Verfahren zur Regelung der Speisewassermenge einer Dampferzeugeranlage

Abstract

 Bei dem Regelverfahren wird die Differenz ΔT (171) zwischen der Dampftemperatur (TE,16) am Eintritt eines Wasserabscheiders (4) und der Sättigungstemperatur (50) des Dampfes beim zugehörigen Wasserabscheiderdruck (P,51) gebildet und mit einer ausgewählten Grenzwert-Temperatur G ≧ 0°C verglichen (70). Abhängig von diesem Vergleich wird ein die Speisewasserzufuhr beein­flussendes Umschaltorgan (7) so gesteuert, dass
bei Temperaturdifferenzen ΔT kleiner oder gleich Null ( ΔT ≦ 0) das erste Signal (-1) auf die Steuermittel (6) ein­wirkt,
bei Temperaturdifferenzen ΔT grösser als der Grenzwert G ( ΔT > G) das zweite Signal (+1) auf die Steuermittel (6) einwirkt und
bei Temperaturdifferenzen ΔT grösser als Null (0), aber kleiner als der oder gleich dem Grenzwert G (0 < ΔT ≦ G) das zeitlich davor zuletzt wirkende, erste oder zweite Signal weiter auf die Steuermittel einwirkt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Speisewassermenge einer mit fossilen Brennstoffen be­feuerten Dampferzeugeranlage, die eine in einer Speise­wasserleitung angeordnete Speisewasserpumpe, einen der Speisewasserpumpe nachgeschalteten Verdampfer, einen dem Verdampfer nachgeschalteten Wasserabscheider, Steuermit­tel zur Steuerung der Speisewassermenge und ein Umschalt­organ enthält, das bei niedriger Dampferzeugerlast mit Nassdampf ein vom Wasserstand im Wasserabscheider ausge­löstes, erstes Signal und bei hoher Dampferzeugerlast mit Trockendampf ein von der Dampftemperatur stromunterhalb des Wasserabscheiders ausgelöstes, zweites Signal auf die Steuermittel einwirken lässt.

[0002] Aus der CH-PS 517 266 ist ein solches Verfahren bekannt, bei dem das Umschaltorgan vom Druck des Speisewassers an einer Druckmessstelle zwischen der Speisewasserpumpe und dem Verdampfer gesteuert wird. Das bekannte Verfahren funktioniert zufriedenstellend für eindeutig niedrige Lasten mit Nassdampf und eindeutig hohe Lasten mit Trockendampf. Bei Lasten um 45%, d.h. in der Nähe des Uebergangs von Nass- auf Trockendampf und umgekehrt, hat sich das bekannte Verfahren jedoch nicht bewährt, weil das Umschaltorgan zum zyklischen Schwanken zwischen den beiden Steuerungsarten neigt.

[0003] Darüberhinaus wird der Druck in der Speisewasserleitung von verschiedenen Faktoren beeinflusst, wie z.B. vom Verschmutzungsgrad der stromunterhalb der Druckmessstelle angeordneten Wasser- bzw. Dampfleitungen; diese Faktoren führen zu unerwünschten Abweichungen in der Regelung und verschlimmern insbesondere die Problematik im Zusammen­hang mit dem kritischen Lastbereich um 45% Last zusätz­lich.

[0004] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Steuerung des Umschaltorgans so zu verbessern, dass sie bei allen Lasten zuverlässig arbeitet und von Störungen in der Dampferzeugeranlage weitgehend unbeeinflusst bleibt.

[0005] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Differenz ΔT zwischen der Dampftemperatur am Eintritt des Wasser­abscheiders und der Sättigungstemperatur des Dampfes beim zugehörigen Wasserabscheiderdruck gebildet wird, dass diese Temperaturdifferenz ΔT mit einer Grenzwert-­Temperatur G ≧ 0°C verglichen wird und dass das Umschalt­organ so gesteuert wird, dass bei Temperaturdifferenzen ΔT kleiner oder gleich Null das erste Signal auf die Steuermittel einwirkt, bei Temperaturdifferenzen ΔT grösser als der Grenzwert G das zweite Signal auf die Steuermittel einwirkt und bei Temperaturdifferenzen ΔT grösser als Null, aber kleiner als der oder gleich dem Grenzwert G das zeitlich davor zuletzt wirkende, erste oder zweite Signal weiter auf die Steuermittel einwirkt.

