Einrichtung zur Leistungsbestimmung einer Turbogruppe während Netzstörungen

Abstract

 Einrichtung zur Leistungsbestimmung einer Turbogruppe während Netzstörungen, wobei während der Dauer der Störung bzw. bis zum Abklingen der Signalschwingungen nach Auftreten der Störung die Arbeitsmitteldrücke am Anfang und Ende aller Turbinenteile zur Bildung eines die momentane Leistung der Turbogruppe repräsentierenden Signales benutzt werden, mit dem während der Störung die Regelung bewirkt wird.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Leistungsbestimmung einer Turbogruppe während Netzstörungen.

[0002] Bei Störfällen in einem von einer Turbogruppe gespeisten elektrischen Netz ist es wünschenswert, dass während der Dauer der Störung die mechanische Leistung festgestellt und dem neuen Lastzustand möglichst schnell angepasst wird. Denn das Signal der für den normalen, ungestörten Betrieb vorgesehenen Messgeräte für die elektrische Leistung des Generators wird beim Auftreten einer solchen Störung wegen der damit verbundenen starken, unkontrollierten Schwingungen unbrauchbar. Es dauert einige Zeit, bis diese Schwingungen abgeklungen sind. Aus diesem Grunde war es bisher nicht möglich, während der Störung und einer gewissen Zeit danach die Leistungsregelung aufrechtzuerhalten.

[0003] Es besteht daher ein Bedürfnis nach einer Einrichtung, die imstande ist, in einem solchen Störungsfalle die Leistung der Turbogruppe dem neuen Lastbedarf im Netz möglichst schnell anzupassen.

[0004] Die vorliegende, im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 definierte Erfindung beschreibt eine Einrichtung, die bei einem solchen Störungsfall die Leistungsregelung der Turbogruppe unverzüglich übernehmen kann.

[0005] Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf zwei in den Zeichnungen schematisch dargestellte Varianten der Einrichtung für eine Verwendung bei Damp-fturbogruppen näher beschrieben. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 eine Dampfturbogruppe mit den Druckmesstellen,

Fig. 2 die Funktionsverknüpfung der einzelnen für die Erzeugung eines Regelsignals erforderlichen Komponenten einer erfindungsgemässen Einrichtung,

Fig. 3 den Regelkreis der Einrichtung, und

Fig. 4 die Funktionsverknüpfung der Komponenten für eine gegenüber der Ausführung nach Fig. 2 einfacher aufgebaute Einrichtung gemäss der Erfindung.

[0006] Die Leistungsmessung beruht bei der gegenständlichen Einrichtung auf der Feststellung der Werte von Zustandsgrössen des Arbeitsmittels, bei den zwei zu beschreibenden Ausführungen also des Dampfes.

[0007] Die einfachste Methode, die bei der Einrichtung nach Fig. 4 angewandt wird, besteht darin, die momentane mechanische Leistung P(t) der Turbogruppe allein aufgrund der Dampfdrücke zu bestimmen. Die Anzapfdrücke p_1,i, p_2,i, p_1,i+1, p_2,i+l usw., siehe hiezu Fig. 1, j_e- weils vor und hinter einem Turbinenteil, erlauben mit Hilfe des Dampfkegelgesetzes Q_i(p_i) die Berechnung der Dampfflüsse Q.(t) und damit in erster Näherung der Leistung P_i(Q_i). Unter Turbinenteil ist ein Abschnitt der Turbine zwischen zwei Entnahmestellen für die Messung der Dampfdrücke P_1,i, ^p_{2 i} usw. zu verstehen.

[0008] In den Fällen, in denen beide Ventilgruppen, d.h., die Einlass- und die Abfangventile, in eine Drosselposition geführt werden, ist, falls eine höhere Genauigkeit gefordert wird, zu berücksichtigen, dass in den einzelnen Turbinenstufen, besonders vor den Abfangventilen, andere Druckverhältnisse herrschen als während eines üblichen Regelvorganges, bei dem nur die Einlassventile drosseln, die Abfangventile also nicht betätigt werden.

