Verfahren zur thermodynamischen Online-Diagnose einer großtechnischen Anlage

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermodynamischen Online-Diagnose einer großtechnischen Anlage, insbesondere einer Kraftwerksanlage, auf Basis von Zustandsdiagrammen . Die Erfindung betrifft ferner ein Leitsystem zur thermodynami- sehen Onlinediagnose einer großtechnischen Anlage.

Großtechnische Anlagen, wie z.B. Kraftwerke, müssen die ein ^¬ gesetzte Energie effizient nutzen, um wirtschaftlich bestehen zu können. Eine der wichtigsten Kenngrößen der effizienten Energienutzung ist der Wirkungsgrad, d.h. bei Kraftwerken: die Ausbeute an Wärme und Elektroenergie im Verhältnis zum Energiegehalt des eingesetzten Brennstoffs.

Verluste in der thermodynamischen Bilanz, die den Wirkungs- grad des Kraftwerks verschlechtern, müssen daher möglichst rasch aufgefunden werden.

Für die thermodynamische Diagnose werden heute üblicherweise Kenngrößen, wie Teilwirkungsgrade oder Verlustkennziffern, eingesetzt.

Diese Kenngrößen zeigen Probleme in Anlagenteilen dann auf, wenn für den jeweiligen Anlagenteil eine Kennziffer bestimmt wird. Üblich ist, dass für diese Kenngrößen mit Hilfe eines thermodynamischen Modells ein Sollzustand ermittelt wird und dieser mit dem aktuell in der Anlage ermittelten Wert verglichen wird.

Dabei werden sowohl der Soll- als auch der Istzustand auf der Basis von Messwerten bestimmt, die an der Anlage gewonnen werden . Problematisch dabei ist, dass die thermodynamische Diagnose davon abhängig ist, ob es gelungen ist, möglichst alle Teil ^¬ prozesse in Kenngrößen zu berücksichtigen. Weiterhin ist es üblich, für die Charakterisierung thermody- namischer Prozesse - insbesondere von Kreisprozessen - Zustandsdiagramme zu zeichnen. Speziell das T-s-Diagramm, das die Temperatur über der Entropie darstellt, zeigt anschaulich die aus einem Prozess gewinnbare Nutzenergie.

Derartige Darstellungen sind nur offline bekannt, weil eine automatische Eintragung in das T-s-Diagramm daran scheitert, dass die Entropie allein aus Druck und Temperaturmessungen nicht immer eindeutig bestimmbar ist und benötigte Zusatzin- formationen (insbesondere der Dampfgehalt von Zweiphasengemischen) von der üblicherweise eingesetzten Messtechnik nicht geliefert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe anschaulich und für den Kraftwerksbetreiber gut verständlich Verluste aufgezeigt und bewertet sowie die mög ^¬ lichen Verursacher identifiziert werden können. Dabei soll das Verfahren automatisierbar sein, damit es in die Prozess- leittechnik der großtechnischen Anlage implementiert werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und die Vorrichtung gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängi- gen Ansprüchen definiert. Indem ein Sollzustand einer groß ^¬ technischen Anlage ermittelt, Messwerte mehrerer thermodyna- mischer Messgrößen an der großtechnischen Anlage aufgenommen, thermodynamische Zustandsgrößen aus den Messwerten unmittel ^¬ bar nach Aufnehmen der Messwerte unter Verwendung eines ther- modynamischen Modells der großtechnischen Anlage und Zu- standsgleichungen eines in der Anlage verwendeten Arbeitsmediums zur Ermittlung eines Istzustandes der Anlage bestimmt und der Istzustand und der Sollzustand in unmittelbarer zeit- licher Nähe zu Ihrer Ermittlung in einem Zustandsdiagramm gleichzeitig angezeigt werden, wird erreicht, dass sehr an ^¬ schaulich und leicht erkannt werden kann, an welchen Stellen der Anlage und in welcher Größe Verluste auftreten.

Die thermodynamischen Zustandsgrößen sind vorteilhafter Weise Temperatur und Entropie.

Zweckmäßiger Weise erfolgt die Anzeige von Ist- und Sollzu- stand online.

Ist das Arbeitsmedium Wasser, ist es vorteilhaft, wenn die Messgrößen Druck, Temperatur und Wassergehalt umfassen. Die Messungen sollten an möglichst vielen Stellen der großtechni- sehen Anlage erfolgen.

Vorteilhafter Weise werden die Messgrößen an Stellen in der großtechnische Anlage gemessen, an denen ein Phasenübergang des Arbeitsmediums stattfindet.

Der Sollzustand wird vorteilhafter Weise aus einem thermody ^¬ namischen Modell und charakterisierenden Messgrößen ermittelt . Dabei ist es zweckmäßig, wenn die charakterisierenden Mess ^¬ größen Umgebungsbedingungen und ein Leistungsniveau der großtechnischen Anlage sind.

Das Verfahren ist besonders vorteilhaft, wenn die großtechni- sehe Anlage eine Gas- und Dampfturbinenanlage ist.

Im Hinblick auf die Vorrichtung betrifft die Erfindung ein Leitsystem zur thermodynamischen Onlinediagnose einer großtechnischen Anlage, wobei die Software eine Programmkomponen- te umfasst, in der Module für thermodynamische Modellrechnun ^¬ gen für Ist- und Sollzustände der großtechnischen Anlage derart integriert sind, dass die berechneten Werte online ver ^¬ glichen werden. Der Vorteil des erfinderischen Verfahrens gegenüber bekannten Verfahren besteht insbesondere darin, dass unmittelbar und ohne spezielle Modellierung von Teilprozessen der Gesamtpro- zess dargestellt und überblickt werden kann und damit auch

Abhängigkeiten zwischen Anlagenteilen sehr gut erfassbar werden .