[0006] Durch den Vergleich der Dampftemperatur am Eintritt des Wasserabscheiders mit der Sättigungstemperatur des Dampfes beim zugehörigen Wasserabscheiderdruck wird der Wassergehalt des in dem Wasserabscheider eintretenden Dampfes eindeutig und unbeeinflusst von Störfaktoren festgestellt. Ferner wird durch die Auswahl der Grenzwert-Temperatur im kritischen Lastbereich ein unkontrolliertes Hin- und Herschwanken der Speisewasser­menge verhindert; die Auswahl oder Festlegung der Grenz­wert-Temperatur erfolgt für jede Anlage experimentell so, dass die eingangs geschilderten zyklischen Schwankungen des Umschaltorgans verhindert werden.

[0007] Die Ansprüche 2 bis 5 kennzeichnen besonders vorteilhafte Varianten des erfindungsgemässen Verfahrens.

[0008] Die Variante nach Anspruch 6 sichert eine rasche Anpas­sung der Speisewassermenge an Aenderungen der Feuerung, wobei Anspruch 7 eine bevorzugte Anwendungsform der Variante nach Anspruch 6 darstellt, nach der eine Wirkung des dritten Signals bei Nassdampf am Eintritt des Wasser­abscheiders verhindert wird. In diesem Betriebszustand würde nämlich das dritte Signal normalerweise dem ge­wünschten Regelverlauf entgegenwirken, da z.B. bei einer Lasterhöhung durch Vergrössern der Brennstoffmenge das dritte Signal eine parallele Zunahme der Speisewasser­menge bewirken würde, wodurch weniger Dampf erzeugt würde und somit eine unerwünschte Erwärmung der dem Wasserab­scheider nachgeschalteten Dampfleitungen einträte.

[0009] Aufgrund der Zeichnung werden nun die Erfindung und die damit verbundenen Vorteile näher erläutert.

[0010] Die Zeichnung zeigt schematisch die wesentlichen Teile einer erfindungsgemässen Dampferzeugeranlage. Eine in einer Speisewasserleitung 1 angeordnete Speisewasserpumpe 2, ein dieser Pumpe 2 nachgeschalteter Verdampfer 3, ein diesem nachgeschalteter Wasserabscheider 4 sowie Steuer­mittel 6 zur Steuerung der Speisewassermenge und ein in einer Steuereinheit 71 angeordnetes Umschaltorgan 7 sind zusammen mit einer fossilen Brennstoff verbrennenden Feuerung die Hauptkomponenten der Dampferzeugeranlage. Das Umschaltorgan 7 lässt bei niedriger Last mit Nass­dampf ein vom Wasserstand im Wasserabscheider 4 ausge­löstes, erstes Signal und bei hoher Last, mit Trocken­dampf, ein von einer Dampftemperatur stromunterhalb des Wasserabscheiders 4 ausgelöstes, zweites Signal auf die Steuermittel 6 einwirken. Zwischen der Speisewasserpumpe 2 und dem Verdampfer 3 ist ein ebenfalls von der Feuerung 3′ erwärmter Ekonomizer 8 angeordnet. Dampfseitig sind dem Wasserabscheider 4 ein erster und ein zweiter Dampf­überhitzer 5 bzw. 5′ in Serie nachgeschaltet. Eine Umwälzpumpe 9 dient der Umwälzung des im Wasserabscheider 4 anfallenden Wassers durch eine Wasseraustrittleitung 14, den Ekonomizer 8, den Verdampfer 3 und zurück zum Abscheider 4.

[0011] In der Wasseraustrittsleitung 14 ist ein in Umwälzrich­tung durchströmtes Rückschlagventil 15 vorgesehen, das verhindert, dass Wasser aus der Speisewasserleitung 1 über die Leitung 14 in den Abscheider 4 strömt. Eine Leitung 12 verbindet den Ausgang des Verdampfers 3 mit dem Eintritt des Abscheiders 4; in ihr ist ein erstes Temperaturmessgerät 16 vorgesehen. Eine dampfseitige Verbindung des Abscheiders 4 mit dem ersten Ueberhitzer 5 erfolgt über eine Dampfaustrittsleitung 13, in der ein Durchflussmesser 25 angeordnet ist.

