Verfahren zur Regelung eines aus einem Dampferzeuger und einer Dampfturbine bestehenden Aggregates Bei Aggregaten, die aus einer Dampfturbine und einem diese speisenden Dampferzeuger bestehen, wie sie insbesondere zum Antrieb von Stromerzeugern benutzt werden, ist der Dampferzeuger durchwegs mit einer Regelanlage für die Feuerung des Dampf erzeugers versehen, welche die Brennstoffzufuhr in Abhängigkeit vom Dampfdruck regelt und die Ein haltung eines bestimmten Dampfdrucksollwertes be wirkt. Die Regelung der Turbine erfolgt häufig durch Drehzahlregler, welche den Dampfzulauf zur Turbine verstellen und so ihrerseits für die Einhaltung einer bestimmten Solldrehzahl sorgen.
Die Verwendung drehzahlgeregelter Turbinen erweist sich besonders für den Antrieb von Generatoren für diie Stromliefe rung an das öffentliche Energieversorgungsnetz als günstig, da die drehzahlgeregelte Turbine einen Bei trag zur Konstanthaltung der Netzfrequenz zu liefern imstande ist. Anderseits kann die Drehzahlregelung der Dampfturbine jedoch zu grossen Belastungen des Dampferzeugers und damit zu gefährlichen Druck absenkungen im Kessel führen.
Deswegen wird sehr oft insbesondere bei grossen Generatorantriebseinhei- ten auf eine Drehzahlregelungseinrichtung für die Tur bine ganz verzichtet und ihre Regelung in Abhängig keit vom Dampfdruck vor der Turbine vorgenommen. Durch diese Massnahme können zwar zuverlässig hohe Belastungen des Dampferzeugers vermieden werden, ein Stromerzeugungsaggregat mit in Abhän gigkeit vom Vordruck geregelter Turbine ist jedoch nicht imstande, einen Beitrag für die Konstanthaltung der Netzfrequenz zu liefern.
Dies hat eine schwan kende Mehrbelastung der an der Konstanthaltung der Netzfrequenz beteiligten Stromerzeugungsaggregate und bei deren Überlastung ein unzulässiges Absin ken der Netzfrequenz zur Folge. Aus diesem Grunde ist grundsätzlich die Anwendung einer Drehzahlrege- lungsanlage für die Turbinenregelung anzustreben. Die Erfindung bezweckt die Möglichkeit hierzu zu schaffen, ohne dass deshalb die Nachteile der dreh zahlgeregelten Turbinen in bezug auf die mögliche Überlastung des Dampferzeugers oder eine übermä ssige Inanspruchnahme seines Speichervermögens in Kauf genommen werden müssten.
Gemäss dem Verfahren nach der Erfindung zur Regelung eines aus einem Dampferzeuger und einer Turbine bestehenden Aggregates, bei welchem die Dampfturbine mit einem Drehzahlregler und der Dampferzeuger mit einem Dampfdruckregler verse hen ist,
wird beim Absinken des Dampfdruckes vor der Turbine unter einen bestimmten einstellbaren Wert der Drehzahlregler in Abhängigkeit vom Dampf druck im Sinne einer mit absinkendem Dampfdruck abnehmenden Drehzahl beeinflusst. Die Beeinflussung der Drehzahlregelung in Abhängigkeit von dem Dampfdruck vor der Turbine geschieht vorteilhafter weise durch eine bei Unterschreitung eines bestimm ten Vordruckes vorgenommenen Verstellung des Drehzahlsollwertes im Sinne einer mit sinkendem Dampfdruck abnehmenden Drehzahl.
Die Beeinflussung des Sollwertes der Drehzahlrege- lung in Abhängigkeit von dem vor der Turbine herr schenden Dampfdruck kann mit Vorteil dadurch er reicht werden, dass als Geber für das vom Druck abhängige Regelsignal ein Druckmessinstrument in Verbindung mit einem Ferngeber verwendet wird, welches im Bereiche des durch die Feuerungsregelung einzuhaltenden Drucksollwertes kein Regelsignal lie fert, sondern erst dann,
wenn der Druck vor der Turbine den Sollwert um ein bestimmtes einstell- bares Mass unterschreitet. Dadurch kommt in dem normalen Fall, in welchem die Feuerungsregelung im stande ist, den Dampfdruck vor der Turbine auf dem Sollwert oder nahezu auf dem Sollwert zu halten, der Drehzahlregler der Turbine unbeeinflusst zur Wirkung.
