Speisewasserregelung für Zwangdurchlauf-Abhitzedampferzeuger

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines als Abhitzedampferzeuger ausgebildeten Durchlaufdampferzeugers . Sie bezieht sich weiterhin auf einen Zwangdurchlaufdampfer- zeuger zur Durchführung des Verfahrens.

Das Speisewasserregelungskonzept für Benson-Verdampfer ba siert im Wesentlichen auf der Berechnung eines Vorsteuersig nals für den Speisewassermassenstrom anhand gemessener Pro zessgrößen. Ein solches Vorsteuersigna1 wird typischerweise aus bekannten Sollwerten oder Störgrößen des Regelkreises bzw. deren Änderungen berechnet und final mit dem Ausgangs signal des Reglers multiplikativ korrigiert. Es nimmt die Re aktion des Reglers auf eine Sollwertänderung oder eine Stör größe vorweg und erhöht die Dynamik des Reglers, so dass die gewünschte Überhitzung am Verdampferaustritt (Sollwert) in allen denkbaren Phasen des Prozesses möglichst gut einge stellt wird. Bei der Erstanwendung eines Be son-Verdampfers in einem Abhitzedampferzeuger vertikaler Bauart hat sich nun gezeigt, dass besagter Reglereingriff designbedingt deutlich stärker ausfailen muss als bei der bekannten horizontalen Bauweise. Allerdings erhöht sich dadurch auch die Schwin gungsfähigkeit des Regelkreises. Dies führt dazu, dass eine unzureichende Stellgenauigkeit der Speisewasserregelventile (z. B. infolge geringer Hardwarequalität) noch zusätzlich an Bedeutung gewinnt. So lassen sich im Extremfall unerwünschte Prozessrestschwankungen von signifikanter Größenordnung bei sonst stationärem Anlagenbetrieb beobachten.

Eine Speisewasserregelung für Benson-Abhit zedampferzeuger ist beispielsweise in EP 2 212 618 Bl offenbart. Dort geht man davon aus, dass eine auch für als Abhitzekessel geschaltete Dampferzeuger nutzbare, ausreichend zuverlässige prädiktive Massenstromregelung weitgehend an die Besonderheiten des Ab hitzekessels angepasst werden sollte. Dabei sollte insbeson- dere berücksichtigt werden, dass anders als bei gefeuerten Kesseln in diesem Fall die Feuerungsleistung kein geeigneter Parameter ist, der einen ausreichend zuverlässigen Rück schluss auf die zugrunde liegende Wärmestrombilanz zulässt. Insbesondere sollte dabei berücksichtigt werden, dass bei ei ner für Abhitzekessel äquivalenten Größe , nämlich der aktuel len Gasturbinenleistung oder mit dieser korrelierenden Para meter, noch weitere, gasturbineninterne Parameter hinzutreten können, so dass kein akzeptabler Rückschluss auf die Enthal pieverhältnisse beim Eintritt des Heizgases in den Rauchgas kanal des Dampferzeugers möglich ist. Bei der zur Ermittlung des benötigten Speisewasserstroms zugrunde gelegten Wär mestrombilanz sollte daher auf andere, besonders geeignete Parameter zurückgegriffen werden, wie die Heizgastemperatur beim Eintritt in den Verdampfer sowie der Massenstrom des Heizgases .

Die EP 2 297 518 Bl offenbart ferner, dass für die zeitliche Ableitung der Enthalpie am Eingang einer oder mehrerer der Verdampferheizflächen charakteristische Korrekturwerte be rücksichtigt werden.

Für die Anwendung im Solarthermiekraftwerk offenbart die DE 10 2010 040 210 Al ebenfalls ein Verfahren, bei dem für die Erstellung des Sollwerts für den Speisewassermassenstrom ein für die zeitliche Ableitung der Enthalpie, der Temperatur oder der Dichte des Strömungsmediums am Eingang einer oder mehrerer der Heizflächen charakteristischer Korrekturwert be rücksichtigt wird.

