EP3647657A1 - Speisewasserregelung für zwangdurchlauf-abhitzedampferzeuger - Google Patents

Speisewasserregelung für zwangdurchlauf-abhitzedampferzeuger Download PDF

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EP3647657A1
EP3647657A1 EP18203107.0A EP18203107A EP3647657A1 EP 3647657 A1 EP3647657 A1 EP 3647657A1 EP 18203107 A EP18203107 A EP 18203107A EP 3647657 A1 EP3647657 A1 EP 3647657A1
Authority
EP
European Patent Office
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evaporator
preheater
heating surfaces
flow
feed water
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18203107.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan BRÜCKNER
Tobias Schulze
Frank Thomas
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP18203107.0A priority Critical patent/EP3647657A1/de
Priority to EP19783975.6A priority patent/EP3827200B1/de
Priority to PCT/EP2019/075105 priority patent/WO2020088838A1/de
Priority to JP2021523264A priority patent/JP7114808B2/ja
Priority to ES19783975T priority patent/ES2927687T3/es
Priority to US17/282,022 priority patent/US11530812B2/en
Priority to CA3117871A priority patent/CA3117871C/en
Priority to KR1020217015943A priority patent/KR102558369B1/ko
Priority to CN201980070849.7A priority patent/CN113056639B/zh
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22D—PREHEATING, OR ACCUMULATING PREHEATED, FEED-WATER FOR STEAM GENERATION; FEED-WATER SUPPLY FOR STEAM GENERATION; CONTROLLING WATER LEVEL FOR STEAM GENERATION; AUXILIARY DEVICES FOR PROMOTING WATER CIRCULATION WITHIN STEAM BOILERS
    • F22D5/00—Controlling water feed or water level; Automatic water feeding or water-level regulators
    • F22D5/26—Automatic feed-control systems
    • F22D5/30—Automatic feed-control systems responsive to both water level and amount of steam withdrawn or steam pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B29/00—Steam boilers of forced-flow type
    • F22B29/06—Steam boilers of forced-flow type of once-through type, i.e. built-up from tubes receiving water at one end and delivering superheated steam at the other end of the tubes
    • F22B29/067—Steam boilers of forced-flow type of once-through type, i.e. built-up from tubes receiving water at one end and delivering superheated steam at the other end of the tubes operating at critical or supercritical pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B35/00—Control systems for steam boilers
    • F22B35/06—Control systems for steam boilers for steam boilers of forced-flow type
    • F22B35/10—Control systems for steam boilers for steam boilers of forced-flow type of once-through type
    • F22B35/12—Control systems for steam boilers for steam boilers of forced-flow type of once-through type operating at critical or supercritical pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22D—PREHEATING, OR ACCUMULATING PREHEATED, FEED-WATER FOR STEAM GENERATION; FEED-WATER SUPPLY FOR STEAM GENERATION; CONTROLLING WATER LEVEL FOR STEAM GENERATION; AUXILIARY DEVICES FOR PROMOTING WATER CIRCULATION WITHIN STEAM BOILERS
    • F22D5/00—Controlling water feed or water level; Automatic water feeding or water-level regulators
    • F22D5/26—Automatic feed-control systems
    • F22D5/34—Applications of valves

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a continuous steam generator designed as a waste heat steam generator. It also relates to a once-through steam generator for performing the method.
  • the feed water control concept for Benson evaporators is essentially based on the calculation of a pilot control signal for the feed water mass flow based on measured process variables.
  • a pilot control signal is typically calculated from known setpoints or disturbance variables of the control circuit or their changes and finally corrected multiplicatively with the output signal of the controller. It anticipates the controller's reaction to a setpoint change or a disturbance variable and increases the dynamics of the controller so that the desired overheating at the evaporator outlet (setpoint) is set as well as possible in all conceivable phases of the process.
  • Feed water regulations for Benson heat recovery steam generators are for example in EP 2 212 618 B1 or EP 2 297 518 B1 disclosed. Since the problem occurred in the context of the first application of a Benson evaporator in a vertical heat recovery steam generator, there are no further approaches to solving the problem. The problem solution chosen in the specific case existed in reducing the gain of the controller a little again. However, with this approach, depending on the given boundary conditions, a worse and, in an extreme case, undesirable operating behavior of the system must be accepted.
  • the invention achieves the object directed to a method by providing that in such a continuous steam generator with a number of evaporator heating surfaces and a number of preheater heating surfaces upstream of the fluid medium, in which a setpoint for the feed water mass flow is supplied to a device for setting a feed water mass flow, with the creation of the setpoint for the feed water mass flow, a waste heat flow transferred to a fluid in the evaporator heating surfaces is determined and mass storage and energy storage in the fluid in the evaporator heating surfaces are also taken into account.