Die Einrichtung zur Turbinenregelung in Abhängigkeit vom Vordruck greift nur dann in die Drehzahlregelung ein, wenn durch Überlastung oder Eintreten irgendwelcher ungünstiger Umstände im Dampferzeuger durch die Feuerungsregelung der normale Druck nicht mehr aufrechterhalten werden kann, und ein weiteres Absinken des Druckes mit seinen ungünstigen Folgen zu befürchten ist.
Das Herunterregeln der Turbinendrehzahl in Abhängig keit vom Dampfdruck vor der Turbine ist also eine im Notfall zur Wirkung gelangende Schutzmassnahme, welche, zum Unterschied von Regelanlagen, bei denen die Turbine normalerweise in Abhängigkeit vom Dampfdruck vor der Turbine geregelt wird, einen Beitrag des Aggregates zur Stützung der Netzfre quenz im Falle eines reibungslosen Betriebes nicht ausschliesst.
Das Regelsignal zur Beeinflussung der Drehzahl regelung in Abhängigkeit von der Unterschreitung eines unteren Schwellwertes kann durch ein Mess- instrument erzielt werden, das mit einem Kontakt versehen ist. Eine nachstehend als Beispiel beschrie bene, besonders wirksame Lösung verwendet eine elektromechanische Kompensations- bzw. Nachlauf- einrichtung. Es ist dabei ein Druckmessinstrument vorgesehen, das die Abweichungen vom Sollwert als elektrische Grösse abbildet.
Die Ausgangsgrösse dieses Instrumentes wird durch eine ihr entgegengeschaltete selbsttätige Kompensationseinrichtung bis zu einem bestimmten einstellbaren Wert kompensiert, so dass nur der über diesen einstellbaren Wert hinausgehende Teil der Ausgangsgrösse als Regelsignal zur Wirkung kommt. Diese Kompensation kann durch einen Stel- lungsferngeber bewirkt werden, der der Ausgangs grösse des Messinstrumentes entgegengeschaltet und durch einen Motor so nachgedreht wird, dass seine Ausgangsspannung die Ausgangsgrösse des Druck wertgebers kompensiert.
Wird dieser Stellungsfern- geber mit einem Anschlag versehen, der seine weitere Bewegung im Sinne des abnehmenden Dampfdruckes verhindert, so kann die Kompensation der Ausgangs spannung des Druckmessinstrumentes nur bis zu einem bestimmten Wert der Solldruckunterschreitung erfol gen, bei überschreitung dieses Wertes durch den Druckmesswertgeber überwiegt dessen Ausgangsspan nung die Spannung des nachgedrehten Gebers.
Wird die Differenz zwischen der Ausgangsspannung des Druckmesswertumformers und des Nachlaufgebers als Regelsignal benutzt, so hat dieses Regelsignal die gewünschten Eigenschaften, das heisst, es tritt erst von einer bestimmten Sollwertabweichung im Sinne fallen den Druckes an auf, während es in einem einstell baren Bereich um den Sollwert verschwindet.
Das Verfahren nach der Erfindung wird nach stehend an Hand eines in Fig. 1 der beiliegenden Zeich nung dargestellten Ausführungsbeispiels der Einrich tung zur Durchführung desselben beispielsweise näher beschrieben. Fig.2 zeigt schematisch eine Einrichtung zur Gewinnung eines erst von einer bestimmten Sollwert abweichung des Dampfdruckes an wirksam werden den Regelsignals für die Turbinendrehzahl.
Die Fig. 1 zeigt das Blockschema eines aus einem Dampferzeuger K und einer Hochdruckturbine T be stehenden Aggregates mit den zugehörigen Regel einrichtungen, das zum Antrieb eines Stromerzeu gers dient. Die Hochdruckturbine T ist mit einer Niederdruckturbine N gekuppelt, welche gemeinsam den Generator G antreiben. Ein proportional-inte- gral wirkender Druckregler mit Aufschaltung des Dampfverbrauches wird als Führungsgrösse angewen det.
