Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Temperaturregler für Kesseldampf und auf ein Verfahren zum Regeln der Temperatur des Dampfes in einem Kessel.

Dampftemperaturregelung in einem trommel- bzw. zylinderartigen Kessel ist schwierig aufgrund der Zeitlücken und Verzögerungen, die in die Ausgestaltung des Verfahrens eingebaut sind. Es gibt Zeitverzögerungen zwischen dem Ort eines Sprühnebels eines Temperaturreglers und seiner Wirkung auf die schließliche Dampftemperatur beim Verlassen eines sekundären Überhitzers. Zeitverzögerungen werden auch verursacht durch die Wärmeübergangseigenschaften der Überhitzermetalle und dem Dampf selbst.

Jede Regelung mit relativ langen Zeitkonstanten (zwei Minuten oder mehr) arbeitet auf stabilere Weise, wenn Vorhersageverfahren mit offenem Regelkreis (Feedforward-Verfahren) verwendet werden, um das geregelte Medium voreinzustellen. Wenn zusätzlich Zwischenkontrollpunkte bzw. Regelpunkte zweckmäßig sind und eine Vorhersage für die endgültige Dampftemperatur bereitstellen, dann sind diese auch zweckmäßig in einem Kaskadenregelverfahren.

Nahezu alle zylinderartigen bzw. trommelartigen Kessel sind darauf ausgelegt, daß sie bei steigender Kesselbelastung ein im allgemeinen steigendes Auslaßtemperaturprofil des ungeregelten sekundären Überhitzers haben. Die Ausgestaltung erfolgt üblicherweise derart, daß die Einheit die erforderliche Auslaßtemperatur des Hauptdampfes bei Lasten unter 50 % der Kessel-(Nenn)- last nicht erreichen muß und deshalb bei diesen Lasten (Belastungen) nicht geregelt wird. Oberhalb einer solchen Belastung wird die überschüssige Überhitzungstemperatur durch den Sprühnebeltemperaturregler "ausgesprüht".

Klassische Regeltechniken, die für Dampftemperaturregelsysteme üblicherweise verwendet werden, sind die Modellverfahrenstechnik (Feedforward), die Rückkopplungstechnik (Feedback) unter Verwendung eines Proportional/Integral/Differential-Reglers (PID-Regler), die Kaskadentechnik und die gegenintegrierende "Aufwickeltechnik".

Figur 4 zeigt ein schon früher vorgeschlagenes Dampftemperaturregelsystem. Ein auf einem Modell beruhender Vorhersager 20 stellt eine erwartete Einlaßtemperatur (T2) des sekundären Überhitzers entsprechend einem vorhergesagten Belastungsprogramm 22 ein. Diese Vorhersage wird dann durch den Unterschied oder die Abweichung 24 zwischen der für eine gegebene Kesselbelastung erforderlichen Befeuerungsrate und der tatsächlichen Feuerungsrate modifiziert. Ein Überfeuern bzw. Überheizen erhöht die Temperatur und ein geringeres Heizen reduziert die Temperatur.

Ein ähnlicher Modifikator 26 steht für Überschußluft bereit (Luftstromabweichung), die ebenfalls bewirkt, daß die Temperatur ansteigt wenn der Luftstrom gesteigert wird.

Ein dritter Modifikator 28 steht für eine beliebige Wiederaufheizungstemperaturregelung bereit, die auf die Überhitzungstemperatur einwirken kann.

Der Modellvorhersager 20 erzeugt einen Sollwertpunkt für einen Kaskadenregler 30 für die Einlaßtemperatur eines sekundären Überhitzers.

Da kein Modell perfekt ist, muß eine endgültige Abstimmung oder Korrektur aus der Auslaßtemperatur (T1) des sekundären Überhitzers über einen Rückkopplungsregler 32 zugeführt werden. Die Endabstimmung wird bewirkt durch einen konventionellen Proportional plus Integral plus Differentialregler 34 (PID-Regler), der die Endtemperatur des Dampfes mit dem gewünschten Sollwertpunkt vergleicht.

Wegen der Zeitverzögerung und der Zeitlücken wird ein Standardproportional plus Integralregler entweder verstimmt, was eine langsame, träge Regelung ergibt, oder er ist instabil.

