CH633857A5 - Die rotor-waermespannungen vorherbestimmende turbinensteueranordnung. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine die Wärmespannungen im Rotor vorausberechnende Turbinensteueranordnung zur Verwendung in einem Kraftwerk mit einer Arbeitsfluidquelle zum Antreiben der Turbine, mit einem Turbinen-Einlassventil zum Regulieren des Mengenstroms des Arbeitsfluids, das von der Quelle erzeugt und der Turbine zugeführt wird, und mit einem mechanisch mit der Turbine verbundenen Generator, welche Turbinensteuerordnung folgende Bestandteile enthält: eine Recheneinrichtung mit Eingängen wenigstens für Temperatursignale aus verschiedenen Teilen der Turbine und zur Berechnung von in der Turbine erzeugten Spannungen, woraus Befehle zur Änderung der Turbinenlast- oder Turbinendrehzahl erzeugt werden, und einen Turbinen-Regler mit Eingängen für ein Ausgangssignal der Recheneinrichtung und ein Signal für die Ist-Last oder die Ist-Drehzahl der Turbine zur Steuerung der Öffnungsweite des Turbinen-Einlassventils.

Bekanntlich ergibt sich in einer Dampfturbine eine grosse Wärmespannung, insbesondere an dem Teil des Rotors, der der Labyrinthdichtung hinter der ersten Stufe gegenüberliegt, wenn die Dampfturbine anläuft oder einer Laständerung unterworfen wird. Je grösser die Änderung der Drehzahl oder der Last wird, desto stärker wächst die Wärmespannung an. Vom Gesichtspunkt des sicheren Betriebs der Turbine sind deshalb ein schneller Anlauf und eine plötzliche Laständerung streng verboten.

Inzwischen wurde ein neues Verfahren zur Turbinensteue5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

633857

rung vorgeschlagen und in der Praxis ausgeführt. Nach diesem Verfahren erfolgen der Anlauf und die Laständerung der Turbine mit einer Geschwindigkeit, die so gross wie möglich ist, aber niemals eine Wärmespannung herbeiführt, die eine vorgegebene Grenze überschreitet, die sowohl für den wiederholten Anlauf als auch für Laständerungen unter Berücksichtigung des Ermüdungswertes der Turbine festgelegt ist. Ein praktisches Beispiel dieses Verfahrens ist aus der US-PS 3 588 265 bekannt, die ein System und ein Verfahren für einen Dampfturbinenbetrieb mit verbesserter Dynamik beschreibt. Dieses bekannte Verfahren ist, obwohl sich der genannte Zweck ziemlich gut damit erreichen lässt, leider nur bei solchen Turbinen verwendbar, die eine Impuls- bzw. Gleichdruckkammer haben, da das Verfahren auf einer Messung der Temperatur in der Gleichdruckkammer als Parameter für die Turbinensteuerung beruht. Somit kann dieses Verfahren für die Steuerung von Turbinen, die keine Gleichdruckkammer haben, nicht direkt angewendet werden. Bei dem bekannten Verfahren wird die Temperatur in der Gleichdruckkammer als der Parameter oder repräsentativ für die Temperatur an der Stelle stromab oder hinter der ersten Stufe gemessen, an welcher die Wärmespannung sehr stark ist und deshalb genau beobachtet werden muss.

Für eine optimale Steuerung einer Dampfturbine ohne Gleichdruckkammer ist es deshalb erforderlich, eine von zwei alternativen Massnahmen zu wählen, nämlich den Dampfzustand an der Stelle hinter der ersten Stufe direkt zu messen oder diesen Zustand aus Daten zu berechnen bzw. zu schätzen, die ausserhalb der Turbine zur Verfügung stehen. Die erstgenannte direkte Messung ist in der Praxis nicht ausführbar. Somit muss die Turbinensteuerung auf die zweite Massnahme, d.h. auf eine Berechnung bzw. Schätzung, abgestellt werden. Bei der Turbinensteuerung, die auf dieser Vorausberechnung beruht, sind die folgenden Erfordernisse unerlässlich:

Erstens ist es wesentlich, eine Berechnung der Wärmespannung mit hoher Genauigkeit aufzustellen. Diese hohe Genauigkeit der Berechnung der Wärmespannung ist bei allen Zuständen des Turbinenbetriebs, einschliesslich des unbelasteten Laufes, des Laufes unter Last, dem Herstellen des synchronen parallelen Laufes usw., erforderlich.

Zweitens muss die Turbinensteuerung in der Lage sein, die Turbine sicher und ohne Störung anlaufen zu lassen. Für diesen Zweck muss das Dampfregulierventil am Turbinen-dampfeinlass auf die Bestätigung hin gesteuert werden, dass nicht nur die augenblickliche Wärmespannung, sondern auch die zukünftige Wärmespannung die vorher gezogene Grenze nicht überschreitet, da die Wärmespannung mit einer bestimmten zeitlichen Verzögerung nach der Änderung des Dampfbeschickungszustandes der Turbine in Erscheinung tritt. Gleichzeitig muss der Dampf auf den sicheren Bereich ohne Verzögerung entspannt werden, wenn die Wärmespannung die Grenze überschreitet oder ein anderer ausserge-wöhnlicher Zustand ermittelt oder erwartet wird.

Drittens muss die Berechnung der Wärmespannung oder anderer Ziele mittels digitaler Signale durchgeführt werden, ohne dass ein unrentabel grosser Rechner erforderlich ist. Schliesslich muss das Turbinensteuersystem die Turbinensteuerung in einem geeigneten Zeitraum ausführen.

Andere verbesserte Turbinensteuersysteme sind ein von der Rotorspannung gesteuertes Anlaufsystem gemäss der US-PS 3 446 224 und ein System und ein Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine mit einer Digitalrechnersteuerung, die eine verbesserte automatische Anlaufsteuerung hat, gemäss der US-PS 3 959 635. Bei diesen Systemen sind jedoch die o.g. Probleme mehr oder weniger nicht gelöst.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, eine Turbinensteueranordnung zu schaffen, welche eine Vorausberechnung der inneren Wärmesspannungen der Turbine mit hoher Genauigkeit bei allen Betriebszuständen der Turbine nur aufgrund der Daten ermöglicht, die ausserhalb der Turbine zur Verfügung stehen. Die Steueranordnung soll einen Anlauf der Turbine und eine Laständerung der Turbine in jedem Fall sicher und ohne Störung ermöglichen, ausserdem soll sie sich mit einem Kleincomputer verwirklichen lassen.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung folgende Bestandteile enthält:

eine erste Einrichtung zur Feststellung, ob die Turbine im Drehzahl- oder Lastregelbetrieb läuft,

eine zweite Einrichtung, die je nach dem von der ersten Einrichtung festgestellten Turbinenbetrieb als Ausgangssignale mehrere Änderungswerte der Turbinendrehzahl bzw. der Turbinenlast abgibt,

eine dritte Einrichtung zur Vorausberechnung der über eine vorherbestimmte Zeit in verschiedenen Teilen der Turbine voraussichtlich erzeugten Spannungen entsprechend jedem der durch die zweite Einrichtung vorgegebenen Änderungswerte, wobei die dritte Einrichtung bei den vorausberechneten Spannungen einen Änderungswert wählt, der einer maximalen vorausberechneten Spannung entspricht, die eine vorbestimmte Grenzspannung nicht übersteigt und diesen Änderungswert als Ausgangssignal abgibt, und eine vierte Einrichtung zur Zufuhr des Änderungswertes als Ausgangssignal zum Regler.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 verschiedene Signale, die zwischen einer die Wärmespannung vorausberechnenden Turbinensteueranordnung, einer von der Anordnung gesteuerten Turbine und einer der Turbine zugeordneten Steuervorrichtung ausgetauscht werden,

Fig. 2 schematisch das Signalverarbeitungsprogramm, das in der Steueranordnung ausgeführt wird,

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Turbinenrotor und das zugehörige Turbinengehäuse in einer Ebene, die einen Punkt unmittelbar hinter der ersten Stufe der Turbine mit umfasst, wobei die Temperaturverteilung über dem Querschnitt gezeigt ist,

Fig. 4 die Bestimmung der Anfangstemperaturverteilung über dem Rotor,

Fig. 5 die Bestimmung der Grenze der inneren Spannung, bezogen auf die Rotorfläche und die Bohrung,

Fig. 6 die Beziehung zwischen der Dampftemperatur Tms, Trh am Turbineneinlass und der sich ergebenden Wärmespannung, die unmittelbar nach dem Anschalten des von der Turbine getriebenen Synchrongenerators an das Netz beobachtet wird,

Fig. 7 Kennlinien zum Bestimmen der Vorausberech-nungszeit, während der Anlaufperiode,

Fig. 8 den Verlauf der Vorherbestimmungszeit zum Zeitpunkt des Turbinenlaufs,

Fig. 9 den Lernvorgang bezüglich der Dampfzustandsänderung,

Fig. 10 das Vorausbestimmen des Dampfzustandes an einer Stelle in der Turbine unmittelbar hinter der ersten Stufe, Fig. 11 den Berechnungsvorgang des Wärmeübergangskoeffizienten K an der einer Labyrinthdichtung gegenüberliegenden Rotoroberfläche,

Fig. 12 das Konzept der Wärmebilanz zwischen den Ringabschnitten eines imaginären Zylinders,

Fig. 13 eine praktische Temperaturverteilung über den Rotor,

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

633 857

Fig. 14 die untere Grenze der Hauptdampftemperatur zum Zweck der Lastbegrenzung,

Fig. 15 die untere Grenze der Hauptdampftemperatur des wiedererhitzten Dampfes zum Zweck der Lastbegrenzung, Fig. 16 eine Korrektur der Änderung der Lärmgeschwindigkeit mittels eines Tastsignals,

Fig. 17 die Änderung der Bestimmung des Tastsignals und Fig. 18 den Vorgang der Bestimmung der Betriebsperiode der Steueranordnung.

In Fig. 1 sind verschiedene Signale gezeigt, die zwischen der die Wärmespannung vorherbestimmenden Turbinensteueranordnung 100 gemäss der Erfindung, welches einen Digitalrechner aufweist, und einer Anlage und einer zugeordneten Steuervorrichtung ausgetauscht werden, die von der Steueranordnung 100 gesteuert werden. Die Anlage hat eine Hochdruckturbine 200, eine Zwischendruckturbine 300 und eine Niederdruckturbine 400, die einen Synchrongenerator 500 antreiben, der auf der gleichen Welle wie diesen Turbinen angeordnet ist.

Als Arbeitsfluid wird Dampf mit hohem Druck und hoher Temperatur der Hochdruckturbine 200 von einem nicht gezeigten Kessel über ein Dampfrohr 20 zugeführt. Gleichzeitig wird die Zwischendruckturbine mit einem Arbeitsfluid in Form von Dampf mit hohem Druck und hoher Temperatur über ein Dampfrohr 21 beschickt.

Das Arbeitsfluid expandiert bekanntlich, während es durch die Turbinen hindurchströmt, wodurch auf die Turbine ein treibendes Moment ausgeübt wird. Wenn Dampf durch die Turbine strömt, stellt sich eine Temperaturverteilung oder ein Temperaturgradient in Radialrichtung des Rotors infolge der Temperaturdifferenz zwischen dem Arbeitsfluid, d.h. dem Dampf, und der Rotoroberfläche ein, wodurch Wärmespannungen verursacht werden.

Diese Wärmespannung ist besonders stark an dem Abschnitt 1 des Hochdruckturbinenrotors, der der Labyrinthdichtung unmittelbar hinter der ersten Stufe der Hochdruckturbine 200 gegenüberliegt, und an der Stelle 2 des Zwi-schendruckturbinenrotors, der der Labyrinthdichtung unmittelbar hinter der ersten Stufe der Zwischendruckturbine 300 gegenüberliegt. Diese Abschnitte der Rotoren weisen radiale Temperaturverteilungen mit steilen Gradienten auf, so dass grosse Wärmespannungen in den Oberflächen und Bohrungen 3 der jeweiligen Rotoren hervorgerufen werden.

Die die Wärmespannung vorherbestimmende Turbinensteueranordnung 100 gemäss der Erfindung gibt die Drehzahlsteigerung oder die Drehzahl verzögerung der Turbine und die Laständerung, die den Anlauf oder die Laständerung in der auf ein Minimum reduzierten Zeit ergeben würden, wobei die Wärmespannung in diesem Metallabschnitt der Turbine so beschränkt wird, dass sie das Niveau einer vorgegebenen Grenze nicht überschreitet.

Die Turbinensteueranordnung 100 verwendet die folgenden Daten als Steuereingänge, um die vorstehend genannte Funktion zu erreichen. Diese Daten sind die Temperaturen Tms, Trh des der Turbine zugeführten Dampfes, der Druck Pms des gleichen Dampfes, die Temperaturen Thci, Thco, Tico, Tici der Metallteile der Turbine, der Dampfdruck Phi an der Stelle unmittelbar hinter der ersten Stufe der Hochdruckturbine, das Operationssignal CB des Trennschalters, die Drehzahl N des Turbinenrotors und ein Befehllastsignal bzw. ein Sollwertlastsignal Lr.

Die Hauptfunktion der Steueranordnung 100 gemäss der Erfindung besteht darin, die maximal zulässige Drehzahlsteigerung 4 oder die maximal zulässige Laständerung 6 zu bestimmen, die nicht dazu führt, dass die innere Wärmespannung die vorgegebene Grenze im Zeitpunkt des Anlaufes oder einer Laständerung der Turbine überschreitet, und die

Werte einem Regler 10 oder einem automatischen Lastregler 7 als Sollwerte zuführt.