  • the storage terms for mass storage and energy storage are advantageously determined from current measured values. This enables a particularly reliable evaluation of the heat flow balance and thus the determination of a particularly precisely calculated feed water setpoint.
  • the current measured values are expediently pressures and temperatures at the preheater inlet, at the preheater outlet or evaporator inlet and at the evaporator outlet.
  • this is coupled to a temporal behavior of a mass storage in the preheater, scaling taking place with a ratio of the density changes in the evaporator and in the preheater, so that the temporal course (without scaling) is exclusively due to, for example, the change an average density of the fluid in the preheater is defined.
  • boiling enthalpy and saturation enthalpy are determined via at least one pressure measurement at the evaporator inlet or at the evaporator outlet.
  • the correction values for mass storage and energy storage for determining the setpoint for the feed water mass flow are advantageously taken into account the time derivatives of the boiling and saturation enthalpies in the evaporator and a density of the flow medium in the Preheater determined.
  • an average fluid density in the preheater can be defined and calculated in particular by suitable measurements of temperature and pressure at the inlet and at the outlet of the respective preheater heating surface, expediently using a linear density profile. This can be used to compensate for mass storage effects that result from transient processes. If, for example, the heat supply drops into the evaporator heating surfaces during a load change, fluid is temporarily stored there. With a constant flow of the feed water pump, the mass flow would decrease when the heating surface emerged. This can now be compensated for by temporarily increasing the feed water mass flow.
  • time-varying processes or time derivatives are advantageously determined via a first and a second differentiating element, preferably DT1 elements, to which parameters such as temperature and pressure are supplied on the input side at suitable measuring points.
  • the first differentiator describing the time course of the density change in the preheater for the estimation of the mass storage is subjected to a gain factor corresponding to the total volume of the flow medium in the evaporator heating surfaces.
  • correction signals for the feed water mass flow generated with the invention can represent effects of mass and energy storage particularly advantageously if suitable gains and time constants are selected for the respective DT-1 element.
  • the first differentiating element is subjected to a time constant that corresponds to substantially half the throughput time of the flow medium through the evaporator.
  • the second differentiating element is subjected to a time constant for the estimation of the energy storage which is between 5s and 40s.
  • the above-mentioned object is achieved by a once-through steam generator with a number of evaporator heating surfaces and a number of preheater heating surfaces connected upstream of the fluid medium and with a device for adjusting the feed water mass flow, which can be carried out on the basis of a setpoint for the feed water mass flow, the setpoint being designed based on the inventive method is.
  • the correction of the pilot control signal by the controller can be significantly reduced and the controller can be parameterized with a lower gain.
  • the problem of undesirable process residual fluctuations of a significant order of magnitude described above can thus be eliminated.
  • the operating behavior of the system is not adversely affected.
  • Empirically found correction factors for the pilot control signal are also conceivable. Finding these, however, means a great deal of effort. In contrast, the described invention is based on physical approaches and does not have to be parameterized further.
  • the Figure 1 shows schematically the change in the algorithm resulting from the invention for calculating the setpoint for the feed water mass flow ⁇ FW .
  • the portion of the algorithm relevant to the invention is shown within the dashed outline and the state of the art outside.
  • the setpoint for the feed water mass flow ⁇ FW is therefore composed of the feed water mass flow for the evaporator ⁇ Ev, in and the mass flow ein- storage, ECO stored or stored in the preheater, corrected by a factor f Ctrl .
  • the feed water mass flow for the evaporator ⁇ Ev in results according to the prior art as the quotient of the heat flow Q ⁇ Ev, fl transferred from the exhaust gas to the fluid in the evaporator and the setpoint for the enthalpy change in the evaporator ⁇ h Ev, set.
  • the heat flow Q ⁇ Ev, fl transferred to the fluid in the evaporator in turn results from the heat flow in the exhaust gas Q EG minus the heat storage in the wall material of the heating surface pipes Q Storage, wall .
  • the term for the heat flow transferred to the fluid in the evaporator is supplemented and corrected by two further terms.
  • the first correction relates to the mass storage effect in the evaporator
  • the second correction relates to the energy storage effect in the evaporator.
  • the mass storage effect is in the heat flows Figure 1 through the product dm Ev German (Mass storage) and h Ev, out, set (enthalpy at the outlet of the evaporator). you Ev German stands for the energy storage effect.
  • Figure 2 shows these measured variables and the measuring points in the once-through heat recovery steam generator and their processing.
  • the once-through heat recovery steam generator according to Figure 2 comprises a preheater 1, also referred to as an economizer, for feed water provided as a flow medium, with a number of preheater heating surfaces 2, and an evaporator 3 with a number of evaporator heating surfaces 4 downstream of the preheater heating surfaces 2 on the flow medium side.
