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Dokumentenidentifikation EP1614962 06.04.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001614962
Titel Verfahren zum Betrieb eines Durchlaufdampferzeugers
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Butterlin, Axel, 95447 Bayreuth, DE;
Kral, Rudolf, 92551 Stulln, DE;
Thomas, Frank, 91058 Erlangen, DE
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument DE
EP-Anmeldetag 09.07.2004
EP-Aktenzeichen 040162489
EP-Offenlegungsdatum 11.01.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.04.2006
IPC-Hauptklasse F22B 35/10(2006.01)A, F, I, 20060126, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Durchlaufdampferzeugers mit einer Verdampferheizfläche sowie einem der Verdampferheizfläche strömungsmediumsseitig vorgeschalteten Vorwärmer sowie einer Vorrichtung zum Einstellen des Speisewassermassenstroms in die Verdampferheizfläche.

In einem Durchlaufdampferzeuger führt die Beheizung einer Anzahl von Dampferzeugerrohren, die zusammen die gasdichte Umfassungswand der Brennkammer bilden, zu einer vollständigen Verdampfung eines Strömungsmediums in den Dampferzeugerrohren in einem Durchgang. Das Strömungsmedium - üblicherweise Wasser - wird vor seiner Verdampfung einem der Verdampferheizfläche strömungsmediumsseitig vorgeschalteten Vorwärmer, üblicherweise auch als Economizer bezeichnet, zugeführt und dort vorgewärmt.

Abhängig vom Betriebszustand des Durchlaufdampferzeugers und damit zusammenhängend von der aktuellen Dampferzeugerleistung wird der Speisewassermassenstrom in die Verdampferheizfläche geregelt. Bei Laständerungen sollten der Verdampferdurchfluss und der Wärmeeintrag in die Verdampferheizfläche möglichst synchron geändert werden, weil sonst ein Überschwingen der spezifischen Enthalpie des Strömungsmediums am Austritt der Verdampferheizfläche nicht sicher vermieden werden kann. Ein solches unerwünschtes Überschwingen der spezifischen Enthalpie erschwert die Regelung der Temperatur des aus dem Dampferzeuger austretenden Frischdampfes und führt darüber hinaus zu hohen Materialbelastungen und somit zu einer reduzierten Lebensdauer des Dampferzeugers.

Um ein Überschwingen der spezifischen Enthalpie und große Temperaturschwankungen in jeden Betriebszustand des Dampferzeugers zu verhindern, ist eine Speisewasserdurchflussregelung vorgesehen, die auch bei Lastwechseln die notwendigen Speisewassersollwerte in Abhängigkeit vom Betriebszustand bereit stellt.

Aus der EP 0639 253 ist ein Durchlaufdampferzeuger bekannt, bei dem der Speisewasserdurchfluss über eine Vorausberechnung der Speisewassermenge geregelt wird. Als Grundlage für das Berechnungsverfahren dient dabei die Wärmestrombilanz der Verdampferheizfläche, in die der Speisewassermassenstrom insbesondere am Eintritt der Verdampferheizfläche eingehen sollte.

In der Praxis erweist sich die Messung des Speisewassermassenstroms unmittelbar am Eintritt der Verdampferheizfläche jedoch als technisch aufwendig und nicht in jedem Betriebszustand zuverlässig durchführbar. Statt dessen wird ersatzweise der Speisewassermassenstrom am Eintritt des Vorwärmers gemessen und in die Berechnungen der Speisewassermenge einbezogen, der jedoch nicht in jedem Fall gleich dem Speisewassermassenstrom am Eintritt der Verdampferheizfläche ist.

Wenn sich nämlich die Temperatur des dem Vorwärmer zuströmenden Mediums oder aufgrund einer veränderten Beheizung die Dichte des Strömungsmediums innerhalb des Vorwärmers ändert, so kommt es zu Massenein- oder -ausspeicherungseffekten im Vorwärmer, und der Speisewassermassenstrom am Eintritt des Vorwärmers ist nicht identisch mit dem am Eintritt der Verdampferheizfläche. Werden diese Ein- und Ausspeicherungseffekte bei der Regelung des Speisewasserdurchflusses nicht oder nur unzureichend berücksichtigt, so kann es zum erwähnten Überschwingen der spezifischen Enthalpie und damit zu großen Temperaturschwankungen des Strömungsmediums am Austritt der Verdampferheizfläche kommen.