Die US 2014/034044 Al beansprucht neben einem solarthermi schen Dampferzeuger selbst, ebenfalls ein Verfahren zum Be trieb dieses solarthermischen Dampferzeugers, bei dem die Einstellung des Speisewassermassenstroms prädiktiv geregelt wird. Zu diesem Zweck wird auch hier mit einem Korrekturwert gearbeitet, durch den thermische Speichereffekte von ein- oder ausgespeicherter thermischer Energie korrigiert werden. Schließlich offenbart auch die DE 10 2011 004 263 Al ein Ver fahren zum Betreiben eines solarbeheizten Abhitzedampferzeu gers, bei dem einer Vorrichtung zum Einstellen des Speisewas sermassenstroms ein Sollwert für den Speisewassermassenstrom zugeführt wird, wobei ein charakteristischer Korrekturwert berücksichtigt wird, durch den thermische Speichereffekte von ein- oder ausgespeicherter thermischer Energie in eine oder mehrere der Heizflächen korrigiert werden.

Da das vorliegende Problem im Rahmen der Erstanwendung eines Benson-Verdampfers in einem vertikalen Abhitzedampferzeuger auftrat, gibt es keine weiterführenden Ansätze zur Problemlö sung. Die im konkreten Fall gewählte Problemlösung bestand darin, die Verstärkung des Reglers wieder etwas zu verrin gern. Allerdings muss bei dieser Herangehensweise in Abhän gigkeit von den gegebenen Randbedingungen ein schlechteres und im Extremfall auch unerwünschtes Betriebsverha 1ten der Anlage in Kauf genommen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betrei ben eines als Abhitzedampferzeuger ausgebildeten Durchlauf dampferzeugers bereitzustellen, bei dem eine verbesserte Speisewasserregelung zu einem stabilen Betriebsverhalten der Anlage führt. Des Weiteren soll ein für die Durchführung des Verfahrens besonders geeigneter Zwangdurchlaufdampferzeuger angegeben werden.

Die Erfindung löst die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einem als Abhitzedanipierzeuger ausgebildeten Durchlaufdampferzeuger mit einem Vorwärmer, um fassend eine Anzahl von Vorwärmerheizflächen, und mit einem Verdampfer, umfassend eine Anzahl von den Vorwärmerheizflä chen strömungsmediumseitig nachgeschalteten Verdampferheiz flächen, bei dem einer Vorrichtung zum Einstellen eines Spei sewassermassenstroms ein Sollwert für den Speisewassermassen strom zugeführt wird, wobei bei der Erstellung des Sollwerts für den Speisewassermasseristrom ein auf ein Fluid in den Ver dampferheizflächen übertragener Abwärmestrom ermittelt wird sowie ferner Massenspeicherung und Energiespeicherung im Flu id in den Verdampferheizflächen beim instationären Anlagenbe trieb erfasst werden, ein zeitliches Verhalten der Massen speicherung im Verdampfer an ein zeitliches Verhalten einer Massenspeicherung im Vorwärmer gekoppelt wird, wobei eine

Skalierung mit einem Verhältnis der Dichteänderungen im Ver dampfer und im Vorwärmer erfolgt.

Wichtig ist es, zu verstehen, dass bei der vorliegenden Er- findung ein Beobachter im übertragenen Sinn nicht mit einem

Fluidteilchen verbunden ist und mit diesem durch den Verdamp fer strömt, sondern dass der Beobachter den Verdampfer als Bilanzraum betrachtet, in den Fluid ein- und ausströmt. Ein Fluidteilchen wird im normalen Betrieb der Anlage immer auf dem Weg vom Verdampfereingang zum Verdampferausgang Energie aufnehmen, egal ob der Anlagenbetrieb stationär oder instati onär verläuft. Anders ist es bei der Betrachtung des Systems gemäß der Erfindung, wo im stationären Betrieb der Anlage (des Verdampfers) an einem bestimmten Ort im Verdampfer zu unterschiedlichen Zeiten dieselben Temperaturen und Drücke gemessen werden und somit die Zeitableitungen der entspre chenden Terme in den den Vorgang beschreibenden Formeln Null werden. Durch das erfinderische Verfahren werden nun die zeitlichen Änderungen dieser Parameter im instationären Be- trieb des Verdampfers berücksichtigt. Dabei kann es selbst verständlich sowohl zu Energie- oder Massen-Einspeicherungen als auch zu Energie- oder Massenausspeicherungen kommen.