[0009] Für den vorerwähnten Fall dient zur Leistungsbestimmung die Beziehung

Darin ist Δh_i(t) die momentane Enthalpiedifferenz bei polytropischer Expansion und P_i,Verl die Verlustleistung des betreffenden Turbinenteils.

[0010] Die momentane Enthalpiedifferenz Δh_i(t) ist messtechnisch schwierig zu bestimmen und würde auch die Messung der Dampftemperaturen erfordern. Als praktischer Ausweg bietet sich daher eine Approximation für den Momentanwert von Δh_i(t) an. Für einen technisch vernünftig grossen Bereich in der Nähe des Ausgangszustandes, der durch den Index IC = Initial Condition gekennzeichnet wird, hat sich die folgende Beziehung als brauchbare Approximation herausgestellt:

[0011] Dieser Ausdruck wird im folgenden als (Δh_i/Δh_i,IC)_Appr bezeichnet.

[0012] Unter einem mit dem Index IC gekennzeichneten Zustand ist ein Bezugszustand zu verstehen, von dem die Werte aller massgeblichen Zustandsgrössen genau bekannt sind, z.B. der Beharrungszustand bei 100 % Last.

[0013] Die Exponenten e_1,i und e_2,i von (2) werden durch ein Optimierungsverfahren mittels Rechner bestimmt. Für einen konkreten Fall ist beispielsweise e_1,i = 0,71 und e_2,i = 0,28.

[0014] Die Verlustleistung P_i,Verl fasst die Austritts-, Ventilations- und Reibungsverluste zusammen. Sie kann ohne nennenswerte Beeinträchtigung der Genauigkeit durch eine Konstante approximiert werden.

[0015] Mit den vorstehenden Annahmen kann die Leistung eines Turbinenteils folgendermassen ausgedrückt werden.

[0016] Die Auswertung dieser Beziehung erfolgt durch die in Fig. 2 dargestellte Einrichtung zur Ausführung der durch die Beziehung (3) ausgedrückten Berechnungsschritte. Die

[0017] Komponenten dieser Einrichtungen sind handelsübliche Produkte aus dem Gebiet der elektronischen Regelung, wobei es sich sowohl um Analog- als auch um Analog-Digital-Analog-Geräte handeln kann.

[0018] Da nur die Dampfdrücke P_1,i, p_2,i usw. gemessen werden, sollen diese als die einzigen veränderlichen Werte bei der Verarbeitung der Beziehung (3) zu Regelsignalen verwendet werden. Die Beziehung (3) ist demnach so umzuformen, dass in ihr die Leistung als Funktion der einzigen Veränderlichen p_1,i, p_2,i,.....usw. erscheint. Dies geschieht durch folgende Substitutionen:

[0019] 

[0020] Die für den Turbinenteil i spezifische, praktisch über den ganzen Leistungsbereich gültige Konstante K_i fällt dabei heraus.

[0021] Aus (2) folgt: (Δh_i/Δh_i,IC) _{Appr ≈}

[0022] Die Gleichung (3) erhält demnach als Funktion von P_i die Form:

[0023] Die konstanten Glieder dieser Gleichung können zu der in Fig. 2 angegebenen Konstanten C_i zusammengezogen werden:

[0024] Setzt man die Verlustleistung P_i,Verl = b_i, so reduziert sich (3) auf

[0025] Die Auswertung dieser Beziehungen für alle n Turbinenteile i, i+1,...n zur Gewinnung eines Regelsignals für die Leistung P der ganzen Dampfturbogruppe kann durch die in Fig. 2 als Blockschema dargestellte Einrichtung, bestehend aus n Schaltungen von Rechenoperationselementen 1 bis 16, erfolgen. Die von diesen Elementen jeweils auszuführenden Operationen sind durch die in die Elemente eingetragenen Operationssymbole angedeutet.

