[0001] Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum lastabhängigen Regeln der Speisewassermenge
eines einen Economiser, einen Verdampfer und mindestens einen Ueberhitzer aufweisenden
Zwanglaufdampferzeugers.
[0002] Bei bisher bekannten Regeleinrichtungen der genannten Art ist in der Speisewasserleitung
des Dampferzeugers ein Speisewassermengenmessorgan angeordnet, das über einen PID-Regler
die Speisewassermenge einstellt, z.B. durch Verstellen der Drehzahl der Speisepumpe
oder durch Verstellen eines in die Speisewasserleitung eingebauten Ventils. Geregelt
wird eine Dampftemperatur, die mit einem im Ueberhitzerbereich des Dampferzeugers
angeordneten Messorgan erfasst wird und zusammen mit einem entsprechenden Temperatursollwert
ebenfalls auf den PID-Regler geschaltet ist. Anstelle der Dampftemperatur kann auch
die Dampfenthalpie geregelt werden. Schliesslich wirkt auf den Speiseregelkreis als
Vorsteuerung ein lastabhängiges Signal, das von einem Funktionsgeber kommt, in dem
die Beziehung zwischen Speisemenge und dem Dampferzeuger zuzuführende Brennstoffmenge
festgelegt ist. Dabei ist zwischen dem Funktionsgeber und dem Speiseregelkreis ein
verstellbares Glied eingeschaltet, in dem eine dynamische Verformung des lastabhängigen
Signals stattfindet. Aufgrund der beschränkten Wirksamkeit des klassischen PID-Reglers
muss die so gebildete Vorsteuerung den komplizierten zeitlichen Verlauf der Speisemenge
auf wenige Prozente genau festlegen, so dass der Regler selbst nur eine Feinkorrektur
vornehmen muss. Mit einem solchen Aufbau wird die erzielbare Regelgüte weitgehend
durch die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit der Vorsteuerung bestimmt. Die Einstellung
des Funktionsgebers und des Gliedes zur dynamischen Verformung erfordert deshalb einen
hohen Aufwand, insbesondere eine langwierige Inbetriebsetzung.
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum lastabhängigen Regeln
der Speisewassermenge zu schaffen, die bei verbesserter Leistungsfähigkeit ohne aufwendige
Vorsteuerung auskommt.
[0004] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst.
[0005] Diese Einrichtung erlaubt es, auf einfache Weise zwei Aufgaben gleichzeitig zu erfüllen.
Zum einen wird der beobachtete Uebertragungsfaktor im Funktionsgeber nachgebildet
und ein entsprechendes Signal ganz dem am Ausgang des Reglers angeordneten Multiplikationsorgan
zugeführt. Dadurch wird nicht nur der zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Reglers
wirkende Uebertragungsfaktor am Reglerausgang lastabhängig richtig eingestellt. Eine
Aenderung des Lastsollwertes bewirkt zusätzlich eine sofortige Veränderung der Speisewassermenge,
was in Vorzeichen und Amplitude eine sinnvolle erste Wirkung als Vorsteuerung ergibt.
Zum andern wird dasselbe Uebertragungsfaktorsignal y vom Funktionsgeber in inverser
Form auch der als Beobachter wirkenden Vorrichtung zugeführt. Durch das Zusammenwirken
des Multiplikationsorgans mit dem Divisionsorgan ergibt sich eine optimale statische
und dynamische Verformung des Signals am Reglerausgang als Antwort auf eine Aenderung
des Lastsollwertes, also insgesamt eine optimale Vorsteuerung. Es wird die dynamische
Verformung der Vorsteuerwirkung nicht - wie bisherin mühseliger Weise mit einem speziellen
dynamischen Filter eingestellt, sondern es werden dazu die in der als Beobachter wirkenden
Vorrichtung abgelegten dynamischen Glieder verwendet, die das Prozessverhalten in
der erforderlichen Weise nachbilden.
[0006] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der folgenden Beschreibung anhand der
Zeichnung näher erläutert, die schematisch einen Zwanglaufdampferzeuger mit einer
Speisewassermengenregeleinrichtung zeigt.
[0007] Der als Einrohrkessel ausgebildete Dampferzeuger weist einen Economiser 1, einen
Verdampfer 2, einen Abscheider 3 sowie einen ersten und einen zweiten Ueberhitzer
4 bzw. 5 auf, die vom Arbeitsmittel nacheinander durchströmt werden. Zwischen dem
Ueberhitzer 5 und dem Verbraucher können noch weitere Ueberhitzer vorgesehen sein.
