Turbinenregelungseinheit mit einem Temperaturbeanspruchungs ^¬ regler als Führungsregler

Beim Anfahren von Turbinen, insbesondere von Dampfturbinen, ist zur Vermeidung von Bauteilbeschädigungen ein zu schneller Temperaturanstieg zu vermeiden. Daher werden die Temperaturen temperaturbelasteter Bauteile überwacht. Überschreiten die Temperaturen oder der Temperaturanstieg einen Sollwert, so wird auf einen Regler der Turbinenleistung eingewirkt die Leistungssteigerung zu stoppen. Dadurch ergeben sich mitunter Verzögerungen beim Anfahren der Turbine.

In GB 2 074 757 A ist ein Verfahren und eine Anordnung zum Regeln der Wärmebeanspruchung von Bestandteilen einer Dampfturbine unter maximalen Belastungs- und Entlastungsgeschwindigkeiten während des Hochlaufens, des Stillsetzens und ande- rer Perioden der Belastungsänderung gezeigt. Aus überwachten und abgeleiteten Größen wird eine Belastungsgeschwindigkeit für jeden von mehreren vorgewählten Turbinenbestandteilen berechnet und die niedrigste Geschwindigkeit für die Regelung ausgewählt. Gleichzeitig wird die

DampfbeaufSchlagungsbetriebsart der Turbine automatisch ent ^¬ weder auf die Teilbogenbetriebsart oder die Vollbogenbe- triebsart gerichtet, je nach Notwendigkeit, um die Beanspru ^¬ chung zu verringern. In der US 4,208,060 A ist ein Überwachungskontrollsystem für einen Dampfturbinengenerator mit einer Hierarchie von Mikrocomputer-Teilsystemen gezeigt, die interaktiv mit einem herkömmlichen analogen elektrohydraulischen Regelungssystem zusammenarbeiten, um eine Steuerung und Überwachung während al- 1er Betriebsphasen des Turbinengenerators zu ermöglichen.

Die US 2006/233637 AI zeigt einen Turbinenstartregler mit einer Optimalstartregelungseinheit zum Vorhersagen einer ther- mischen Belastung, die in einem Turbinenrotor während einer Vorhersageperiode ausgehend von der aktuellen Zeit in die Zu ^¬ kunft bestimmt wird, wobei eine Turbinenbeschleunigungsrate und eine LastZuwachsrate als Regelgrößen verwendet werden.

US 5,044,152 A zeigt ein Verfahren zum Betreiben eines kombinierten Kraftwerks mit einem Gasturbinensystem und einem Verdampfer, bei dem aus der Hitze des Turbinenabgases Dampf ge ^¬ neriert und einer Dampfturbine zugeführt wird, die durch den so erzeugten Dampf betrieben wird. Ein Einlass in das Gasturbinensystem wird auf Basis des Zustands des Verdampfers oder der Dampfturbine geregelt.

Aufgabe der Erfindung ist es diese Verzögerungen möglichst zu vermeiden, zumindest zu reduzieren und gleichzeitig eine Be ^¬ schädigung von Bauteilen zu unterbinden. Diese Aufgabe wird insbesondere durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Die ab ^¬ hängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen an. Erfindungsgemäß wird eine Turbinenregelungseinheit zur Rege ^¬ lung einer Turbine, insbesondere zum Regeln des Anfahrens ei ^¬ ner Turbine, vorgeschlagen, die als Kaskadenregler ausgebildet ist. Wie fachüblich ist unter einem Kaskadenregler ein Regler verstanden, bei dem mindestens zwei Regelkreise ineinander ge ^¬ schaltet sind. Dabei ist ein äußerer Regelkreis, ein soge ^¬ nannter Führungsregler vorhanden. Dieser hat die Aufgabe für einen inneren Regelkreis, also einen nachgeordneten Regel- kreis, Sollwerte vorzugeben oder zumindest zu beeinflussen.