[0026] Das erste Glied

von (6) wird auf bekannte Weise durch Zerlegung des Radikanden in

und Bildung der Summe bzw. Differenz von p_1,i und p_2,i in summenbildenden Elementen, d.h., in einem Addierer 1 und in einem Subtrahierer 2, Multiplikation derselben in einem Multiplizierer und Ziehen der Wurzel in einem Radizierer 4 berechnet. Weiters folgt in einem Multiplii zierer 6 die Multiplikation dieses Wertes mit der von einem Festwertspeicher 5 gelieferten Konstanten C_i, eine Multiplikation mit der vom Subtrahierer 2 gelieferten Differenz (P_1,i-p_2,i) in einem Multiplizierer 7, Multiplikationen mit p_1,^-e_i1,i und p_2,i ^e2,i in Multiplizierern 8 bzw. 9, welche Faktoren diesen Multiplizierern über mit P_1,i und P_2,i gespeiste Inverter 10 bzw. 11 sowie Poten- zierer 12 bzw. 13 zugeführt werden. Dieses Ergebnis wird im Subtrahierer 14 um den Wert der Verlustleistung, d.h., um die von einem zweiten Festwertspeicher 15 gelieferte Konstante b_i vermindert und schliesslich wird in einem Addierer 16 das Reglersignal P aus der Summe aller von den n Schaltungen gelieferten Werte P_i gebildet.

[0027] Fig. 3 zeigt in einem Blockschema den Regelkreis einer Dampfturbogruppe 17 mit der erfindu gsgemässen Einrichtung 18. Es ist dabei angenommen, dass die Entnahme der Dampfdrücke an zwei Turbinenteilen erfolgt, wobei die Druckentnahmeleitung 19 für den Druck p_1,1 die Druckentnahmeleitung 20 für den Druck p_{2 1} und gleichzeitig für den Druck p_1,2, der gleich p_2,1 ist, siehe hiezu Fig. l, und die Druckentnahmeleitung 21 für den Druck p_2,2 vorgesehen ist. Der Generator 22 speist im normalen, ordnungsgemässen Betriebszustand über eine Signalleitung 23 und ein Umschaltrelais 24 einen Leistungsregler 25 mit dem Momentanwert der elektrischen Last. Die Regelsignale des Leistungsreglers.25 gelangen zu den Stellorganen der Regelventilgruppe 26, welche die Dampfzufuhr in die Turbogruppe 17 dem jeweiligen Bedarf anpassen. Dies ist der Betrieb bei ungestörtem Netz, bei dem sich das Kontaktelement 27 des Umschaltrelais 24 in der strichliert gezeichneten Stellung (27) befindet.

[0028] Beim Auftreten einer Netzstörung bewirkt das vom Generator kommende Störsignal ein Umschalten des Kontaktelementes in die voll gezeichnete Stellung 27 und es tritt dann die Regelung mit der erfindungsgemässen Einrichtung 18 in Funktion.

[0029] Fig. 4 zeigt das Schema einer vereinfachten Ausführung der Einrichtung, wobei die Aenderung der momentanen Enthalpiedifferenz für die Erzeugung des Ausgangssignals vernachlässigt wird. Die Abfolge der Berechnungsschritte ist analog jener bei der Einrichtung nach Fig. 2 und die auszuwertende Beziehung für einen Turbinenteil i lautet wie folgt:

worin b_i ⁼ P_i,Verl ist.