Das Signal Phi des Dampfdrucks hinter der ersten Stufe wird zu dem automatischen Lastregler 7 als Signal für die Turbinenabgabeleistung rückgekoppelt. Der automatische Lastregler 7 gibt seinerseits eine Momentanbefehlslast 9 zum Regler 10, zu welchem das Drehzahlsignal N rückgekoppelt ist. Der Regler gibt schliesslich eine Ventilpositionsinstruktion zu einer Betätigungseinrichtung 12 zum Steuern des Öffnens eines Dampfhauptregulierventils 11.

Die Steueranordnung 100 gemäss der Erfindung beurteilt unter Berücksichtigung der Wärmespannung, ob die Turbine in den Lastbetrieb gehen kann. Somit gibt die Steueranordnung 100 bei der Beurteilung, dass die Turbine sicher belastet werden kann, eine Belastungserlaubnis 15 zu einer Belastungseinrichtung 14, die den Synchrongenerator in den synchronen parallelen Lastbetrieb schaltet.

Erfindungsgemäss soll ein schneller Anlauf und eine sofortige Lastnachfolge der Turbine durch den im folgenden näher erläuterten Vorgang auf der Basis der Wärmeübergangseigenschaften der Abschnitte 1 und 2 des Rotors, die den Labyrinthdichtungen gegenüberliegen, und eine Vorausberechnung der an dem Rotor erwarteten Wärmespannung erreicht werden.

Ehe auf die praktische Ausführung näher eingegangen wird, soll zunächst die generelle Idee der Erfindung anhand von Fig. 2 erläutert werden, woran sich dann die Beschreibung der einzelnen Geräte anschliesst.

Fig. 2 zeigt schematisch den Prozessverlauf der die Wärmespannung vorherberechnenden Turbinensteueranordnung 100. Zunächst wird die Anfangstemperatur durch ein die Anfangstemperaturverteilung bestimmendes Gerät 101 festgelegt. Das Gerät 101 berechnet die Temperaturverteilung über den Turbinenrotoren aus den tatsächlich gemessenen Temperaturen der Abschnitte der Turbinen, welche eine im wesentlichen gleiche Wandstärke für die Metalle der jeweiligen Rotoren haben und welche gleiche Temperaturverteilungen für die Metalle der jeweiligen Rotoren aufweisen. Somit werden die tatsächlich gemessenen Temperaturen Thci, Thco an der Innenfläche und Aussenfläche des Gehäuses hinter der ersten Stufe dazu verwendet, die Temperaturverteilung des Hochdruckturbinenrotors zu berechnen, während die tatsächlich gemessenen Temperaturen Tico, Tici der äusseren Wand und der inneren Wand als Daten zum Berechnen des Zwischendruckturbinenrotors benutzt werden.

Zum Bestimmen einer Spannungsgrenze ctl, die durch den zulässigen Ermüdungswert des Rotors entsprechend jeder der verschiedenen Anlaufarten definiert ist, beispielsweise Anlauf aus dem sehr heissen Zustand, Anlauf aus dem heissen Zustand, Anlauf aus dem warmen Zustand, Anlauf aus dem kalten Zustand der Turbine usw., ist ein die Spannungsgrenze bestimmendes Gerät 102 vorgesehen. Eine besonders strenge Spannungsgrenze ctl wird bei der Anfangsperiode des Anlaufs, wie dies noch näher erläutert wird, gezogen, um einen möglichen Fehler der Berechnung der Anfangstemperaturverteilung zu kompensieren, wenn die Turbine schnell wieder anläuft oder wenn der Rechner momentan in eine On-line-Steuerung gebracht wird, um die Computersteuerung von der Hälfte der Turbinensteuerung an einzuschalten.

Zum Bestimmen der Länge der Zeit beginnend vom vorliegenden Moment, während der die Spannung vorauszuberechnen ist, wird ein Gerät 103 zum Festlegen der Vorausbe-stimmungszeit verwendet. Diese V orausbestimmungszeit tp wird in geeigneter Weise entsprechend dem Dampferzeu-gungszustand des Kessels und der Turbinenanlaufsfrequenz bestimmt.

Ein Gerät 104 zum Lernen bzw. Erfahren einer Dampfzu4

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

standsänderung dient dazu, die dynamische Charakteristik des Kessels im gegenwärtigen Stadium bezogen auf den Laufzustand der Turbine zu erfassen. Insbesondere soll dieses Gerät von den tatsächlich gemessenen Werten der Dampfzustände am Turbineneinlass (Hauptstromeinlasstemperatur, Hauptstromeinlassdruck und Einlasstemperatur des zwischenerhitzten Dampfes) die Geschwindigkeit erfassen, mit welcher sich der Dampfzustand bezogen auf die Änderung der Turbinendrehzahl oder die Laständerung an der Turbine geändert hat. Das Ergebnis dieses Lern- bzw. Erfassungsprozesses wird von einem Dampfzustands-Vorausberechnungs-gerät 106 verwendet, das noch näher erläutert wird.

Um mittels eines Ein-aus-Zustandssignals CB, das von dem Trennschalter 16 kommt, beurteilen zu können, ob der vorliegende Lauf drehzahlgesteuert oder lastgesteuert ist,

wird ein Gerät 105 zur Beurteilung des Laufmodus verwendet. Dieses Gerät 105 schaltet den Prozesstrom auf eine Drehzahlsteueranordnung 160 um, wenn es beurteilt, dass der vorhandene Laufmodus der Drehzahlsteuermodus ist, und auf eine Laststeueranordnung 140, wenn es beurteilt,

dass der vorliegende Laufmodus der Laststeuermodus ist.

Wenn die Drehzahlsteueranordnung 160 gewählt wird, wird zuerst der vorhandene Spannungspegel a in dem Rotor durch ein vorhandenes Spannungsberechnungsgerät 161 gemessen. Dieses Spannungsberechnungsgerät 161 besteht aus einem Gerät 107 zum Berechnen des Dampfzustandes hinter der ersten Stufe, aus einem Gerät 108 zum Berechnen des Wärmeübergangskoeffizienten der Rotoroberfläche, aus einem Gerät 109 zum Berechnen der Temperaturverteilung im Rotor, aus einem Gerät 110 zum Berechnen der Wärmespannung im Rotor und aus einem Gerät 111 zum Berechnen der Spannung, welche die Zentrifugalspannung berücksichtigt.

Zur Beurteilung, ob die vorhandene Spannung, wie sie von dem Gerät 161 berechnet wurde, niedriger als die Grenze ctl ist, die durch die Funktion 102 erhalten wird, dient ein Gerät

162 zum Prüfen des vorhandenen Spannungspegels. Die anliegende Turbinendrehzahl wird in der Regel beibehalten, wenn sich herausstellt, dass die vorhandene Spannung ct an wenigstens einem Teil des Rotors die Grenze ctl überschreitet.

Das darauffolgende Berechnungsmodus-Beurteilungsgerät

163 beurteilt, ob die vorhandene Situation der Berechnung ein Sondieren des maximalen Drehzahlanstiegs auf der Basis der Vorausberechnung erfordert oder nicht. Wenn durch das Gerät 163 entschieden wird, dass die vorhandene Situation die Sondierung der maximalen Drehzahlsteigerung erfordert, gibt das Gerät 163 den Prozess weiter zu einem Gerät 170 zum Sondieren der maximalen Drehzahl. Wenn im Gegensatz beurteilt wird, dass die vorliegende Situation die Sondierung der maximalen Drehzahlsteigerung nicht erfordert, gibt das Gerät 163 den Prozess an ein Beurteilungsgerät 164 für eine kritische Drehzahl, wobei das Gerät 170 in einem Bypass umgangen wird. Es gibt eine Beziehung, die durch X2 = nr xi, wobei nT eine ganze Zahl ist, zwischen der Prozessperiode xi des vorliegenden Spannungsberechnungsgerätes 161 und der Prozessperiode X2 des Maximumdrehzahlsondiergerätes 170. Beispielsweise beträgt die Prozessperiode X3 3 min, wenn die Prozessperiode xi und die ganze Zahl nT 1 min bzw. 3 min betragen.

Das Sondiergerät 170 für die maximale Drehzahlsteigerung hat ein Drehzahlsteigerung-Annahmegerät 171, ein Spannungsvorberechnungsgerät 172, ein Gerät 173 zum Prüfen des vorausberechneten Spannungspegels und ein Gerät 174 für die Entscheidung, dass die Vorausberech-nungszeit erreicht worden ist. Das Spannungsvorberechnungsgerät 172 hat Subgeräte, nämlich ein Vorausberech-nungsgerät 106 für den Dampfzustand, ein Berechnungsgerät 107 für den Dampfzustand hinter der ersten Stufe, ein

633857

Berechnungsgerät 108 für den Wärmeübergangskoeffizienten der Rotoroberfläche, ein Berechnungsgerät 109 für die Rotortemperaturverteilung, ein Berechnungsgerät 110 für die Rotorwärmespannung und ein Berechnungsgerät 111 für die Rotorspannung. Die Untergeräte 107,108,109,110 und 111 entsprechen denen des Gerätes 161.

Die Sondierung der maximalen Drehzahlsteigerung bzw. maximalen Drehzahlerhöhung durch das Gerät 170 wird folgenderweise ausgeführt: Zunächst wird eine Vielzahl von

Drehzahlerhöhungswerten NI, N2, Nx Np (Upm/

min) erzeugt. Der grösste dieser Drehzahlerhöhungswerte wird dann von dem Drehzahlerhöhungsannahmegerät 171 angenommen. Die zukünftige Spannung, die verursacht würde, wenn die Turbine mit diesem Wert beschleunigt wird, wird bis zu der Zeit tp vorausberechnet, die durch das Voraus-berechnungszeit-Bestimmungsgerät 103 festgelegt worden ist. Insbesondere wird zunächst die Spannung im Moment xi nach der vorhandenen Zeit vorausberechnet, wobei auch der Dampfzustand hinter der ersten Stufe berücksichtigt wird. Wenn sich herausstellt, dass diese vorausberechnete Spannung die Grenzspannung ctl nicht überschreitet, wird die Spannungsvorausberechnung für den nächsten Zeitraum xi gemacht. Diese Berechnung wird für jede der darauffolgenden Perioden xi wiederholt, bis die genannte Vorausbe-rechnungszeit tp erreicht ist. Wenn die Grenzspannung ctl von der vorausberechneten Spannung nicht erreicht wird, bis die Vorausberechnung zur genannten Vorausberechnungszeit tP ausgeführt worden ist, wird dieser Wert der Drehzahlsteigerung, wie er von dem Gerät 170 angenommen wird, als maximal zulässiger Wert der Drehzahlerhöhung eingesetzt, d.h. als grösste Drehzahlerhöhung, die niemals eine übermässige interne Spannung erzeugt. Wenn jedoch die Grenzspannung ctl durch die vorausberechnete Spannung auf dem Weg der Vorausberechnung bis zur Vorausberechnungszeit tp erreicht wird, kann die Drehzahlerhöhung, wie sie vom Gerät 170 angenommen wird, nicht eingesetzt werden. In diesem Fall wird die gleiche Vorausberechnung und Abschätzung für den nächsten Drehzahlerhöhungswert ausgeführt. Wenn diese neu angenommene Drehzahlerhöhung nicht dazu führt, dass die vorausberechnete Spannung die Spannungsgrenze ctl überschreitet, wird dieser Wert als maximal zulässige Drehzahlsteigerung verwendet.

Das Gerät 164 zur Beurteilung der kritischen Drehzahl ist eine Funktion für die Entscheidung, ob die vorhandene Drehzahl in den Bereich der kritischen Drehzahl der Turbine fällt.

Das Gerät 165 zur Bestimmung der optimalen Drehzahlerhöhung hat die Funktion, in dem Regler 10 die maximal zulässige Drehzahlerhöhung, wie sie von dem Gerät 170 zum Sondieren der maximalen Drehzahlerhöhung sondiert worden ist, zu setzen. Wenn jedoch die vorhandene Turbinendrehzahl N innerhalb des kritischen Drehzahlbereiches liegt, wird die Drehzahlerhöhung nicht geändert und die Turbinendrehzahl wird mit einem Wert erhöht, der durch die vorhergehende Berechnung erreicht worden ist. Gleichzeitig wird die vorhandene Turbinendrehzahl beibehalten, unabhängig von dem Ergebnis der Sondierung des maximal zulässigen Drehzahlerhöhungswertes, wenn die berechnete vorhandene Spannung, wie sie durch das Gerät 161 erhalten wird, die Grenzspannung ctl überschreitet. Jedoch wird auch im letzteren Fall die Turbinendrehzahl bei dem vorher erhaltenen Wert erhöht, wenn die vorliegende Turbinendrehzahl N innerhalb des Bereichs der kritischen Drehzahl liegt.

Der Laufmodus wird von der Drehzahlsteuerungsanordnung 160 auf die Laststeuerungsanordnung 140 verschoben, wenn die Last an der Turbine anliegt, indem der Trennschalter 16 geschlossen wird, nachdem die gevünschte Turbinendrehzahl erreicht worden ist. Die Geräte 140 und 160

5

s

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

633857

haben im wesentlichen gleiche Funktionen und Prozessausführungen, obwohl sie für unterschiedliche Ziele, nämlich Last und Geschwindigkeit, vorgesehen sind.