In Strömungsrichtung des Arbeitsmittels gesehen vor dem Economiser 1 ist an diesem
eine Speisewasserleitung 7 angeschlossen, die eine Speisepumpe 8, eine Umwälzpumpe
9 und ein Speisewassermengenmessorgan 10 aufweist. Zwischen der Speisepumpe 8 und
der Umwälzpumpe 9 mündet in die Speiseleitung 7 eine Umwälzleitung 11, die vom unteren
Ende des Abscheiders 3 abzweigt und ein Ventil 12 sowie eine Rückschlagklappe 13 aufweist.
Zwischen dem Abscheider 3 und dem Ventil 12 zweigt von der Leitung 11 eine Leitung
14 mit Ventil 15 ab, die vorübergehend zuviel abgeschiedenes flüssiges Arbeitsmittel,
z.B. während des Anfahrens des Dampferzeugers, zu einem nicht dargestellten Speisewasserbehälter
zurückleitet. Zwischen der Umwälzpumpe 9 und dem Speisewassermengenmessorgan 10 zweigt
von der Speisewasserleitung 7 eine Einspritzwasserleitung 16 ab, die in nicht dargestellter
Weise zu den Ueberhitzern 4, 5 führt.
[0008] Die Speisewassermengenregeleinrichtung umfasst ausser dem Mengenmessorgan 10 einen
Signalgeber 10′ für die gemessene Speisewassermenge sowie ein Temperaturmessorgan
mit Signalgeber 18, das zwischen dem ersten und dem zweiten Ueberhitzer 4 bzw. 5 am
Dampferzeuger angeschlossen ist. Dieses Temperaturmessorgan kann auch am Dampfaustritt
des Abscheiders 3 angeschlossen sein. Am Ausgang des Signalgebers 18 für die Ist-Temperatur
ist eine Signalleitung 19 angeschlossen, die zu einem Vergleichspunkt 20 führt, dem
über eine Signalleitung 21 ein Sollwert für die Temperatur zugeführt wird. Vom Vergleichspunkt
20 führt eine Signalleitung 22 zum Eingang eines Integrators 24, der Bestandteil eines
Zustandsreglers 23 ist. Die Signalleitung führt ein der Abweichung zwischen Sollwert
und Istwert der Temperatur entsprechendes, im Regler 23 um den konstanten Faktor f
I verstärktes Signal zum Integrator 24. Vom Ausgang des Integrators 24 führt eine Signalleitung
25 zu einem Additionspunkt 26, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Multiplikationsorganes
27 verbunden ist. Der Ausgang des Multiplikationsorganes 27 ist zugleich der Ausgang
des Reglers 23, der über eine Signalleitung 28 mit einem Vergleichspunkt 43 verbunden
ist. In den Vergleichspunkt 43 mündet ausserdem eine Signalleitung 29, die vom Signalgeber
10′ kommt und ein dem Istwert der Speisewassermenge entsprechendes, um den Faktor
fo verstärktes Signal führt. Der Ausgang des Vergleichspunktes 43 ist über eine Signalleitung
44 mit der Speisepumpe 8 verbunden, die das Stellorgan der Speisewassermengenregeleinrichtung
bildet.
[0009] Dem Multiplikationsorgan 27 wird über eine Signalleitung 50 ein Signal y zugeführt,
das in einem Funktionsgeber 51 gebildet wird, dem über eine Signalleitung 52 ein Last-Sollwertsignal
zugeführt wird. Die Signalleitung 44 führt der Speisepumpe 8 ein Stellsignal zu, das
im Vergleichspunkt 43 aus der Differenz des einen Sollwert für die Speisewassermenge
bildenden Ausgangssignals des Reglers 23 und des um den Faktor fo verstärkten Istwert-Signals
für die Speisewassermenge gebildet wird. Das Stellsignal in der Leitung 44 wird durch
den Verstärkungsfaktor -zo verstärkt, der dafür sorgt, dass im stationären Zustand
die beiden genannten Speisewassermengen gleich gross sind.
[0010] Ausser den Regler 23 umfasst die Speisewassermengenregeleinrichtung eine Vorrichtung
31, die nach Art eines Beobachters arbeitet und zwei Signaleingänge sowie mehrere
Signalausgänge aufweist. Der erste Signaleingang ist über eine von der Signalleitung
29 abzweigende Signalleitung 30 mit dem Ausgang des Mengensignalgebers 10′ verbunden.
