DE4340340C1

DE4340340C1 - Verfahren bzw. Einrichtung zur Bestimmung des Frischdampfmassenstromes in der Frischdampfleitung eines Dampfkraftwerks

Info

Publication number: DE4340340C1
Application number: DE19934340340
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr Ing Sindelar; Ralph M Dipl Ing Kneidl
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1993-11-26
Filing date: 1993-11-26
Publication date: 1995-04-06
Anticipated expiration: 2013-11-27

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren bzw. eine Einrich tung zur Bestimmung des Frischdampfmassenstromes in der Frisch dampfleitung eines Dampfkraftwerks gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 7.

Es ist allgemein bekannt in Kraftwerken den Massenstrom in der Frischdampfleitung mit Hilfe eines Drosselgerätes zu ermitteln, wobei in der Regel Düsen oder Venturirohre eingesetzt werden. Die Bestimmung des Durchflusses mittels eines Drosselgerätes ist nicht rückwirkungsfrei, da die notwendige Einschnürung zur Er zeugung eines Druckunterschiedes zu einem bleibenden Druckver lust führt. Dieser Druckverlust bedeutet für den Kraftwerksbe treiber eine Wirtschaftlichkeitseinbuße.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur verlustfreien Bestimmung des Frischdampfmassen stromes anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. eine Einrichtung gemäß dem Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in weiteren Ansprüchen ange geben.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine Reihe von Vorteilen auf. Die Vermeidung eines Druckverlustes in der Frischdampflei tung bewirkt eine Erhöhung des Kraftwerkswirkungsgrades. Die erreichte Genauigkeit der Aussage über den Frischdampfmassen strom ist gleich, oder kann sogar besser sein als bei der her kömmlichen Messung. Der zur Durchführung des Verfahrens herange zogene Frischdampfdruckmeßwert kann entweder am Kesselaustritt oder vor der Turbine erfaßt werden. Mit Hilfe des Verfahrens kann in jedem Fall ein Frischdampfmassenstrom am Kesselaustritt und an dem Turbineneingang gebildet werden. Zur Durchführung der Berechnungen genügt ein Rechenblock für arithmetische Operatio nen und für das Radizieren.

Der Dampfmassenstrom am Eintritt der Turbine wird nur anhand der gemessenen Drücke vor der Beschaufelung (mit der totalen Beauf schlagung) und hinter der Hochdruckturbine, und der Frischdampf temperatur berechnet. Im Prinzip wird also die Hochdruckturbine, bzw. ein Abschnitt des Hochdruckturbinenteiles, der durch mehre re, nacheinanderfolgende Turbinenstufen gekennzeichnet ist, als Meßorgan eingesetzt. Die Turbinenregelventilstellung wird für die Bestimmung des FD-Massenstromes nicht herangezogen.

Der Dampfmassenstrom der Hochdruck-Umleitstation wird anhand der Stellung des Umleitventils, des Frischdampfdruckes und des Ge gendruckes berechnet. Die Summe der beiden Massenströme also durch die Turbine und durch die Umleitung stellt den Frisch dampfmassenstrom an der Stelle der Rohrleitung vor der Turbine dar, der über die betriebsmäßig notwendige stationäre Genauig keit verfügt. Das dynamische Verhalten des Frischdampf(FD)-Mas senstromes, der bestimmt wurde, ist identisch mit dem tatsächlichen, da die dynami sche Genauigkeit ausschließlich durch die Genauigkeit der verwendeten Meßgrößen, besonders jedoch durch die der Dampfdrücke bestimmt wird. Dadurch wird dem Bedienungsper sonal in der Warte die gleiche Information über den Frisch dampfmassenstrom vor der Turbine, unmittelbar wie bei der bekannten Frischdampfmassenstrommessung vermittelt.

Die gleiche Information wird auch über den Frischdampfmas senstrom am Kesselaustritt vermittelt, falls die Meßstelle für den Frischdampfdruck sich auch am Kesselaustritt und nicht nur vor der Turbine befindet. Die Angabe über den Frischdampfmassenstrom an dieser Stelle weist die gleiche stationäre Genauigkeit wie die Angabe für den an der Stelle vor der Turbine auf. Auch dynamisch betrachtet wird eine zutreffende Information über den Prozeßablauf am Kesselaustritt vermittelt, weil die dynamische Nachbildung der Verbindungsrohrleitung zwischen dem Kesselaustritt und Turbineneintritt relativ genau realisierbar ist.