Die Laststeueranordnung hat ein Gerät 141 zum Berechnen der vorhandenen Spannung, das die am Rotor vorhandene Spannung berechnet. Diese Funktion 141 hat Subgeräte, nämlich ein Berechnungsgerät 107 zum Berechnen des Dampfzustandes in der ersten Stufe, ein Berechnungsgerät 108 zum Berechnen des Wärmeübergangskoeffizienten der Rotoroberfläche, ein Berechnungsgerät 109 für die Rotortemperaturverteilung, ein Berechnungsgerät 110 für die Rotorwärmespannung und ein Berechnungsgerät 111 für die Rotorspannung, die denen des Gerätes 161 entsprechen und von der Drehzahlsteueranordnung 160 eingeschlossen sind.

Die Funktion 142 zum Prüfen des vorhandenen Spannungspegels entscheidet, ob die berechnete vorhandene Spannung niedriger als die Grenzspannung cjl ist. Der vorhandene Lastpegel wird gehalten, wenn sich herausstellt, dass wenigstens eine der berechneten Spannungen die Grenzspannung überschreitet. Somit hat das Gerät 142 die gleiche Funktion wie das Gerät 162.

Das Gerät 143 zum Beurteilen des Berechnungsmodus stellt fest, ob die vorliegende Berechnungssituation das Sondieren des maximal zulässigen Laständerungswertes auf der Basis der Vorausberechnung erfordert. Wenn festgelegt wird, dass das Sondieren der maximal zulässigen Laständerung erforderlich ist, arbeitet das Gerät 143 so, dass der Bearbei-tungsfluss an ein Sondiergerät 150 für einen maximalen Laständerungswert weitergegeben wird. Wenn im Gegensatz dazu festgestellt wird, dass eine Sondierung nicht erforderlich ist, wird der Prozessfluss an ein Gerät 144 zur Bestimmung der maximalen Laständerung weitergegeben, wobei das Gerät 150 überbrückt wird. Es besteht eine Beziehung, die durch die Gleichung X2 = nrri, wobei nT eine ganze Zahl ist, zwischen der Prozessperiode xi des Berechnungsgerätes 141 für die vorhandene Spannung und der Prozessperiode 12 des Sondiergeräts 150 für die maximale Laständerung. Die Perioden xi und 12 und die ganze Zahl nx entsprechen denen des Gerätes 163. Das Gerät 143 ist ein Gerät, das dem Gerät 163 der Drehzahlsteueranordnung 160 entspricht.

Das Sondierungsgerät 150 für die maximale Laständerung hat ein Gerät 151 für die Annahme einer Laständerung, ein Gerät 152 für die Spannungsvorausbestimmung, ein Gerät 153 zum Prüfen des vorausberechneten Spannungspegels und ein Gerät 154 für die Entscheidung, dass die Vorausberechnung bis zu der vorher gegebenen Vorberechnungszeit fortgeschritten ist. Somit entsprechen die Geräte 150, 151, 152,153 und 154 jeweils den Geräten 170,171,172,173 und 174 der Drehzahlsteueranordnung.

Das Spannungsvorausberechnungsgerät 152 hat Untergeräte, nämlich ein Vorausberechnungsgerät 106 für den Dampfzustand, ein Vorausberechnungsgerät 107 für den Dampfzustand hinter der ersten Stufe, ein Berechnungsgerät 108 für den Wärmeübergangskoeffizienten an der Rotorober-fläche, ein Berechnungsgerät 109 für die Rotortemperaturverteilung, ein Berechnungsgerät 110 für die Rotorwärmespannung und ein Berechnungsgerät 111 für die Rotorspannung, wobei alle Geräte gemeinsam vom Gerät 152 und vom Gerät 172 der Drehzahlsteueranordnung 160 benutzt werden.

Ein Sondiergerät 150 für die maximale Laständerung sondiert die maximal zulässige Laständerung durch aufeinanderfolgende Annahmen einer Vielzahl von Laständerungswerten ±L1, ±L2,... +Lx.... ±Lp (%/min) von dem grössten Wert bis zum nächsten Wert durch das Gerät 151 für die Annahme des Laständerungswertes bis zur Beendigung der Vorausberechnungszeit tp, die bereits vorher durch das Gerät 103 zum Bestimmen der Vorausberechnungszeit erhalten worden ist.

Das Gerät 150 führt so die Sondierung der maximal zulässigen Laständerung nach dem gleichen Verfahren aus, wie der maximal zulässige Drehzahlerhöhungswert bestimmt wird.

s Das Gerät 144 zum Bestimmen der optimalen Laständerung hat die Funktion, in dem ALR 7 die maximal zulässige Laständerung zu setzen, wie sie von dem Sondiergerät 150 für die maximale Laständerung sondiert worden ist. Das Gerät 144 gibt jedoch eine Instruktion zum Aufrechterhalten des 10 vorhandenen Lastpegels, d.h. ein die Laständerung darstellendes Signal an den ALR 7, der Null ist, wenn die Hauptdampftemperatur oder die Zwischenerhitzungsdampftempe-ratur niedriger als eine vorgegebene Temperatur ist. Gleichzeitig funktioniert dieses Gerät 144 so, dass der vorhandene ls Lastpegel gehalten wird, unabhängig von dem Ergebnis der maximalen Laständerungssondierung, wenn die berechnete vorhandene Spannung die Grenzspannung zu überschreiten beginnt.

Das Gerät 145 zum Erzeugen des Sondensignals ist ein 20 Gerät, welches die Lernfunktion des Lern- bzw. Erfassungsgerätes 104 für die Dampfzustandsänderung im Verlauf der Erhöhung der Last nach dem Anlauf ausführt, wodurch die Lasterhöhung geglättet wird.

Wie erwähnt, kann ein glatter und sehr schneller Anlauf 25 der Turbine und eine sofortige Lastlaufsteuerung der Turbine durch das Arbeiten des Gerätes 102 zum Bestimmen der Spannungsgrenze und das Gerät 103 zum Bestimmen der Vorausberechnungszeit sowie durch die wiederholte Funktion der Geräte der Drehzahlsteueranordnung 160 und der 30 Laststeueranordnung 140 mit einer Wiederholungsperiode xl erreicht werden. Dieses wiederholte Arbeiten der Geräte wird fortgesetzt, bis ein Befehl zum Anhalten der Anordnung an einem den Stop entscheidenden Gerät 112 zur Verfügung steht.

35 Im folgenden werden die beschriebenen Geräte der Reihe nach im einzelnen näher erläutert.

Zunächst wird das Gerät 101 zum Bestimmen der anfäng-- liehen Rotortemperaturverteilung unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 beschrieben. Es ist ziemlich schwierig, die Tem-40 peraturverteilung im Rotor tatsächlich zu messen. Es ist jedoch von grosser Bedeutung für die Turbinensteueranordnung gemäss der Erfindung, welches auf die sichere Steuerung eines schnellen Anlaufes und einer plötzlichen Laständerung der Turbine gerichtet ist, die Anfangstemperaturver-45 teilung im Rotor mit einer hohen Genauigkeit zu erhalten.

Fig. 3 zeigt den Rotor 40 und das Gehäuse 41 in einem Schnitt längs der Ebene senkrecht zur Rotorwellenachse, wobei dem Abschnitt 1 die Labyrinthdichtung gegenüberliegt. In Fig. 3 sind die Symbole Thco, Thci, Ts, Tb und Tj, 50 wobei j ganze Zahlen von 1 bis m sind, die Temperaturen des äusseren Oberflächenmetalls des Gehäuses, des inneren Oberflächenmetalls des Gehäuses, des Oberflächenmetalls des Gehäuses, der Oberfläche des Rotors, der Rotorbohrung und jeweils eines imaginären konzentrischen Ringabschnitts ss 1 bis m des Rotors.

Von diesen Temperaturen kann man nur die Temperatur Thco und Thci durch eine direkte Temperaturmessung erhalten, während Ts, Tb und Tj durch eine Berechnung erhalten werden.

60 Obwohl die Beobachtung der Wärmespannung an beiden Abschnitten 1 und 2 des Hochdruck- bzw. Zwischendrucktur-binenrotors den Labyrinthdichtungen gegenüberliegend hinter den jeweiligen ersten Stufen ausgeführt wird, bezieht sich das folgende Beispiel nur auf die Hochdruckturbine, da 65 die Überwachung der Wärmespannung in der Zwischendruckturbine im wesentlichen in der gleichen Weise wie bei der Hochdruckturbine ausgeführt werden kann. Die Beobachtung der Wärmespannung an der Zwischendruckturbine

7

633 857

unterscheidet sich jedoch von der an der Hochdruckturbine in einigen Unterpunkten. Diese unterschiedlichen Aspekte werden jeweils dann, wenn es erforderlich ist, erläutert.

Im Falle des Gerätes 101 beruht der Unterschied beispielsweise darin, dass die Überwachung der Zwischendruckturbine die Temperaturen Tico und Tici der Dampfkammerwand benutzt, während bei der Überwachung für die Hochdruckturbine die Temperaturen Thci und Thco des Gehäuses benutzt werden.

Fig. 4 zeigt den praktischen Verlauf des von dem Gerät 101 für die anfängliche Temperaturverteilungsbestimmung ausgeführten Prozesses.

Wenn diese Anordnung gestartet wird, wird die radiale Temperaturverteilung im Rotor aus den tatsächlich gemessenen Temperaturen Thci und Thco der inneren Oberfläche und der äusseren Oberfläche des Turbinengehäuses berechnet.

Bei dieser Berechnung werden die Temperaturen Ts und Tb folgendermassen berücksichtigt:

Ts = Thci (1)

Tb = Thci + Kr (Thco-Thci) (2)

Kr in Gleichung (2) ist eine Konstante, die durch die Form der Turbine bestimmt ist. Man geht davon aus, dass die Temperaturverteilung im Rotor durch eine primäre Interpolation der Temperaturen Ts und Tb erreichbar ist. Somit ist die Temperatur Tj der Ringabschnitte durch die folgende Gleichung (3) gegeben:

Tj = Ts-(Ts-Tb)%J- (3)

Zm

Die erläuterte Berechnung erfolgt mit der Annahme, dass das Gehäuse und der Rotor nach dem Anhalten der Turbine sich von der Seite aus abkühlt, die näher an der Umgebungsluft liegt, also von der Aussenfläche des Gehäuses her, und dass sich längs des Radius der Turbine zwischen der kältesten äusseren Oberfläche des Gehäuses und der Bohrung des Rotors, die am heissesten ist, ein im wesentlichen linearer Temperaturgradient einstellt.

Auf diese Weise lassen sich die Temperaturen Tj für die jeweiligen Rotorabschnitte mit einer beträchtlich hohen Genauigkeit berechnen, wenn die Turbine nach einer ausreichend langen Ruhezeit anlaufen gelassen wird, da die Differenz zwischen den Temperaturen Thco und Thci in diesem Fall ausreichend klein ist. Wenn die Turbine jedoch nach einer kurzen Ruhezeit wieder anlaufen gelassen wird, ist die Temperaturverteilung im Turbinenrotor nicht genau berechnet, da die Differenz zwischen den Temperaturen Thco und Tico ziemlich gross ist. Deshalb ergibt sich in diesem Fall wahrscheinlich ein Berechnungsfehler für die Wärmespannung unmittelbar nach dem Anlauf.

Das Gerät 101 der Anordnung kann unterscheiden, ob in Betracht gezogen ist, dass die Berechnung der Wärmespannung kurz nach dem Anlauf einen grossen Fehler beinhaltet oder nicht. In Fig. 4 ist das Symbol B eine Variable, welche die Grösse des Temperaturverteilungsgradienten in der Radialrichtung des Rotors darstellt. Wie erwähnt, wird der Fehler in der Spannungsberechnung gross, wenn der Gradient gross wird. Die Variable B nimmt einen Wert Eins an, wenn die Temperaturdifferenz [Thco-Thci] grösser als ein vorgegebener Wert AT ist. Sie nimmt einen Wert Null an, wenn die Temperaturdifferenz kleiner als der vorgegebene Wert ist. Gleichzeitig ist die Variable B so ausgelegt, dass sie den Wert Eins annimmt, wenn die vorhandene Turbinendrehzahl Na grösser als eine Normdrehzahl Ns ist, da in diesem Fall die Spannungsberechnung wahrscheinlich einen grossen Fehler beinhaltet, auch wenn die Temperaturdifferenz klein ist. Der Wert der Variablen B wird als Bezug in dem Gerät 102 zum Bestimmen der Grenzspannung verwendet, welches die darauffolgende Funktion ausführt.

Das Gerät 102 zum Bestimmen der Grenzspannung ist ein Gerät, welches die Grenzen der Spannungen an der Rotoroberfläche und der Rotorbohrung bestimmt. Der als Basis dieser Funktion verwendete Grenzwert wird wahlweise vom Bedienungspersonal oder alternativ vom Gesichtspunkt des Ermüdungs wertes festgelegt. Da jedoch die Spannungsberechnung zur Zeit kurz nach dem Anlauf wahrscheinlich einen Fehler enthält, wie vorstehend erwähnt, ist das Niveau der Grenzspannung in stärkerem Masse vorläufig, so dass eine sichere Spannungssteuerung in dem Fall bewirkt wird, in welchem die Höhe der Variablen B der Wert Eins ist.

