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Die Erfindung betrifft einen elektrohydraulischen Regler für das Frischdampfventil
einer Dampfturbine.
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Bei einem derartigen bekannten Regler wird das Zuflußregulierorgan
der Turbine von einem Servomotor verstellt, der mittels eines eine Rückführung aufweisenden
Steuerkolbens betätigt wird. Auf den Steuerkolben wirken über mechanische Gestänge
gleichzeitig ein Drehzahlregler und ein elektrisch arbeitender Leistungsregler.
Da jeder dieser Regler zunächst nur sein eigenes Regelziel zu erreichen trachtet
- der Drehzahlregler eine konstante Drehzahl und der Leistungsregler eine konstante
Leistung -würden sie bei Verstellung des Sollwertes von nur einem Regler zunächst
gegeneinander arbeiten. Um den Einfluß des einen Reglers auf den anderen zu kompensieren
bzw. zu begrenzen, sind bei dem Leistungsregler seine Ausgangsgröße begrenzende
und so seinen Wirkungsbereich festlegende Anschläge vorgesehen. Eine direkt die
Ausgangsgröße des Drehzahlreglers beeinflussende, durch ein Handrad über ein Getriebe
betätigbare Lasteinstellvorrichtung führt dann über eine Kurvenscheibe, die den
nichtlinearen Verlauf der Kraftmaschinenleistung in Funktion des Hubes der Lasteinstellvorrichtung
korrigiert, mechanisch den Sollwerteinsteller des Leistungsreglers in einer solchen
Weise nach, daß er bei Normaldrehzahl innerhalb des erwähnten Wirkungsbereiches
verbleibt und so die vorgenommene Lasteinstellung unverändert beläßt.
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Diese eingangs- und ausgangsseitige Verkopplung von Drehzahl- und
Leistungsregler hat aber - abgesehen von der verhältnismäßig umständlich arbeitenden
Mechanik bei der vorstehend geschilderten Ausführung - eine Reihe von Nachteilen
und läßt noch viele Wünsche offen. So ist z. B. beim Hochfahren, beim Lastabwurf
und beim Speisen des von der Turbine angetriebenen Synchrongenerators in ein Inselnetz
eine schnell wirksame und nicht wie bei der bekannten Anordnung durch den Leistungsregler
zunächst behinderte Drehzahlregelung zweckmäßig, während andererseits beim Arbeiten
des von der Turbine angetriebenen Synchrongenerators auf ein starres Verbundnetz
eine reine Leistungsregelung vorteilhaft wäre, wobei der Sollwert des Leistungsreglers
in einem großen Bereich freizügig und schnell an die einzelnen sich beim Betrieb
der Turbine ergebenden Forderungen anpaßbar ist. Trotzdem muß bei Bedarf der Drehzahlregler
sofort zur Verfügung stehen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Frischdampfventil
von einem öffnungsregler in Abhängigkeit von seiner Stellung geregelt wird und als
Sollwert entweder eine von der Drehzahl oder eine von der Leistung abhängige Größe
wühl- ; weise aufschaltbar ist.
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Es wird damit möglich, das Regelverhalten der Dampfturbine bei ihren
sämtlichen Betriebsarten zu optimieren, d. h. in möglichst günstiger Weise ablaufen
zu lassen.
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Vorteilhaft hierzu ist es, nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung,-
wenn sowohl die von der Drehzahl als auch die von der Leistung abhängigen Größen
das Ausgangssignal je eines überlagerten Reglers sind.
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Normalerweise wird man die Ausgangssignale des Leistungs- bzw. des
Drehzahlreglers mittels Relais-oder mittels elektronischer Schalter auf den Eingang
des Öffnungsreglers zur Wirkung bringen. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung
kann dies auch selbsttätig erfolgen, indem die Ausgangssignale der überlagerten
Regler einem an sich bekannten Selektivgerät zugeführt sind, welches jeweils nur
das kleinste dieser Ausgangssignale auf den Eingang des Öffnungsreglers durchschaltet,
wobei dem Sollwert des jeweils nicht benötigten Reglers ein Zusatzsollwert zugefügt
ist. Dieser wird dadurch selbsttätig außer Eingriff gebracht, weil er dem Öffnungsregler
eine größere Öffnung vorschreiben würde als der andere, betriebsmäßig im Eingriff
stehende Regler. Der so außer Eingriff gesetzte Regler übt jedoch eine zusätzliche
überwachungsfunktion aus, weil er bereitsteht, sofort einzugreifen, wenn sich sein
Istwert durch die Wirkung des anderen überlagerten Reglers dem durch den Zusatzsollwert
eingestellten Grenzwert nähert. Auf diese Weise kann eine ungewollt hohe Belastung
bei der Drehzahlregelung vermieden werden oder ein gefährliches Ansteigen der Drehzahl,
z. B. bei Lastabwurf während der Leistungsregelung.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann dem Öffnungsregler zusätzlich
das Ausgangssignal eines Teilreglers über das Selektivgerät zuführbar sein, dessen
Regelgröße der Polradwinkel eines von der Turbine angetriebenen Synchrongenerators
ist. Der Sollwert dieses Teilregelkreises wird dann auf eine dem Kippwinkel entsprechende
Größe eingestellt, gegebenenfalls unter Einhaltung eines gewissen Sicherheitsabstandes.