Eine weitere Erläuterung des Verfahrens und von Ausgestal tungsmöglichkeiten erfolgt nachstehend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen zu Einrich tungen zur Durchführung des Verfahrens.

Es zeigen:

Fig. 1 Blockschaltbild einer Einrichtung zur Durchfüh rung des Verfahrens,

Fig. 2 Einrichtung zur Adaption der Parameter für dyna mische Glieder in der Einrichtung gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt das Blockschema einer Einrichtung zur Bildung des Frischdampfmassenstromes _FD. Die Einrichtung enthält erste und zweite Blöcke 1 und 2, denen Meßwerte zugeführt sind und die auf der Grundlage dieser Meßwerte Frisch dampf(FD)-Massenstromwerte berechnen und ausgeben.

Der erste Block 1 enthält einen ersten Rechenblock 3, dem die Meßsignale Dampfdruck vor der totalen Turbinenbeschau felung p_vB, Druck am Hochdruck(HD)-Turbinenaustritt p_HD,A sowie die Frischdampftemperatur ϑ_FD zugeführt sind.

Im Rechenblock 3 wird der FD-Massenstrom durch die HD-Tur bine _HD nach einer Methode berechnet, die als Stodola-Ke gel - A. Stodola, Die Dampfturbinen, Springer-Verlag, Berlin, 1910, Seite 216 bis 217 - bekannt ist.

Der Stodola-Kegel läßt sich durch nachstehenden mathematischen Ausdruck beschreiben:

Darin bedeuten:
_HD = FD-Massenstrom durch die HD-Turbine
R_vB = Dampftemperatur in Kelvin (ϑ[°C] + 273)
Index o = im Bezugszustand, z. B. Nennzustand
Index vB = vor der Beschaufelung
Index HD,A = am HD-Turbinen-Austritt
n = polytropischer Koeffizient, der wie folgt berechnet wird:

η_tdi = thermodynamischer Wirkungsgrad des betrachteten HD-Turbinenabschnittes
k = adiabatischer Koeffizient des überhitzten Dampfes

d. h. vom druckverhältnis abhängig ist, ist auch

d. h. auch vom gleichen Druckverhältnis abhängig.

Diese aus der Garantiemessung bekannte Abhängigkeit

wird bei der Berechnung von _HD nach Gleichung (1) benutzt. Dadurch wird eine große Genauigkeit erzielt, praktisch die gleiche wie bei der Garantiemessung.

Unter bestimmten Voraussetzungen kann der nachstehende vereinfachte mathematische Ausdruck benutzt werden:

R_FD = Frischdampftemperatur in Kelvin (ϑ[°C] + 273); Index o bedeutet "im Bezugszustand", z. B. im Nennzustand.

Nämlich dann, wenn man einen Fehler zuläßt, der bei dem Verhältnis (_HD/_HD,o) = 1 zwar Null ist, jedoch mit kleiner werdendem Verhältnis zunimmt. Wenn beispielsweise der Index o für den maximalen Lastpunkt (100%) gilt und die minimale Leistung im Blockleistungsregelbereich beim Last punkt 40% liegt, erreicht der Fehler beim minimalen Last punkt _HD _HD,o = 0,4 etwa 10%.

Zur Bildung des vom Block 1 ausgegebenen Prozentwertes des FD-Massenstromes vor der Turbine _FD,T[%], wird an einer ersten Additionsstelle 8 ein Dampfmassenstrom der HD-Um leitstationen _HDU addiert.

Der Massenstrom _HDU wird in einem zweiten Rechenblock 4 gebildet, dem nachstehende Meßwerte zugeführt sind: Der Frischdampfdruck p_FD, der Dampfdruck am HD-Turbinenaustritt p_HD,A, die Frischdampftemperatur ϑ_FD und die Stellung des Umleitventils y_HDU.

Mit Hilfe eines Umschalters 5 kann ein nachgebildeter FD-Druck dem Block 4 zugeführt werden, falls der FD-Druck nicht vor der Turbine, sondern am Kesselaustritt am Kraftwerksblock gemessen wird. Die Nachbildung erfolgt durch den Block 2.