Sollten für einige Anlagenteile keine Einzelkenngrößen vor- liegen, so ist davon die Onlinediagnose nicht betroffen, da durch das Zustandsdiagramm zwangsläufig alle Teile der Anlage abgebildet werden.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:

Figur 1 ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens zur thermodynamischen Online-Diagnose und Figur 2 ein T-s-Diagramm aus der Online-Diagnose.

Die Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft ein Ablauf ^¬ schema des erfindungsgemäßen Verfahrens zur thermodynamischen Online-Diagnose. Die Diagnose umfasst folgende Schritte: Von einer technischen Anlage werden Messwerte erfasst. Dabei handelt es sich um wenige, die Umgebungsbedingungen sowie das Leistungsniveau des Kraftwerks charakterisierende Messgrößen 101 und um möglichst viele Messdaten thermodynamischer Zu- standsgrößen 102 der Anlage, wie Druck, Temperatur, Wasserge- halt des Arbeitsmediums.

Unter Verwendung eines thermodynamischen Modells für den Sollzustand 103 der Anlage werden unter Verwendung der Messgrößen 101 an möglichst vielen Stellen der Anlage thermodyna- mische Zustandsgrößen (Temperatur und Entropie) bestimmt.

Parallel werden aus allen erhältlichen Messgrößen 102 oder wahlweise einem allgemeinen thermodynamischen Modell (Vali- dierungsrechnung nach VDI 2048: bestehend aus Gleichungen für Energie- und Massenbilanzen) der Anlage ebenfalls thermodyna- mische Zustandsgrößen für den Istzustand 104 bestimmt. Als Ergebnis erhält man einen konsistenten Satz an Ergebniswer- ten, der den Istzustand 104 bestmöglich beschreibt. Zusätzlich erhält man weitere berechnete Größen, die nicht messbar und nicht auf einfachem Wege berechenbar sind (wie z. B. die Qualität des Niederdruck-Abdampfes) . Die thermodynamischen Zustandsgrößen beider Herkunftsarten werden in der Bedienoberfläche in einem Zustandsdiagramm dargestellt 105.

Figur 2 zeigt ein T-s-Diagramm aus der Online-Diagnose für den Wasser-Dampf-Kreislauf eines Gas- und Dampfkraftwerks zur Darstellung der Prozesse. Seine Abszisse (X-Achse) zeigt die spezifische Entropie s, seine Ordinate (Y-Achse) die Tem ^¬ peratur T. Im T-s-Diagramm eingezeichnet sind Isobaren 14 (Linien gleichen Drucks) , Linien mit gleichem Dampfmassenan- teil 15 und die Phasengrenze 16.

Aus diesem Diagramm lässt sich der Wirkungsgrad eines aus zwei Isentropen (Linien gleicher Entropie) und zwei Isothermen (Linien gleicher Temperatur) bestehenden Carnot- Prozesses, der im T-s-Diagramm als Rechteck abgebildet wird, direkt aus dem Flächenverhältnis ablesen. Bei adiabaten Pro ^¬ zessen, d.h. bei thermodynamischen Vorgängen, bei denen ein System von einem Zustand in einen anderen überführt wird, ohne thermische Energie mit seiner Umgebung auszutauschen, z.B. in einer Dampfturbine, stellt die Fläche allein die dissi- pierte Arbeit dar. Ist der Zustandsverlauf durch Messung der Zustandsgrößen (meist Druck und Temperatur) bekannt, woraus über die Zustandsgieichungen die zugehörige Entropie (als Differenz zu der des Tripelpunktes ) errechnet werden kann, erhält man durch die Darstellung im T-s-Diagramm einen guten Überblick über die Güte des Prozesses. Zwischen den Punkten 1 und 2 im T-s-Diagramm erfolgt die iso- bare Erwärmung des Speisewassers auf die Sattdampftemperatur . Anschließend erfolgt zwischen den Punkten 2 und 3 im Nass ^¬ dampfgebiet die isobare Verdampfung. Bis zu den Punkten 4 und 5 wird der Dampf überhitzt. Zwischen den Punkten 5 und 6 erfolgt die Entspannung des überhitzten Dampfes in der Turbine (Hochdruckturbine) . Zwischen 6 unter 7 wird der Dampf zwischenüberhitzt und anschließend bis zu Punkt 10 in der Turbi ^¬ ne (Niederdruckturbine) weiter entspannt. Die Linie zwischen den Punkten 10 und 11 beschreibt die Kondensation des ent ^¬ spannten Wasserdampfs.

Im erfinderischen Verfahren werden Istzustand 12 und Sollzustand 13 im selben T-s-Diagramm zur Online-Diagnose eingetra- gen, ähnlich wie in Figur 2. D.h., das Zustandsdiagramm zeigt den Kreisprozess der Anlage für den Sollzustand 13 und den Istzustand 12. Jede Istzustandsänderung (z. B. Druckerhöhung, Wärmezufuhr, Expansion, Wärmeabfuhr) des Kreisprozesses lässt sich so grafisch mit einem Sollzustand vergleichen.

Beispielsweise ist in Figur 2 für die Zustandsänderung in der Hochdruck-Dampfturbine (von Punkt 5 (Frischdampf) nach 6 (kalte Zwischenüberhitzung) ) eine Abweichung am Expansionsendpunkt feststellbar. Die Expansion im Istzustand weist hö- here Verluste gegenüber dem Sollzustand auf.