Mit diesem Verfahren, bei dem der Algorithmus zur Berechnung des Vorsteuersignals, der im Stand der Technik im einfachsten Fall lediglich den auf das Fluid im Verdampfer übertragenen

Wärmestrom _fi berücksichtigt, der sich aus dem Wärmestrom im Abgas <? _EG abzüglich der Wärmespeicherung im Wandmaterial der Heizflächenrohre Q _s ,w ergibt, um den Einfluss der fluid- seifigen Massen- und Energiespeichereffekte im Verdampfer er weitert wird, wird die Qualität des VorsteuerSignals insbe sondere für den beschriebenen Anwendungsfall des vertikalen Abhitzedampferzeugers weiter verbessert und somit die notwen dige Korrektur durch den Regler minimiert. Dies hat potenti ell zur Folge, dass der Regler dann wieder schwächer parame- triert werden kann, so dass das oben beschriebene Problem nicht auftritt, gleichzeitig aber auch das Betriebsverhalten der Anlage nicht negativ beeinflusst wird.

Vorteilhafterweise werden die Speicherterme für Massenspei cherung und Energiespeicherung aus aktuellen Messwerten be stimmt. Damit ist eine besonders zuverlässige Auswertung der Wärmestrombilanz und somit die Ermittlung eines besonders ge nau vorausberechneten Speisewasser-Sollwerts ermöglicht.

Zweckmäßigerweise sind die aktuellen Messwerte Drücke und Temperaturen am Vorwärmereingang, am Vorwärmerausgang respek tive Verdampfereingang und am Verdampferausgang.

Es ist vorteilhaft, wenn eine für die Abschätzung der Ener giespeicherung benötigte spezifische Enthalpie des Fluids im Verdampfer durch den arithmetischen Mittelwert von Siede- und Sättigungsenthalpie approximiert wird.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn Siedeenthalpie und Sättigungs enthalpie über mindestens eine Druckmessung am Verdampferein gang oder am Verdampferausgang ermittelt werden.

Die Korrekturwerte zu Massenspeicherung und Energiespeiche rung für die Ermittlung des Sollwerts für den Speisewasser- massenstrom werden vorteilhafterweise unter Berücksichtigung der zeitlichen Ableitungen der Siede- und Sättigungsenthal pien im Verdampfer sowie einer Dichte des Strömungsmediums im Vorwärmer bestimmt. Im Hinblick auf die Dichte kann insbeson dere durch geeignete Messungen von Temperatur und Druck am Eintritt und am Austritt der jeweiligen Vorwärmerheizflache eine mittlere Fluiddichte im Vorwärmer definiert und berech net werden, wobei zweckmäßigerweise ein lineares Dichteprofil zugrunde gelegt wird. Damit lassen sich Massenspeichereffekte kompensieren, die sich bei transienten Vorgängen ergeben. Wenn beispielsweise bei einer Laständerung die Wärmezufuhr in die Verdampferheizflächen absinkt, so wird dort temporär Flu- id eingespeichert. Bei konstantem Förderstrom der Speisewas serpumpe würde somit der Massenstrom beim Austritt der Heiz fläche absinken. Dies lässt sich nun durch eine temporäre Er höhung des Speisewassermassenstroms kompensieren.

In der Praxis werden diese zeitlich veränderlichen Vorgänge bzw . zeitlichen Ableitungen vorteilhafterweise über ein ers tes und ein zweites Differenzierglied, bevorzugt DTl-Glieder, ermittelt, denen einganqsseitig an geeigneten Messstellen Pa rameter wie Temperatur und Druck zugeführt werden.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn das den zeitlichen Verlauf der Dichteänderung im Vorwärmer für die Abschätzung der Massen speicherung beschreibende erste Differenzierglied mit einem dem Gesamtvolumen des Strömungsmediums in den Verdampferheiz flächen entsprechenden Verstärkungsfaktor beaufschlagt wird.