[0012] Der Austritt des zweiten Ueberhitzers 5′ ist über eine Turbinendampfleitung 18 mit einer Dampfturbine 10 verbun­den, die einen Generator 11 antreibt. Der Austritt der Dampfturbine 10 ist über in der Zeichnung nicht gezeigte Rohrleitungen an die Speisewasserleitung 1 angeschlossen.

[0013] Diese Leitungen enthalten Wärmeübertrager, einen Konden­sator und eventuell eine Wasseraufbereitungsanlage sowie einen Speisewassertank mit Frischwasseranschluss. Bei Bedarf können auch Zwischenüberhitzer für die Dampf­turbine 10 in der Dampferzeugeranlage vorgesehen werden. Der Wasserabscheider 4 weist einen Wasserstandsmesser 20 auf. Eine Verbindungsleitung zwischen dem ersten und dem zweiten Ueberhitzer 5 bzw. 5′ enthält ein zweites Tempe­raturmessgerät 30. Eine die Feuerung 3′ speisende Brenn­stoffzufuhrleitung 3˝ enthält einen Durchflussmesser 35 für die zur Feuerung strömende Brennstoffmenge ṁ_B.

[0014] Das erste Temperaturmessgerät 16 erzeugt ein der Dampf­temperatur T_E am Eintritt des Wasserabscheiders 4 propor­tionales Signal. In einem ersten Vergleichsorgan 171 wird die Differenz ΔT zwischen dieser Temperatur T_E und der Sättigungstemperatur 50 des Dampfes beim zugehörigen Wasserabscheiderdruck gebildet, der durch einen Mess­fühler 51 gemessen und einem Gerät 52 zugeführt wird, in dem die zugehörige Sättigungstemperatur 50 ermittelt wird. Diese Temperaturdifferenz ΔT wird über eine Signalleitung 19 einem Steuerorgan 70 zugeführt, das über eine weitere Signalleitung 19′ auf das Umschaltorgan 7 auf eine weiter unten beschriebene Weise einwirkt.

[0015] Der Wasserstandsmesser 20 sendet ein dem Wasserstand im Abscheider 4 proportionales Signal über eine Signallei­tung 29, zu einem zweiten Vergleichsorgan 172, in dem dieses Signal mit einem Wasserstandssollwert 21 vergli­chen wird. Die Differenz der beiden Signale wird einem PID-Regler 22 und von diesem einem dritten Vergleichsor­gan 173 zugeführt. Diesem dritten Vergleichsorgan 173 fliesst ausserdem ein dem Dampfstrom ṁ_D in der Dampfaus­trittsleitung 13 proportionales, vom Durchflussmesser 25 erzeugtes Signal zu, das über eine ein Glied 26 zur Abschwächung der Signalstärke enthaltende Signalleitung 39 übertragen wird. Durch Summierung der aus dem Wasser­standsmesser 20 und dem Durchflussmesser 25 stammenden Signale wird im dritten Vergleichsorgan 173 das - als "erstes Signal" bezeichnete - Signal 101 gebildet, das über eine Signalleitung 49, zu einem ersten Kontakt 27 des Umschaltorgans 7 weitergeleitet wird.

[0016] Das Temperaturmessgerät 30 sendet ein der Dampftemperatur T_A zwischen dem ersten und dem zweiten Ueberhitzer 5 bzw. 5′ proportionales Signal über eine Signalleitung 59 zu einem vierten Vergleichsorgan 174, in dem die Differenz zwischen dieser Temperatur und einem Temperatursollwert 31 gebildet wird. Diese Differenz wird einem weiteren PID-Regler 32 zugeführt, der ein - als "zweites Signal" bezeichnetes - Signal 102 bildet und auf einen zweiten Kontakt 37 des Umschaltorgans 7 einwirken lässt.

[0017] Ueber eine Signalleitung 69 verbindet das Umschaltorgan 7 - gesteuert von der Temperaturdifferenz ΔT - einen der beiden Kontakte 27 und 37 mit einem fünften Vergleichsor­gan 175 und überträgt so mit Hilfe der Steuereinheit 71 das "erste" oder das "zweite Signal" auf dieses Ver­gleichsorgan.