[0030] Zur Gleichung (7) und zur Konstanten C_. gelangt man aus dem Kegelgesetz Q_i≈K_i

mit Q_i = Fluss im Turbinenteil i. Für die Leistung ist zu setzen

da die Nutzleistung linear mit dem Fluss Q_i zunimmt. Die Konstante C_i ergibt sich bei konstant angenommener Verlustleistung P_i,Verl wie im ersten Fall aus P_i/Pi,IC, wo- bei P_i,IC die Leistung bei einem Betriebszustand IC, beispielsweise Vollast, ist, bei dem die Konstanten a., K_i leicht ermittelt werden können. Da diese zwei Konstanten für den ganzen interessierenden Betriebsbereich gelten, gilt für einen beliebigen Zustand:

und für einen Vergleichszustand IC:

[0031] Daraus folgt

und

und aus

folgt nach Umformungen für die Leistung eines Turbinenteils i:

woraus man C. 1

erhält.

[0032] Der Regelkreis entspricht dem in Fig. 3 dargestellten. Die Anzapfung für die Messung der Drücke geschieht zweckmässig an den aus betrieblichen Gründen am Anfang und Ende der Turbinenteile von Haus aus vorhandenen Anzapfleitungen.

Ansprüche

l. Einrichtung zur Leistungsbestimmung einer Turbogruppe während Netzstörungen, wobei die Turbogruppe in n Turbinenteile unterteilt ist, an deren Anfang und Ende jeweils je eine, im allgemeinen für die Betriebsüberwachung dienende Druckmesstelle für den Arbeitsmitteldruck vorgesehen ist, sowie einen Regler (25) und Regelorgane (26) zur Leistungsregelung im normalen, ungestörten Betrieb aufweist, gekennzeichnet durch ein durch die Störung ausgelöstes Signal betätigbares Umschaltrelais (24), das dazu bestimmt ist, die Einrichtung (18) im Störungsfalle zu aktivieren, durch Drucksignalleitungen (19, 20, 21), die dazu bestimmt sind, von den genannten Druckmesstellen der Turbogruppe beaufschlagt zu werden, sowie durch n Gruppen von Rechnerelementen, deren jede je einem der n Turbinenteile zugeordnet ist, dass die Rechnerelemente (1 - 16; 28 - 36) jeder Gruppe so beschaffen sind, dass sie die von den Drucksignalleitungen (19, 20, 21) gelieferten Drücke (P_1,i, p_2,i, P_1,i+1, p_2,i+1, .... P_1,n,, p_2,n) als Eingangsgrössen zu einem_edie momentane Leistung P_i(t) eines Turbinenteils (i) im Störfall repräsentierenden Ausgangssignal verarbeiten, und dass ein Addierer (16; 36) vorgesehen ist, der die Ausgangssignale P.(t) zu einem resultierenden, die momentane Gesamtleistung P(t) der Turbogruppe repräsentierenden Ausgangssignal zusammenfasst, das dazu bestimmt ist, dem Regler (25) der Turbogruppe (17) zur Ausführung der Regelung während der Dauer des Störfalles zugeführt zu werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnerelemente (1 - 16) der n Gruppen jeweils zur Auswertung der Funktion

ausgelegt sind, worin p_1,i und p_2,i die Drücke am Anfang bzw. am Ende des i-ten Turbinenteils, e_1,i und e_2,i durch ein Optimierungsverfahren ermittelte Exponenten für den Anfang bzw. das Ende des i-ten Turbinenteils, die Konstante

mit Δh_i,IC = Enthalpiedifferenz im Turbinenteil i und die Konstante b_i die Verlustleistung P_i,Verl des ^Tur- binenteils i sowie der Index IC den Wert der betreffenden Grösse bei einem stationären, als Bezug dienenden Betriebszustand, z.B. Vollast,bedeuten.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnerelemente (28 - 36) der n Gruppen jeweils zur Auswertung der Funktion

ausgelegt sind, worin p_1,i und p_2,i die Drücke am An- fang bzw. am Ende des i-ten Turbinenteils, die Konstante

und die Konstante b_i die Verlustleistung P_i,Verl des Turbinenteils i sowie der Index IC den Wert der betreffenden Grösse bei einem stationären, als Bezug dienenden Betriebszustand, z.B. Vollast, bedeuten.

Zeichnung