Dabei ist die Größe der Temperaturschwankungen abhängig von der Geschwindigkeit des Lastwechsels und bei einem schnellem Lastwechsel besonders groß. Deshalb war es bisher notwendig, eine Begrenzung der Lastwechselgeschwindigkeit vorzunehmen und damit eine geringere Effizienz des Dampferzeugers in Kauf zu nehmen. Darüber hinaus reduzierten die bei eventuellen Betriebsstörungen auftretenden, schnellen und nicht kontrollierbaren Lastwechsel die Lebensdauer des Dampferzeugers.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Dampferzeugers der oben genannten Art anzugeben, das eine weitgehend synchrone Änderung des Speisewassermassenstroms durch die Verdampferheizfläche und des Wärmeeintrags in die Verdampferheizfläche in jedem Betriebszustand ohne großen technischen Aufwand ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Vorrichtung zum Einstellen des Speisewassermassenstroms eine Regelvorrichtung zugeordnet wird, deren Regelgröße der Speisewassermassenstrom ist und deren Sollwert s für den Speisewassermassenstrom abhängig von einem der Dampferzeugerleistung zugeordneten Sollwert L geführt ist, wobei der Regelvorrichtung als eine der Eingangsgrößen der Istwert &rgr;E der Speisewasserdichte am Eintritt des Vorwärmers zugeführt wird.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass zur synchronen Änderung von Speisewassermassenstrom durch und Wärmeeintrag in die Verdampferheizfläche eine Wärmestrombilanzierung der Verdampferheizfläche erfolgen sollte. Optimalerweise sollte dazu zwar am Eintritt der Verdampferheizfläche eine Messung des Speisewassermassenstroms vorgesehen sein. Weil sich jedoch die direkte Messung des Speisewassermassenstroms am Eintritt der Verdampferheizfläche als nicht zuverlässig durchführbar erwiesen hat, ist diese nunmehr an einer medienseitig geeignet vorgelagerten Stelle, nämlich am Eintritt des Vorwärmers, vorgesehen. Da die möglicherweise auftretenden Massenein- und -ausspeicherungseffekte im Vorwärmer den Messwert jedoch verfälschen könnten, sollten diese Effekte geeignet kompensiert werden. Dazu sollte eine Berechnung des Speisewassermassenstroms am Eintritt der Verdampferheizfläche aufgrund weiterer leicht zu gewinnender Messgrößen erfolgen. Besonders geeignete Messgrößen zur Korrektur des am Eintritt des Vorwärmers gewonnenen Messwerts für den Speisewassermassenstrom sind die mittlere Dichte des Strömungsmediums in der Vorwärmerheizfläche und deren zeitliche Änderung.

Für eine besonders genaue Berechnung des Wärmestroms durch die Verdampferheizfläche und auch eine besonders genaue Nachkorrektur des Messwerts für den Speisewassermassenstrom ist vorteilhafterweise die zusätzliche Erfassung der Dichte des Strömungsmediums am Austritt der Vorwärmerheizfläche vorgesehen. Damit ist eine besonders genaue Erfassung und demzufolge auch Berücksichtigung der genannten Ein- und Ausspeicherungseffekte ermöglicht. In zusätzlicher oder alternativer vorteilhafter Weiterbildung wird als Sollwert s für den Speisewassermassenstrom der Ausdruck M˙+&Dgr;&rgr;V verwendet, wobei der Istwert des Speisewassermassenstroms am Eintritt des Vorwärmers, &Dgr;&rgr; die zeitliche Änderung der mittleren Dichte des Strömungsmediums im Vorwärmer und V das Volumen des Vorwärmers sind. Durch den Beitrag &Dgr;&rgr;V werden somit die genannten Ein- und Ausspeicherungseffekte berücksichtigt.

Wenn der Wärmeeintrag in das Strömungsmedium innerhalb des Vorwärmers stationär ist, sich zeitlich also nicht ändert, so kann zur Berechnung Sollwertes s anstelle der mittleren Dichte &rgr; näherungsweise die Dichte &rgr;E des Strömungsmediums am Eintritt des Vorwärmers verwendet werden. In diesem Fall kann nämlich die zeitliche Änderung der Dichte &rgr;E gleich der zeitlichen Änderung der mittleren Dichte &rgr; gesetzt werden, so dass eine zusätzliche Erfassung der Dichte &rgr;A des Strömungsmediums am Austritt der Verdampferheizfläche nicht erforderlich ist.