Die mit der Erfindung erzeugten Korrektursignale für den Speisewassermassenstrom können Effekte der Massen- und der

Energiespeicherung besonders vorteilhaft abbilden, wenn ge ^. eignete Verstärkungen und Zeitkonstanten für das jeweilige DT-l-Glied gewählt werden.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das erste Differenzier glied mit einer im Wesentlichen der Hälfte der Durchlaufzeit des Strömungsniediums durch den Verdampfer entsprechenden Zeitkonstante beaufschlagt wird.

Weiter ist es vorteilhaft, wenn das zweite Differenzierglied für die Abschätzung der Energiespeicherung mit einer Zeitkon stante beaufschlagt wird, die zwischen 5s und 40s liegt.

Bezüglich des Zwangdurchlaufdampferzeugers wird die genannte Aufgabe gelöst durch einen Zwangdurchlaufdampferzeuger mit einer Anzahl von Verdampferheizflächen und einer Anzahl von strömungsmediumseitig vorgeschalteten Vorwärmerheizflächen und mit einer Vorrichtung zum Einstellen des Speisewassermas senstroms , die anhand eines Sollwerts für den Speisewasser massenstrom führbar ist, wobei der Sollwert anhand des erfin derischen Verfahrens ausgelegt ist,

Mit der vorliegenden Erfindung kann die Korrektur des Vor steuersignals durch den Regler merklich reduziert und der Regler mit einer geringeren Verstärkung parametriert werden. Das oben beschriebene Problem unerwünschter Prozessrest- Schwankungen von signifikanter Größenordnung kann damit besei tigt werden. Das Betriebsverhalten der Anlage wird nicht ne gativ beeinflusst.

Es sind auch empirisch gefundene Korrekturfaktoren für das Vorsteuersignal (oder gar ganze Parameterfelder) denkbar.

Diese zu finden bedeutet allerdings einen sehr großen Auf wand. Im Gegensatz dazu basiert die beschriebene Erfindung auf physikalischen Ansätzen und muss nicht weiter parame triert werden.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch;

Figur 1 eine Skizze des Algorithmus zur Berechnung des

Speisewassermassenstroms und

Figur 2 eine Darstellung der Messgrößen und der daraus ab geleiteten Approximationen für die Änderungen im Algorithmus zur Berechnung des Sollwerts des Spei sewassermassenstroms , wie sie in der Kraftwerksau tomatisierung zu implementieren sind .

Die Figur i zeigt schematisch die sich aus der Erfindung er gebende Änderung des Algorithmus zur Berechnung des Sollwerts für den Speisewassermassenstrom M™ . Dabei ist der erfin- dungsrelevante Anteil des Algorithmus innerhalb der gestri chelten Umrandung und der Stand der Technik außerhalb darge stellt . Der Sollwert für den Speisewassermassenstrom M _FW setzt sich demnach zusammen aus dem Speisewassermassenstrom für den Ver dampfer M _EV ,i _n und dem im Vorwärmer ein- oder ausgespeicherten Massenstrom MS,E, korrigiert mit einem Faktor fctri ·

Der Speisewassermassenstrom für den Verdampfer M _Ev ,i _n ergibt sich nach dem Stand der Technik als Quotient des vom Abgas auf das Fluid im Verdampfer übertragenen Wärmestroms ^E _V , fi und des Sollwerts für die Enthalpieänderung im Verdampfer Ev, set . Der auf das Fluid im Verdampfer übertragene Wär ^¬ mestrom _EV , _fi wiederum ergibt sich aus dem Wärmestrom im Ab ^¬ gas Q _EG abzüglich der Wärmespeicherung im Wandmaterial der Heizflächenrohre Qs,w.