Ein Druckmessinstrument i ist mit einem Fern geber gekuppelt, dessen Ausgangsspannung über einen Transformator m einem Regelverstärker r für den Feuerungsregler mit einem Sollwerteinsteller q zu geführt wird. Der Regelverstärker r speist einen Stell motor s, der die Einstellung der der Feuerung zuge führten Kohlenmengen vornimmt. Die Einstellung der Brennstoffzuteilereinrichtungen ist durch einen Rück führgeber p elektrisch abgebildet und über ein Dif- ferenzierglied o an den Eingang des Regelverstärkers r zurückgeführt.
Die der Turbine zufliessende Dampf menge wird durch eine Mengenmesseinrichtung n in der Dampfleitung gemessen, durch den mit ihr ge- kuppelten Ferngeber als elektrisches Signal abgebil det, und dieses Signal ebenfalls über das Differen- zierglied o auf den Regelverstärker r geschaltet.
Die Drehzahlregelung der Turbine<I>T</I> und<I>N</I> er folgt durch einen in nicht dargestellter Weise direkt an die Turbinenwelle angebauten Drehzahlregler z, welcher auf ein Dampfzuflussventil V vor der Tur bine wirkt. Für die Verstellung des Sollwertes der Drehzahlregeleinrichtung z ist ein Servomotor a vor gesehen, welcher durch den Servoverstärker c ge speist wird. Die Sollwerteinstellung des Drehzahl reglers z wird durch den Ferngeber b als elektrisches Signal abgebildet, welches auf den Eingang des Servo- verstärkers c geschaltet ist.
Die Fernsteuerung für den Drehzahlsollwert kann über eine Schalttaste d erfolgen. Eine Betätigung dieser Taste setzt den Motor e in Gang, welcher mit einem Ferngeber f gekuppelt ist. Die Ausgangsspannung des Ferngebers f ist ebenfalls auf den Eingang des Servomotorver- stärkers c für den Motor a geschaltet.
Es empfiehlt sich bei der Regelung der Turbine, insbesondere bei der Verstellung des Drehzahlsollwertes vermittels der Ferneinstellvorrichtung, keine zu grossen zeitlichen Änderungen der Drehzahl zu erzwingen, da plötzliche Drehzahländerungen bzw. Laständerungen nachteilige Folgen haben können.
Zwischen den Motor e und den Stellungsferngeber f ist daher ein übersetzungs- getriebe mit grosser Übersetzung eingeschaltet, wel ches nur kleine zeitliche Änderungen bei der Fern einstellung des Drehzahlsollwertes bewirken kann.
Zur Einschaltung eines vom Druck vor der Turbine abhängigen Regeleinflusses auf die Solldrehzahl des Turbinenreglers, welche erst bei Unterschreiten eines bestimmten Dampfdruckes zur Wirkung kommt, ist der dem Stellungsferngeber des Dampfdruckmess- instrumentes <I>i</I> nachgeschaltete Transformator<I>m</I> mit einer zweiten Sekundärwicklung versehen, welche eine Nachlauf- bzw. Kompensationseinrichtung k speist. Es kann aber auch ein an die Dampfzuleitung zur Turbine angeschaltetes weiteres Druckmessinstru- ment vorgesehen werden, das mit einem Ferngeber gekuppelt ist.
Eine Kompensationseinrichtung k, welche das Ausgangssignal des Druckmessers so umformt, dass es erst nach Überschreitung eines einstellbaren Schwellwertes der Solldruckabweichung zur Wirkung gelangt, ist in Fig.2 dargestellt; ihre Wirkungsweise wird im folgenden an Hand dieser Figur näher er läutert.
Das Kompensations- oder Nachlaufglied k enthält einen induktiven Ferngeber 1, der einen motorähn lichen Aufbau hat. Der Ständer des Gebers 1 hat eine dreiphasige Erregerwicklung 2 und seine drei Anschlüsse liegen an einem Wechselstromnetz 50 Hz. Der Läufer des Gebers 1 hat eine einphasige Wick lung 3, die auf einer drehbaren Welle 9 angeordnet ist. Diese Welle 9 ist über ein Übersetzungsgetriebe 4 mit dem Läufer 5' eines Scheibeninduktionsmo- tors 5 verbunden. Dieser Induktionsmotor weist eine netzgespeiste Erregerwicklung 6 und eine Steuerwick lung 7 auf.
