit einem Stellglied der Turbine zur Regelung und/oder Steuerung des Lastwechselvorgangs verbindbar ist. Bei einer Dampfturbine ist das Stellglied vorzugsweise ein Ventil, durch welches der Zustrom an heißem Dampf einstellbar ist.
Zur Ermittlung der tatsächlichen Beanspruchung weist die Turbinenleiteinrichtung vorzugsweise eine Beanspruchungseinheit auf, der Systemwerte, wie Druckwerte oder Temperaturwerte der Turbine, zuführbar sind. Diese Beanspruchungseinheit ist mit der Erschöpfungseinheit und/oder der Begrenzungseinheit verbunden. Die in der Beanspruchungseinheit verarbeiteten oder weitergeleiteten Systemwerte werden der Begrenzungseinheit zugeführt, so daß ein Vergleich zwischen Sollwert und Istwert der Turbinenleitgröße durchführbar ist und bei einer entsprechenden Abweichung ein Regeleingriff, d.h. eine Betätigung des Stellgliedes, durchgeführt wird. In der Erschöpfungseinheit erfolgt anhand der Systemwerte eine Ermittlung der zusätzlichen Materialerschöpfung, welche - wie bereits erwähnt - gespeichert oder angezeigt werden kann.
Die Turbinenleitgröße stellt vorzugsweise ein Maß für die Materialermüdung dar. Die Materialermüdung wird während des Lastwechselvorgangs weitgehend konstant gehalten. Die Turbinenleitgröße kann hierbei die Temperaturdifferenz zwischen einer mittleren Bauteiltemperatur und einer Oberflächenbauteiltemperatur, insbesondere der Turbinenwelle oder des Turbinengehäuses, sein, wie es beispielsweise in dem obengenannten Artikel "Turbinenleitrechner zur thermischen Überwachung von Dampfturbinen" beschrieben ist. Durch eine Grenzwertvorgabe für die Turbinenleitgröße wird gewährleistet, daß zum einen die Materialbeanspruchung während des Lastwechselvorgangs unter einer kritischen Grenze bleibt sowie daß zum anderen Temperaturdehnungen in einem erforderlichen Rahmen bleiben, so daß beispielsweise eine Überbrückung eines Spiels zwischen zwei Komponenten der Turbine sowie Verkrümmungen vermieden werden.
In der Beanspruchungseinheit werden vorzugsweise Systemwerte an verschiedenen Stellen der Turbine sowie an verschiedenen Bauteilen (Turbinenwelle, Ventile, Kessel etc.) bestimmt. Hierdurch können für verschiedene Bauteile der Turbine die aufgetretenen Ermüdungsanteile jeweils getrennt in der Erschöpfungseinheit erfaßt und daraus kann eine gesamte Erschöpfung der Turbine bzw. einzelner Bauteile ermittelt und gespeichert werden.
Es versteht sich, daß die Turbinenleitvorrichtung als Ganzes oder daß einzelne Einheiten als Rechnerprogramm, als elektronisches Bauteil oder als Schaltung sowie auf einem Mikroprozessor vorliegen kann bzw. können.
Ausführungsbeispiele der Turbinenleiteinrichtung sowie des Verfahrens zur Regelung und/oder Steuerung eines Lastwechselvorgangs einer Dampfturbine werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
FIG 1
in einer schematischen Darstellung eine Dampfturbine mit einer Turbinenleiteinrichtung sowie
FIG 2
einen Temperaturverlauf an der Turbinenwelle während der Zeitdauer des Lastwechselvorgangs.