Vorliegend ist als Führungsregler ein Temperaturbeanspru ^¬ chungsregler für die Temperatur temperaturbeanspruchter Bauteile vorhanden. Der Führungsregler hat also die Aufgabe, die Sollwerte für einen inneren Regelkreis so zu vorzugeben oder zu beeinflussen, dass eine überhöhte Temperaturbeanspruchung vermieden wird. Bisher wird beim Anfahren einer Turbine für gewöhnlich mit einem Regler für die Turbinenleistung die Leistung, genauer gesagt die Leistungssteigerung geregelt. Zur Vermeidung einer überhöhten Temperaturbeanspruchung wird die Temperatur gemessen und bei einer überhöhten Temperbeanspruchung das Anfahren gestoppt. Es wird also die Leistungs- Steigerung unterbrochen. Damit wird eine überhöhte Tempera ^¬ turbeanspruchung von Bauteilen zwar vermieden, allerdings ist ein Zeitverlust in Kauf zu nehmen, bis die Turbine die ge ^¬ wünschte Leistung erreichen kann. Wird hingegen wie erfindungsgemäß vorgesehen ein Temperaturbeanspruchungsregler für die Temperatur temperaturbeanspruchter Bauteile als Führungsregler vorgesehen, kann erreicht werden, dass die zulässige Temperaturbeanspruchung weitgehend ausgeschöpft wird, also etwa beim Anfahren die Leistungsstei- gerung der Turbine möglichst hoch gewählt wird, ohne die zu ^¬ lässige Temperaturbeanspruchung der Bauteile zu überschrei ^¬ ten. Es kann also die Leistung schneller erhöht werden und eine gewünschte Turbinenleistung schneller erreicht werden. Neben dem als Führungsregler ausgebildeten Temperaturbeanspruchungsregler ist stets noch ein innerer Regler vorhanden. Der Temperaturbeanspruchungsregler übergibt an den inneren Regler einen geeigneten Sollwert um zu erreichen, dass die Turbine so geregelt wird, dass eine zulässige Temperaturbe- anspruchung nicht überschritten wird.

Die Erfindung stellt vor allem auf Dampfturbinen ab, bei denen die Temperaturbeanspruchung, vor allem die Temperaturbeanspruchung beim Anfahren ein bedeutendes Problem dar- stellt. Es soll aber nicht ausgeschlossen werden, dass etwa auch in Gasturbinen die Erfindung zum Einsatz kommt.

Beim inneren Regler handelt es sich in einer wichtigen Ausführungsform um einen Turbinenregler, insbesondere um einen Regler der Turbinenleistung. Solche Turbinenregler sind im Stand der Technik bekannt und eignen sich sehr gut für das Regeln von Turbinen, insbesondere beim Anfahren der Turbine. Der Temperaturbeanspruchungsregler übergibt in diesem Fall an den inneren Regler einen Sollwert für die Leistung der Turbine. Wie später noch näher diskutiert werden wird, kann es sich dabei auch um einen Sollwert für die Leistungssteigerung handeln .

Der Hauptanwendungsfall ist sicherlich das Anfahren einer Turbine. Es ist aber auch denkbar etwa im Vollastbetrieb durch den als Führungsregler ausgebildeten Temperaturbeanspruchungsregler Überhitzungen zu vermeiden.

Zumeist ist eine Temperaturbeanspruchungsberechnungseinheit vorhanden, um dem Temperaturbeanspruchungsregler mindestens einen Sollwert vorzugeben. Die Temperaturbeanspruchungsbe- rechnungseinheit berechnet, zumeist aus in Datenbanken hin- terlegten Daten, ob eine Temperaturerhöhung zulässig ist.