Diese Funktion wird unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben. Hier wird angenommen, dass die Turbine zum Zeitpunkt tl angelaufen ist. Wenn der Gradient der Anlauftemperaturverteilung im Rotor gering ist, d.h. wenn B Null ist, wird die Grenzspannung konstant auf einer Höhe ctl gehalten, die vom Operator vorgegeben wird. Zur Verdeutlichung wird für diese Grenzspannung an der Rotorfläche ±gls und an der Rotorbohrung ±ctlb gesetzt. Wenn jedoch die Variable B den Wert Eins annimmt, wird im Hinblick auf eine sichere Steuerung ein Wert beim Maximum verwendet, der um Act kleiner ist als vom Operator für die Grenzspannung gegebene Wert. Als Wert für Act wird ein Wert gewählt und benutzt, der zum Kompensieren des Fehlers der Anfangsspannungsberechnung erforderlich ist. Der Wert für Act wird mit dem Zeitablauf kleiner, da der Fehler der Temperaturverteilungsberechnung mit der Zeit geringer wird. Schliesslich wird der Wert für Act im Zeitpunkt t2 Null.

Das Gerät 103 für die Bestimmung der Vorausberechnungszeit hat die Funktion, die Länge der Zeit beginnend vom vorliegenden Moment festzulegen, über welcher die Vorausbestimmung der zukünftigen Wärmespannung durch die Geräte 170 und 150 von Fig. 2 erfolgen soll.

Einer der wesentlichsten Faktoren zum Bestimmen der Vorausberechnungszeit tp ist das Verhalten der Temperatur Trh des zwischenerhitzten Dampfes unmittelbar nach dem Schliessen des Trennschalters 16. Wenn der Trennschalter 16 geschlossen wird, wird die Brennstoffzufuhr zum Kessel stufenweise erhöht, da an die Turbine die Anfangslast angelegt wird. Demzufolge wird, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, die Temperatur des zwischenerhitzten Dampfes plötzlich erhöht und neigt dazu, mit einer primären Nacheilung der Hauptdampftemperatur zu folgen. Somit nimmt möglicherweise die Spannung im Rotor der Zwischendruckturbine zu, auch wenn der Wert der Anfangslast beibehalten wird. In diesem Fall ändert sich die Zeitspanne tp, d.h. die Zeit, bis die grösste Wärmespannung erreicht ist, abhängig von der Hauptdampftemperatur Tms und der Temperatur Trh für den zwischenerhitzten Dampf. Diese Situation ist in Fig. 7 gezeigt. In Fig. 7 stellt Tmr die Temperaturdifferenz b • Tmsa-Trha dar, d.h. den Wert, der durch die Gleichung Tmr = b • Tmsa-Trha gegeben ist, wobei Tmsa und Trha die Werte der Temperaturen Tms und Trh zu dem Zeitpunkt unmittelbar nach dem Schliessen des Trennschalters sind. Aus Fig. 7 ist zu ersehen, dass die Vorausberechnungszeit tp kürzer werden kann, wenn die Differenz Tmr kleiner und wenn die Hauptdampftemperatur Tmsa höher gemacht wird.

Da die Länge der Vorausberechnungszeit zum Zeitpunkt des Schliessens des Trennschalters, wie vorstehend beschrieben, stark geändert wird, wird diese Erscheinung quantitativ vor dem Schliessen des Trennschalters vorausberechnet. Die Instruktion 15, die das Schliessen des Trennschalters erlaubt, wird dem Gerät 14 zum Schliessen des Trennschalters nur dann zugeführt, wenn bestätigt ist, dass die durch dieses Phänomen verursachte Spannung die Grenz-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

633857

8

Spannung nicht überschreitet. Zu diesem Zweck wird die Zeit tp, zu der die Spannung ct ihren Spitzen wert annimmt, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, wenn die Anfangslast konstant gehalten wird, als die minimal erforderliche Vorausberechnungszeit berechnet.

Fig. 8 zeigt, wie die Vorausberechnungszeit tp sich während der Drehzahlerhöhung und der Lasterhöhung ändert. Die Vorausberechnungszeit tp kann einen konstanten Wert tps annehmen, während die Turbinendrehzahl erhöht wird.

Wenn die Turbinendrehzahl die Nenndrehzahl zu einem Zeitpunkt ti erreicht, geht das Gerät 103 auf die Berechnung der Vorausberechnungszeit tp mit der Annahme über, dass der Trennschalter 16 zum Zeitpunkt ti geschlossen wird, wobei folgende Gleichung gilt:

tp = a loge b _ Xmsa_Trha + q (4)

Gleichung (4) simuliert die in Fig. 7 gezeigten Charakteristika. Die Symbole a, b, c und d sind Konstanten, die durch die dynamischen Kennlinien des Kessels und der Turbine bestimmt sind, während die Symbole Tmsa und Trh a die Werte von Tms und Trh zum Zeitpunkt ti sind. Die auf diese Weise zum Zeitpunkt ti erhaltene Vorausberechnungszeit tp wird von dem Gerät 170 zum Vorausberechnen der Wärmespannung ct verwendet, da der Trennschalter zu diesem Zeitpunkt ti noch nicht tatsächlich geschlossen ist. Das Gerät 170 bestimmt die Wärmespannung ct über die Vorausberechnungszeit tp in der Annahme im voraus, dass eine Anfangslast von beispielsweise 3% Last an der Turbine angelegt wird. Wenn bestätigt wird, dass die Grenzspannung ctl von der Spannung ct in diesem Zeitraum nicht überschritten wird,

gibt das Gerät die Erlaubnisinstruktion 15 zum Schliessen dés Trennschalters zum Gerät 14 für das Schliessen des Trennschalters. Das Gerät 14 zum Schliessen des Trennschalters gibt eine Instruktion zum Schliessen des Trennschalters 16 nach der Bestätigung, dass Spannung, Frequenz und Phase der abgegebenen Leistung des Synchrongenerators 500, der von der Turbine angetrieben wird, mit denen der nicht gezeigten äusseren Netzleitung übereinstimmen, wie dies allgemein bekannt ist. Somit gibt erfindungsgemäss das Gerät 14 zum Schliessen des Trennschalters nur dann das Signal, wenn sowohl die Koinzidenz als auch die Erlaubnisinstruktion 15 zum Schliessen des Trennschalters erhalten werden. Wenn jedoch erwartet wird, dass die zukünftige Wärmespannung ct die Grenzspannung ctl überschreitet, wird die Vorausberechnungszeit tp nach dem Ablauf einer vorgegebenen Zeit vom Zeitpunkt ti aus erneut bestimmt. Fig. 8 zeigt, dass die Bedingung ct<ctl während des Zeitpunkts t2 erhalten wird. Demzufolge wird die Erlaubnisinstruktion 15 zum Schliessen des Trennschalters dem Gerät 14 zum Schliessen des Trennschalters zum Zeitpunkt t2 weitergegeben. Der Trennschalter wird zu einem darauffolgenden Zeitpunkt t3 tatsächlich geschlossen, wodurch die Anfangslast Lo an die Turbine angelegt wird.

Die Vorausberechnungszeit tp beim Lastlaufmodus wird grundsätzlich bei einem konstanten Wert îpl festgelegt. Wie jedoch unter Bezugnahme aus Fig. 6 erläutert wurde, liegt eine Erhöhung der Temperaturen Tms und Trh zu dem Zeitraum unmittelbar nach dem Schliessen des Trennschalters vor, so dass die Vorausberechnungszeit tp nicht sofort auf îpl reduziert ist, sondern allmählich auf tpL gesenkt wird.

Bei dem Gerät 104 zum Erfassen des Dampfänderungszu-standes sind die zu erfassenden Gegenstände die Änderung der drei thermodynamischen Funktionen, nämlich der Hauptdampftemperatur Tms, des Hauptdampfdrucks Pms und der Temperatur Trh des zwischenerhitzten Dampfes in Beziehung zu den Änderungsbeträgen der Drehzahl N oder der Last L. Insbesondere gibt es sechs Grössen, nämlich dT /dN, dTRH/dN, dPMs/dN, dTMs/dL, dTRH/dL und dPMs/dL.

Die ersteren drei Grössen werden beim Drehzahlsteuermodus verwendet, während die letzteren drei Grössen für den Laststeuermodus benutzt werden. Die Grössen werden vom Gerät 170 für die Vorausberechnung der Spannung benutzt; wie sie benutzt werden, wird anhand der Beschreibung der Geräte 172 und 152 näher erläutert.

Das Erfassen erfolgt nach folgenden Gleichungen:

dN

N(t)-N(t-nxi)

dTRH

TRH(t)-TRH (t-nxi)

dN

N(t)-N(t-nxi)

dPMS

PMs(t)-PMs(t-nxi)

dN

N(t)-N(t-nxi)

dTMs

TMs(t)-TMs(t-nx i )

dL L(t)-L(t-nxi)

dTRH _ Trh(dt r h)-Trh(t—nxi) dL ~ L(t)-L(t-nxi)

dPMs PMs(t)-PMs(t-nxi)

dL ~~ L(t)-L(t-nxi) 1

Die Gleichungen (5), (6) und (7) werden verwendet, wenn dN/dt ungleich Null ist, während die Gleichungen (8), (9) und (10) verwendet werden, wenn dL/dt ungleich Null ist.

Fig. 9 zeigt das Konzept dTMs/dL. Dieser Ausdruck ist die Differenz zwischen Tms(î) zum Zeitpunkt t und TMs(t-nxi) zum Zeitpunkt t-nxi. In gleicher Weise ist dL die Differenz zwischen L(t) und L(t-nxi) zu diesen Zeitpunkten.

Die Gleichungen (5) bis (10) können nicht verwendet werben, wenn dN/dt und dL/dt Null sind, d.h. wenn die Drehzahl oder die Last konstant ist, da die Nenner dieser Brüche Null sind, so dass die Werte dieser Brüche unendlich sind. Aus diesem Grund werden erfindungsgemäss die durch die Gleichungen (5) bis (10) erhaltenen Werte schrittweise nach folgenden Gleichungen verringert:

dTMs ti. , dTMs .

dM tf ( dN '

dTMs xi. , dTMs ^

dL - tf ( dL J

In diesen Gleichungen ist tf eine Konstante, für die xi xi < xf gilt. Auf diese Weise wird eine sogenannte Speicherablaufcharakteristik verwirklicht, wenn die Last oder die Drehzahl konstant gehalten werden, wobei die durch das Erfassen bzw. Lernen erhaltenen Werte allmählich bzw. schrittweise verringert werden.

Im folgenden werden verschiedene Geräte erläutert, die benutzt werden, wenn der Trennschalter 16 nicht geschlossen ist, d.h. die Geräte gehören zur Drehzahlsteueranordnung.

Das Berechnungsgerät 161 für die vorhandene Spannung hat Untergeräte, nämlich ein Berechnungsgerät 107 für den Dampfzustand hinter der ersten Stufe, ein Berechnungsgerät s

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

9

633857

108 für den Wärmeübergangskoeffizienten an der Rotoroberfläche, ein Berechnungsgerät 109 für die Rotortemperaturverteilung, ein Berechnungsgerät 110 für die Rotorwärmespannung und ein Berechnungsgerät 111 für die Rotorspannung, wobei alle Geräte gemeinsam von dem Gerät 161 und der Laststeueranordnung benutzt werden.

Zunächst wird die Funktion des Berechnungsgerätes 107 für den Dampfzustand hinter der ersten Stufe erläutert.

Für die Berechnung der Wärmespannung ist es erforderlich, den Zustand des Dampfes zu erfassen, der in die Abschnitte 1 und 2 der Rotoren strömt, die den jeweiligen Labyrinthdichtungen gegenüberliegen, wo die Wärmespannung äusserst kritisch ist und deshalb überwacht werden muss. Es ist also erforderlich, den Dampfzustand an dem Abschnitt des Rotors hinter der ersten Stufe zu kennen. Es ist jedoch nahezu unmöglich, den Dampfzustand an diesem Abschnitt tatsächlich zu messen. Auch wenn die Messung möglich wäre, würde sie einen beträchtlichen Fehler und eine Zeitverzögerung enthalten.

Aus diesem Grund werden erfindungsgemäss die Dampfdrucke Phi und Pn und die Dampftemperaturen Thi und Tu hinter der ersten Stufe aus dem Hauptdampfzustand Pms, Tms, der Turbinendrehzahl N, der Drehzahlerhöhung fr, der Last L und der Temperatur Trh für den zwischenerhitzten Dampf berechnet für die Hochdruckturbine und die Zwischendruckturbine.

Fig. 10 zeigt den Vorgang der Berechnung des Dampfzustands aus dem Zustand des Dampfes, der vom Kessel erzeugt wird, und aus dem Laufzustand der Turbine. Durch Verwenden der Daten der Hauptstromtemperatur Tms, des Hauptstromdrucks Pms, der Temperatur Trh des zwischenerhitzten Dampfes, der Drehzahl N, der Drehzahlerhöhung fr und der Last L als Eingabevariable kann dieser Vorgang kontinuierlich über den ganzen Teil der Turbinensteuerung vom Anlauf bis zum tatsächlichen Lauf im belasteten Zustand eingesetzt werden. Von der Dampftemperatur hinter der ersten Stufe bei der Zwischendruckturbine nimmt man an, dass sie der tatsächlich gemessenen Temperatur des zwischenerhitzten Dampfes gleich ist, um eine Sicherheit zu haben. So wird angenommen, dass über der ersten Stufe der Zwischendruckturbine kein Temperaturabfall vorhanden ist.