Erfindungsgemäß wird der Term für den auf das Fluid im Ver ^¬ dampfer übertragenen Wärmestrom durch zwei weitere Terme er gänzt und korrigiert.

Die erste Korrektur betrifft den Massenspeichereffekt im Ver dampfer, die zweite Korrektur betrifft den Energiespeicheref ^¬ fekt im Verdampfer.

Der Massenspeichereffekt ist in den Wärmeströmen der Figur 1

dM _Ev

durch das Produkt aus di {Massenspeicherung) und _EV , out _set

dü _Ev

{Enthalpie am Austritt des Verdampfers) dargestellt. dt steht für den Energiespeichereffekt.

Diese Werte werden gemäß der Erfindung geeignet approximiert, so dass sie aus .gemessenen Prozessgrößen bestimmt werden kön ^¬ nen .

Figur 2 zeigt diese Messgrößen bzw. die Messpunkte im Zwang durchlauf-Abhitzedampferzeuger und deren Verarbeitung.

Der Zwangdurchlauf-Abhitzedampferzeuger gemäß Figur 2 umfasst einen auch als Economizer bezeichneten Vorwärmer 1 für als Strömungsmedium vorgesehenes Speisewasser, mit einer Anzahl von Vorwärmerheizflächen 2, sowie einen Verdampfer 3 mit ei ner Anzahl von den Vorwärmerheizflächen 2 strömungsmediumsei tig nachgeschalteten Verdampferheizflachen 4. Auf den Ver- dampfer 3 folgt ein Überhitzer 12 mit entsprechenden Überhit zerheizflächen 13. Die Heizflächen befinden sich in einem nicht näher dargestellten Gaszug, der mit dem Abgas einer zu geordneten Gasturbinenanlage beaufschlagt wird. Der Zwangdurchlaufdampferzenger ist, wie bereits ausgeführt, für eine geregelte Beaufschlagung mit Speisewasser ausgelegt. Dazu ist einer Speisewasserpumpe 31 ein von einem Stellmotor

32 angesteuertes Drosselventil 33 nachgeschaltet, so dass über eine geeignete Ansteuerung des Drosselventils 33 die von der Speisewasserpumpe 31 in Richtung des Vorwärmers 1 geför derte Speisewassermenge oder der Speisewassermassenstrom ein stellbar ist. Zur Ermittlung eines aktuellen Kennwerts für den zugeführten Speisewassermassenstrom ist dem Drosselventil

33 eine Messeinrichtung 34 zur Ermittlung des Speisewasser- massenstroms durch die Speisewasserleitung 35 nachgeschaltet.

Der Stellmotor 32 ist über ein Regelelement 36 angesteuert, das eingangsseitig mit einem über eine Datenleitung 37 zuge führten Sollwert für den Speisewassermassenstrom M _F und mit dem über die Messeinrichtung 34 ermittelten aktuellen Istwert des Speisewassermassenstroms beaufschlagt ist. Durch Diffe renzbildung zwischen diesen beiden Signalen wird an den Reg ler 36 ein Nachführungsbedarf übermittelt, so dass bei einer Abweichung des Istwerts vom Sollwert eine entsprechende Nach führung des Drosselventils 33 über die Ansteuerung des Motors 32 erfolgt .

Zur Ermittlung eines besonders bedarfsgerechten Sollwerts für den Speisewassermassenstrom MFW in der Art einer prädiktiven, vorausschauenden oder am zukünftigen oder aktuellen Bedarf orientierten Einstellung des Speisewassermassenstroms ist die Datenleitung 37 eingangsseitig mit einer zur Vorgabe des Sollwerts für den Speisewassermassenstrom MF _W ausgelegten Speisewasserdurchflussregelung 38 verbunden. Diese ist dafür ausgelegt den Sollwert für den Speisewassermassenstrom M _FW anhand einer Wärmestrombilanz in den Verdampferheizflächen 4 zu ermitteln, wobei der Sollwert für den Speisewassermassen strom M _FW dadurch ermittelt wird, dass ein auf ein Fluid in den Verdampferheizflächen 4 übertragener Äbwärmestrom be stimmt wird und ferner Massenspeicherung und Energiespeiche rung im Fluid in den Verdampferheizflächen 4 berücksichtigt werden. Zu Lasten der Vollständigkeit, aber zugunsten der Übersichtlichkeit zeigt die Figur 2 in der Speisewasserdurch flussregelung 38 lediglich die Elemente, die für die erfin dungsgemäße Korrektur des Speisewassermassenstromsollwertes M _F relevant sind. Der aus dem Stand der Technik bekannte Teil ist nicht dargestellt.