Bei normalen Betriebsfällen, in denen sich ein Wert des Polradwinkels einstellt
und der kleiner ist als der eingestellte vorgenannte Grenzsollwert, erscheint am
Ausgang des Polradwinkelteilreglers ein Wert, der weit über dem des Reglers liegt,
der gerade im Regeleingriff ist. Dies wird im allgemeinen der Leistungsregler sein.
Nähert sich nun der Polradwinkel dem Grenzsollwert, so verkleinert sich das Ausgangssignal
des Polradwinkelteilreglers, bis es im Extrem verschwindet. Spätestens dann aber
übernimmt der Polradwinkelteilregler die weitere Regelung und verhindert ein weiteres
Öffnen der Stehorgane und damit ein Kippen der Maschine.
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Der Sollwert des Leistungsreglers ist nun unabhängig von den Erfordernissen
bei einer Drehzahlregelung an die speziellen Gegebenheiten bei der Leistungsregelung
anpaßbar. Vorteilhaft ist es hierzu in weiterer Ausgestaltung der Erfindung, wenn
der Sollwert des Leistungsreglers zusammengesetzt ist aus einem konstanten und einem
der Differenz zwischen der Netzfrequenz und einer konstanten Frequenz, vorzugsweise
von 50 Hz proportionalen Anteil. Auf diese Weise kann dann die für den Parallelbetrieb
erforderliche statische Regelkennlinie gebildet werden.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann der Sollwert des Leistungsreglers
über eine Laständerungsbegrenzung geführt werden. Dadurch wird sichergestellt, daß
der Turbine nur solche Laständerungen abverlangt werden können, die von der Materialbeanspruchung
her zulässig sind.
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Es kann sich empfehlen, eine optimal schnelle Ausregelung im Leistungsregelkreis
nur dann zuzulassen, wenn gewisse, die Anlage, insbesondere den Kessel, gefährdende
Kriterien nicht unter- bzw. überschritten werden. Dies erfolgt gemäß einem weiteren
Merkmal der Erfindung dadurch, daß ein Begrenzergerät von Kesselgrößen beaufschlagte
Verstärker enthält, deren Ausgänge einseitig begrenzt sind, in der Weise, daß nach
überschreiten bestimmter Grenzwerte
der Kesselgrößen der Sollwert
des Leistungsreglers erniedrigt wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den F i g. 1 und 2 beschrieben.
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In F i g. 1 ist mit 1 ein elektrischer Öffnungsregler bezeichnet,
dessen Ausgangsgröße auf einen elektrohydraulischen Verstärker 2 wirkt. Der elektrohydraulische
Verstärker bestimmt die Öffnung H des Frischdampfventils.
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Eine der Öffnung H entsprechende Spannung wird über ein Glättungsglied
3 auf den Eingang des Öffnungsreglers 1 zurückgeführt. Bei dem öffnungsregler
1 handelt es sich zweckmäßigerweise um einen PD-Regler, dessen Vorhalt in an sich
bekannter Weise auf die Summe der kleinen Zeitkonstanten des eben beschriebenen
Öffnungsregelkreises abgestimmt ist. Es kann sich jedoch im Einzelfall auch die
Anwendung eines P-, IP- oder IPD-Reglers empfehlen.