Der Dampfmassenstrom der Umleitstation _HDU wird im Block 4 nach der nachstehenden Gleichung berechnet:

ψ = Durchflußfunktion

Index T bedeutet: vor der Turbine

Um die Abweichung gegenüber dem klassischem thermodynami schen Fall zu erfassen, wird ein Korrekturfaktor α_Korr eingeführt. Dieser ist abhängig vom Druckverhältnis und der Temperatur. Die Abhängigkeit des Korrekturfaktors von den beiden unabhängigen Variablen wird während der Garantiemes sung an der Turbine ermittelt.

Der Wert des Frischdampfmassenstroms vor der Turbine _FD,T wird außer als Prozentwert zusätzlich als Absolutwert aus gegeben und zu diesem Zweck an einer ersten Multiplikati onsstelle 16 mit einem Skalierungskoeffizienten multipli ziert.

Stationär betrachtet ist der Frischdampfmassenstrom am Kes selaustritt _FD,K identisch dem Massenstrom vor der Turbine _FD,T. Beim transienten Vorgang gilt die Übereinstimmung nicht mehr. Falls vom Betrieb verlangt, läßt sich das dynamische Verhalten des Massenstroms am Kesselaustritt _FD,K mit guter Genauigkeit anhand des berechneten Frisch dampfmassenstroms vor der Turbine _FD,T und des Meßsignals Frischdampfdruck am Kesselaustritt p_FD,K dynamisch nachbil den. Dies erfolgt durch den zweiten Block 2, mittels seiner ersten und zweiten dynamischen Glieder 6 und 7. Die zur Einstellung der dynamischen Glieder 6, 7 benutzten Parame ter Zeitkonstante T und Koeffizient K_L lassen sich bereits in der Planungsphase anhand der Konstruktionsdaten der Frischdampfrohrleitung leicht bestimmen. Das erste dyna mische Glied 6 ist ein PT1-Glied, dem das Ausgangssignal der ersten Additionsstelle 8, also der Prozentwert des
Frischdampfmassenstromes vor der Turbine _FD,T zugeführt ist. Das Ausgangssignal des ersten dynamischen Glieds 6 mit PT1-Verhalten wird an einer dritten Additionsstelle 10 zum Ausgangssignal des zweiten dynamischen Glieds 7 mit DT1-Verhalten addiert zur Bildung des Frischdampfmassen stroms am Kesselaustritt _FD,K, der als Prozentwert ausge geben wird, und außerdem nach Multiplikation an der zweiten Multiplikationsstelle 17 mit einem Skalierungskoeffizenten als Absolutwert.

Auf den Eingang des zweiten dynamischen Glieds 7 ist der Meßwert des Frischdampfdruck am Kesselausgang p_FD,K ge führt. An der zweiten Additionsstelle 9 wird der Frisch dampfdruckwert p_FD,K mit einem zweiten Signal verknüpft zur Bildung eines simulierten Druckwertes p_FD,T, der zum Um schalter 5 geführt ist. Falls der Druck p_FD,T nicht gemes sen wird, wird der Schalter auf den simulierten Druck p_FD,T umgeschaltet. Das zweite Signal ist gebildet durch Multipli kation des Massenstromwertes _FD,K durch Multiplikation an einer dritten Multiplikationsstelle 18 mit dem Koeffi zienten 1/K_L der an einer ersten Divisionsstelle 19 gebil det wird.

Bei Anlagen, bei denen die Parameter T_L und K_L aufgrund der erforderlichen dynamischen Genauigkeit nicht konstant ein gestellt werden können, ist eine Adaption mit Hilfe eines Adaptionsblocks 15 möglich, der in Fig. 2 dargestellt ist. Dem Adaptionsblock 15 sind außer dem vom ersten Block 1 ge lieferten Signal Frischdampfmassenstrom vor der Turbine _FD,T auch die Meßsignale Frischdampfdruck am Kesselaus tritt p_FD,K und die Frischdampftemperatur ϑ_FD geführt.

In Fig. 2 ist dargestellt, daß der Adaptionsblock 15 einen dritten Rechenblock 20 und einen vierten Rechenblock 21 enthält.