[0018] Diesem Vergleichsorgan 175 wird ausserdem von einem Maximalwertglied 40 ein Signal 43 additiv aufgegeben, das ein "drittes Signal" bildet. Das Maximalglied 40 empfängt ein Signal 41, das eine vorgewählte Minimallast - vor­zugsweise diejenige, bei der der Uebergang von Nassdampf auf Trockendampf und umgekehrt stattfindet - wiederspie­gelt, und ein vom Durchflussmesser 35 ausgelöstes Signal 42, das der die Last des Dampferzeugers bestimmenden Brennstoffmenge ṁ_B proportional ist und das in einem dynamischen Glied 42′ für einen Vergleich mit dem Mini­mallastsignal 41 umgeformt wurde. Das Maximalwertglied 40 wählt dann das dem grösseren der beiden Signale 41 und 42 entsprechende dritte Signal 43 aus. Dieses wird, wie bereits erwähnt, dem Vergleichsorgan 175 zugeführt. Die Summe aus dem von der Steuereinheit 71 her stammenden Signal und dem Signal 43 wird in die Steuermittel 6 eingegeben, die auf die Speisewassermenge einwirken.

[0019] Bei den Steuermitteln 6 handelt es sich um eine übliche Ausführung, die sowohl auf die Drehzahl der Speisewas­serpumpe 2 als auch auf ein Ventil in der Speisewasser­leitung 1 oder auf beides einwirken kann. Da diese Mittel an sich bekannt und nicht erfindungswesentlich sind, wird hier nicht näher darauf eingegangen.

[0020] Die Dampferzeugeranlage nach der Zeichnung arbeitet wie folgt:
Die Speisewasserpumpe 2 fördert Speisewasser über die Speisewasserleitung 1 in den Ekonomizer 8, in dem es von der Feuerung 3′ vorgewärmt wird; vom Ekonomizer 8 gelangt das vorgewärmte Wasser in den Verdampfer 3. Hier wird es verdampft und tritt entweder als Nass- oder als Trocken­dampf über die Leitung 12 in den Wasserabscheider 4 ein. Der Wasserabscheider 4 trennt die flüssige und die dampfförmige Phase des eintretenden Dampfes voneinander, wonach die flüssige Phase mit Hilfe der Umwälzpumpe 9 über die Wasseraustrittsleitung 14 und das Rückschlagven­til 15 in die Speisewasserleitung 1 zurückgeführt wird, während die dampfförmige Phase über die Dampfaustritts­leitung 13 den Ueberhitzern 5, 5′ zufliesst. Der über­hitzte Dampf wird über die Turbinendampfleitung 18 zur Dampfturbine 10 geleitet, in der er expandiert und Arbeit zur Erzeugung von elektrischem Strom im Generator 11 leistet.

[0021] Die im ersten Vergleichsorgan 171 festgestellte Tempera­turdifferenz ΔT wird im Steuerogan 70 ausgewertet. Dieses gibt jeweils eines der drei folgenden Befehlssi­gnale "S" aus:
- S = -1, wenn die Temperaturdifferenz kleiner oder gleich Null ist,
- S = +1, wenn die Temperaturdifferenz grösser als ein Grenzwert G ist, und
- S = 0, wenn die Temperaturdifferenz grösser als Null, aber kleiner als der oder gleich dem Grenzwert G ist.

[0022] Bei S = -1 liegt das Umschaltorgan 7 am ersten Kontakt 27 an und gibt das "erste Signal" über das Vergleichsorgan 175 an die Steuermittel 6 weiter. Ist dagegen das Be­fehlssignal S = +1, so liegt das Umschaltorgan 7 am zweiten Kontakt 37 an und leitet das "zweite Signal" weiter. Bei einem Befehl S = 0 bleibt das Umschaltorgan 7 in einer neutralen Stellung, wobei das zeitlich davor zuletzt dem fünften Vergleichsorgan 175 zugeführte erste oder zweite Signal mit Hilfe der Steuereinheit 71 festge­halten und dem fünften Vergleichsorgan 175 weiterhin zugeleitet wird.