Bei der Berechnung des Sollwertes s für den Speisewassermassenstrom sollte berücksichtigt werden, dass das Signal der Eintrittsdichtenänderung entsprechend der Durchlaufzeit des Systems verzögert werden muss, wenn anstelle der mittleren Dichte &rgr; näherungsweise die Dichte &rgr;E des Strömungsmediums am Eintritt des Vorwärmers verwendet wird. Daher wird der Istwert &rgr;E der Eintrittsdichte vorteilhafterweise durch ein in der Regelungstechnik übliches Differenzierglied mit PT1-Verhalten in eine mit der Durchlaufzeit des Vorwärmers als Zeitkonstante verzögerte Eintrittsdichtenänderung umgewandelt.

Insbesondere im Falle einer Beheizungsänderung im Vorwärmer jedoch, also eines instationären Wärmeeintrags in das Strömungsmedium innerhalb des Vorwärmers, beispielsweise bei einem Lastwechsel, ist die Berechnung der mittleren Dichte &rgr; und ihrer zeitlichen Änderung &Dgr;&rgr; allein durch die genäherte Verwendung der Eintrittsdichte nicht möglich. Da im arithmetischen Mittel &rgr;E und &rgr;A in die Berechnung von &rgr; jeweils zur Hälfte eingehen, kann im Fall eines instationären Wärmeeintrags, aber einer konstanten Eintrittsdichte &rgr;E die halbe Änderung der Austrittsdichte &rgr;A als Maß für die Dichteänderung im Vorwärmer verwendet werden.

Auch in diesem Fall erfolgt die Bildung der zeitlichen Ableitung des Dichtesignals durch ein Differenzierglied. Da eine Änderung der Austrittsdichte dem Massenspeichereffekt im Vorwärmer jedoch zeitlich nachgelagert ist, wird das Dichtesignal vorteilhafterweise mit einer verhältnismäßig kleinen Zeitkonstante von etwa einer Sekunde PT1-verzögert.

Mit einer separaten Erfassung der Dichten des Strömungsmediums am Eintritt und am Austritt des Vorwärmers können auf diese Weise Speisewasserein- und -ausspeicherungseffekte im Vorwärmer berücksichtigt und der Sollwert des Speisewasserdurchflusses auf einfache Weise dem Betriebszustand des Dampferzeugers angepasst werden.

Damit ist eine besonders genaue Regelung des Dampferzeugers auch in Fällen möglich, bei denen sich die Temperatur des Speisewassers vor Eintritt in den Vorwärmer abrupt ändert. Dies könnte beispielsweise durch den plötzlichen Ausfall einer dem Vorwärmer vorgeschalteten externen Vorwärmstrecke geschehen. Bei einem derartigen Ausfall setzt sich der Sprung in der Dichte des Strömungsmediums am Eintritt des Vorwärmers weitgehend unverändert bis zum Austritt durch. Die Änderung der mittleren Dichte &rgr; des Strömungsmediums im Vorwärmer ist aber bereits durch die Änderung der Dichte am Eintritt des Vorwärmers vollständig erfasst, so dass sich die Änderung der Dichte am Austritt der Verdampferheizfläche nicht mehr auf die berechnete Korrektur am Sollwert s des Speisewassermassenstroms auswirken darf. Daher ist vorzugsweise eine Korrekturschaltung vorgesehen, die die Reaktion des DT1-Gliedes, das das Dichtesignal am Austritt des Vorwärmers differenziert und verzögert, in diesem Fall kompensiert. Vorteilhafterweise wird dazu das Eintrittsdichten-Signal einem Totzeitglied mit einer Zeitkonstanten der Durchlaufzeit des Vorwärmers aufgeschaltet, entsprechend einer thermischen Zeitkonstanten des Vorwärmers PT1-verzögert und das so erzeugte Signal dem Austrittsdichtesignal negativ aufgeschaltet wird.

Diese Korrekturschaltung bewirkt in jedem Fall eine korrekte Berücksichtigung der Dichteänderungen: Bei einer abrupten Temperaturänderung des zuströmenden Mediums wird die Änderung der Austrittsdichte &rgr;A wie beschrieben nicht berücksichtigt. Bleibt die Eintrittsdichte &rgr;E jedoch konstant, ändert sich aber die Wärmezufuhr im Vorwärmer und damit die Austrittsdichte &rgr;A, so findet am Austritt des Vorwärmers keine Korrektur statt und der Effekt der Änderung der Wärmezufuhr wird bei der Berechnung des Sollwertes s für den Speisewassermassenstrom vollständig berücksichtigt.

Ändert sich nun wie beispielsweise bei einem Lastwechsel gleichzeitig mit der Wärmezufuhr auch die Eintrittsdichte &rgr;E, so werden sowohl Massenein- und -ausspeicherungseffekte durch den Dichtesprung am Eintritt als auch Speichereffekte aufgrund der veränderten Wärmezufuhr separat berücksichtigt. Für die Korrektur am Austritt des Vorwärmers werden nur Änderungen, die durch die veränderte Wärmezufuhr entstehen, berücksichtigt, weil die Änderungen, die durch den Dichtesprung am Eintritt auch am Austritt zeitverzögert auftreten, nur am Eintritt berücksichtigt und am Austritt kompensiert werden.