In einer wichtigen Ausführungsform ist der Temperaturbeanspruchungsregler ausgebildet, für eine derartige Regelung der Turbine zu sorgen, dass ein gewünschter zeitlicher Tempera- turanstieg, also ein bestimmter Temperaturanstieg pro Zeit ^¬ einheit nicht überschritten wird. Entscheidend, insbesondere beim Anfahren der Turbine, ist im Regelfall nicht eine abso ^¬ lute Temperatur nicht zu überschreiten. Dabei soll nicht verkannt werden, dass es selbstverständlich eine Temperatur gibt die nicht überschritten werden darf. Während des Anfahrens ist es aber zur Vermeidung von unzulässigen Materialbeanspruchungen entscheidend, dass die Temperatur nicht zu schnell ansteigt. Daher muss der Temperaturbeanspruchungsregler normalerweise dafür sorgen, dass die Temperatur nicht zu schnell ansteigt.

Zurückkommend auf die bereits erwähnte Temperaturbeanspru- chungsberechnungseinheit bedeutet dies entsprechend, dass die Temperaturbeanspruchungsberechnungseinheit aus den erfassten Temperaturwerten und deren zeitlicher Abfolge auf einen Temperaturanstieg schließen kann. Weiterhin kann dieser Temperaturanstieg mit hinterlegten Daten verglichen werden. Dies erlaubt zu ermitteln, ob der Temperaturanstieg erhöht werden kann, abgesenkt werden muss oder gleichbleiben soll. Diese Information kann dem Temperaturbeanspruchungsregler übergeben werden. Aus dieser Information kann der Temperaturbeanspruchungsregler einen geeigneten Sollwert für den inneren Regler generieren.

In einer Ausführungsform ist der Temperaturbeanspruchungsreg ^¬ ler ausgebildet eine Temperaturbeanspruchung zu vermeiden, die durch Temperaturdifferenzen hervorgerufen wird. Mitunter ergibt sich eine Temperaturbeanspruchung auch aus unterschiedlichen Temperaturen innerhalb eines Bauteils oder aus unterschiedlichen Temperaturen verschiedener Bauteile. So kann es etwa problematisch sein, wenn sich Schaufeln der Turbine durch Erwärmung ausdehnen und ein Gehäuse der Turbine aufgrund einer langsameren Erwärmung sich langsamer ausdehnt. Es gilt daher mitunter Temperaturdifferenzen, die eine Temperaturbeanspruchung auslösen, zu erkennen und durch eine Regelung zu vermeiden. In einer Ausführungsform ist der Regler der Turbinenleistung ausgebildet Sollwerte zu generieren für Stellungsregler, welche die Stellung von Stellventilen regeln. Die Stellventile beeinflussen wesentlich die jeweils durchströmende Dampfmenge und damit die Leistung oder den leistungsverlauf der Turbine. Bei dieser Ausführungsform ist die Turbinenregelungseinheit also zweifach kaskadiert. Zunächst ist der Temperaturbean ^¬ spruchungsregler als übergeordneter Führungsregler vorhanden, der Sollwerte für den Regler der Turbinenleistung generiert. Der Regler der Turbinenleistung wiederum generiert Sollwerte für die Stellungsregler

In einer Ausführungsform ist die Turbinenregelungseinheit ausgebildet, Teilturbinen, insbesondere eine Hochdrucktur ^¬ bine, eine Mitteldruckturbine und eine Niederdruckturbine, getrennt zu regeln. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass vor allem aufgrund unterschiedlicher Temperaturbeanspru ^¬ chungen die Leistung unterschiedlich gesteigert werden kann. Freilich wird sich zumeist eine völlig getrennte Regelung nicht realisieren lassen. Wenngleich verschiedene Dampfpfade zur Verfügung stehen, können sich aus der Randbedingung, dass Dampf aus der Hochdruckturbine in die Mitteldruckturbine und von dort in die Niederdruckturbine strömt, gewisse Abhängig- keiten der Leistungen der einzelnen Teilturbinen ergeben. Dennoch ist es vorteilhaft einzelne Teilturbinen grundsätzlich getrennt regeln zu können. Dies erlaubt etwa die Leis ^¬ tung einer Teilturbine schneller erhöhen zu können, während zur Vermeidung einer unerwünschten Temperaturbeanspruchung die Leistung einer anderen Teilturbine langsamer zu erhöhen ist .