  • the evaporator 3 is followed by a superheater 12 with corresponding superheater heating surfaces 13.
  • the heating surfaces are located in a gas train, not shown, which is charged with the exhaust gas from an associated gas turbine system.
  • the once-through steam generator is designed for a controlled supply of feed water.
  • a feed water pump 31 is followed by a throttle valve 33 controlled by a servomotor 32, so that the feed water quantity conveyed by the feed water pump 31 in the direction of the preheater 1 or the feed water mass flow can be adjusted by suitable control of the throttle valve 33.
  • a throttle valve 33 is followed by a measuring device 34 for determining the feed water mass flow through the feed water line 35.
  • the servomotor 32 is controlled via a control element 36 which is supplied on the input side with a setpoint for the feed water mass flow supplied via a data line 37 and with the current actual value of the feed water mass flow determined via the measuring device 34. By forming a difference between these two signals, a need for tracking is transmitted to the controller 36, so that if the actual value deviates from the target value, corresponding tracking is required of the throttle valve 33 via the control of the motor 32.
  • the data line 37 is connected on the input side to a feedwater flow rate control 38 designed for specifying the setpoint value for the feedwater mass flow.
  • a feedwater flow rate control 38 designed for specifying the setpoint value for the feedwater mass flow.
  • This is designed to determine the setpoint for the feed water mass flow on the basis of a heat flow balance in the evaporator heating surfaces 4, the set value for the feed water mass flow ⁇ FW being determined by determining a waste heat flow transferred to a fluid in the evaporator heating surfaces 4 and furthermore mass storage and energy storage in the Fluid in the evaporator heating surfaces 4 are taken into account.
  • the Figure 2 in the feed water flow control 38 only those elements that are relevant for the correction of the feed water mass flow setpoint ⁇ FW according to the invention. The part known from the prior art is not shown.
  • the measured values for determining a setpoint for the feed water mass flow ⁇ FW are pressure and temperature values and the measuring points are in the areas of preheater inlet 5, preheater outlet 6 or evaporator inlet 7 and evaporator outlet 8.
  • the measured values determined are processed in function elements 14, 15, 16, 17 and 18.
  • the density of the fluid at various locations on the heating surfaces of preheater 1 and evaporator 3 is determined from the measured values of pressure and temperature by means of the first, second and third functional elements 14, 15 and 16.
  • the fourth and fifth function elements 17 and 18 provide the enthalpy of boiling and saturation from measured pressure values.
  • the storage term for mass storage dm Ev German is approximated by a mean value is first formed from the determined densities at the preheater inlet 5 and at the preheater outlet 6 via a first adder 19 and a first multiplier 20, which is then further processed in the first differentiator 9 with a correspondingly chosen time constant and with a total volume V Ev of the flow medium in the evaporator heating surfaces 4 corresponding gain factor in the second multiplier 21 is applied.
  • a further scaling takes place in a subsequent third multiplication element 22 with a ratio of the density changes of the fluid in the evaporator 3 and in the preheater 1, which is determined by means of the first and second subtracting elements 23 and 24 and the first dividing element 25 in the manner as in FIG Figure 2 shown.
  • the storage term for energy storage you Ev German is approximated by forming an average value from the determined enthalpies with the aid of the second adder 26 and the fourth multiplication member 27. This mean value is a good assumption for the specific enthalpy of the fluid in the evaporator 3.
  • the storage term for energy storage you Ev German is now determined by the sum of two terms.
  • the first term is determined by further processing the specific enthalpy of the fluid in the evaporator 3 in the second differentiator 10 with a correspondingly chosen time constant and with an average value of the fluid masses M Ev is applied in the evaporator at maximum and minimum load in the fifth multiplier 28. For the sake of simplicity, this mean value is regarded as a constant value over time.
  • the second term is determined by the specific enthalpy of the fluid in the evaporator 3 with the storage term for mass storage dm Ev German is multiplied. This takes place in the sixth multiplier 29.
  • the corresponding algorithm must be implemented in the function plans of the feed water control and thus in the power plant automation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines als Abhitzedampferzeuger ausgebildeten Durchlaufdampferzeugers mit einem Vorwärmer (1), umfassend eine Anzahl von Vorwärmerheizflächen (2), und mit einem Verdampfer (3), umfassend eine Anzahl von den Vorwärmerheizflächen (2) strömungsmediumseitig nachgeschalteten Verdampferheizflächen (4), bei dem einer Vorrichtung zum Einstellen eines Speisewassermassenstroms (M) ein Sollwert (Ṁ<sub>S</sub>) für den Speisewassermassenstrom (M) zugeführt wird, wobei bei der Erstellung des Sollwerts (Ṁ<sub>S</sub>) für den Speisewassermassenstrom ein auf ein Fluid in den Verdampferheizflächen (4) übertragener Abwärmestrom ermittelt wird, wobei ferner Massenspeicherung und Energiespeicherung im Fluid in den Verdampferheizflächen (4) berücksichtigt werden. Die Erfindung betrifft ebenfalls einen Zwangdurchlauf-Abhitzedampferzeuger (11).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines als Abhitzedampferzeuger ausgebildeten Durchlaufdampferzeugers. Sie bezieht sich weiterhin auf einen Zwangdurchlaufdampferzeuger zur Durchführung des Verfahrens.