Vorteilhafterweise wird sowohl die Totzeit als auch die thermische Zeitkonstante des Vorwärmers reziprok zur Last des Dampferzeugers angepasst.

Vorteilhafterweise ist die Speisewasserdurchflussregelung abhängig vom Betriebszustand des Dampferzeugers zu- und abschaltbar.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Berechnung des Speisewassermassenstroms unter Berücksichtigung der mittleren Dichte des Speisewassers im Vorwärmer als Korrekturterm die synchrone Regelung des Speisewasserdurchflusses durch und des Wärmeeintrags in die Verdampferheizfläche auf besonders einfache und zuverlässige Weise in allen möglichen Betriebszuständen des Durchlaufdampferzeugers ein Überschwingen der spezifischen Enthalpie des Strömungsmediums am Austritt der Verdampferheizfläche und große Temperaturschwankungen des erzeugten Frischdampfes sicher verhindert und somit Materialbelastungen reduziert und die Lebensdauer des Dampferzeugers erhöht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1
eine Speisewasserdurchflussregelung für einen Durchlaufdampferzeuger,
FIG 2
eine alternative Ausführung der Speisewasserdurchflussregelung,
FIG 3a
ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf der spezifischen Enthalpie des Strömungsmediums am Austritt der Verdampferheizfläche des Durchlaufdampferzeu- gers im Falle einer abrupten Temperaturänderung des zuströmenden Speisewassers im Volllastbetrieb des Durchlaufdampferzeugers,
FIG 3b
ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf der spezifischen Enthalpie im Falle einer abrupten Temperaturänderung des zuströmenden Mediums im Teillastbetrieb des Durchlaufdampferzeugers, und
FIG 3c
ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf der spezifischen Enthalpie im Falle eines Lastwechsels.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

FIG 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zur Bildung des Sollwertes Ms. für den Speisewassermassenstrom eines Durchlaufdampferzeugers. Der Durchlaufdampferzeuger weist einen auch als Economizer bezeichneten Vorwärmer 2 für Speisewasser auf, der sich in einem nicht näher dargestellten Gaszug befindet. Dem Vorwärmer 2 ist strömungsmediumsseitig eine Speisewasserpumpe 3 vor- und eine Verdampferheizfläche 4 nachgeschaltet. In der von der Speisewasserpumpe 3 zum Vorwärmer 2 geführten Speisewasserleitung ist eine Messvorrichtung 5 zur Messung des Speisewassermassenstroms durch die Speisewasserleitung angeordnet.

Einem Antriebsmotor an der Speisewasserpumpe 3 ist ein Regler 6 zugeordnet, an dessen Eingang als Regelgröße die Regelabweichung &Dgr; des mit der Messvorrichtung 5 gemessenen Speisewassermassenstroms liegt. Dem Regler 6 ist die Vorrichtung 1 zur Bildung des Sollwertes s für den Speisewassermassenstrom zugeordnet.

Diese Vorrichtung ist für eine besonders bedarfsgerechte Bestimmung des Sollwerts s ausgelegt. Dabei ist berücksichtigt, dass die Erfassung des Istwerts des Speisewassermassenstroms M nicht unmittelbar vor der Verdampferheizfläche 4, sondern bereits vor dem Vorwärmer 2 erfolgt. Dadurch könnten sich infolge von Massenein- oder -ausspeicherungseffekten im Vorwärmer 2 Ungenauigkeiten bei der Messwertbestimmung für den Speisewassermassenstrom ergeben. Um diese zu kompensieren, ist eine Korrektur dieses Messwerts unter Berücksichtigung der Dichte &rgr;E des Speisewassers am Eintritt des Vorwärmers 2 vorgesehen. Die Vorrichtung 1 hat u. a. als Eingangsgrößen einerseits einen von einem Sollwertgeber 7 abgegebenen Sollwert L für die Leistung des Durchlaufdampferzeugers und andererseits den aus der Druck- und Temperaturmessung einer Messvorrichtung 9 bestimmten Istwert &rgr;E der Dichte des Speisewassers am Eintritt des Vorwärmers 2.