Der Ausschlagweg der Läuferwicklung 3 des Ferngebers 1 ist durch einen einstellbaren An schlag 8 auf der Welle 9 begrenzt. Das bis zu einem bestimmten Wert zu kompensierende Eingangssginal kommt von einem Ferngeber 10, der in gleicher Weise aufgebaut ist wie der Ferngeber 1 und dessen Läufer mit dem Dampfdruckmessgerät i gekuppelt ist. Die Läuferwicklung 11 des Ferngebers 10 ist entgegen gesetzt in Reihe mit der Läuferwicklung 3 des Fern gebers 1 und in Reihe mit der Steuerwicklung 7 des Motors 5 geschaltet.
Eine Drehung der mit dem Druckmessgerät i verbundenen Läuferwicklung 11 des Ferngebers 10 hat eine Nachdrehung der Läufer wicklung 3 des Ferngebers 1 durch den Motor 5 zur Folge. Solange in den Ferngebern 1 und 10 die beiden Wicklungen 3 und 11 relativ zu ihren Erre gerwicklungen 2 und 12 die gleiche Lage einnehmen, heben sich die in ihnen induzierten Spannungen auf. Die an der Stelle 14 abgenommene Spannung hat also einen verschwindenden Wert. Dieser Zustand wird durch den Motor 5 im allgemeinen aufrecht erhalten.
Dies gilt jedoch nur so lange, bis die Welle des Ferngebers 1 gegen den Anschlag 8 aufläuft, von diesem Augenblick an kann der Nachlaufmotor 5 die Wicklung 3 des Ferngebers 1 der Wicklung 11 des Ferngebers 10 nicht mehr nachdrehen, die Folge davon ist das Auftreten einer Differenz spannung an der Stelle 14. Diese an der Stelle 14 abgenommene Spannung hat die gewünschte Eigenschaft, dass sie erst nach Verdrehung des Läufers 11 .im Ferngeber 10 um einen bestimm ten einstellbaren Betrag auftritt. Die an der Stelle 14 auftretende Differenzspannung wird an den Eingang des Servoverstärkers c in Fig. 1 eingespeist, wo sie das gewünschte Regelverhalten der Drehzahl regelung bewirkt.
Die beschriebene Einrichtung ent spricht in ihrem Aufbau einem Differenzierglied, wie es für die hier vorgesehene sogenannte induktive Regelung üblich ist -und z. B. bei o in dem gezeich neten Schema vorgesehen ist. Es kann also ein vor handenes Bauelement benutzt werden, das nur durch den Einbau von einstellbaren Anschlägen ergänzt zu werden braucht.
Dabei wird aber noch der beson dere Vorteil erreicht, dass die differenzierende Wir kung besteht, solange die Anschläge nicht in Tätig keit getreten sind. Es verursachen also plötzliche Belastungsstösse, welche den Kesseldruck unzulässig absenken, ebenfalls eine Sollwertverstellung des Dreh zahlreglers der Turbine, so dass eine zu starke Dampf entnahme vermieden wird.
Um das Mass der differen zierenden Wirkung einstellen zu können, ist der Schei- beninduktionsmotor 5 noch mit einer einstellbaren Dämpfungseinrichtung, dargestellt durch den Dämp- fungsmagneten 13, versehen. Durch die Einstellung der Dämpfungseinrichtung kann somit in einfachster Weise die Speicherdampfmenge auf den betrieblich am besten geeigneten Wert eingestellt werden.
Dem durch das Druckmessinstrument i in Verbin dung mit dem Nachlaufsystem k bei Unterschreitung eines bestimmten einstellbaren Druckes gelieferten, an den Eingang des Servoverstärkers c geschalteten Regelsignal ist der Vorrang vor dem Stellsignal aus dem Ferngeber für die Drehzahlsollwertfernverstel- lung f zu geben sowie auch der Vorrang vor dem Rückführsignal aus dem den eingestellten Sollwert ab bildenden Ausgangssignal des Fernsenders b.
Diese beiden Ferngeber f und<I>b</I> werden deshalb nicht direkt an den Eingang des Servoverstärkers c geschaltet, sondern über eine Begrenzungseinrichtung g, die ihren Einfluss auf die Regelung im Normalfalle, das heisst, wenn der Dampfdruck vor der Turbine inner halb des zulässigen Bereiches bleibt und so kein vom Druck abhängiges Stellsignal für die Drehzahlsoll wertverstellung auftritt, nicht behindert, die jedoch im Falle des Auftretens eines Ausgangssignals des Nachlaufsystems k diesem das Übergewicht über das Stellsignal bzw.
das Rückführsignal sichert. Als Be grenzungseinrichtung kann z. B. eine Kombination von gegeneinandergeschalteten Sperrschicht-Gleich- richtern dienen, die Wechselstrom nur oberhalb eines Schwellwertes durchlässt.