  • Das Speisewasserregelungskonzept für Benson-Verdampfer basiert im Wesentlichen auf der Berechnung eines Vorsteuersignals für den Speisewassermassenstrom anhand gemessener Prozessgrößen. Ein solches Vorsteuersignal wird typischerweise aus bekannten Sollwerten oder Störgrößen des Regelkreises bzw. deren Änderungen berechnet und final mit dem Ausgangssignal des Reglers multiplikativ korrigiert. Es nimmt die Reaktion des Reglers auf eine Sollwertänderung oder eine Störgröße vorweg und erhöht die Dynamik des Reglers, so dass die gewünschte Überhitzung am Verdampferaustritt (Sollwert) in allen denkbaren Phasen des Prozesses möglichst gut eingestellt wird. Bei der Erstanwendung eines Benson-Verdampfers in einem Abhitzedampferzeuger vertikaler Bauart hat sich nun gezeigt, dass besagter Reglereingriff designbedingt deutlich stärker ausfallen muss als bei der bekannten horizontalen Bauweise. Allerdings erhöht sich dadurch auch die Schwingungsfähigkeit des Regelkreises. Dies führt dazu, dass eine unzureichende Stellgenauigkeit der Speisewasserregelventile (z. B. infolge geringer Hardwarequalität) noch zusätzlich an Bedeutung gewinnt. So lassen sich im Extremfall unerwünschte Prozessrestschwankungen von signifikanter Größenordnung bei sonst stationärem Anlagenbetrieb beobachten.
  • Speisewasserregelungen für Benson-Abhitzedampferzeuger sind beispielsweise in EP 2 212 618 B1 oder EP 2 297 518 B1 offenbart. Da das Problem im Rahmen der Erstanwendung eines Benson-Verdampfers in einem vertikalen Abhitzedampferzeuger auftrat, gibt es keine weiterführenden Ansätze zur Problemlösung. Die im konkreten Fall gewählte Problemlösung bestand darin, die Verstärkung des Reglers wieder etwas zu verringern. Allerdings muss bei dieser Herangehensweise in Abhängigkeit von den gegebenen Randbedingungen ein schlechteres und im Extremfall auch unerwünschtes Betriebsverhalten der Anlage in Kauf genommen werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben eines als Abhitzedampferzeuger ausgebildeten Durchlaufdampferzeugers bereitzustellen, bei dem eine verbesserte Speisewasserregelung zu einem stabilen Betriebsverhalten der Anlage führt. Des Weiteren soll ein für die Durchführung des Verfahrens besonders geeigneter Zwangdurchlaufdampferzeuger angegeben werden.
  • Die Erfindung löst die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einem derartigen Durchlaufdampferzeuger mit einer Anzahl von Verdampferheizflächen und einer Anzahl von strömungsmediumseitig vorgeschalteten Vorwärmerheizflächen, bei dem einer Vorrichtung zum Einstellen eines Speisewassermassenstroms ein Sollwert für den Speisewassermassenstrom zugeführt wird, wobei bei der Erstellung des Sollwerts für den Speisewassermassenstrom ein auf ein Fluid in den Verdampferheizflächen übertragener Abwärmestrom ermittelt wird und ferner Massenspeicherung und Energiespeicherung im Fluid in den Verdampferheizflächen berücksichtigt werden.
  • Mit diesem Verfahren, bei dem der Algorithmus zur Berechnung des Vorsteuersignals, der im Stand der Technik im einfachsten Fall lediglich den auf das Fluid im Verdampfer übertragenen Wärmestrom Q̇ Ev,fl berücksichtigt, der sich aus dem Wärmestrom im Abgas Q̇ EG abzüglich der Wärmespeicherung im Wandmaterial der Heizflächenrohre Q̇ Storage,wall ergibt, um den Einfluss der fluidseitigen Massen- und Energiespeichereffekte im Verdampfer erweitert wird, wird die Qualität des Vorsteuersignals insbesondere für den beschriebenen Anwendungsfall des vertikalen Abhitzedampferzeugers weiter verbessert und somit die notwendige Korrektur durch den Regler minimiert. Dies hat potentiell zur Folge, dass der Regler dann wieder schwächer parametriert werden kann, so dass das oben beschriebene Problem nicht auftritt, gleichzeitig aber auch das Betriebsverhalten der Anlage nicht negativ beeinflusst wird.