Die Messwerte zur Bestimmung eines Sollwerts für den Speise wassermassenstrom _FW sind Druck- und Temperaturwerte und die Messstellen liegen in den Bereichen Vorwärmereingang 5, Vor wärmerausgang 6 bzw. Verdampfereingang 7 und Verdampferaus gang 8.

Die ermittelten Messwerte werden in Funktionsgliedern 14, 15, 16, 17 und 18 verarbeitet. Mittels der ersten, zweiten und dritten Funktionsglieder 14, 15, und 16 wird aus den Messwer ten zu Druck und Temperatur die Dichte des Fluids an ver schiedenen Orten der Heizflächen von Vorwärmer 1 und Verdamp fer 3 bestimmt. Die vierten und fünften Funktionsglieder 17 und 18 liefern aus gemessenen Druckwerten die Siede- und Sät tigungsenthalpie .

dM _Ev

Der Speicherterm für die Massenspeicherung dt wird approxi miert, indem aus den ermittelten Dichten am Vorwärmereingang b und am Vorwärmerausgang 6 zuerst über ein erstes Addier glied 19 und ein erstes Multiplikationsglied 20 ein Mittel wert gebildet wird, der anschließend im ersten Differenzier glied 9 mit einer entsprechend gewählten Zeitkonstanten wei ter verarbeitet und mit einem dem Gesamtvolumen V _EV des Strö mungsmediums in den Verdampferheizflächen 4 entsprechenden Verstärkungsfaktor im zweiten Multiplikationsglied 21 beauf schlagt wird.

Eine weitere Skalierung erfolgt in einem nachfolgenden drit ten Multiplikationsglied 22 mit einem Verhältnis der Dich teänderungen des Fluids im Verdampfer 3 und im Vorwärmer 1, welches mittels der ersten und zweiten Subtrahierglieder 23 und 24 und des ersten Dividierglieds 25 in der Weise bestimmt wird, wie in der Figur 2 gezeigt.

Der Speicherterm für die Energiespeicherung dt wird appro ximiert , indem aus den ermittelten Enthalpien ein Mittelwert mit Hilfe des zweiten Addierglieds 26 und des vierten Multi plikationsglieds 27 gebildet wird . Dieser Mittelwert stellt eine gute Annahme für die spezifische Enthalpie des Fluids im Verdampfer 3 dar . dUE _V

Der Speicherterm für die Energiespeicherung dt wird nun durch die Summe zweier Terme bestimmt. Der erste Term wird dadurch ermittelt, dass die spezifische Enthalpie des Fluids im Verdampfer 3 im zweiten Differenzierglied 10 mit einer entsprechend gewählten Zeitkonstanten weiter verarbeitet und mit einem Mittelwert der Fluidmassen M _Ev i _m Verdampfer bei maximaler und minimaler Last im fünften Multiplikationsglied 28 beaufschlagt wird. Dieser Mittelwert wird der Einfachheit halber als zeitlich konstanter Wert angesehen. Der zweite Term wird ermittelt, indem die spezifische Enthalpie des Flu ids im Verdampfer 3 mit dem Speicherterm für die Massenspei- dM _v

cherung dt multipliziert wird. Dies erfolgt im sechsten Multiplikationsglied 29.

Im dritten Addierglied 30 werden die beiden Terme zusammenge führt . Der entsprechende Algorithmus ist in den Funktionsplänen der Speisewasserregelung und damit in der Kraftwerksautomatisie- rung zu implementieren.