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Die Regelstrecke besteht nun aus dem mit 4 bezeichneten, die Energiezufuhr
darstellenden Block, der bei einer Dampfturbine aus dem Hochdruck-, Mitteldruck-
und Niederdruckteil besteht und vereinfacht die in dem Block 4 dargestellte Übergangsfunktion
aufweist. Am Ausgang des Blocks 4 tritt das mechanische Moment M auf, mit
welchem der Synchrongenerator beaufschlagt wird. An dessen Ausgang wird eine der
Maschinendrehzahl n proportionale Spannung als Istwert auf den im Eingangskreis
eines Drehzahlreglers 6 (überlagerter Regler) liegenden Vergleichspunkt 7 geführt.
Als Sollwert dient eine von einer konstant einstellbaren Sollwertquelle gelieferte
Gleichspannung n*. Der Drehzahlregler 6 verstärkt die Regelabweichung und gibt sie
auf einen Eingang eines mit 8 bezeichneten Selektivgerätes. In analoger Weise wird
ein zweiter Eingang dieses Selektivgerätes 8 vom Ausgang des Leistungsreglers
9
(überlagerter Regler) beaufschlagt, dem P* als Sollwert und ein der Turbinenabgabeleistung
entsprechender Istwert P zugeführt ist.
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Wie durch die gestrichelte Wirkungslinie angedeutet werden soll, kann
darüber hinaus noch ein weiterer Teilregler 10 vorgesehen werden mit dem
Polradwinkel als Regelgröße.
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Den Eingangskreisen der beiden Regler 6 und 9
werden
an den Vergleichspunkten 7 und 11 jeweils über die Schaltglieder 12 und 13 zusätzliche
Sollwerte An* und ,1 P* zugefügt, worauf später noch näher eingegangen
wird.
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Der Sollwert P* enthält einen konstanten Wert P*. Dieser kann beispielsweise
von einem an einer Gleichspannung liegenden Potentiometer stammen, dessen Abgriff
entweder von Hand oder von einem übergeordneten Netzregler verstellt wird. Der konstante
Sollwert Pl* gelangt über ein Begrenzergerät 14 an den Vergleichspunkt
11. Dem Sollwert Pl* wird ein zweiter Sollwert P2* zugefügt, welcher einer
Spannung entspricht, die der Differenz zwischen der Netzfrequenz und einer konstanten
Frequenz von 50 Hz proportional ist. Zur Bildung dieses zweiten zusätzlichen Sollwertes
P,* kann zweckmäßigerweise ein Differenzgatter 15 vorgesehen werden, welches die
konstante Frequenz f * eines Quarzoszillators mit einer von der Netzfrequenz abgeleiteten
Frequenz fNe(z in der Weise vergleicht, daß an seinem Ausgang eine Frequenz entsteht,
die der Differenz der beiden vorher erwähnten Frequenzen entspricht. Das Ausgangssignal
des Differenzgatters 15 gelangt dann über einen Frequenz-Spannungsumsetzer 16 und
ein Proportionalglied 17 an den Summierpunkt 34. Durch Verändern des
beim proportionalen Glied 17 angedeuteten Einflusses C kann der Proportionalanteil
gewählt werden, mit dem ein Unterschied zwischen der konstanten Frequenz f * und
der Netzfrequenz zur Anforderung einer entsprechenden Abgabeleistung wirksam wird.
Auf diese Weise wird die Neigung der statischen Frequenz-Leistungskennlinie (Statik)
bestimmt. Die als Proportionalglied bezeichnete Einrichtung 17 kann z. B. aus einem
Potentiometer bestehen, das an einer Spannungsquelle liegt. C würde dann die Stellung
seines Potentiometerabgriffes bedeuten.
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Es soll nun im folgenden die grundsätzliche Wirkungsweise der gegenseitigen
Ablösung der dem öffnungsregler 1 überlagerten Regler erläutert werden. Dabei
ist angenommen, daß zunächst nur der Drehzahlregler 6 und der Leistungsregler
9 einander ablösen sollen. Beim Hochfahren der Turbine im Leerlauf bis zur
synchronen Drehzahl des Verbundnetzes soll eine reine Drehzahlregelung der Turbine
durch den Drehzahlregler 6 erfolgen. Für diesen Betriebsfall ist eine relativ geringe
Energiezufuhr, also ein kleiner Wert der Öffnung H erforderlich. Wird daher dem
Leistungsregler 9 ein zusätzlicher Sollwert A P* aufgeschaltet, der dem Öffnungsregler
1 ein größeres Eingangssignal liefert als der Drehzahlregler 6, so kann nur das
Ausgangssignal des letzteren als Sollwert H* am Eingang des Öffnungsreglers 1 wirksam
werden, da das Selektivgerät 8 eine Minimumauswahl trifft. Der Leistungsregler
9 ist damit außer Betrieb gesetzt, und die Turbine wird etwa entsprechend der in
F i g. 2 mit I bezeichneten Charakteristik hochgefahren. Beim Erreichen der der
Netzfrequenz entsprechenden Drehzahl und gleichzeitig mit Anschaltung des Synchrongenerators
an das Verbundnetz wird der Zusatzsollwert An* des Drehzahlreglers 6 zugeschaltet.