  • Vorteilhafter Weise werden die Speicherterme für Massenspeicherung und Energiespeicherung aus aktuellen Messwerten bestimmt. Damit ist eine besonders zuverlässige Auswertung der Wärmestrombilanz und somit die Ermittlung eines besonders genau vorausberechneten Speisewasser-Sollwerts ermöglicht.
  • Zweckmäßiger Weise sind die aktuellen Messwerte Drücke und Temperaturen am Vorwärmereingang, am Vorwärmerausgang respektive Verdampfereingang und am Verdampferausgang.
  • Zur Ermittlung des zeitlichen Verhaltens der Massenspeicherung im Verdampfer wird dieses an ein zeitliches Verhalten einer Massenspeicherung im Vorwärmer gekoppelt, wobei eine Skalierung mit einem Verhältnis der Dichteänderungen im Verdampfer und im Vorwärmer erfolgt, so dass der zeitliche Verlauf (ohne Skalierung) ausschließlich durch beispielsweise die Änderung einer mittleren Dichte des Fluids im Vorwärmer definiert wird.
  • Es ist vorteilhaft, wenn eine für die Abschätzung der Energiespeicherung benötigte spezifische Enthalpie des Fluids im Verdampfer durch den arithmetischen Mittelwert von Siede- und Sättigungsenthalpie approximiert wird.
  • Dabei ist es zweckmäßig, wenn Siedeenthalpie und Sättigungsenthalpie über mindestens eine Druckmessung am Verdampfereingang oder am Verdampferausgang ermittelt werden.
  • Die Korrekturwerte zu Massenspeicherung und Energiespeicherung für die Ermittlung des Sollwerts für den Speisewassermassenstrom werden vorteilhafterweise unter Berücksichtigung der zeitlichen Ableitungen der Siede- und Sättigungsenthalpien im Verdampfer sowie einer Dichte des Strömungsmediums im Vorwärmer bestimmt. Im Hinblick auf die Dichte kann insbesondere durch geeignete Messungen von Temperatur und Druck am Eintritt und am Austritt der jeweiligen Vorwärmerheizfläche eine mittlere Fluiddichte im Vorwärmer definiert und berechnet werden, wobei zweckmäßigerweise ein lineares Dichteprofil zugrunde gelegt wird. Damit lassen sich Massenspeichereffekte kompensieren, die sich bei transienten Vorgängen ergeben. Wenn beispielsweise bei einer Laständerung die Wärmezufuhr in die Verdampferheizflächen absinkt, so wird dort temporär Fluid eingespeichert. Bei konstantem Förderstrom der Speisewasserpumpe würde somit der Massenstrom beim Austritt der Heizfläche absinken. Dies lässt sich nun durch eine temporäre Erhöhung des Speisewassermassenstroms kompensieren.
  • In der Praxis werden diese zeitlich veränderlichen Vorgänge bzw. zeitlichen Ableitungen vorteilhafter Weise über ein erstes und ein zweites Differenzierglied, bevorzugt DT1-Glieder, ermittelt, denen eingangsseitig an geeigneten Messstellen Parameter wie Temperatur und Druck zugeführt werden.
  • Dabei ist es vorteilhaft, wenn das den zeitlichen Verlauf der Dichteänderung im Vorwärmer für die Abschätzung der Massenspeicherung beschreibende erste Differenzierglied mit einem dem Gesamtvolumen des Strömungsmediums in den Verdampferheizflächen entsprechenden Verstärkungsfaktor beaufschlagt wird.
  • Die mit der Erfindung erzeugten Korrektursignale für den Speisewassermassenstrom können Effekte der Massen- und der Energiespeicherung besonders vorteilhaft abbilden, wenn geeignete Verstärkungen und Zeitkonstanten für das jeweilige DT-1-Glied gewählt werden.
  • Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das erste Differenzierglied mit einer im Wesentlichen der Hälfte der Durchlaufzeit des Strömungsmediums durch den Verdampfer entsprechenden Zeitkonstante beaufschlagt wird.
  • Weiter ist es vorteilhaft, wenn das zweite Differenzierglied für die Abschätzung der Energiespeicherung mit einer Zeitkonstante beaufschlagt wird, die zwischen 5s und 40s liegt.
  • Bezüglich des Zwangdurchlaufdampferzeugers wird die genannte Aufgabe gelöst durch einen Zwangdurchlaufdampferzeuger mit einer Anzahl von Verdampferheizflächen und einer Anzahl von strömungsmediumseitig vorgeschalteten Vorwärmerheizflächen und mit einer Vorrichtung zum Einstellen des Speisewassermassenstroms, die anhand eines Sollwerts für den Speisewassermassenstrom führbar ist, wobei der Sollwert anhand des erfinderischen Verfahrens ausgelegt ist.