In Figur 1 ist schematisch eine Dampfturbine 7 mit einem daran angeschlossenen Generator 13 und mit einer Turbinenleiteinrichtung 1 dargestellt. Der Turbinenleiteinrichtung 1 ist ein Signal oder eine Größe 20 für die gewünschte Zeitdauer tv eines Lastwechselvorgangs zuführbar (z.B. über eine Eingabeeinrichtung), wie durch den Pfeil 20 angedeutet. Das der Zeitdauer tv entsprechende Signal wird einer Begrenzungseinheit 3 zugeleitet. In der Begrenzungseinheit 3 erfolgt unter Berücksichtigung von Daten aus einer mit der Begrenzungseinheit 3 verbundenen Erschöpfungseinheit 4 eine Bestimmung einer jeweiligen Turbinenleitgröße VAR abhängig von der Zeitdauer tv, so daß eine Regelung des Lastvorganges von einem Anfangszustand Ain einen Zielzustand Z durchführbar ist. Dies ist vergrößert in Figur 2 dargestellt. Die Turbinenleitgrößen VAR werden für die verschiedenen zu überwachenden Bauteile, wie Ventilgehäuse, Turbinengehäuse und Turbinenwelle, gebildet und stellen Temperaturdifferenzen der Temperatur T0 zwischen der jeweiligen Oberfläche und einer integralen mittleren Temperatur Tm des jeweiligen Bauteils dar. Jede Turbinenleitgröße VAR stellt als Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperaturen (T0 - Tm) ein Maß für die Thermospannung bzw. die thermische Dehnung und somit für die Wechselbeanspruchungsermüdung dar. Die Turbinenleitgrößen VAR werden über die Zeitdauer tv so ermittelt, daß während der gesamten Zeitdauer tv eine konstante Ermüdung und damit eine konstante Zunahme der Erschöpfung auftritt. Figur 2 zeigt den Verlauf für einen Anfahrvorgang, bei dem die mittlere Temperatur Tm kleiner als die Oberflächentemperatur T0 ist. Bei einem Abfahrvorgang (nicht gezeigt) ist die mittlere Temperatur Tm größer als die Oberflächentemperatur T0.
Die Begrenzungseinheit 3 ist mit der Erschöpfungseinheit 4 verbunden, so daß letzterer die vorausbestimmten Werte der Turbinenleitgrößen VAR zuführbar sind. In der Erschöpfungseinheit 4 erfolgt eine Vorausberechnung der durch den Lastwechselvorgang hervorgerufenen zusätzlichen Ermüdung. Diese zusätzliche Ermüdung wird auch an einem Ausgabemedium 11, welches mit der Erschöpfungseinheit 4 verbunden ist, dargestellt. Das Ausgabemedium 11 kann beispielsweise ein Monitor sein, der in der (nicht dargestellten) Warte des die Turbine 7 beinhaltenden Kraftwerkes angeordnet ist.
Der Differenzwert aus der Turbinenleitgröße VAR und der gemessenen Temperaturdifferenz (T0-Tm) des Bauteils wird einer Sollwertführungsfunktionseinheit 2 zugeführt. Entsprechend dieser Differenz (T0-Tm) wird in der Sollwertführungsfunktionseinheit 2 die zulässige Drehzahl- und Leistungsänderung ermittelt. Von dort gelangt ein Signal zur Änderung der Turbinendrehzahl und Leistung zu einer Regeleinheit 5, über die ein Stellglied 6, insbesondere ein Dampfventil, der Turbine 7 betätigt wird. Entsprechend der Turbinenleitgröße VAR wird somit die Zuströmung an Dampf in die Turbine 7 hinein eingestellt, wodurch auch mittelbar eine Regelung der Oberflächentemperatur T0 und der mittleren Temperatur Tm, insbesondere der Turbinenwelle, erfolgt. Die Systemwerte der Turbine 7, insbesondere die Dampftemperatur, die Bauteiletemperatur sowie die Dampfdrücke, werden durch nicht dargestellte Meßelemente, beispielsweise Thermoelemente, erfaßt und in einer Temperaturmeßeinheit 9 aufgenommen. Diese Temperaturmeßeinheit 9 ist mit der Beanspruchungseinheit 8 verbunden und überträgt die ermittelten Systemwerte an diese. In der Beanspruchungseinheit 8 erfolgt eine Auswertung der Systemwerte, insbesondere eine Berechnung der Oberflächentemperatur T0 und der mittleren Temperatur Tm der Turbinenwelle. Diese Werte werden an die Begrenzungseinheit 3 und/oder an die Erschöpfungseinheit 4 übertragen. In der Begrenzungseinheit 3 erfolgt ein Vergleich zwischen dem zuvor, insbesondere in der Begrenzungseinheit 3, bestimmten Sollwert und dem in der Beanspruchungseinheit 8 ermittelten Ist-Wert der Turbinenleit. größe VAR. Bei Abweichungen zwischen Ist- und Sollwert erfolgt mittels Sollwertführungsfunktion über die Regeleinheit 5 ein entsprechender Stelleingriff in das Stellglied 6. In der Erschöpfungseinheit 4 wird aus den Werten der Beanspruchungseinheit 8 die zusätzliche Erschöpfung, d.h. Materialermüdung, durch den tatsächlich durchgeführten Lastwechselvorgang bestimmt. Diese Erschöpfung wird zum einen auf dem Ausgabemedium 11 angezeigt und zum anderen gegebenenfalls mit zusätzlichen Systemwerten der Turbine 7 in einem Speichermedium 10, insbesondere einem Festspeicher einer Computeranlage oder einem anderen Datenträger, gespeichert.