Der Sollwert L für die Leistung des Durchlaufdampferzeugers, der sich im Betrieb immer wieder zeitlich verändert und der im (nicht dargestellten) Feuerungsregelkreis direkt auf den Brennstoffregler gegeben wird, wird auch dem Eingang eines ersten Verzögerungsgliedes 13 der Vorrichtung 1 zugeführt. Dieses Verzögerungsglied 13 gibt ein erstes Signal oder einen verzögerten ersten Leistungswert L1 ab. Dieser erste Leistungswert L1 wird den Eingängen von Funktionsgebereinheiten 10 und 11 des Funktionsgebers der Speisewasserdurchflussregelung 1 zugeführt. Am Ausgang der Funktionsgebereinheit 10 erscheint ein Wert (L1) für den Speisewassermassenstrom, und am Ausgang der Funktionsgebereinheit 11 erscheint ein Wert &Dgr;h(L1) für die Differenz aus der spezifischen Enthalpie hIA am Austritt der Verdampferheizfläche 4 und der spezifischen Enthalpie hIE am Eintritt dieser Verdampferheizfläche 4. Die Werte und &Dgr;h als Funktionen von L1 sind aus Werten für und &Dgr;h ermittelt, die im stationären Betrieb des Durchlaufdampferzeugers gemessen wurden, und in den Funktionsgebereinheiten 10 bzw. 11 hinterlegt.

Die Ausgangsgrößen (L1) und &Dgr;h(L1) werden in einem Multiplikationsglied 14 des Funktionsgebers der Vorrichtung 1 miteinander multipliziert. Der gewonnene Produktwert (L1) entspricht dem Wärmestrom in die Verdampferheizfläche 4 beim Leistungswert L1 und wird, ggf. nach Korrektur durch einen in einem Differenzierglied ?? aus der Eintrittsenthalpie ermittelten, für Ein- oder Ausspeicherungseffekte im Verdampfer charakteristischen Leistungsfaktor, als Zähler in ein Dividierglied 15 eingegeben. Als Nenner wird in das Dividierglied 15 die mit einem Summierglied 19 gebildete Differenz zwischen einem Sollwert hSA(L2) der spezifischen Enthalpie am Austritt der Verdampferheizfläche 4 und dem Istwert hIE der spezifischen Enthalpie am Eintritt der Verdampferheizfläche 4, der mit Hilfe der Messvorrichtung 9 gemessen wird, eingegeben.

Der Sollwert hSA(L2) wird einer dritten Funktionsgebereinheit 12 des Funktionsgebers der Vorrichtung 1 entnommen. Der Eingangswert der Funktionsgebereinheit 12 entsteht am Ausgang eines zweiten Verzögerungsgliedes 16, dessen Eingangsgröße der erste Leistungswert L1 am Ausgang des ersten Verzögerungsgliedes 13 ist. Dementsprechend ist der Eingangswert der dritten Funktionsgebereinheit 12 ein zweiter Leistungswert L2, der gegenüber dem ersten Leistungswert L1 verzögert ist. Die Werte hSA(L2) als Funktion von L2 sind aus Werten für hSA ermittelt, die im stationären betrieb des Durchlaufdampferzeugers gemessen wurden, und in der dritten Funktionsgebereinheit 12 hinterlegt.

Dem Ausgang des Dividiergliedes 15 kann der Sollwert s für den Speisewassermassenstrom für die in einem Summierglied 23 stattfindende Bildung der dem Regler 6 zugeführten Regelabweichung des mit der Vorrichtung 5 gemessenen Istwerts für den Speisewassermassenstrom in den Vorwärmer 2 entnommen werden.

Am Ausgang des zweiten Verzögerungsgliedes 16 liegt der Eingang eines Differenziergliedes 17, dessen Ausgang negativ auf ein Summierglied 18 geschaltet ist. Dieses Summierglied 18 korrigiert den Wert für den Wärmestrom (L1) in die Verdampferheizfläche 4 um das Ausgangssignal des Differenziergliedes 17.

Die von der Messvorrichtung 9 gemessenen Istwerte von Temperatur und Druck des Speisewassers am Eintritt des Vorwärmers 2 werden in einem Differenzierglied 22 in einen Istwert &rgr;E der Speisewasserdichte am Eintritt des Vorwärmers 2 umgerechnet. Dieser wird auf den Eingang eines Differenziergliedes 22 gegeben und mit dem Volumen des Vorwärmers multipliziert. Der so berechnete Näherungswert &Dgr; für die Änderung des Speisewassermassenstroms aufgrund von Ein- und Ausspeicherungseffekten innerhalb des Vorwärmers 2 wird über ein in das Differenzierglied 22 integriertes Verzögerungsglied mit der Durchlaufzeit des Speisewassers durch den Vorwärmer 2 als Zeitkonstante einem Summierglied 24 zugeführt, das den Sollwert für den Massenstrom s aus dem Differenzierglied 15 um &Dgr; korrigiert und somit die Berücksichtigung von Massenein- und -ausspeicherungseffekten aufgrund einer Änderung der Temperatur und damit der Dichte des Speisewassers am Eintritt des Vorwärmers 2 bei der Regelung des Speisewassermassenstromes ermöglicht.