Die Funktionen eines jeden in Fig. 10 gezeigten Gerätes werden im folgenden erläutert.

Es sei hier angenommen, dass der Wert der Last L Null ist im unbelasteten Lauf und dass die Turbinendrehzahl N und die Drehzahlerhöhung fr im belasteten Laufzustand No bzw. Null sind. Zunächst soll erläutert werden, wie die Dampftemperatur Thi hinter der ersten Stufe abgeleitet wird. Für diesen Zweck berechnet zunächst ein Block 200 die äquivalente Last L8 unter dem Nenndampfzustand, d.h. bei der Nenntemperatur Tmsr des Hauptstroms und dem Nenndruck Pmsr des Hauptstroms. Die äquivalente Last L' ist während der Drehzahlerhöhung der Turbine Null, d.h. während des unbelasteten Laufs der Turbine. Dann erhält man die Temperatur Ti' des Dampfes hinter bzw. nach der ersten Stufe entsprechend der Last V. Die Symbole LI und L2 stellen die untere Grenzlast und die obere Grenzlast für den Fall einer kombinierten Regelung dar. Dann erhält man das Stromdrosselungsverhältnis Kl des Regelventils 11 für den Turbinenein-lasshauptstrom entsprechend der Last L' durch die Blöcke 202,203 und 204. Das Verhältnis Kl wird Null, wenn die äquivalente Last L' grösser als die obere Grenzlast L2 ist, da in diesem Fall das Regelventil 11 für eine Teilbogenbeschik-kung bzw. für eine Teilringbeschickung betätigt wird. Der Block 205 berechnet die Temperaturdifferenz ATo zwischen der Hauptstromtemperatur Tms und der Dampftemperatur im Turbinenmantel aus Pms und Tms. In der Funktion des Blocks 205 wird die Temperaturdifferenz ATo grösser, wenn der

Druck Pms grösser wird, wobei angenommen wird, dass die Temperatur Tms konstant ist. Der Block 206 berechnet aus einer Eingabe der Turbinendrehzahl N den Temperaturreduzierungsfaktor K2 über der ersten Stufe der Hochdruckturbine. In der Funktion des Blocks 206 stellt No die Nenndrehzahl dar. Der Faktor K2 ist ein Wert, der von O ^ K2 ^ 1 dargestellt wird und beträgt Eins, wenn die Turbine mit einer Nenndrehzahl und während des Lastbetriebs der Turbine 'betrieben wird. Schliesslich erhält man die Dampftemperatur Thi hinter der ersten Stufe durch den Block 207. Die Temperatur Thi wird als der Wert bestimmt, den man durch Subtrahieren des Temperaturabfalls des Dampfes auf dem Weg zu dem Abschnitt hinter der ersten Stufe von der Hauptdampftemperatur Tms erhält. In der Funktion des Blocks 207 ist K2(Tmsr-ti') der Dampftemperaturabfall über der ersten Stufe, während Kl ATo den Temperaturabfall über dem Regelventil 11 darstellt. Das Symbol Tro stellt immer die Temperaturdifferenz zwischen der Hauptdampftemperatur und der Dampftemperatur in dem Turbinenmantel unter dem Nenndampfzustand dar.

Im folgenden wird das Verfahren zum Erhalten des Dampfdrucks Phi hinter der ersten Stufe erläutert. Zunächst erhält man vom Block 208 den Dampfdruck Hio hinter der ersten Stufe der Hochdruckturbine entsprechend dem unbelasteten Betrieb. In der Funktion des Blocks 208 ist Knl der Dampfdruck der Hochdruckturbine hinter der ersten Stufe entsprechend dem unbelasteten Druckabfall bei der Turbi-nennenndrehzahl, k eine Indexzahl für den lastfreien Druckabfall und Kac der Druck, der erforderlich ist, um eine Einheitsbeschleunigung zu erhalten. Der Block 209 bestimmt den Druck Phi der Hochdruckturbine hinter der ersten Stufe nach Empfang von Pio und L als Eingabe. Phir ist der Dampfdruck hinter der ersten Stufe bei dem Nennlastlauf der Turbine.

Der Block 210 bestimmt den Dampfdruck Pn hinter der ersten Stufe der Zwischendruckturbine. Der Druck Pn wird dadurch erhalten, dass der Druck Phi mit dem Verhältnis Piir/Phir multipliziert wird, wobei PmRbzw. Pur der Dampfdruck hinter der ersten Stufe bei Nennlast der Hochdruckturbine bzw. der Zwischendruckturbine ist.

Schliesslich wird die Dampftemperatur an dem Zwi-schendruckturbineneinlass, d.h. die Temperatur des zwischenerhitzten Dampfes direkt als Dampftemperatur Tu hinter der ersten Stufe der Zwischendruckturbine verwendet.

Die Dampfzustände an den Abschnitten hinter den ersten Stufen der Hochdruckturbine und der Zwischendruckturbine werden erfindungsgemäss berechnet und nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren bestimmt. In Fig. 10 sind die Einheiten von N und No Umdrehungen pro Minute, während die Einheit für die Drehzahlerhöhung fr Upm/min ist. Die Last L wird als Verhältnis in Prozent bezogen auf die Nennlast angegeben. Die Einheit der Temperatur T ist °C, während der Druck P und Knl als Einheit ata haben. Die Einheit Kac ist ata/(Upm2/min). Die Faktoren Kl, K2 und k haben keine Dimension.

Fig. 11 zeigt ein Blockdiagramm einer Anordnung zum Erhalten des Wärmeübergangskoeffizienten K an der Turbi-nenrotoroberfläche aus dem Dampfzustand hinter der ersten Stufe, der nach dem vorstehend erklärten Verfahren erhalten worden ist, und aus der Turbinendrehzahl. Da das System von Fig. 11 sowohl für die Hochdruck- als auch für die Zwischendruckturbine verwendet werden kann, wird die Erklärung auf die Hochdruckturbine beschränkt.

Das spezifische Gewicht yisT in kg/m3, den kinematischen Koeffizienten der Viskosität vist in m2/s und die Wärmeleitzahl A.1ST in Kcal/m°C s des Dampfes hinter der ersten Stufe beim Dampfzustand von Rm und Thi erhält man durch die Blöcke 301,302 und 303, welche eine Speichereinrichtung verwenden, in welcher die Daten der Dampftabelle beispiels5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

633 857

10

weise in Form von Funktionen gespeichert sind. Der Block 304 berechnet den Mengenstrom in kg/s des Dampfes, der durch den Spalt zwischen der Labyrinthdichtung und dem entsprechenden Abschnitt des Rotors strömt. Ko ist eine Konstante, die durch die Form der Turbine bestimmt ist, Z ist die Zahl der Rippen der Labyrinthdichtung, während Phi und Ph2 jeweils den Dampfdruck hinter der ersten bzw. zweiten Stufe der Hochdruckturbine darstellt.

Der Block 305 berechnet das Volumen Fslv in m3/s des Dampfes, der durch den Spalt zwischen der Labyrinthdichtung und dem Rotor strömt, wobei der Mengenstrom Fsl in kg/s verwendet wird, der vom Block 304 erhalten wird. Der Block 306 berechnet die Geschwindigkeit Uax in m/s als Axialgeschwindigkeit des durch den Spalt zwischen der Labyrinthdichtung und dem Rotor hindurchgehenden Stroms aus dem Mengenstrom Fsl, der durch den Block 306 erhalten wird. Das Symbol A bezeichnet die Ringfläche in m2 zwischen der Labyrinthdichtung und dem Rotor. Der Block 307 berechnet die Oberflächengeschwindigkeit Urd in m/s des Abschnitts des Rotors, der der Labyrinthdichtung gegenüberliegt. Die Symbole % und rs stehen für das Verhältnis des Umfangs zum Durchmesser des Rotors bzw. bezeichnen den Radius des Rotors in m. Die Blöcke 309 und 310 berechnen die Reynolds-Zahl Re bzw. die Nussel-Zahl Nu. Das Symbol S steht für das Labyrinthdichtungsspiel in m. Schliesslich wird von dem Block 311 der Wärmeübergangskoeffizient in kcal/m2 °C s des Wärmeübergangs vom Dampf an die Rotoroberfläche um die Labyrinthdichtung herum hinter der ersten Stufe berechnet. Der so erhaltene Wärmeübergangskoeffi-zient wird als Grenzbedingung zum Berechnen der nicht stationären inneren Spannungsverteilung des Rotors verwendet. . Wie erwähnt, erfolgt der von dem Gerät 108 zur Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten der Rotoroberfläche ausgeführte Prozess entsprechend dem Wärmeübergang bei turbulenter Strömung aus dem Dampf der durch den Spalt zwischen der Labyrinthdichtung und dem Rotor hindurchgeht. Der gleiche Prozess, wie er in Fig. 11 gezeigt ist, wird auch für die Zwischendruckturbine verwendet. Da die Hochdruckturbine und die Zwischendruckturbine gewöhnlich unterschiedliche Werte von ô, Z, A, rs und Ph2/Phi haben, muss beim Anwenden der Anordnung von Fig. 11 bei der Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten in der Zwischendruckturbine darauf geachtet werden, dass die speziellen Werte für die Zwischendruckturbine eingesetzt werden.

Bei dem System nach Fig. 11 wird das Druckverhältnis Ph2/Phi des Drucks hinter der zweiten Stufe zum Druck hinter der ersten Stufe als Konstante behandelt, da dieses Verhältnis unabhängig von der Änderung des Laufzustandes, d.h. der Drehzahl, der Drehzahlerhöhung und der Last als konstant angesehen werden kann.

Anhand von Fig. 12 wird im folgenden die Funktion des Gerätes 109 für die Rotortemperaturverteilung erläutert. Die Wärmebewegung im Rotor erfolgt im wesentlichen nur in Radialrichtung. Aus diesem Grund wird der Rotor in m (1,2, 3 ... m) imaginäre Ringabschnitte eingeteilt, wie dies in Fig. 12 gezeigt ist. Die Temperaturverteilung wird mittels Wärmebilanzen über den Ringabschnitten berechnet. Der Zeitraum der Wärmebilanzberechnung wird auf xi eingestellt. In Fig. 12 ist Qf,s die Wärme, die vom Dampf zur Rotorober-fläche im Zeitraum ti geliefert wird. In gleicher Weise ist Qs,i die Wärmemenge, die von der Rotoroberfläche zum Kern des äussersten Ringabschnittes (j = 1) geliefert wird. Somit ist Qjj+i die Wärmemenge, die von dem j-ten Ringabschnitt zum j+ 1-ten Ringabschnitt geliefert wird. Da die Rotörbohrung in einem adiabaten Zustand gehalten wird, ist die Wärmemenge Qm,m+1 immer Null.

Wenn der vorliegende Augenblick mit t bezeichnet wird,

ergeben sich die Wärmemengen, die zu den benachbarten Ringabschnitten und davon weg zwischen dem Zeitraum ti und einem Zeitpunkt t-xi zum vorliegenden Zeitpunkt t geführt werden, durch folgende Gleichungen:

Qf,s(t) = 2îtrs K(t) [THi(t)-Ts(t)]xi (11)

Qs,i(t) = 2n(r2 + i-Ar)X,M /±r/2 ^ Tl (12)

Qu(t) = ItiuXm T'Ct-X')-T2(t-T:') t, (i3)

Qj.j+i(t) = 2otj+i^m Xi(t-ti)-Tj-h(t-ti) t[ (14)

Qm,m+l(t) — 0 (15)

wobei Xm die Wärmeleitfähigkeit des Rotormaterials, K(t) der Wärmeübergangskoeffizient an der Rotoroberfläche zu diesem Zeitpunkt, Ts die Oberflächentemperatur des Rotors, rj der äussere Radius des j-ten Ringabschnitts, ri = rs der Rotorradius, rm+ i — rb der Radius der Rotorbohrung, Ar die Stärke der Ringabschnitte und Tj die Temperatur des j-ten Ringabschnittes sind. Der Wärmeübergangskoeffizient K, wie er anhand von Fig. 11 erläutert wird, wird zur Berechnung der Wärmemenge Qr.s verwendet.

Da Qf,s(t) gleich Qs,i(t) ist, erhält man Ts(t) durch die folgende Gleichung:

rn r'Ti(t-ti) + 2rsw(t)Tm(t) nfi,

Ts(t) r'+2rsw(t) U6J

wobei r' = 4 n + 3 Ar und

W(t) = Ar K(t) AM

Die Wärmemenge AQj(t), die sich in dem j-ten Ringabschnitt ansammelt, wird als Differenz zwischen der zugeführten Wärme Qj-i j und der abgeführten Wärme Qjj+i zu dem gleichen Abschnitt j bzw. davon weg durch die Gleichung (17) gegeben:

AQj(t) = Qj-i.j(t) - Qj,j+i(t) (17)

In diesem Fall ergibt sich die Temperatur Tj des j-ten Ringabschnittes nach. Gleichung (18):

Tj(t) = Tj(t-xi) +AQj(t)/Vj£MCM (18)

wobei Cj das Volumen des j-ten Ringabschnittes pro Länge, qm die Dichte des Rotormaterials und Cm die spezifische Wärme des Rotormaterials sind.