Die Signalleitung 30 führt das dem Istwert der Speisewassermenge entsprechende Signal
zu einem Divisionsorgan 32, dem ausserdem über eine Signalleitung 53 das Signal y
aus dem Funktionsgeber 51 zugeführt wird. Der Ausgang des Divisionsorgans 32 ist über
eine Signalleitung 38 mit dem Eingang eines ersten Verzögerungsgliedes 33 verbunden,
das zu einer Reihe von weiteren Verzögerungsgliedern 34 und 35 gehört. Die Anzahl
solcher Verzögerungsglieder variiert von Anlage zu Anlage zwischen zwei und sieben.
Der zweite Eingang der Vorrichtung 31 ist mit einer Signalleitung 17 verbunden, die
von der Signalleitung 19 des Temperatursignalgebers 18 abzweigt. Die Signalleitung
17 mündet in einen Vergleichspunkt 37, an dessen Ausgang eine Signalleitung 36 angeschlossen
ist. Der zweite Eingang des Vergleichspunktes 37 ist mit dem Ausgang des dritten Verzögerungsgliedes
35 verbunden. Die Signalleitung 36 führt also ein Differenzsignal, das durch einen
konstanten Faktor k1 korrigiert und dann dem Signal in der Leitung 38 additiv aufgeschaltet
wird. Der Ausgang des ersten Verzögerungsgliedes 33 ist über eine Signalleitung 39
mit dem Additionspunkt 26 im Regler 23 verbunden. Das Signal in der Leitung 39 wird
im Regler 23 durch den konstanten Faktor f1 verstärkt. Ausserdem wird das Ausgangssignal
des ersten Verzögerungsgliedes 33 mit dem Differenzsignal in der Leitung 36, jedoch
mit dem konstanten Faktor k2 korrigiert, addiert und das so gebildete Signal dem zweiten
Verzögerungsglied 34 zugeführt. Der Ausgang des zweiten Verzögerungsgliedes 34 ist
über eine Signalleitung 40 mit dem Additionspunkt 26 verbunden, und das Signal in
der Leitung 40 wird im Regler 23 um den konstanten Faktor f2 verstärkt. Analog der
Schaltung zwischen dem ersten und dem zweiten Verzögerungsglied wird das Ausgangssignal
des zweiten Verzögerungsgliedes 34 auch mit dem Differenzsignal der Leitung 36, jedoch
mit dem konstanten Faktor k3 korrigiert, additiv vereinigt und dann dem dritten Verzögerungsglied
35 zugeführt. Der Ausgang des dritten Verzögerungsgliedes 35 ist ausser mit dem Vergleichspunkt
37 über eine Signalleitung 41 mit dem Additionspunkt 26 verbunden, wobei das Signal
in der Leitung 41 um den konstanten Faktor f3 verstärkt wird.
[0011] Mit der Vorrichtung 31 wird erreicht, dass der jeweilige Zustand des sich im Dampferzeuger
abspielenden Prozesses bei der Speisewassermengenregelung berücksichtigt wird, ohne
dass man im Dampferzeuger Zwischen-Messstellen anbringen müsste, was sehr aufwendig
wäre.
[0012] Die beschriebene Vorrichtung funktioniert wie folgt: Im Normalbetrieb des Dampferzeugers
wird mittels der Speisepumpe 8 Speisewasser über die Speisewasserleitung 7 dem Dampferzeuger
zugeführt, in dem es - unter dem Einfluss der dem Dampferzeuger zugeführten Wärmemenge
Q - im Economiser 1 vorgewärmt und im Verdampfer 2 verdampft wird. Im oberen Lastbereich
des Dampferzeugers, in dem reiner Zwangdurchlaufbetrieb herrscht, gelangt überhitzter
Dampf in den Abscheider 3, so dass kein Sattwasser über die Umwälzleitung 11 zurückgeführt
wird. Die vom Signalgeber 18 gemessene Temperatur variiert relativ frei, weil die
Temperatur des Arbeitsmittels im Abscheider sich unabhängig von der Sättigungstemperatur
bewegen kann. In diesem Lastbereich führt eine Erhöhung der Speisewassermenge zwangsläufig
zu einer Absenkung der vom Signalgeber 18 gemessenen Temperatur, so dass die Speisewassermenge
zur Regelung der Temperatur herangezogen werden kann. Die Dampftemperatur am Austritt
des Dampferzeugers wird in hier nicht dargestellter Weise durch Zufuhr von Wasser
über die Einspritzwasserleitung 16 geregelt.