FIG 2 zeigt eine alternative Ausführung der Speisewasserdurchflussregelung, die auch im Falle einer zeitlichen Änderung des Wärmeeintrags innerhalb des Vorwärmers 2 die zuverlässige Berücksichtigung von Massenein- und -ausspeicherungseffekten bei der Regelung des Speisewassermassenstromes ermöglicht.

Die Speisewasserdurchflussregelung nach FIG 1 ist dazu im Ausführungsbeispiel nach FIG 2 um die Berücksichtigung der Dichte &rgr;A des Strömungsmediums am Austritt des Vorwärmers 2 ergänzt. Zur Bestimmung der Dichte des Strömungsmediums am Austritt des Vorwärmers 2 ist am Austritt des Vorwärmers 2 eine Messvorrichtung 21 zur Messung des Druckes und der Temperatur des Strömungsmediums vorgesehen. Das Rechenglied 26 ermittelt als Eingangssignal für ein nachgeschaltetes Summierglied 30 aus der Messung von Temperatur und Druck den Istwert für die Dichte &rgr;A des Strömungsmediums am Austritt des Vorwärmers 2. Das Ausgangssignal des Summierglieds 30 wird einem Differenzierglied 36 zugeführt, das deren zeitliche Ableitung multipliziert mit dem Volumen des Vorwärmers 2 als Ausgangssignal liefert. Dieses Ausgangssignal, das die zeitliche Änderung des Speisewassermassenstromes &Dgr;A am Austritt des Vorwärmers 2 wiedergibt, wird auf ein Summierglied 36 gelegt, das als zweite Eingangsgröße die Änderung &Dgr;E des Speisewassermassenstromes am Eintritt des Vorwärmers 2 aufweist.

Das Summierglied 36 hat als Ausgangssignal die aus &Dgr;A und &Dgr;E berechnete mittlere Änderung des Speisewassermassenstroms &Dgr; aufgrund von Massenein- und -ausspeicherungseffekten im Vorwärmer 2. Das Ausgangssignal des Dividiergliedes 36 wird am Summierglied 24 dem Ausgangssignal des Dividiergliedes 15 zur Korrektur des Sollwertes des Speisewassermassenstroms aufgeschaltet.

Im Fall einer Betriebsstörung, die zu einer abrupten Temperaturänderung des dem Vorwärmer 2 zuströmenden Speisewassers, beispielsweise beim plötzlichen Ausfall einer vorgelagerten Vorwärmstrecke, führt, muss das Ausgangssignal des Rechengliedes 26 noch um den Effekt der veränderten Eingangsdichte korrigiert werden. Geschieht dies nicht, so wird der Effekt des Dichtesprunges am Eintritt des Vorwärmers 2 zweimal berücksichtigt, nämlich bei der Erfassung der Dichte des Speisewassers am Eintritt und am Austritt des Vorwärmers 2. Um dies zu korrigieren, wird das Ausgangssignal des Differenziergliedes 20 einem Totzeitglied 28 mit der Durchlaufzeit des Speisewassers durch den Vorwärmer 2 als Zeitkonstante aufgeschaltet. Das so erzeugte Signal wird über ein Verzögerungsglied 32 mit einer thermischen Speicherkonstante des Vorwärmers 2 dem Summierglied 30 negativ aufgeschaltet. Somit wird der Effekt des Dichtesprungs am Eintritt des Vorwärmers 2 im Austrittsdichtesignal eliminiert und damit nur einmal und nicht doppelt bei der Berechnung des Korrekturmassenstroms berücksichtigt.

Die Speisewasserdurchflussregelung unter Verwendung der Vorrichtung 1 ermöglicht in jedem Betriebszustand des Dampferzeugers eine besonders einfache Bestimmung des Sollwertes s für den Speisewassermassenstrom durch die Verdampferheizfläche 4. Durch eine genaue Abstimmung dieses Speisewassermassenstroms auf den Wärmeeintrag in der Verdampferheizfläche können große Schwankungen der Austrittstemperatur des Frischdampfes und ein Überschwingen der spezifischen Enthalpie am Austritt der Verdampferheizfläche 4 sicher verhindert werden. Hohe Materialbelastungen durch Temperaturschwankungen, die zu einer verminderten Lebensdauer des Durchlaufdampferzeugers führen, können somit vermieden werden.