[0023] Der Grenzwert G ≧ 0°C wird dabei für die Dampferzeugeran­lage empirisch so niedrig wie möglich festgelegt, aber doch derart, dass im kritischen Lastbereich um 45% Last, in dem der Uebergang Nass- zu Trockendampf und umgekehrt stattfindet, der Befehl S = 0 das Umschaltorgan 7 er­reicht, um ein unkontrolliertes Hin- und Herschwanken der Speisewassermenge zu verhindern. In der Praxis wird G vorzugsweise unterhalb 30°C festgelegt, wobei in den meisten Fällen erfahrungsgemäss G = 0°C gesetzt werden kann, ohne dass derartige Schwankungen auftreten.

[0024] Es ist beim Umschalten des Umschaltorgans 7 wichtig, dass der Uebergang von einem Signal auf das andere stossfrei geschieht, was z.B. durch entsprechende Festsetzung des I-Anteils der PID-Reglet 22 und 32 und mit Hilfe der Steuereinheit 71 möglich ist.

[0025] Im fünften Vergleichsorgan 175 werden das aus dem Um­schaltorgan 7 kommende erste bzw. zweite Signal zum "dritten Signal" addiert und zur Steuerung der Speise­wassermenge den Steuermitteln 6 zugeführt, so dass neben der Aenderung des Wasserstands im Wasserabscheider 4 bzw. der Dampftemperatur T_A stromunterhalb des Wasserabschei­ders 4, auch die zur Feuerung 3′ strömende Brennstoff­menge ṁ_B, die für die jeweilige Last des Dampferzeugers massgebend ist, in der Regelung berücksichtigt wird.

Ansprüche

1. Verfahren zur Regelung der Speisewassermenge einer mit fossilen Brennstoffen befeuerten Dampferzeugeran­lage, die eine in einer Speisewasserleitung angeord­nete Speisewasserpumpe, einen der Speisewasserpumpe nachgeschalteten Verdampfer, einen dem Verdampfer nachgeschalteten Wasserabscheider, Steuermittel zur Steuerung der Speisewassermenge und ein Umschaltorgan enthält, das bei niedriger Dampferzeugerlast mit Nassdampf ein vom Wasserstand im Wasserabscheider ausgelöstes, erstes Signal und bei hoher Dampferzeug­erlast mit Trockendampf ein von der Dampftemperatur stromunterhalb des Wasserabscheiders ausgelöstes, zweites Signal auf die Steuermittel einwirken lässt, dadurch gekenn-zeichnet, dass die Differenz ΔT zwischen der Dampftemperatur am Eintritt des Wasserabscheiders und der Sättigungstem­peratur des Dampfes beim zugehörigen Wasserabschei­derdruck gebildet wird, dass diese Temperaturdiffe­renz ΔT mit einer ausgewählten Grenzwert-Temperatur G ≧ 0°C verglichen wird und dass das Umschaltorgan so gesteuert wird, dass
bei Temperaturdifferenzen ΔT kleiner oder gleich Null ( ΔT ≦ O) das erste Signal auf die Steuermittel einwirkt,
bei Temperaturdifferenzen ΔT grösser als der Grenzwert G ( ΔT > G) das zweite Signal auf die Steuermittel einwirkt und
bei Temperaturdifferenzen ΔT grösser als Null, aber kleiner als der oder gleich dem Grenzwert G (O ≦ ΔT ≦ G) das zeitlich davor zuletzt wirkende, erste oder zweite Signal weiter auf die Steuermittel einwirkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Signal über je einen Regler auf die Steuermittel einwirken.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Regler PID-Regler eingesetzt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei dem Wasserabscheider dampfseitig mindestens ein Dampf­überhitzer nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeich­net, dass die Dampftemperatur für das zweite Signal stromunterhalb des Dampfüberhitzers gemessen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei mindestens zwei nacheinander geschaltete Dampfüberhitzer vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampftempera­tur für das zweite Signal in einer Verbindungsleitung zwischen zwei Dampfüberhitzern gemessen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei auf die Steuermittel eine Summe, gebildet aus dem ersten oder aus dem zweiten Signal und einem die der Dampf­erzeugeranlage zuströmende Brennstoffmenge repräsen­tierenden dritten Signal, einwirkt, dadurch gekenn­zeichnet, dass das dritte Signal nur dann wirksam wird, wenn die Dampferzeugeranlage eine vorgewählte Minimallast überschritten hat.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Minimallast diejenige gewählt wird, bei der der Uebergang von Nass- auf Trockendampf und umge­kehrt stattfindet.

Zeichnung