  • Mit der vorliegenden Erfindung kann die Korrektur des Vorsteuersignals durch den Regler merklich reduziert und der Regler mit einer geringeren Verstärkung parametriert werden. Das oben beschriebene Problem unerwünschter Prozessrestschwankungen von signifikanter Größenordnung kann damit beseitigt werden. Das Betriebsverhalten der Anlage wird nicht negativ beeinflusst.
  • Es sind auch empirisch gefundene Korrekturfaktoren für das Vorsteuersignal (oder gar ganze Parameterfelder) denkbar. Diese zu finden bedeutet allerdings einen sehr großen Aufwand. Im Gegensatz dazu basiert die beschriebene Erfindung auf physikalischen Ansätzen und muss nicht weiter parametriert werden.
  • Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch:
    • Figur 1 eine Skizze des Algorithmus zur Berechnung des Speisewassermassenstroms und
    • Figur 2 eine Darstellung der Messgrößen und der daraus abgeleiteten Approximationen für die Änderungen im Algorithmus zur Berechnung des Sollwerts des Speisewassermassenstroms, wie sie in der Kraftwerksautomatisierung zu implementieren sind.
  • Die Figur 1 zeigt schematisch die sich aus der Erfindung ergebende Änderung des Algorithmus zur Berechnung des Sollwerts für den Speisewassermassenstrom ṀFW. Dabei ist der erfindungsrelevante Anteil des Algorithmus innerhalb der gestrichelten Umrandung und der Stand der Technik außerhalb dargestellt.
  • Der Sollwert für den Speisewassermassenstrom ṀFW setzt sich demnach zusammen aus dem Speisewassermassenstrom für den Verdampfer ṀEv,in und dem im Vorwärmer ein- oder ausgespeicherten Massenstrom Ṁstorage,ECO, korrigiert mit einem Faktor fCtrl.
  • Der Speisewassermassenstrom für den Verdampfer ṀEv,in ergibt sich nach dem Stand der Technik als Quotient des vom Abgas auf das Fluid im Verdampfer übertragenen Wärmestroms Q̇ Ev,fl und des Sollwerts für die Enthalpieänderung im Verdampfer Δh Ev,set. Der auf das Fluid im Verdampfer übertragene Wärmestrom Q̇ Ev,fl wiederum ergibt sich aus dem Wärmestrom im Abgas Q EG abzüglich der Wärmespeicherung im Wandmaterial der Heizflächenrohre Q Storage,wall.
  • Erfindungsgemäß wird der Term für den auf das Fluid im Verdampfer übertragenen Wärmestrom durch zwei weitere Terme ergänzt und korrigiert.
  • Die erste Korrektur betrifft den Massenspeichereffekt im Verdampfer, die zweite Korrektur betrifft den Energiespeichereffekt im Verdampfer.
  • Der Massenspeichereffekt ist in den Wärmeströmen der Figur 1 durch das Produkt aus dM Ev dt
    Figure imgb0001
     (Massenspeicherung) und hEv,out,set (Enthalpie am Austritt des Verdampfers) dargestellt. dU Ev dt
    Figure imgb0002
     steht für den Energiespeichereffekt.
  • Diese Werte werden gemäß der Erfindung geeignet approximiert, so dass sie aus gemessenen Prozessgrößen bestimmt werden können.
  • Figur 2 zeigt diese Messgrößen bzw. die Messpunkte im Zwangdurchlauf-Abhitzedampferzeuger und deren Verarbeitung.
  • Der Zwangdurchlauf-Abhitzedampferzeuger gemäß Figur 2 umfasst einen auch als Economizer bezeichneten Vorwärmer 1 für als Strömungsmedium vorgesehenes Speisewasser, mit einer Anzahl von Vorwärmerheizflächen 2, sowie einen Verdampfer 3 mit einer Anzahl von den Vorwärmerheizflächen 2 strömungsmediumseitig nachgeschalteten Verdampferheizflächen 4. Auf den Verdampfer 3 folgt ein Überhitzer 12 mit entsprechenden Überhitzerheizflächen 13. Die Heizflächen befinden sich in einem nicht näher dargestellten Gaszug, der mit dem Abgas einer zugeordneten Gasturbinenanlage beaufschlagt wird.