Da die Drehzahl der Maschine nun vom Netz her festgelegt ist, liefert auf Grund
der Differenz zwischen dem Sollwert (n* + A n*) und dem Drehzahlistwert
n, welcher der Netzfrequenz entspricht, der Drehzahlregler 6 ein Signal,
welches das des Leistungsreglers 9 übersteigt. Es wird also im Verbundbetrieb auf
diese Weise der Drehzahlregler 6
außer Betrieb gesetzt, und die Leistungsabgabe
der Maschine wird bei konstanter Drehzahl vom Leistungsregler 9 bestimmt, wie dies
in F i g. 2 durch die mit 1I bezeichnete Kennlinie angedeutet ist.
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Der Drehzahlregler 6 kann zweckmäßigerweise ein I- oder ein PI-Regler
sein. Grundsätzlich ist jedoch auch ein Proportionalregler an dieser Stelle denkbar.
Da jedoch im allgemeinen der Betrieb am starren Netz überwiegt, für diesen Fall
also der Drehzahlregler stets außer Funktion bleiben soll, müßte bei Verwendung
eines Proportionalreglers dafür gesorgt werden, daß der Zusatzsollwert An* eine
genügend große Langzeitkonstanz aufweist. Bei Verwendung eines I- oder PI-Reglers
hingegen ist man von dieser Anforderung weitgehend frei, da bekanntlich das Ausgangssignal
eines Reglers mit Integralverhalten bei noch so kleinem, dauernd von Null verschiedenem
Eingangssignal einen maximal möglichen Festwert erreicht.
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Die Wirkungsweise der in F i g. 1 dargestellten Regelanordnung wird
nun auch bei den anderen möglichen Fällen der Betriebsführung der Turbine verständlich.
Bei Lastabwurf, d. h. bei plötzlichem Abtrennen des Synchrongenerators vom Verbundnetz.
wird
wieder eine reine Drehzahlregelung erforderlich. Der Zusatzsollwert d n*
wird daher durch das Schaltglied 12 abgeschaltet und der Zusatzsollwert A P* durch
das Schaltglied 13 zugeschaltet. Dies kann zweckmäßigerweise so bewirkt werden,
daß die Betätigung der vorgenannten Schaltglieder in Abhängigkeit vom Betrag oder
dem Gradienten der Leistungsänderung gebracht wird. An dieser Stelle kann z. B.
die auch unter der Bezeichnung Lastsprungrelais bekanntgewordene Einrichtung eingesetzt
werden. Beim Arbeiten auf ein nicht starres Netz bzw. beim Alleinbetrieb des Synchrongenerators
auf ein Eigennetz wird entsprechend der Zusatzsollwert A n*
abgeschaltet und der Leistungsregler 9 außer Betrieb gesetzt. Werden bei den beiden
letzteren Betriebsfällen statische Drehzahl-Leistungs-Kennlinien erforderlich, so
kann dem Drehzahlregler 6 durch an sich bekannte Rückführungsmittel ein Proportionalverhalten
verliehen werden, sofern er ein solches nicht ohnehin schon besitzt.
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Ein wichtiges Element stellt das im Leistungssollwertkreis angeordnete
Begrenzergerät 14 dar, welches die Möglichkeit gibt, als wesentlich angesehene Einlußgrößen
zur Wirkung zu bringen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel dieses Begrenzergerätes
ist eine Laständerungsbegrenzung 18 vorgesehen, welche die zulässige zeitliche Laständerung
der Turbine festlegt nach Art des in ihrem Blocksymbol dargestellten sogenannten
Scherendiagramms. Innerhalb dessen gestrichelten Bereiches ist eine sofortige Laständerung
und damit auch eine sofortige Weitergabe des entsprechenden Sollwertbefehles möglich.
Beim Erreichen der Grenzkurven a oder b wird der Sollwertbefehl entsprechend
derselben verzögert.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Laständerungsbegrenzung 18 sei
angenommen, daß der Synchrongenerator gerade seine halbe Nennleistung abgeben möge.