Zum Schutze gegen ein Überschreiten des zuläs sigen Dampfdruckes im Dampferzeuger ist in an sich bekannter Weise ein bei Überschreitung eines be stimmten Druckwertes öffnendes Überströmventil V' vorgesehen, welches den Hochdruckteil der Turbine überbrückt. Dieses überströmventil spricht bereits bei einem Überdruck an, bei welchem das ebenfalls vor handene Sicherheitsventil des Dampferzeugers noch nicht abbläst, so dass grössere Verluste vermieden wer den.
Zum zusätzlichen Schutz des Dampferzeugers ge gen Überdruck kann dem Nachlaufsystem k auch noch zusätzlich ein den Weg im Sinne eines zu nehmenden Ausschlages begrenzender Anschlag gege ben werden. Bei Überschreitung des Drucksollwertes gibt dann der Fernsender am Druckmessinstrument i eine Spannung ab, die von einer bestimmten Grösse an nicht mehr durch das Nachlaufsystem k kom pensiert werden kann und die deshalb auf den Ein gang des Servoverstärkers c wirkt.
Dadurch wird über den Servomotor a das Regelventil der Turbine vorübergehend geöffnet, so dass der Turbine eine erhöhte Dampfmenge zufliesst und diese selbst als Überstromregler wirkt. Die dadurch von der Tur bine abgegebene überschüssige Leistung kann durch das Energieversorgungsnetz aufgenommen werden. Dieser Vorgang trägt ebenfalls zu einer verlustlosen Absenkung des Kesseldruckes auf den Normalwert und zu dessen Stabilisierung bei.
Wird das Stromerzeugungsaggregat unter Abtren nung vom Netz im Inselbetrieb gefahren, was bei Ausfall des Netzes als Notmassnahme geschehen muss, so ist es möglich, das Drehzahlregelsystem durch einen zusätzlichen Regelsignalgeber zu ergänzen, der aus einem Frequenzmesser und einem integrierenden Messgeber für die Frequenz besteht. Dadurch wird das proportionale Verhalten der Turbinenregelung zu einem Integralverhalten.
Im allgemeinen wird es je doch nicht möglich sein, diese Integralkorrektur vor zunehmen, da es sich beim Inselbetrieb um einen Notbetrieb handelt und dabei kurzzeitige Frequenz änderungen innerhalb des Statikbereiches in Kauf genommen werden können, zumal die Möglichkeit besteht, durch die in Fig. 1 gezeigte Einstellvorrich- tung für den Drehzahl'sollwert die Frequenz bei Be darf von Hand zu korrigieren.
Bei Ausfall des Net zes und im Inselbetrieb des Stromerzeugeraggregates darf natürlich die erwähnte Heranziehung der Tur bine zur überstromregelung durch eine Wegbegren zung des Induktivgebers im Nachlaufgeber k nicht erfolgen, da eine überhöhte Leistungsabgabe nicht vom Netz aufgenommen werden kann und die Tur binendrehzahl daher zu hoch ansteigen würde.
Für den Fall des Inselbetriebes ist daher eine Einrich tung vorzusehen, welche eine zusätzliche Spannung auf die in Fig.2 gezeigte Nachlaufeinrichtung auf schaltet, so dass ihr Induktivgeber 1 (in Fig.2) den oberen Anschlag nicht mehr erreichen kann.
Es kann auch noch eine Möglichkeit vorgesehen werden, die Ausgangsspannung des Ferngebers am Druckmessinstrument i wahlweise direkt unter Um gehung des Zeitgliedes auf den Servoverstärker c zu schalten. Es wird bei dieser Schaltung der Dreh- zahlsollwert in Abhängigkeit vom Dampfdruck vor der Turbine geregelt, und dadurch die Drehzahl regelung auf einen konstanten Wert unwirksam ge macht.
Diese Ausschaltung der Nachlaufeinrichtung k kann gleichzeitig mit der Umschaltung der Rege lung auf Handbetrieb geschehen, so dass dm Not betrieb der Turbinenregler als vordruckabhängiger Drehzahlregler wirkt.