  • Der Zwangdurchlaufdampferzeuger ist, wie bereits ausgeführt, für eine geregelte Beaufschlagung mit Speisewasser ausgelegt. Dazu ist einer Speisewasserpumpe 31 ein von einem Stellmotor 32 angesteuertes Drosselventil 33 nachgeschaltet, so dass über eine geeignete Ansteuerung des Drosselventils 33 die von der Speisewasserpumpe 31 in Richtung des Vorwärmers 1 geförderte Speisewassermenge oder der Speisewassermassenstrom einstellbar ist. Zur Ermittlung eines aktuellen Kennwerts für den zugeführten Speisewassermassenstrom ist dem Drosselventil 33 eine Messeinrichtung 34 zur Ermittlung des Speisewassermassenstroms durch die Speisewasserleitung 35 nachgeschaltet. Der Stellmotor 32 ist über ein Regelelement 36 angesteuert, das eingangsseitig mit einem über eine Datenleitung 37 zugeführten Sollwert für den Speisewassermassenstrom und mit dem über die Messeinrichtung 34 ermittelten aktuellen Istwert des Speisewassermassenstroms beaufschlagt ist. Durch Differenzbildung zwischen diesen beiden Signalen wird and den Regler 36 ein Nachführungsbedarf übermittelt, so dass bei einer Abweichung des Ist- vom Sollwert eine entsprechende Nachführung des Drosselventils 33 über die Ansteuerung des Motors 32 erfolgt.
  • Zur Ermittlung eines besonders bedarfsgerechten Sollwerts für den Speisewassermassenstrom in der Art einer prädiktiven, vorausschauenden oder am zukünftigen oder aktuellen Bedarf orientierten Einstellung des Speisewassermassenstroms ist die Datenleitung 37 eingangsseitig mit einer zur Vorgabe des Sollwerts für den Speisewassermassenstrom ausgelegten Speisewasserdurchflussregelung 38 verbunden. Diese ist dafür ausgelegt den Sollwert für den Speisewassermassenstrom anhand einer Wärmestrombilanz in den Verdampferheizflächen 4 zu ermitteln, wobei der Sollwert für den Speisewassermassenstrom ṀFW dadurch ermittelt wird, dass ein auf ein Fluid in den Verdampferheizflächen 4 übertragener Abwärmestrom bestimmt wird und ferner Massenspeicherung und Energiespeicherung im Fluid in den Verdampferheizflächen 4 berücksichtigt werden. Zu Lasten der Vollständigkeit, aber zugunsten der Übersichtlichkeit zeigt die Figur 2 in der Speisewasserdurchflussregelung 38 lediglich die Elemente, die für die erfindungsgemäße Korrektur des Speisewassermassenstromsollwertes ṀFW relevant sind. Der aus dem Stand der Technik bekannte Teil ist nicht dargestellt.
  • Die Messwerte zur Bestimmung eines Sollwerts für den Speisewassermassenstrom ṀFW sind Druck- und Temperaturwerte und die Messstellen liegen in den Bereichen Vorwärmereingang 5, Vorwärmerausgang 6 bzw. Verdampfereingang 7 und Verdampferausgang 8.
  • Die ermittelten Messwerte werden in Funktionsgliedern 14, 15, 16, 17 und 18 verarbeitet. Mittels der ersten, zweiten und dritten Funktionsglieder 14, 15, und 16 wird aus den Messwerten zu Druck und Temperatur die Dichte des Fluids an verschiedenen Orten der Heizflächen von Vorwärmer 1 und Verdampfer 3 bestimmt. Die vierten und fünften Funktionsglieder 17 und 18 liefern aus gemessenen Druckwerten die Siede- und Sättigugnsenthalpie.
  • Der Speicherterm für die Massenspeicherung dM Ev dt
    Figure imgb0003
     wird approximiert, indem aus den ermittelten Dichten am Vorwärmereingang 5 und am Vorwärmerausgang 6 zuerst über ein erstes Addierglied 19 und ein erstes Multiplikationsglied 20 ein Mittelwert gebildet wird, der anschließend im ersten Differenzierglied 9 mit einer entsprechend gewählten Zeitkonstanten weiter verarbeitet und mit einem dem Gesamtvolumen VEv des Strömungsmediums in den Verdampferheizflächen 4 entsprechenden Verstärkungsfaktor im zweiten Multiplikationsglied 21 beaufschlagt wird.
  • Eine weitere Skalierung erfolgt in einem nachfolgenden dritten Multiplikationsglied 22 mit einem Verhältnis der Dichteänderungen des Fluids im Verdampfer 3 und im Vorwärmer 1, welches mittels der ersten und zweiten Subtrahierglieder 23 und 24 und des ersten Dividierglieds 25 in der Weise bestimmt wird, wie in der Figur 2 gezeigt.