Der Ausgangswert des als Sollwertumformer wirkenden 17bertragungsgliedes 18 befindet
sich dann ebenfalls bei 50 % seines Stellbereiches. , Wird nun - etwa durch plötzliches
Verändern des konstanten Anteils P1* des Sollwertes des Leistungsreglers 9 - ein
Befehl gegeben, der die Turbine zur Abgabe ihrer vollen Nennleistung auffordern
würde, so wird sich das Ausgangssignal der Laständerungs-Begrenzung 18 zunächst
nur bis zu dem Wert verändern, der durch die Grenzkurve a bestimmt ist, was bei
dem dargestellten Diagramm etwa 75 % Nennlast entspricht. Sodann würde das umgeformte
Sollwert Signal entsprechend der Sollwertkurve a langsam ansteigen, bis der zur
Abgabe von 100% Nennlast entsprechende Sollwert erreicht ist. Die Charakteristik
des in F i g. 1 dargestellten Scherendiagramms ist im Einzelfall an die jeweils
verwendete Turbine anzupassen. Die technische Realisierung einer derartigen Laständerungsbegrenzung
kann z. B. durch mit RC-Gliedern beschalteten Gleichstromverstärkern erfolgen, deren
jeweils maßgebende Zeitkonstanten abhängig sind von Größe und Änderung des Eingangssignals.
Auch durch Proportionalverstärker, die mit entsprechend bemessenen verzögernden
bzw. nachgebenden Rückführungen beschaltet sind, kann das vorstehend beschriebene
übertragungsverhalten bewirkt werden.
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In dem Begrenzergerät 14 ist eine weitere Möglichkeit vorgesehen,
auf den Sollwert P* des Leistungsreglers 9 Einfluß zu nehmen, und zwar bei Vorliegen
bestimmter, die Anlage gefährdender Kriterien. Es handelt sich dabei um solche Grenzwerte,
die unmittelbar durch Ändern des Sollwertes P* de5 Leistungsreglers erreicht bzw.
vermieden werden können. Zu diesem Zweck sind an die Eingangs-5 klemmen 19 und 20
zweier gleichartig aufgebauter Verstärker 21 und 22 Spannungen T und
D gelegt, wobei z. B. T eine Spannung bezeichnen soll, die der Frischdampftemperatur,
und D eine Spannung bezeichnen soll, die dem Frischdampfdruck am Kesselaustritt
entspricht. Diese Spannungen werden mit durch Potentiometer 23 und 24 einstellbaren
Grenzwerten verglichen. Wesentlich ist, daß durch die einseitige Ausgangsbegrenzung
der Verstärker 21 und 22 ein korrigierender Regeleingriff erst dann
erfolgt, wenn die genannten Grenzwerte unter- bzw. überschritten werden. In diesem
Fall entsteht an dem betreffenden Verstärkerausgang ein zusätzliches Sollwertsignal,
das in Abhängigkeit von der vorhandenen Abweichung vom eingestellten Grenzwert auf
eine Verkleinerung bzw. Vergrößerung der Öffnung H des Frischdampfventils gerichtet
ist.
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Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, den Verstärkern 21 und
22 durch die Kombination einer ohmschen mit einer kapazitiven Gegenkopplung ein
verzögerndes Verhalten zu verleihen, so daß der Regeleingriff der Verstärker weich
einsetzt.
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Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung läßt sich gegebenenfalls derart
zwanglos erweitern, daß weiteren zu überwachenden Anlagekriterien je ein zusätzlicher
Verstärker zugeordnet wird, dessen Ausgangsgröße dann ebenfalls auf den Summierpunkt
25 geschaltet ist.
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Wie schon erwähnt, soll durch den proportionalen Anteil P,* des Sollwerts
P* ein Leistungsbeitrag in den Fällen bereitgestellt werden, wo die Frequenz des
Verbundnetzes z. B. infolge von Fehlbilanzen zwischen Verbrauch und Erzeugung von
ihrer konstanten Frequenz f * abweicht. Es kann im Einzelfall sich als zweckmäßig
oder notwendig erweisen, diesen Einfluß unabhängig von seiner Größe sofort wirken
zu lassen. Zu diesem Zweck kann durch Betätigen eines Schalters 26 der Wert von
P2* an der Laständerungsbegrenzung 18 vorbeigeführt werden, so daß also immer eine
von der Turbine her unbegrenzte Stützung des Verbundnetzes erfolgen kann.