Gleichzeitig erhält man die Rotorbohrungstemperatur Tb(t) durch Simulieren der Temperaturverteilung nach folgender Gleichung zweiten Grades:

Tb(t) = g[9Tm(t) - Tm-l(t)] (19)

Dieser Prozess ist im einzelnen in Fig. 13 gezeigt. Der Prozess wird bei jedem Operationszeitraum ausgeführt, der bei s

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

11

633 857

dem genannten Beispiel 1 min beträgt.

Bei dem in dieser Figur gezeigten Prozess werden die Temperatur Tm(t) für den Dampf hinter der ersten Stufe in dem vorliegenden Operationszeitraum, die durch den Prozess nach Fig. 10 erhalten wird, und die Temperaturverteilung Tj(t-xi), Tb(t-xi), die sich als Ergebnis des Prozesses der vorausgehenden Operationsperiode nach dem Prozess von Fig. 13 ergibt, in den Blöcken 400 bzw. 410 gespeichert. Der Prozess, wie er in Fig. 13 gezeigt ist, dient zum Berechnen der vorliegenden Temperaturverteilung Ts(t), Tj(t) und Tb(t). Diese Werte werden an die Blöcke 406 und 407 abgegeben. Sie werden in den nächsten Operationszeitraum zum Block 401 verschoben, so dass sie im nächsten Rechen Vorgang benutzt werden können.

Der Block 402 von Fig. 13 dient zum Berechnen der vorliegenden Rotoroberflächentemperatur Ts(t), wobei die Temperaturen Tm(t), Ti(t-xi) entsprechend der Gleichung (16) verwendet werden. Da W(t) gleich ArK(t)/A.m ist, wird der Wärmeübergangskoeffizient K, wie er im Prozess von Fig. 11 erhalten wird, zur Berechnung der Temperatur Ts verwendet. Der Block 403 berechnet die Wärmeabgabe Qj, j+i zwischen benachbarten imaginären Ringabschnitten, während der Block 404 die Wärmemenge AQj(t) berechnet, die in jedem Ringabschnitt als Ergebnis der Wärmelieferung gespeichert wird. Der Block 405 berechnet weiterhin die Temperatur eines jeden imaginären Ringabschnittes zum vorliegenden Zeitpunkt, wobei der gespeicherte Wärmewert AQj(t) verwendet wird. Auf dfese Weise erhält man die vorhandene Temperaturverteilung. Wenn der Prozess von Fig. 13 das erste Mal ausgeführt wird, sind im Block 401 keine Rotortem-peraturverteilungsdaten gespeichert. In diesem Fall muss die Anfangstemperaturverteilung (Fig. 4) als Rotortemperaturverteilung des vorausgehenden Prozesses benutzt werden.

Im folgenden wird die Funktion des Gerätes 110 zum Berechnen der Rotorwärmespannung beschrieben.

Die Wärmespannung des Rotors, d.h. die Wärmespannung ost der Rotoroberfläche und die Wärmespannung ctbt der Rotorbohrung lassen sich durch folgende Gleichungen auf der Basis der Temperaturverteilung ausdrücken, die von dem Gerät 109 zum Berechnen der Rotortemperaturverteilung berechnet worden sind.

F CL

CTST = -j (Tm-Ts)

1-v v p fy ott = (TM-Tb)

In diesen Gleichungen sind E der Youngsche Modul des Rotormaterials, a der lineare Ausdehnungskoeffizient des Rotormaterials, v das Poissonsche Verhältnis des Rotormaterials, Ts die Oberflächentemperatur des Rotors, Tb die Rotorbohrungstemperatur und Tm die mittlere Temperatur des Rotors pro Volumen.

Die mittlere Temperatur des Rotors pro Volumen Tm ergibt sich aus folgender Gleichung:

T„ = I Tj(rf-r|+,)/(rj-r£)

j = l

(22)

Die Spannung im Rotor wird schliesslich berechnet, wobei auch die Zentrifugalspannung berücksichtigt wird. Da die Zentrifugalspannung proportional zum Quadrat der Turbinendrehzahl N ist, wird die Zentrifugalspannung ctbc, die auf die Rotorbohrung bei der Turbinendrehzahl N wirkt, durch die Gleichung (23) wiedergegeben, die die Nenndrehzahl und die Bohrungszentrifugalspannung bei der Nenndrehzahl durch No bzw. ctbcr darstellt.

gbc = ctbcr (£k)2 (23)

5

Demzufolge ergibt sich für die Bohrungsspannung ctb:

ctb = ctbt+ ctbc (24)

io In der Rotoroberfläche stellt sich eine Spannungskonzentration ein, was von der Form der Rotoroberfläche abhängt, so dass die Wärmespannung in Axialrichtung des Rotors, d.h. rechtwinklig zur Zentrifugalspannung, wirkt, die ihrerseits in Umfangsrichtung wirkt. Deshalb erfordert die ls Berechnung der Spannung in der Rotoroberfläche nur die Wärmespannung, die den Turbinen-Ermüdungswert betrifft. Somit lässt sich für die Spannung CTs in der Rotoroberfläche schreiben:

20 CTs = CTST

(25)

(20)

(21)

Die Funktion des Gerätes 161 zum Berechnen der vorhandenen Spannung ist bereits vollständig erläutert worden.

Im folgenden wird das Gerät 162 zum Prüfen des vorhan-' 25 denen Spannungswertes erläutert. Dieses Gerät soll beurteilen, ob die vorstehend erläuterten Spannungen os und ctb die Grenzspannungen ctsl, ctb nicht überschreiten, wie sie durch das Gerät 102 zum Bestimmen der Grenzspannung gesetzt worden sind.

30 Das Gerät 163 zum Beurteilen des Berechnungsmodus beurteilt, ob die vorliegende Berechnung innerhalb der zeitlichen Abstimmung für die Durchführung der Sondierung der maximal zulässigen Drehzahlerhöhung auf der Basis der Vorausberechnung liegt. Wenn die Vorausberechnung aller 35 n-Berechnungen einmal auszuführen ist, funktioniert das Gerät 19 so, dass das Ergebnis der Spannungsberechnung geliefert wird, wobei das Gerät 170 zum Sondieren der Maximumsdrehzahlerhöhung für n-1 Berechnungen von n-Berechnungen überbrückt wird.

40 Im folgenden wird die Funktion des Gerätes 170 für die Sondierung der maximalen Drehzahlerhöhung erläutert. Das Gerät hat eine Funktion für die Vorherberechnung der Spannungen, die in der Rotoroberfläche und in der Rotorbohrung zu jedem Zeitpunkt xi verursacht werden, wobei die Zeitpe-45 riode vom vorliegenden Zeitpunkt t während der Vorausberechnungszeit tp ausgeht, wie sie von dem Gerät 103 für die Bestimmung der Vorausberechnungszeit bemessen wird. Das Gerät vergleicht weiterhin die Spannung mit der Grenzspannung zu jedem Zeitpunkt der Vorausbestimmung, so dass die so maximale Drehzahlerhöhung sondiert wird, die nicht dazu führt, dass die zukünftige Spannung die Grenzspannung ctl während der gesamten Dauer der Vorausberechnungszeit tp überschreitet. Die erwähnte Drehzahlerhöhung ist der Wert, ausgewählt aus der Vielzahl von Drehzahlerhöhungswerten 55 fri, N2... Nx... frp in Upm/min, wie sie von dem Gerät 171 für die Annahme der Drehzahlerhöhung bereitgestellt wird. Die aufeinanderfolgenden Drehzahlerhöhungswerte werden dem Spannungsvorausberechnungsgerät 272 einzeln vom grössten bis zum kleinsten zugeführt. Es sei hier ange-60 nommen, dass eine Beziehung besteht: N1 >N2>... > Nx> ... > Np. Zunächst werden die Spannungen in der Rotorober-fläche und in der Bohrung zum Zeitpunkt t + xi, also xi nach dem vorliegenden Zeitpunkt t, durch den Block 111 des Gerätes 106 vorausberechnet. Wie bezüglich des Gerätes 161 65 ausgeführt wurde, ist es erforderlich, Gebrauch von L, Pms, N, fr und Trh als Eingaben zu machen, um die Operation des Gerätes 107 auszuführen. Die Last L ist Null, da beim vorliegenden Beschleunigungsstadium keine Last an der Turbine

633 857

12

anliegt. Der Wert N wird durch das Gerät 171 bestimmt. Für unterbrochen und der weitere Prozess zum Gerät 164 zur die Vorausbestimmungsberechnung müssen Pms, Tms, N, Trh Beurteilung der kritischen Drehzahl weitergeleitet. Das Pws(t-t-nxi), TMs(t+nxi), N(t+nxi) und trh(t+nxi) nach dem heisst, dass der Drehzahlerhöhungswert, wie er vom Gerät Ablauf der Zeit nxi sein. Von diesen Faktoren erhält man den 170 erhalten wird, als maximal zulässige Drehzahlerhöhung Faktor N(t+nxi) durch Verwendung der vorliegenden Dreh- s verwendet wird. Die Drehzahlerhöhung der Turbine wird auf zahl N(t) und der Drehzahlsteigerung N aus der Gleichung Null gehalten, wenn keiner der Drehzahlerhöhungswerte die

Wärmespannung gibt, die die Grenzspannung während der N(t+nxi) = N(t) + nxi N ganzen Länge der Vorausberechnungszeit nicht überschreitet.

Die beschriebene Funktion des Gerätes 170 wird anhand Die anderen Faktoren werden nach den Gleichungen (26), io von Fig. 8 näher erläutert. Diese Funktion wird während der (27) und (28) berechnet, wobei die Ergebnisse des Erfassungs- Drehzahlerhöhung (to-ti) ausgeführt. Nimmt man an, dass nT gerätes 104 für die Dampfzustandsänderung benutzt werden, = x2/xi = 3 und dass die Zeitspanne xi 1 min ist, wird die Ope-die in den Gleichungen (5), (6) und (7) ausgedrückt sind. ration des Gerätes 170 einmal alle 3 min ausgeführt. Wie jedoch anhand der Fig. 6 und 7 erläutert wurde, ist es erfor-ls derlich, die Vorausberechnungszeit tp zu ändern, wenn die Turbinendrehzahl N auf eine Drehzahl No zu einem Zeitpunkt tl erhöht worden ist. In diesem Fall wirkt das Gerät 170 wie folgt: Die Operation des Gerätes wird auch in diesem

(27) Fall einmal alle 3 min ausgeführt. Zunächst setzt das Gerät 20 171 die Drehzahlerhöhung N auf Null Upm/min und setzt die Last L auf einen Wert, der dem der Anfangslast entspricht. Das Gerät 106 berechnet dann die Werte von

(28) TMs(t+nxi), TRH(t+nxi) und PMs(t+nxi), wobei n und N auf Eins bzw. NO gesetzt werden. Die Blöcke 107 bis 111 führen

25 die gleichen Funktionen wie vorher beschrieben aus. Das Gerät 173 vergleicht die vorausberechnete Wärmespannung Im einzelnen bedeuten in Gleichungen (26) (dPMs/dN) die a für n = 1 mit der Grenzspannung ctl und gibt den weiteren Änderung des Druckes dPMs entsprechend der Änderung der Prozess zum Block 174, wenn die Wärmespannung ct kleiner Drehzahl dN, wie dies durch Gleichung (7) bekannt ist. Somit als die Grenzspannung ctl ist. Gleichzeitig wird der Prozess ist (dPMs/dN) N die Änderung des Drucks entsprechend der 30 zum Block 172 zurückgegeben, wenn nxi nicht grösser als tp Drehzahlerhöhung N. In gleicher Weise ist (dPMs/dN) N nxi ist.

die Änderung des Drucks, die herbeigeführt wird, wenn die Der Block 172 wiederholt die gleiche Operation, wobei die

Turbine während des Zeitraums nxi auf den Wert N beschleu- Zahl n auf n +1 gesetzt wird. Während dieser wiederholten nigt worden ist. Der zukünftige Druck PMs(t+nxi) wird durch Operation wird der Prozess zum Block 164 gegeben, wenn die Addieren dieses Änderungsbetrags des Drucks zum vorlie- 35 vorausberechnete Spannung a grösser als die Grenzspangenden Druck PMs(t) erhalten. Zunächst nimmt das Gerät 171 nung ctl im Block 173 wird. Nach dem Erreichen der Turbi-an, dass N = N1. Das Gerät 106 beginnt die Berechnung mit nennenndrehzahl unterscheidet sich der Prozess in diesem n = 1, so dass Pms, Tms, N, Trh abgeleitet werden. Die Wär- Punkt von dem des Drehzahlerhöhungsmodus. Wenn die mespannung zu dem Zeitpunkt n = 1 wird durch die Blöcke Grenzspannung ctl von der vorausberechneten Spannung ct 107 bis 111 berechnet. Der von den Blöcken 107 bis 111 aus- 40 überschritten wird, ehe die Vorausberechnungszeit erreicht geführte Berechnungsgang ist dem anhand des Gerätes 161 ist, wird die Funktion des Gerätes 170 zu einem Zeitpunkt beschriebenen identisch. nach nT ausgehend von einem Zeitpunkt erneut gestartet, zu

Das Gerät 173 vergleicht die Wärmespannung zum Zeit- welchem die vorausberechnete Spannung die Grenzspanpunkt, zu dem N = N1 und n = 1 mit der Grenzspannung ctl. nung überschreitet.