Der in FIG 3a gezeigte Verlauf (Kurvenzüge I bis III) der drei spezifischen Enthalpien in kJ/kg am Austritt der Verdampferheizfläche 4 in Abhängigkeit von der Zeit t wurde für einen Durchlaufdampferzeuger im Volllastbetrieb bei einem Ausfall einer dem Vorwärmer 2 vorgeschalteten Vorwärmestrecke ermittelt. Der Kurvenzug I in FIG 3a gilt für den Fall, dass die durch die simulierte Betriebsstörung hervorgerufene Dichteänderung des Speisewassers am Eintritt des Vorwärmers 2 bei der Speisewasserdurchflussregelung nicht berücksichtigt wird, dass also als Sollwert s für den Speisewassermassenstrom das unkorrigierte Ausgangssignal des Dividierglieds 15 nach FIG 1 oder 2 verwendet wird.

Der Kurvenzug II gilt für den Fall, dass lediglich wie in FIG 1 dargestellt die zeitliche Änderung der Dichte &rgr;E am Eintritt des Vorwärmers 2 und damit nur die Massenein- und -ausspeicherungseffekte aufgrund des Temperatursprunges am Eintritt des Vorwärmers 2 bei der Speisewasserdurchflussregelung berücksichtigt wird. Massenein- und -ausspeicherungseffekte aufgrund einer veränderten Beheizung im Vorwärmers 2 und damit eines veränderten Wärmeeintrags in das Speisewasser bleiben unberücksichtigt. Dieser Fall entspricht der Speisewasserdurchflussregelung aus FIG 1.

Der Kurvenzug III zeigt schließlich den zeitlichen Verlauf der spezifischen Enthalpie unter zusätzlicher Berücksichtigung der Massenein- und -ausspeicherungseffekte aufgrund einer veränderten Beheizung im Vorwärmer 2, was der Speisewasserdurchflussregelung aus FIG 2 entspricht. In diesem Fall hat das Summierglied 24 aus FIG 2 als zweite Eingangsgröße neben der Ausgangsgröße des Differenzierglieds 15 die aus &Dgr;A und &Dgr;E berechnete mittlere Änderung des Speisewassermassenstroms &Dgr; . Die Speisewasserdurchflussregelung berücksichtigt in diesem Fall also nicht nur die Dichte &rgr;E am Eintritt des Vorwärmers 2, sondern zusätzlich die Dichte &rgr;A an seinem Austritt. Durch die separate Erfassung beider Dichten &rgr;E und &rgr;A können Massenein- und -ausspeicherungseffekte sowohl aufgrund einer veränderten Beheizung im Vorwärmer 2 als auch aufgrund einer veränderten Temperatur des Speisewassers am Eintritt des Vorwärmers 2 berücksichtigt werden.

FIG 3b zeigt den Verlauf (Kurvenzüge I bis III) der drei spezifischen Enthalpien in kJ/kg am Austritt der Verdampferheizfläche 4 in Abhängigkeit von der Zeit t für einen Durchlaufdampferzeuger im Teillastbetrieb (50 % der maximalen Leistung) bei einem Ausfall der dem Vorwärmer 2 vorgeschalteten Vorwärmstrecke.

Der Kurvenzug I in FIG 3b gilt wie in FIG 3a für den Fall, dass die durch den Ausfall der dem Vorwärmer 2 vorgeschalteten Vorwärmstrecke hervorgerufene Dichteänderung des Speisewassers am Eintritt des Vorwärmers 2 bei der Speisewasserdurchflussregelung nicht berücksichtigt wird, dass also als Sollwert s für den Speisewassermassenstrom das unkorrigierte Ausgangssignal des Dividierglieds 15 nach FIG 1 oder 2 verwendet wird.

Der Kurvenzug II in FIG 3b gilt wie in FIG 3a für den Fall, dass lediglich wie in FIG 1 dargestellt die zeitliche Änderung der Dichte &rgr;E am Eintritt des Vorwärmers 2 bei der Speisewasserdurchflussregelung berücksichtigt wird. Massenein-und -ausspeicherungseffekte aufgrund einer veränderten Beheizung im Vorwärmer 2 bleiben unberücksichtigt. Dieser Fall entspricht der Speisewasserdurchflussregelung aus FIG 1.

Der Kurvenzug III in FIG 3b zeigt wie in FIG 3a den zeitlichen Verlauf der spezifischen Enthalpie unter zusätzlicher Berücksichtigung der Massenein- und -ausspeicherungseffekte aufgrund einer veränderten Beheizung im Vorwärmer 2, was der Speisewasserdurchflussregelung aus FIG 2 entspricht.