[0013] Bei Schwachlastbetrieb, der z.B. unterhalb 30% der Vollast des Dampferzeugers einsetzt,
tritt aus dem Verdampfer 2 ein Dampf/Wasser-Gemisch aus, das dann im Abscheider 3
in die beiden Phasen Wasser und Dampf getrennt wird. Das abgeschiedene Wasser wird
mittels der Umwälzpumpe 9 über die Umwälzleitung 11 in den Economiser 1 und den Verdampfer
2 zurückgeführt. Der im Abscheider 3 abgeschiedene Dampf wird in den Ueberhitzern
4 und 5 überhitzt.
[0014] Mit der beschriebenen Einrichtung, die während des Zwangdurchlaufbetriebes in Funktion
ist, wird es möglich, auf einfache Weise zwei Aufgaben gleichzeitig zu erfüllen. Einerseits
wird der beobachtete Uebertragungsfaktor im Funktionsgeber 51 nachgebildet und als
Uebertragungsfaktorsignaly ganz dem einen Eingang des am Reglerausgang angeordneten
Multiplikationsorgan 27 zugeführt. Dadurch wird nicht nur der zwischen dem Eingang
und dem Ausgang des Reglers 23 existierende Uebertragungsfaktor nahe seinem Ausgang
lastabhängig richtig eingestellt. Eine Aenderung des über die Signalleitung 52 zugeführten
Lastsollwertes bewirkt zusätzlich eine sofortige Veränderung der Speisewassermenge,
die in Vorzeichen und Amplitude eine sinnvolle erste Wirkung als Vorsteuerung ergibt.
Andererseits wird dasselbe Uebertragungsfaktorsignal y vom Funktionsgeber 51 in inverser
Form auch im Beobachter 31 eingeführt. Durch das Zusammenwirken des Multiplikationsorgans
27 mit dem Divisionsorgan 32 ergibt sich eine optimale statische und dynamische Verformung
des Signals in der Signalleitung 28 am Ausgang des Reglers 23 als Antwort auf eine
Aenderung des Lastsollwertes, also insgesamt eine optimale Vorsteuerung. Zur dynamischen
Verformung der Vorsteuerwirkung werden die im Beobachter 31 abgelegten dynamischen
Glieder verwendet, die das Prozessverhalten in der erforderlichen Weise nachbilden.
[0015] Das Ausführungsbeispiel zeigt einen Einrohrkessel mit Schwachlastumwälzung, bei dem
die Umwälzpumpe 9 im Vorlauf, d.h. im Hauptstrom des Speisewassers liegt. Die Umwälzpumpe
kann auch in der Umwälzleitung 11 angeordnet sein, d.h. im Rücklauf. Die erfindungsgemässe
Einrichtung ist aber auf alle Zwangdurchlaufdampferzeuger anwendbar, unabhängig von
der für den Schwachlastbetrieb mit nassem Abscheider angewandten Schaltung, d.h. auch
bei Schaltungen, die keine Umwälzpumpe aufweisen.
1. Einrichtung zum lastabhängigen Regeln der Speisewassermenge eines einen Economiser
(1), einen Verdampfer (2) und mindestens einen Ueberhitzer (4, 5) aufweisenden Zwanglaufdampferzeugers,
mit einem Speisewassermengenmessorgan (10, 10′), einem einen Integrator (24) enthaltenden
Regler (23) und einem Stellorgan (8) für die Speisewassermenge sowie mit einem im
Ueberhitzerbereich angebrachten Temperaturmessorgan (18), dessen Ausgang dem Regler
(23) aufgeschaltet ist, dem auch ein Sollwert (21) für die Temperatur zugeführt wird,
wobei die Einrichtung eine nach Art eines Beobachters arbeitende, mehrere in Serie
geschaltete Verzögerungsglieder (33, 34, 35) enthaltende Vorrichtung (31) aufweist,
die an einem ersten Eingang mit dem Ausgang des Speisewassermengenmessorgans (10,
10′) und an einem zweiten Eingang mit dem Ausgang des Temperaturmessorgans (18) verbunden
ist und deren Ausgänge (39, 40, 41) auf einen dem Ausgang des Integrators (24) nachgeschalteten
Additionspunkt (26) geschaltet sind, wobei ferner zwischen dem Additionspunkt (26)
und dem Ausgang des Reglers (23) ein Multiplikationsorgan (27) angeordnet ist, dem
ausser dem vom Additionspunkt (26) kommenden Signal ein von einem Funktionsgeber (51)
kommendes Signal (y) zugeführt wird, und wobei zwischen dem ersten Eingang der Vorrichtung
(31) und dem ersten Verzögerungsglied (33) ein inverses Divisionssorgan (32) geschaltet
ist, dem ausser dem vom Speisewassermengenmessorgan (10, 10′) kommenden Signal das
vom Funktionsgeber (51) abgegebene Signal (y) zugeführt wird.