Wenn die Wärmespannung niedriger als die Grenzspannung 45 Somit gibt das Gerät 174 eine Erlaubnisinstruktion für das ist, beurteilt das Gerät zum Feststellen des Ablaufs der Vor- Schliessen des Trennschalters an das Gerät 14 zum Schliessen ausbestimmungszeit, ob nxi ä tp oder nicht. Wenn bestätigt des Trennschalters, wenn bestätigt ist, dass die Grenzspan-wird, dass nxi kleiner als die Vorausberechnungszeit tp ist, nung ctl durch die zukünftige Spannung ct während des Vorwird die Berechnung zum Gerät 172 zurückgeführt. Das ausberechnungszeitraum tp, ausgehend vom vorliegenden Gerät 172 führt dann die Vorausberechnung der Wärmespan- so Zeitpunkt, nicht überschritten wird.

nung aus, wobei für n = 2 verwendet wird, d.h. die erwartete Das Gerät 164 zur Beurteilung der kritischen Drehzahl Wärmespannung stellt sich zum Zeitpunkt t = 2xi ein. Dieser stellt fest, ob die vorliegende Turbinendrehzahl innerhalb des Vorgang wird wiederholt, bis die Grenzspannung von der Bereichs der kritischen Drehzahl liegt oder nicht. Das vorausberechneten Spannung überschritten wird. Ergebnis dieser Entscheidung hat eine wesentliche Bedeu-

Nimmt man an, dass die Wärmespannung, die für N = N1 55 tung in der darauffolgenden Bestimmung der optimalen vorausberechnet worden ist und dass vom Gerät 173 ermittelt Drehzahlerhöhung.

wird, dass für n = 3 die Grenzspannung überschritten wird, Das Gerät 165 zum Bestimmen der optimalen Drehzahler-

wirddie Berechnung zum Gerät 171 zurückgeführt. Das höhung hat die Funktion, die maximal zulässige Drehzahler-

Gerät 171 nimmt dann die Drehzahlerhöhung N2 an, die der höhung, wie sie vom Gerät 170 zum Sondieren der maxi-grössten N1 am nächsten ist. Das Gerät 106 setzt wieder n = 60 malen Drehzahlerhöhung sondiert worden ist, in dem Regler 1. Die Wärmespannung für die Drehzahlerhöhung N2 und 10 zu setzen. Wenn jedoch vom Gerät 164 entschieden wird, den Zeitpunkt t+xt wird in gleicher Weise wie vorstehend dass die vorhandene Turbinendrehzahl innerhalb des beschrieben berechnet. Das Gerät 170 führt den vorstehenden Bereichs der kritischen Drehzahl liegt, ändert dieses Gerät Berechnungszyklus wiederholt aus. Wenn bestätigt wird, dass 165 die Drehzahlerhöhung nicht, sondern instruiert statt die Grenzspannung von der vorausberechneten Spannung 65 dessen den Regler, die vorhandene Drehzahlerhöhung beizu-nicht überschritten wird, bis die Zeit nxi gleich oder länger als behalten. Weiterhin ist dieses Gerät geeignet, die vorhandene tp für eine bestimmte Drehzahlerhöhung, beispielsweise Nx Turbinendrehzahl beizubehalten, unabhängig vom Ergebnis wird, wird die wiederholte Berechnung durch den Block 174 der Sondierung der maximal zulässigen Drehzahlerhöhung,

PMs(t+nxi) = Pms(Q + ( ) N •nti TMs(t + nxi) = TMs(t) + (~j~ ) N • nxi

/IT rh .

trh(t-nxi) = Trh(ì) + N + nxi

13

633857

wenn vom Gerät 163 entschieden wird, dass die vorhandene Spannung grösser als die Grenzspannung wird. Auch im letzteren Fall instruiert jedoch das Gerät 165, die vorliegende Drehzahlerhöhung beizubehalten, wenn die vorhandene Turbinendrehzahl innerhalb des Bereiches der kritischen Drehzahl liegt. Die Drehzahlerhöhung fr wird nach dem Zeitpunkt ti auf Null gesetzt, in welchem die Turbinennenndreh-zahl erreicht ist.

Wie sich aus dem vorstehenden ergibt, wird die Einstellung bzw. das Setzen der optimalen Drehzahlerhöhung im Regler 10 einmal alle nxi ausgeführt, während die vorliegende Spannung einmal in jedem Zeitraum xi erfolgt. Da die vorliegende Turbinendrehzahl beibehalten wird, wenn sich herausstellt, dass die vorliegende Spannung die Grenzspannung überschreitet, kann die Turbine ziemlich sicher auch dann beschleunigt werden, wenn der Dampfzustand am Turbinen-einlass infolge einer Störung oder aus einem ähnlichen Grund verändert werden sollte, der zum Zeitpunkt der Vorausberechnung nicht erwartet werden konnte.

Wenn der Trennschalter 16 geschlossen ist, um eine Anfangslast an die Turbine auf den Abschluss der Beschleunigung folgend anzulegen, wird der Operationsmodus von dem Drehzahlsteuersystem 160 auf das Laststeuersystem 140 umgeschaltet.

Die Arbeitsweise des Steuersystems im geschlossenen Zustand des Trennschalters, d.h. die Funktionen der Geräte, die zu dem Laststeuerungssystem 140 gehören, werden im folgenden erläutert.

Die Funktionen des Gerätes 141 zum Berechnen der vorliegenden Spannung, des Gerätes 142 zum Prüfen des vorliegenden Spannungswertes, des Gerätes 143 zum Beurteilen des Berechnungsmodus und des Gerätes 150 zum Sondieren der maximalen Laständerung sind im wesentlichen identisch zu denen der Geräte 161,162,163 und 170 der Drehzahlsteueranordnung 160. Der Unterschied zwischen diesen Systemen beruht nur darauf, dass sich die Anordnung 160 mit der Drehzahlerhöhung befasst, während die Anordnung 140 sich mit der Laständerung befasst. Aus diesem Grund kann eine ins einzelne gehende Beschreibung der Funktionen dieser Geräte entfallen. Die Beschreibung der Laststeueranordnung kann auf die Unterschiede gerichtet werden.

Das Gerät 151 für die Annahme einer Laständerung im Gerät 150 für die Sondierung der maximalen Laständerung ist so ausgelegt, dass es eine Vielzahl von im voraus erzeugten positiven Laständerungen einzeln von der grössten zu kleineren Änderungen annimmt, wenn der Lastbefehl Lr die Erhöhung der Abgabeleistung erfordert. Wenn im Gegensatz dazu der Lastbefehl die Reduzierung der Abgabeleistung fordert, wählt das Gerät 151 nacheinander negative Laständerungen, ausgehend von der mit dem grössten Absolutwert zu denen mit kleineren Absolutwerten.

Dann wird der Dampfzustand zu einem Zeitpunkt nxi nach dem vorliegenden Zeitpunkt durch das Gerät 106 berechnet. Die Berechnung erfolgt nach den folgenden Gleichungen im Gegensatz zur Berechnung in der Drehzahlsteueranordnung 160:

PMs(t + nxi) = PMs(t) + ) L • nxi (29)

Tws(t + nxi) = Tms(I) + (—j^) L • nxi (30)

TRH(t-nxi) = Trh© + L • nxi (31)

In diesen Gleichungen sind die Faktoren dPMs/dL, dTius/dL und dTRH/dL die Werte, die in dem Erfassungsgerät 104 für die Dampfzustandsänderung erfasst worden sind. L bezeichnet die Laständerung, wie sie von dem Gerät 151 angenommen ist. Die Werte von Tms, Pms und Trh zum Zeitpunkt nxi nach dem vorliegenden Zeitpunkt werden entsprechend den vorstehenden Gleichungen berechnet. Dann wird mit dem Block 107 der Dampfzustand hinter der ersten Stufe berechnet, wobei die vorstehend berechneten Werte benutzt werden.

Die maximale Laständerung wird also vom Gerät 150 berechnet. Die Geräte im Gerät 152 ausser den Geräten 106 und 107 und die Funktionen der Geräte 153,152 werden nicht näher erläutert, da sie zu denen der Drehzahlsteueranordnung genau identisch sind.

Das Gerät 144 zur Bestimmung der optimalen Laständerung hat zwei Funktionen. Eine dieser Funktionen besteht darin, in dem automatischen Lastregler, im folgenden ALR 7 bezeichnet, die maximale Laständerung einzustellen, wie sie von dem Gerät 150 zum Sondieren der maximalen Laständerung sondiert worden ist, und diese Änderung zu korrigieren. Wenn festgestellt wird, dass die vorhandene Spannung die Grenzspannung auf der Mitte von xi überschreitet, instruiert dies gleichzeitig den ALR, die vorliegende Last beizubehalten. Somit ist die erste Funktion die gleiche Funktion wie bei der Drehzahlsteueranordnung.

Die zweite Funktion ist eine lastbegrenzende Funktion, die eine obere Lastgrenze entsprechend dem Dampfzustand zieht. Diese Funktion dient zum Schutz der Endstufenblätter der Niederdruckturbine gegenüber einer Errosion, die auftreten würde, wenn eine grosse Last an der Turbine anliegt, wenn die Hauptdampftemperatur und die Zwischenerhit-zungsdampftemperatur niedrig ist.

Diese zweite Funktion besteht darin, die vorliegende Last beizubehalten, wenn nicht die Hauptdampftemperatur und die Temperatur des zwischenüberhitzten Dampfes höher liegen als die unteren Grenzen für diese Temperaturen, die entsprechend der Grenze des Wassergehaltes in der Endstufe der Niederdruckturbine festgelegt werden, wie dies in den Fig. 14 und 15 gezeigt ist.

So zeigt insbesondere Fig. 14 die Lastbegrenzungsfunktion durch die Hauptdampftemperatur Tms, wobei die vorhandene Last beibehalten wird, wenn die Hauptdampftemperatur nicht höher als die untere Grenze Tmsl ist, die sich abhängig von dem Druck Pms ändert. In gleicher Weise zeigt Fig. 15 die Lastbegrenzungsfunktion durch die Temperatur Trh des zwischenüberhitzten Dampfes, wobei die vorhandene Last beibehalten wird, wenn nicht die Temperatur des zwischenüberhitzten Dampfes höher als die untere Grenze Trhl ist, die sich abhängig von dem Lastwert L ändert.

Im folgenden wird das Gerät 145 zur Erzeugung des Sondierungssignals erläutert. Dieses Gerät verwendet ein Verfahren zur Vorausberechnung der Dampfzustandsänderung, bei welchem der zukünftige Wert durch den Block 106 auf der Basis der Dampfzustandsänderung vorausberechnet wird, die vom Gerät 104 in der anhand von Fig. 9 beschriebenen Weise erfasst wird. Wie aus den Gleichungen 8,9 und 10 zu ersehen ist, wird jedoch eine grössere Dampfzustandsänderung als die normale erfasst und gespeichert, wenn der Dampfzustand infolge einer Störung an der Kesselsteuerung sich im Verlauf des Erfassens durch das Gerät 104 abrupt ändert. In diesem Fall wird die Spannung vorausberechnet, die viel grösser ist als die tatsächliche zukünftige Spannung, so dass der vorliegende Wert der Last unverändert gehalten wird, trotzdem die tatsächliche Spannung viel kleiner ist als die Grenzspannung. Dies kann zu einer Störung eines glatten Lastanstiegs führen.

Diese Situation wird im einzelnen anhand von Fig. 16

s

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

633857 14

beschrieben. Fig. 16a zeigt die Steuerzyklen des Steuersy- torbohrung.

stems gemäss der Erfindung. Die Bestimmung der Änderung Die Gleichung (32) dient zur Auswahl der vorliegenden wird einmal alle n Steuerzyklen ausgeführt, wobei n bei- Spannung aus vier vorliegenden Spannungen, welche den spielsweise 3 sein kann. Die Zeitabstimmung, bei welcher die kleinsten Spielraum bezüglich der Grenzspannung hat. Die vorausberechnende Steuerung erfolgt, ist mit einem oberen s Grösse des Sondierungssignals Lexr wird entsprechend dem Punkt markiert. Bei den Steuerzyklen, die nicht mit dem Wert ctmn in der in Fig. 17 gezeigten Weise bestimmt. Je

Punkt oben markiert sind, wird nur die Überwachung der kleiner der Spielraum der Spannung wird, d.h. je näher an vorliegenden Wärmespannung durchgeführt. Fig. 16b zeigt Eins ctmn liegt, desto kleiner wird die Grösse des Sondierungs-die Änderung der Hauptdampftemperatur Tms als Faktor des signais Lexr gemacht.