Die Erfindung zeichnet sich durch eine Turbinenleiteinrichtung aus, die zeitorientiert, insbesondere anfahrzeitorientiert, arbeitet, wobei die Zeitdauer eines Lastwechselvorgangs stufenlos im Rahmen einer maximal zulässigen Materialbelastung einstellbar ist. Durch die Möglichkeit, Lastwechselvorgänge in den gewünschten Zeiten tv einzustellen, lassen sich Lastwechselvorgänge zeitlich besonders vorteilhaft an die Bereitstellungsanforderungen anpassen. Zudem ermöglicht die Turbinenleiteinrichtung eine vorausschauende und jederzeit aktuelle Lebensdauerüberwachung. Die aufgelaufene Ermüdung der überwachten Turbinenbauteile wird durchgängig erfaßt.

Claims (10)

  1. Turbinenleiteinrichtung (1) zur Regelung eines Lastwechselvorgangs einer Turbine (7) mit einer Begrenzungseinheit (3), welcher eine Größe für eine variable Vorgabe der Zeitdauer tv des Lastwechselvorgangs zuführbar ist und in welcher die Bestimmung einer Turbinenleitgröße (VAR) zur Durchführung des Lastwechselvorgangs in der Zeitdauer tv erfolgt unter Berücksichtigung einer maximal zulässigen Materialbeanspruchung.
  2. Turbinenleiteinrichtung (1) nach Anspruch 1 mit einer Erschöpfungseinheit (4), die insbesondere der Vorab-Ermittelung der Materialerschöpfung des entsprechend der Turbinenleitgröße (VAR) durchzuführenden Lastwechselvorgangs dient.
  3. Turbinenleiteinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Regeleinheit (5), der der aktuelle Wert der Turbinenleitgröße (VAR) zuführbar ist und die mit einem Stellglied (6) der Turbine (7) zur Regelung des Lastwechselvorgangs verbunden ist.
  4. Turbinenleiteinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Beanspruchungseinheit (8), der Systemwerte, wie Druck oder Temperatur, der Turbine (7) zuführbar sind, und die mit der Erschöpfungseinheit (4) und/oder der Begrenzungseinheit (3) verbunden ist.
  5. Turbinenleiteinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Erschöpfungseinheit (4) mit einem Speichermedium (10) und/oder einem Ausgabemedium (11) verbunden ist.
  6. Turbinenleiteinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der in der Begrenzungseinheit (3) die Bestimmung der Turbinenleitgröße (VAR) zur Durchführung des Lastwechselvorgangs so erfolgt, daß sie ein Maß für die Materialermüdung, insbesondere eine die Materialermüdung charakterisierende Temperaturdifferenz ist, und die Materialermüdung während des Lastwechselvorgangs weitgehend konstant bleibt.
  7. Verfahren zur Regelung eines in einer Zeitdauer tv durchzuführenden Lastwechselvorgangs einer Turbine (7) und zur Ermittelung der Materialerschöpfung, bei dem unter Berücksichtigung der Prozeß- und Materialparameter vorab eine die während des Lastwechselvorgangs auftretende Materialerschöpfung charakterisierende Turbinenleitgröße (VAR) bestimmt und eine Turbinenregelung während der Zeitdauer tv über die Turbinenleitgröße (VAR) durchgeführt wird, so daß die Turbine (7) in der Zeitdauer tv von einem Ausgangszustand (A) in einen Endzustand (Z) überführt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Turbinenleitgröße (VAR) so bestimmt wird, daß die Materialermüdung als über die Zeitdauer tv im wesentlichen konstant gehalten wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem zumindest ein Turbinenparameter, wie Turbinendrehzahl, Dampfdruck, Temperatur oder Leistung, durch Einbeziehung der Turbinenleitgröße (VAR) geregelt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem die durch den Lastwechselvorgang zu erwartende zusätzliche Materialermüdung vorab angezeigt wird.
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