Im Block 20 wird der druck- und temperaturabhängige Parame ter T_L und im Block 21 der "FD"-massenstromabhängige Para meter K_L berechnet. Jede Änderung der drei Eingangsmeßwerte hat die Änderung der beiden Parameter T_L und K_L zur Folge und dadurch auch des dynamischen Verhaltens der Blöcke 6 und 7 in Fig. 1. Die Übernahme der beiden Parameter in die Blöcke 6, 7 (Fig. 1) kann entweder verzögerungsfrei oder verzögert (von _FD,T dynamisch entkoppelt) stattfinden. Diese mögliche dynamische Entkopplung ist in Fig. 2 durch die Einfügung des mit gestrichelten Linien dargestellten und nicht bezeichneten Blockes angedeutet.

Ein mit Bezugszeichen 61 versehener Block stellt die Schal tung für das PT1-Glied mit adaptierbaren Parametern K_L und T_L dar, in der Übertragungsfunktion

Ein Block 71 stellt die Schaltung für das DT1-Glied mit den adaptierbaren Parametern K_L und T_L in der Übertragungsfunk tion

dar.

Zur Definition von T_L und K_L:

worin bedeuten:
k = adiabatischer Koeffizient des überhitzten Dampfes
a₁ = Konstante [s/kg]
m_o = Gewicht des sich in der Rohrleitung zwischen dem Kessel und Turbine befindenden Dampfes [kg]

a₂ = Konstante
Index o = im Bezugs-Beharrungszustand

Der Block 61 ist eine Ausgestaltung des Blockes 6 aus Fig. 1, wenn die beiden Parameter adaptiert werden; der Block 71 entspricht dann dem Block 7 aus Fig. 1.

Mit Bezugszeichen 27, 28 sind Integrationsglieder in den PT1- bzw. DT1-Gliedern 61, 71 versehen. Die Ausgänge der Rechenblöcke 20, 21 sind mit einer zweiten Divisionsstelle 23 verbunden, deren Ausgang den inversen Wert der Zeitkon stante für die Blöcke 61, 71 liefert. Mit 24 bis 26 sind Multiplizierer zur Realisierung der jeweiligen Zeitkonstan ten bezeichnet, mit 11 bis 14 sind Additionsstellen be zeichnet.

Bezugszeichenliste

1 erster Block
2 zweiter Block
3 erster Rechenblock
4 zweiter Rechenblock
5 Umschalter
6 erstes dynamisches Glied
7 zweites dynamisches Glied
8 erste Additionsstelle
9 zweite Additionsstelle
10 dritte Additionsstelle
11 vierte Additionsstelle
12 fünfte Additionsstelle
13 sechste Additionsstelle
14 siebte Additionsstelle
15 Adaptionsblock
16 erste Multiplikationsstelle
17 zweite Multiplikationsstelle
18 dritte Multiplikationsstelle
19 erste Divisionsstelle
20 dritter Rechenblock
21 vierter Rechenblock
23 zweite Divisionsstelle
24 vierte Multiplikationsstelle
25 fünfte Multiplikationsstelle
26 sechste Multiplikationsstelle
27 erstes Integrationsglied
28 zweites Integrationsglied
61 PT1-Glied
71 DT1-Glied
K_L Koeffizient
_HD Dampfmassenstrom der HD-Turbine
_HDU Dampfmassenstrom der Umleitstation
_FD Frischdampfmassenstrom
_FD,T Frischdampfmassenstrom vor der Turbine
_FD,K Frischdampfmassenstrom am Kesselaustritt
p_FD Frischdampfdruck
p_FD,K Frischdampfdruck am Kesselausgang
p_FD,T Frischdampfdruck am Turbineneingang
p_HD,A Dampfdruck am Hochdruckturbinenaustritt
p_vB Dampfdruck vor der Turbinenbeschaufelung
T_L Zeitkonstante
y_HDU Stellung des Umleitventils
ϑ_FD Frischdampftemperatur in °C
R_FD Frischdampftemperatur in Kelvin