In einer Ausführungsform sind an verschiedenen Stellen der Turbine, insbesondere an einer Hochdruckturbine und/oder an einer Mitteldruckturbine Temperatursensoren angebracht sind. Bei der Hochdruckturbine und bei der Mitteldruckturbine han ^¬ delt es sich um stärker temperaturbeanspruchte Bauteile, so dass vor allem dort Temperatursensoren erforderlich sind. In vielen Fällen ist es freilich sinnvoll auch in der Nieder- druckturbine Temperatursensoren anzubringen.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Regelung einer Turbine mit einem Kaskadenregler umfassend einen Führungsreg ^¬ ler und einen inneren Regler, wobei der Führungsregler eine Temperaturbeanspruchung der Turbine erfasst und an den inneren Regler derartige Sollwerte übergibt, dass eine uner ^¬ wünschte Temperaturbeanspruchung der Turbine vermieden wird. Auf weitere Erläuterungen des Verfahrens soll hier verzichtet werden. Es wird auf die Erläuterungen zur oben beschriebenen Turbinenregelungseinheit verwiesen, die zur Durchführung des Verfahrens verwendet werden kann.

In einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Führungsregler die Temperaturbeanspruchung der Turbine durch einen zeitlichen Temperaturanstieg, also durch einen Temperaturanstieg pro Zeiteinheit, erfasst und die daraus hervorgehende Temperaturbeanspruchung ermittelt, wobei bei einer zu hohen Temperaturbeanspruchung an den inneren Regler der Sollwert übergeben wird, den Leistungsanstieg der Turbine zu reduzieren, bei einer Temperaturbeanspruchung innerhalb eines gewünschten Bereichs der Sollwert übergeben wird, den Leistungsanstieg beibehalten zu können und bei einer Tempera- turbeanspruchung unterhalb eines Schwellwerts der Sollwert übergeben wird, den Leistungsanstieg erhöhen zu können. Es ist klar, dass eine zu hohe Temperaturbeanspruchung hier nicht bedeuten muss, dass die Temperaturbeanspruchung bereits unzulässig hoch ist. Eine zu hohe Temperaturbeanspruchung be- deutet lediglich, dass ein Grenzwert für die Regelung überschritten ist. Durch die Regelung soll eine unzulässig hohe Temperaturbeanspruchung gerade vermieden werden. Diese Regelung erlaubt das schnelle Anfahren einer Turbine ohne eine unzulässig hohe Temperaturbeanspruchung.

Anhand einer Figur, die schematisch eine Turbinenregelungs ^¬ einheit zeigt, sollen weitere Einzelheiten erläutert werden.

Zu erkennen ist eine Turbinenregelungseinheit 1. Ein Tempera- turbeanspruchungsregler 2 dient als Führungsregler und übergibt Sollwerte an einen inneren Regler 3, der als Regler der Turbinenleistung ausgebildet ist. Dem Temperaturbeanspru ^¬ chungsregler 2 ist eine Temperaturbeanspruchungsberechnungs- einheit 4 vorgeschaltet. Diese wertet Signale aus, die von Temperatursensoren 5 für eine Hochdruckturbine 6 und von Temperatursensoren 7 für eine Mitteldruckturbine 8 stammen.