FIG 3c zeigt den Verlauf (Kurvenzüge I bis III) der drei spezifischen Enthalpien in kJ/kg am Austritt der Verdampferheizfläche 4 in Abhängigkeit von der Zeit t für einen Durchlaufdampferzeuger bei einem Lastwechsel von Volllast- auf Teillastbetrieb (100 % auf 50 % Last).

Der Kurvenzug I in FIG 3c gilt wie in FIG 3a für den Fall, dass die durch den Ausfall des Vorwärmers 2 hervorgerufene Dichteänderung des Speisewassers am Eintritt des Vorwärmers 2 bei der Speisewasserdurchflussregelung nicht berücksichtigt wird, dass also als Sollwert s für den Speisewassermassenstrom das unkorrigierte Ausgangssignal des Dividierglieds 15 nach FIG 1 oder 2 verwendet wird.

Der Kurvenzug II in FIG 3c gilt wie in FIG 3a für den Fall, dass lediglich wie in FIG 1 dargestellt die zeitliche Änderung der Dichte &rgr;E am Eintritt des Vorwärmers 2 bei der Speisewasserdurchflussregelung berücksichtigt wird. Massenein-und -ausspeicherungseffekte aufgrund einer veränderten Beheizung im Vorwärmer 2 bleiben unberücksichtigt. Dieser Fall entspricht der Speisewasserdurchflussregelung aus FIG 1.

Der Kurvenzug III in FIG 3c zeigt wie in FIG 3a den zeitlichen Verlauf der spezifischen Enthalpie unter zusätzlicher Berücksichtigung der Massenein- und -ausspeicherungseffekte aufgrund einer veränderten Beheizung im Vorwärmer 2, was der Speisewasserdurchflussregelung aus FIG 2 entspricht.

Die Diagramme nach den Figuren 3a, 3b und 3c zeigen, dass die Speisewasserdurchflussregelung 1 aus FIG 1 oder 2 zur Vermeidung eines Überschwingens der spezifischen Enthalpie am Austritt der Verdampferheizfläche 4 besonders geeignet ist.


Anspruch[de]
Verfahren zum Betrieb eines Durchlaufdampferzeugers mit einer Verdampferheizfläche (4), einem der Verdampferheizfläche (4) strömungsmediumsseitig vorgeschalteten Vorwärmer (2), einer Vorrichtung zum Einstellen des Speisewassermassenstroms und einer dieser Vorrichtung zugeordneten Speisewasserdurchflussregelung (1), deren Regelgröße der Speisewassermassenstrom ist und deren Sollwert s für den Speisewassermassenstrom abhängig von einem der Dampferzeugerleistung zugeordneten Sollwert L geführt ist, wobei der Speisewasserdurchflussregelung (1) als eine der Eingangsgrößen der Istwert &rgr;E der Speisewasserdichte am Eintritt des Vorwärmers (2) zugeführt wird. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Speisewasserdurchflussregelung (1) als weitere Eingangsgröße der Istwert &rgr;A der Speisewasserdichte am Austritt des Vorwärmers (2) zugeführt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Größe M˙+&Dgr;&rgr;V als Sollwert s für den Speisewassermassenstrom verwendet wird, wobei

der Istwert des Speisewassermassenstroms am Eintritt des Vorwärmers (2), &Dgr;&rgr; die zeitliche Änderung der mittleren Dichte des Speisewassers innerhalb des Vorwärmers (2) und V das Volumen des Vorwärmers (2) sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem als Näherungswert für die mittlere Dichte &rgr; die Dichte &rgr;E des Speisewassers am Eintritt des Vorwärmers (2) verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die zeitliche Änderung der mittleren Dichte &Dgr;&rgr; des Speisewassers im Vorwärmer (2) durch ein Funktionsglied mit Differenzierverhalten gebildet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem das Eintrittsdichten-Signal einem Totzeitglied mit einer Zeitkonstanten der Durchlaufzeit des Vorwärmers (2) aufgeschaltet, entsprechend einer thermischen Zeitkonstanten des Vorwärmers (2) PT1-verzögert und das so erzeugte Signal dem Austrittsdichtesignal negativ aufgeschaltet wird. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem sowohl die Totzeit als auch die thermische Zeitkonstante des Vorwärmers (2) reziprok zur Last des Dampferzeugers angepasst werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Speisewasserdurchflussregelung (1) bedarfsweise zu- und abschaltbar ist.






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