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Frischdampfmassenstromes in der Frischdampfleitung eines Dampfkraftwerks, dadurch gekenn zeichnet, daß die Hochdruck(HD)-Turbine oder ein durch mehrere Turbinenstufen gebildeter HD-Turbinenteil als Meßeinrichtung verwendet wird, indem Dampfdrücke vor und nach der HD-Turbine bzw. dem HD-Turbinenteil und die Frischdampftemperatur meßtech nisch erfaßt werden und auf der Grundlage so gewonnener Meßwerte der Frischdampfmassenstrom berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung nach nachstehender Gleichung durchgeführt wird: worin bedeuten:
p = Dampfdruck
_HD = FD-Massenstrom durch die HD-Turbine
R_vB = Dampftemperatur in Kelvin (ϑ[°C] + 273)
Index o = im Bezugszustand, z. B. Nennzustand
Index vB = vor der Beschaufelung
Index HD,A = am HD-Turbinen-Austritt
n = polytropischer Koeffizient, der wie folgt berechnet wird: η_tdi = thermodynamischer Wirkungsgrad des betrachteten HD-Turbinenabschnittes
k = adiabatischer Koeffizient des überhitzten Dampfes.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung nach nachstehender vereinfachter Gleichung durchgeführt wird: worin bedeuten:
_HD = Dampfmassenstrom der HD-Turbine,
R_FD = Frischdampftemperatur in Kelvin,
p_vB = Frischdampfdruck vor der Turbinenbeschaufelung,
p_HD,A = Dampfdruck am Hochdruckturbinenaustritt,
Index o bedeutet "im Bezugszustand", z. B. im Nennzustand.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Dampfkraftwerk mit einer Umleitstation ein Dampfmassenstrom _HDU durch die Umleitung berücksichtigt wird durch Berechnung nach folgender Gleichung: worin bedeuten:
y_HDU = Stellung des Umleitventils,
p_FD,T = Frischdampfdruck am Turbineneingang,
p_HD,A = Dampfdruck am Hochdruckturbinenaustritt,
ϑ_FD = Frischdampfdruck in °C,
ψ = Durchflußfunktion,
α_Korr = Korrekturfaktor.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwert ein am Kesselausgang gemessener Dampfdruck p_FD,K herangezogen wird zur Nachbildung des verfah rensgemäß benötigten Dampfdrucks vor der Turbine p_FD,T, wenn dieser nicht gemessen wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Nachbildung des FD-Massenstromes am Kes selausgang (_FD,K) und des FD-Druckes am Turbineneingang (p_FD,T) dynamische Glieder verwendet werden, deren Parameter (T_L, K_L) konstante Werte sind.

7. Einrichtung zur Bestimmung des Frischdampf(FD)massen stromes (m_FD) in der Frischdampfleitung eines Dampfkraftwerks, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruck(HD)-Turbine des Dampf kraftwerks oder ein durch mehrere Turbinenstufen gebildeter HD-Turbinenteil als Meßorgan eingesetzt ist, wobei die Dampf drücke am Ein- und Austritt der Turbine bzw. des Turbinenteils sowie die FD-Temperatur gemessen werden und auf der Basis dieser Meßwerte in einen Rechenblock (3) der FD-Massenstrom (_FD) be rechnet wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des am Turbineneingang erfaßten Dampfdrucks ein am Kes selausgang erfaßter Dampfdruckwert zur Berechnung des FD-Massen stromes herangezogen ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der Rechenblock (3) dafür eingerichtet ist, die Berechnung des FD-Massenstromes unter Anwendung der als Stodo la-Kegel bekannten Methode durchzuführen.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Rechenblock (4) angeordnet ist, dem als Eingangsgrößen außer der Frischdampftemperatur (ϑ_FD) und dem Dampfdruck am HD-Turbinenaustritt (p_HD,A) auch der Frisch dampfdruck am HD-Turbineneingang (p_FD,T) als Meßwerte, sowie die Stellung des Umleitventils (y_HDU) zugeführt sind, und der den Dampfmassenstrom der Umleitstation (_HDU) berechnet, und daß dieser Dampfmassenstrom (_HDU) an einer ersten Additionsstelle (8) zum von dem ersten Rechenblock (3) gelieferten Dampfmassen strom der Turbine (_HD) addiert wird zur Bildung des Frisch dampfmassenstroms (_FD).

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Block (2) angeordnet ist, der für den Fall, daß anstelle des FD-Drucks am HD-Turbineneingang (p_FD,T) der FD-Druck am Kesselausgang (p_FD,K) als Meßwert verwendet ist, den im zweiten Rechenblock (4) herangezogenen FD-Druck am Turbinenausgang (p_FD,T) nachbildet.