  • Der Speicherterm für die Energiespeicherung dU Ev dt
    Figure imgb0004
     wird approximiert, indem aus den ermittelten Enthalpien ein Mittelwert mit Hilfe des zweiten Addierglieds 26 und des vierten Multiplikationsglieds 27 gebildet wird. Dieser Mittelwert stellt eine gute Annahme für die spezifische Enthalpie des Fluids im Verdampfer 3 dar.
  • Der Speicherterm für die Energiespeicherung dU Ev dt
    Figure imgb0005
     wird nun durch die Summe zweier Terme bestimmt. Der erste Term wird dadurch ermittelt, dass die spezifische Enthalpie des Fluids im Verdampfer 3 im zweiten Differenzierglied 10 mit einer entsprechend gewählten Zeitkonstanten weiter verarbeitet und mit einem Mittelwert der Fluidmassen M Ev im Verdampfer bei maximaler und minimaler Last im fünften Multiplikationsglied 28 beaufschlagt wird. Dieser Mittelwert wird der Einfachheit halber als zeitlich konstanter Wert angesehen. Der zweite Term wird ermittelt, indem die spezifische Enthalpie des Fluids im Verdampfer 3 mit dem Speicherterm für die Massenspeicherung dM Ev dt
    Figure imgb0006
     multipliziert wird. Dies erfolgt im sechsten Multiplikationsglied 29.
  • Im dritten Addierglied 30 werden die beiden Terme zusammengeführt.
  • Der entsprechende Algorithmus ist in den Funktionsplänen der Speisewasserregelung und damit in der Kraftwerksautomatisierung zu implementieren.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Betreiben eines als Abhitzedampferzeuger ausgebildeten Durchlaufdampferzeugers mit einem Vorwärmer (1), umfassend eine Anzahl von Vorwärmerheizflächen (2), und mit einem Verdampfer (3), umfassend eine Anzahl von den Vorwärmerheizflächen (2) strömungsmediumseitig nachgeschalteten Verdampferheizflächen (4), bei dem einer Vorrichtung zum Einstellen eines Speisewassermassenstroms ein Sollwert für den Speisewassermassenstrom zugeführt wird, wobei bei der Erstellung des Sollwerts für den Speisewassermassenstrom ein auf ein Fluid in den Verdampferheizflächen (4) übertragener Abwärmestrom ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ferner Massenspeicherung und Energiespeicherung im Fluid in den Verdampferheizflächen (4) berücksichtigt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Speicherterme für Massenspeicherung und Energiespeicherung aus aktuellen Messwerten bestimmt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die aktuellen Messwerte Drücke und Temperaturen am Vorwärmereingang (5), am Vorwärmerausgang (6) respektive Verdampfereingang (7) und am Verdampferausgang (8) sind.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein zeitliches Verhalten der Massenspeicherung im Verdampfer (3) an ein zeitliches Verhalten einer Massenspeicherung im Vorwärmer (1) gekoppelt wird, wobei eine Skalierung mit einem Verhältnis der Dichteänderungen im Verdampfer (3) und im Vorwärmer (1) erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine für die Abschätzung der Energiespeicherung benötigte spezifische Enthalpie des Fluids im Verdampfer (3) durch den arithmetischen Mittelwert von Siede- und Sättigungsenthalpie approximiert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei Siedeenthalpie und Sättigungsenthalpie über mindestens eine Druckmessung entweder am Verdampfereingang (7) oder am Verdampferausgang (8) ermittelt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei zeitliche Ableitungen der Siede- und Sättigungsenthalpien im Verdampfer (3) sowie einer Dichte des Strömungsmediums im Vorwärmer (1) ausgewertet werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die zeitlichen Ableitungen über erste und zweite Differenzierglieder (9, 10) ermittelt werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das den zeitlichen Verlauf der Dichteänderung im Vorwärmer (1) für die Abschätzung der Massenspeicherung beschreibende erste Differenzierglied (9) mit einem dem Gesamtvolumen des Strömungsmediums in den Verdampferheizflächen (4) entsprechenden Verstärkungsfaktor beaufschlagt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei das erste Differenzierglied (9) mit einer im Wesentlichen der Hälfte der Durchlaufzeit des Strömungsmediums durch den Verdampfer (3) entsprechenden Zeitkonstante beaufschlagt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das zweite Differenzierglied (10) für die Abschätzung der Energiespeicherung mit einer Zeitkonstante beaufschlagt wird, die zwischen 5s und 40s liegt.
  12. Zwangdurchlauf-Abhitzedampferzeuger (11) mit einer Anzahl von Verdampferheizflächen (4) und einer Anzahl von strömungsmediumseitig vorgeschalteten Vorwärmerheizflächen (2) und mit einer Vorrichtung zum Einstellen des Speisewassermassenstroms, die anhand eines Sollwerts für den Speisewassermassenstrom führbar ist, wobei der Sollwert anhand des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgelegt ist.
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