Dampfzustands. Es sei angenommen, dass die Hauptdampf- io Das Gerät 104 berechnet, wie die Werte von Tms, Pms und temperatur Tms sich im Verlauf der Steuerung, wie dargestellt, Trh als Ergebnis der Überlagerung des Signals Lexr geändert abrupt steigert. werden und, korrigiert die Gleichungen (8), (9) und (10), ent-

Zu einem Zeitpunkt t wird die Vorausberechnung der Wär- sprechend dem Ergebnis der Berechnung. Während der mespannung auf der Basis des zukünftigen Dampfzustands Berechnung werden die Änderungen der Dampfzustände, die ausgeführt, wie er durch die Gleichungen (29) bis (31) is dem Sondierungssignal Lexr zuzurechnen sind, durch dTMs/

erhalten wird. Die Werte dTMs/dL, dTRH/dL und dPMs/dL, dLEx, DTRH/dLEx und dPMs/dLEx gegeben. Die Änderung wie sie entsprechend den Gleichungen (8), (9) und (10) erfasst dLEx des Sondierungssignals entspricht dem Produkt von sind, werden bei dieser Spannungsvorausberechnung ver- Lexr und tj. Um nur die von Lexr verursachte Änderung, beiwendet. Wie aus Fig. 16b jedoch zu ersehen ist, nimmt die spielsweise dTMs/dLExzu extrahieren, wird die folgende Änderung dTins = TMs(t)-TMs(t-nTi) übergangsweise einen 20 Massnahme ergriffen. Die Änderung des Dampfzustandes grossen Wert an. Insbesondere, wenn die Zahl n auf 4 gesetzt dTMs wird als Differenz dTMs(Ti)-dTMs(T2) zwischen dem wird, stellt man einen Gradienten, der inhärent 0 i ist, als 02 Änderungsbetrag dTMs(Ti) der Temperatur Tms im Zeitraum fest. Somit wird die Wärmespannung, die mittels der Dampf- ti beginnend von einem Zeitpunkt t-3Ti und dem gleichen zustandsinformation vorausberechnet wird, welche zum Zeit- dTMs(t2) in dem nächsten Zeitraum ti erhalten.

punkt der abrupten Erhöhung des Dampfzustandes erhalten 25 Die Korrektur erfolgt nach folgender Gleichung:

wird, unvermeidbar unpraktisch gross.

In diesem Fall kann, wie in Fig. 16c gezeigt ist, keiner der ^dTMs^ _ ^ ^Tms^ [ ^ çdTMS^ (33)

Drehzahlerhöhungswerte iSl eine vorausberechnete Span- dL dLEx dL

nung ergeben, die kleiner als die Grenzspannung ist. Demzufolge muss die Turbine zu einem Zeitpunktt+3Ti mittels der 30 In dieser Gleichung ist ß ein Korrekturgewichtsfaktor, der Instruktion betrieben werden, die Drehzahlsteigerung auf durch 1 è ß è 0 festgelegt ist. Ähnliche Korrekturen werden Null zu halten. Dies ist im Gegensatz zu den Erfordernissen für dTRH/dL und dPMs/dL gemacht.

des Turbinenanlaufs in einer minimal zulässigen Zeit. In Gleichung (33) wird der Term, der das Ergebnis des

Das Gerät 145 zum Erzeugen des Sondierungssignals Erfassens der Gleichungen (8), (9) und ( 10) aufweist, mit 1 -ß

erzeugt ein Sondierungssignal Lexr, um eine Nacheilung des 35 multipliziert. Auch wenn das Ergebnis des Erfassens durch Anlaufs zu vermeiden. Das Gerät 104 für das Erfassen der die Gleichungen (8), (9) und (10) die Komponente ein-Dampfzustandsänderung wird durch das Ergebnis dieser schliesst, die der abrupten Steigerung des Dampfzustandes

Sondierung korrigiert. entspricht, wird diese Komponente zweckmässigerweise

Die Beschreibung dieser Korrekturfunktion wurde infolge des Vorhandenseins des Faktors 1-ß reduziert^ so dass anfangs in der Beschreibung der Funktion des Gerätes 104 40 die Wärmespannungsvorausrechnung für den Zeitpunkt vernachlässigt, um die Erfindung leichter verständlich zu t+3ti gemacht werden kann, ohne dass eine Störung der machen. Diese Korrekturfunktion wird im folgenden erläu- erforderlichen Lasterhöhung verursacht wird. Gemäss tert. Fig. 16c ändert sich die Wärmespannung, wie sie durch den

Wie aus Fig. 16d zu ersehen ist, bezeichnet in Symbol Lt die korrigierten Wert dTMs/dL erhalten wird, den gestrichelten maximale Laständerung, wie sie durch die Vorausberech- 45 Linien folgend, so dass die Laständerung niemals Null wird, nung der zukünftigen Wärmespannung erhalten wird. Das Demzufolge wird ein unerwünschtes Überziehen oder Sondierungssignal Lexr wird dem Signal Lt überlagert. Dies Nacheilen der Laständerung während eines langen Zeiterfolgt nur für einen kurzen Zeitraum von ti vom Zeitpunkt raums vollständig verhindert.

der Vorausberechnung an, da die Überlagerung während Nach dem Schliessen des Trennschalters, während die Last einer langen Zeit eine Störung verursachen würde. Der Wert so an der Turbine noch niedrig ist, wird das Ansprechen des des Sondierungssignals wird folgendermassen bestimmt: Dampfzustandes am Turbineneinlass für eine Steigerung der

Von den Werten, die durch Normalisieren der vorlie- Last, insbesondere das Ansteigen der Kennlinie der Tempe-

genden Spannungen an den Rotoroberflächen und Boh- ratur des zwischenerhitzten Dampfes stark variiert. Vor allem rangen der Hochdruck- und Zwischendruckturbine durch die ändert sich die Zeitkonstante für den Temperaturanstieg jeweiligen Grenzspannungen erhalten werden, ist diejenige ss stark.

mit grösserem Absolutwert als cjmn definiert. Um einen wirksamen Gebrauch von dem Ergebnis des

Somit wird der Wert cjmn durch die folgende Gleichung Erfassens der Dampfzustandsänderung aucli in einem (32) gegeben: solchen Zustand machen zu können, ist es erforderlich, die

Periode des Signals zu korrigieren, welche in dem ALR ent-ctmn — Max(~—- —— —- —-) (32) 60 sprechend der Änderung der Zeitkonstante setzt. Für diesen ctls erls ctlb ctib Zweck wird das Gerät 143 für die Beurteilung des Berech nungsmodus der Laststeueranordnung 140 so ausgelegt, dass Darin sind ctls, ctlb, cths, ctis, cthb, cti b die Grenzspannung es eine Funktion hat, wie sie in Fig. 18 gezeigt ist. Das Gerät für die Rotoroberfläche, die Grenzspannung für die Rotor- zum Sondieren der maximalen Laständerung wird gestartet, bohrung, die Spannung in der Hochdruckturbinenrotorober- <s nachdem es das Ansprechverhalten des Dampfzustandes, fläche, die Spannung in der Zwischendruckturbinenrotor- welches eine grosse Zeitkonstante hat, durch Setzen der Oberfläche, die Spannung in der Hochdruckturbinenrotor- Periode der Sondierung der maximalen Laständerung auf bohrung und die Spannung in der Zwischendruckturbinenro- grösser als nTi genau erfasst, insbesondere auf den leichten

15

633857

Lastbereich des Turbinenbetriebs.

Erfindungsgemäss werden folgende Vorteile erhalten:

1) Die Werte für die Turbinendrehzahlerhöhung und Lasterhöhung werden durch eine Vorausberechnung der zukünftigen Rotorbeanspruchung, basierend auf der Vorausberechnung des Dampfzustandes am Turbineneinlass optimiert. Dies erlaubt einen sicheren Anlauf und einen sicheren Lastlauf der Turbine, der wirksam und zuverlässig der maximal zulässigen Spannung folgt, d.h. der Grenzspannung. Ausserdem trägt dies zur Reduzierung der Anlaufzeit auf ein Minimum und zum Verbessern der Lastnachlaufeigenschaft der Turbine bei.

2) Die am Steuerkomputer anliegende Last wird merklich s reduziert, da Arten und Beträge der durch On-line-Betrieb zu behandelnden Informationen reduziert sind. Da die vorliegende Spannung berücksichtigt wird, kann die Spannungssteuerung zusätzlich in stabiler Weise ausgeführt werden. Dementsprechend kann die Turbine mit verbesserter io Betriebssicherheit gesteuert werden.

B

8 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. 633857

   2

   PATENTANSPRÜCHE

   : Die W:j, Bespannungen im Rotor vorausberechnende Turbinensteueranordnung zur Verwendung in einem Kraftwerk mit einer Arbeitsfluidquelle zum Antreiben der Turbine, mit einem Turbinen-Einlassventil (11) zum Regulieren des Mengenstroms des Arbeitsfluids, das von der Quelle erzeugt und der Turbine (200,300,400) zugeführt wird, und mit einem mechanisch mit der Turbine verbundenen Generator (500), welche Turbinensteuerordnung folgende Bestandteile enthält: eine Recheneinrichtung (100) mit Eingängen wenigstens für Temperatursignale aus verschiedenen Teilen der Turbine und zur Berechnung von in der Turbine erzeugten Spannungen, woraus Befehle zur Änderung der Turbinenlast- oder Turbinendrehzahl erzeugt werden, und einen Turbinen-Regler ( 10) mit Eingängen für ein Ausgangssignal der Recheneinrichtung (100) und ein Signal für die Ist-Last oder die Ist-Drehzahl der Turbine zur Steuerung der Öffnungsweite des Turbinen-Einlassventils (11), dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (100) folgende Bestandteile enthält:

   eine erste Einrichtung (105) zur Feststellung, ob die Turbine im Drehzahl- oder Lastregelbetrieb läuft,

   eine zweite Einrichtung (151; 171), die je nach dem von der ersten Einrichtung (105) festgestellten Turbinenbetrieb als Ausgangssignale mehrere Änderungswerte der Turbinendrehzahl bzw. der Turbinenlast abgibt,

   eine dritte Einrichtung (152, 153, 154; 172,173,174) zur Vorausberechnung der über eine vorherbestimmte Zeit in verschiedenen Teilen der Turbine voraussichtlich erzeugten Spannungen entsprechend jedem der durch die zweite Einrichtung (151; 171) vorgegebenen Änderungswerte, wobei die dritte Einrichtung bei den vorausberechneten Spannungen einen Änderungswert wählt, der einer maximalen vorausberechneten Spannung entspricht, die eine vorbestimmte Grenzspannung nicht übersteigt und diesen Änderungswert als Ausgangssignal abgibt, und eine vierte Einrichtung ( 144; 165) zur Zufuhr des Änderungswertes als Ausgangssignal zum Regler (10).
2. 2. Turbinensteueranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (100) in Steuerzyklen arbeitet und ferner eine Spannungs-Überwachungs-einheit(141,142; 161,162) mit folgenden Bestandteilen enthält:

   eine fünfte Einrichtung (141; 161) zur Spannungsberechnung für einen Steuerzyklus in den verschiedenen Teilen der Turbine zur Berechnungszeit,

   eine sechste Einrichtung (142; 162) zur Prüfung, ob die gegenwärtige, von der fünften Einrichtung berechnete Spannung eine vorbestimmte Grenzspannung übersteigt, und eine siebte Einrichtung (143; 163) die eine Spannungs-Vor-ausberechnungseinheit (150; 170) die Berechnung bei jedem n-ten Steuerzyklus durchführen lässt, wobei n eine natürliche Zahl ist, so dass, wenn die sechste Einrichtung (142; 162) ein Überschreiten der vorbestimmten Grenzspannung feststellt, die vierte Einrichtung (144; 165) den zugeführten Änderungswert auf einen Wert ändert, bei dem die Turbine sicher arbeitet.
3. 3. Turbinensteueranordnung nach Anspruch 1, mit einer Schalter-Steuereinrichtung (14) zum Anschluss des Generators (500) über einen Schalter (16) an ein Netz und zur Erzeugung eines Steuerbefehls zum Schliessen des Schalters (16), wenn die Ausgangsspannung des Generators hinsichtlich Amplitude, Frequenz und Phase mit der Netzspannung übereinstimmt, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiten Einrichtung ( 171 ) bei zunehmender Drehzahl zusätzlich zu den Änderungswerten ein Signal zugeführt wird, das einer voraussichtlichen Anfangslast entspricht, die beim Schliessen des Schalters (16) auftreten wird, so dass die zweite Einrichtung (171) als Ausgangssignal ein dieser Anfangslast entsprechendes Signal erzeugt, wenn die Turbinendrehzahl im wesentlichen die Nenndrehzahl erreicht hat, wobei die dritte Einrichtung (172,173,174) die Spannungen für den Fall vorausberechnet, dass diese Anfangslast auftrete, und der Schalter-Steuereinrichtung (14) ein Schliess-Erlaubnissignal (15) gibt, wenn die vorausberechneten Spannungen unterhalb der Grenzspannung liegen, und dass die Schalter-Steuereinrichtung (14) dem Schalter (16) einen Schliessbefehl gibt, wenn sie von der Spannungs-Vorausberechnungseinheit (170) das Schliess-Erlaubnissignal erhält.
4. 4. Turbinensteueranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (100) ferner eine achte Einrichtung (103) zur Bestimmung der Spannungs-Vor-ausberechnungszeit in Abhängigkeit von der Temperatur des der Turbine zugeführten Dampfes aufweist, wobei diese Spannungs-Vorausberechnungszeit für die Vorausberechnung der thermischen Spannungen durch die genannte dritte Einrichtung (172,173,174) massgebend ist unter der Voraussetzung, dass die Turbine gemäss dem durch die zweite Einrichtung (171) erzeugten, der anfänglichen Turbinenlast entsprechenden Änderungswert arbeitet.
5. 5. Turbinensteueranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (100) eine neunte Einrichtung (104) zur Erfassung von Änderungen des Dampfzustandes am Turbineneinlass in bezug auf die Drehzahl oder Last aufweist, und dass die dritte Einrichtung (152, 153,154 oder 173,174) einen weiteren Dampfzustand vorausberechnet unter Berücksichtigung des Produkts der Änderungswerte aus der neunten Einrichtung (104) und einer vorbestimmten Zeitspanne, und die zu erwartenden thermischen Spannungen auf der Grundlage des zu erwartenden Dampfzustandes vorausberechnet.