Wenngleich in der Figur jeweils schematisch nur ein Temperatursensor dargestellt ist, so handelt es sich doch real sinn ^¬ vollerweise um mehrere Temperatursensoren. Aus den Signalen der Temperatursensoren 5 und 7 ermittelt die Temperaturbe- anspruchungsberechnungseinheit 4 mit Hilfe von hinterlegten Daten eine Temperaturbeanspruchung der Hockdruckturbine 6, der Mitteldruckturbine 8 und einer Niederdruckturbine 10. Da ^¬ bei wird vor allem der zeitliche Temperaturanstieg betrach- tet, der zur Vermeidung von zu hohen Temperaturbeanspruchungen nicht zu hoch sein darf. Die Temperaturbeanspruchungsberechnungseinheit 4 übergibt an den Temperaturbeanspruchungsregler 2 ob die Temperaturbeanspruchung gesteigert werden kann, gleichbleiben soll oder sinken soll. Abhängig davon übergibt der Temperaturbeanspru- chungsregler 2 an den Regler 3 der Turbinenleistung geeignete Sollwerte, abhängig davon ob ein Leistungsanstieg der Turbine gesenkt, erhöht oder konstant gehalten werden soll. Dies er ^¬ folgt für die Hockdruckturbine 6, die Mitteldruckturbine 8 und die Niederdruckturbine 10 jeweils getrennt.

Der Regler 3 der Turbinenleistung übergibt entsprechende Sollwerte an einen Stellungsregler 11. Der Stellungsregler 11 regelt auf der Basis der übergebenen Sollwerte eine Stellung eines FrischdampfStellventils 12, welches Dampfzufuhr zur Hockdruckturbine 6 beeinflusst, eine Stellung eines Abfang ^¬ stellventils 13, welches Dampfzufuhr zur Mitteldruckturbine 8 beeinflusst und eine Stellung einer Zudampfklappe 14, welche Dampfzufuhr zur Niederdruckturbine 10 beeinflusst. Am Frischdampfstellventil 12 befindet sich ein Stellungsmes ^¬ ser 15, am Abfangstellventil 13 ein Stellungsmesser 16, und an der Zudampfklappe 14 ein Stellungsmesser 17. Die Stellungsmesser 15, 16 und 17 übergeben Werte an den Stellungsregler 11. Damit hat der Stellungsregler 11 die Information, ob die Stellung von Frischdampfstellventil 11, Abfangstell ^¬ ventil 13 und Zudampfklappe 14 den jeweils gewünschten Wert eingenommen hat oder ein Öffnen oder Schließen erforderlich ist . An dieser Stelle soll kurz auf einen vereinfachten Dampfkreislauf eingegangen werden. Aus der Niederdruckturbine 10 kommender Nassdampf wird in einem Kondensator 18 kondensiert. Das dabei entstehende Wasser wird mit einer Speisewasserpumpe 19 in einen Dampferzeuger 20 geführt. Von dort gelangt der Dampf durch das Frischdampfstellventil 12 zur Hochdruckturbine 6. Aus der Hockdruckturbine kommender Dampf wird in ei ^¬ nem Zwischenüberhitzer 26 erhitzt. Aus dem Zwischenüberhitzer 26 strömt der Dampf durch das Abfangstellventil 13 in die Mitteldruckturbine 8. Nach Entspannung in der Mitteldruckturbine 8 strömt der Dampf in Niederdruckturbine 10. Dabei kann je nach Öffnungsgrad der Zudampfklappe 14 vom Dampferzeuger 20 kommender Dampf zugegeben werden.

Die Hockdruckturbine 6, die Mitteldruckturbine 8 und die Nie ^¬ derdruckturbine 10 treiben gemeinsam einen Generator 21 an. Dessen Leistung wird mit einem Leistungsmesser 22 ermittelt und an den Regler 3 der Turbinenleistung übergeben. Ferner ist ein Drehzahlmesser 23 vorgesehen, der den Regler 3 der Turbinenleistung mit der Drehzahl von Turbine und Generator 21 versorgt.

In Strömungsrichtung nach dem Frischdampfstellventil 12 be- findet sich ein Druckmesser 24, nach dem Abfangstellventil 13 ein Druckmesser 25 und nach der Zudampfklappe 14 ein Druckmesser 27. Die jeweils erfassten Druckwerte werden an den Regler 3 der Turbinenleistung übergeben. Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge ^¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.