Da die Ansprechszeiteigenschaften sich mit der Belastung verändern, werden die Regeleinstellungen üblicherweise als Kompromiß zwischen Hochlast und Niedriglasteinstellungen vorgenommen.

Um zu verhindern, daß der Regler integriert, wenn das Sprühventil bei niedrigen Belastungen geschlossen ist, sind Reglerbegrenzungen entwickelt worden, um zu verhindern, daß der PID- Regler aufintegriert.

Das klassische Regelsystem befaßt sich daher nicht mit zwei entscheidenden Problemen, nämlich der tatsächlichen Zeitverzögerung und den Regelabstimmungsparametern, die sich mit der Last verändern.

Das US-Patent Nr. US-A-4,549,503 offenbart einen Regler für die Kesseldampftemperatur, der mit einer Rückkopplungskorrekturregeleinrichtung ausgestattet ist, in welcher eine erwartete Einlaßtemperatur des sekundären Überhitzers vorher auf Basis der Kesselbelastung eingestellt wird und bei welcher die erwartete Einlaßtemperatur korrigiert wird, um Abweichungen zwischen den geforderten und den tatsächlichen Betriebsparametern zuzulassen, wobei eine endgültige Rückkopplungskorrektur der erwarteten Einlaßtemperatur auf Basis der Auslaßtemperatur des sekundären Überhitzers bewirkt wird. Der dort offenbarte Regler ist nicht in der Lage, die tatsächliche Zeitverzögerung in dem Temperaturregelpfad zu kompensieren und die Abstimmparameter des Rückkopplungskorrigierers können auch nicht entsprechend der Kesselbelastung geändert werden.

Gemäß der Erfindung ist ein Regler für die Kesseltemperatur für einen Kessel vorgesehen, der eine Einrichtung zum Verändern der Einlaßtemperatur zu einem sekundären Überhitzer des Kessels hat, wobei der Regler aufweist:

einen Modellvorhersager für das Voreinstellen einer erwarteten Einlaßtemperatur für den sekundären Überhitzer mit (bzw. unter Berücksichtigung) einer Kesselbelastung und zum Erzeugen eines Sollwertes für einen Kaskadenregler für die Einlaßtemperatur eines sekundären Überhitzers,

eine erste Modifiziereinrichtung zum Korrigieren der erwarteten Einlaßtemperatur bezüglich einer Abweichung zwischen einer Feuerungsrate, die für die Kesselbelastung erforderlich ist, und einer tatsächlichen Feuerungsrate,

eine zweite Modifiziereinrichtung zum Korrigieren der erwarteten Einlaßtemperatur bezüglich einer Abweichung einer Luftströmungsrate, die für die Feuerungsrate für die Kesselbelastung erforderlich ist, und einer tatsächlichen Luftströmungsrate,

eine dritte Modifiziereinrichtung zum Korrigieren der erwarteten Einlaßtemperatur bezüglich einer Wiedererhitzungs- bzw. Nachverbrennungstemperaturregelung,

eine Rückkopplungskorrekturregeleinrichtung für die Endkorrektur der erwarteten Einlaßtemperatur, und

eine Kaskadenregeleinrichtung, die auf die Einlaßtemperatur zu dem sekundären Überhitzer, den Modellvorhersager und die Rückkopplungskorrekturregeleinrichtung anspricht, um die Einrichtung zum Verändern der Einlaßtemperatur für den sekundären Überhitzer auf Basis der endgültig korrigierten erwarteten Einlaßtemperatur zu verändern,

dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungskorrekturregeleinrichtung eine Zeitverzögerungsregeleinrichtung aufweist, die auf die Auslaßtemperatur des sekundären Überhitzers anspricht, um die erwartete Einlaßtemperatur mit einer kontrollierten Verzögerung zu korrigieren, und einen Anpaßregler aufweist, um die Zeitverzögerungsregeleinrichtung entsprechend Kessellastveränderungen abzustimmen.

Gemäß der Erfindung wird auch ein Verfahren zum Regeln der Temperatur des Dampfes in einem Kessel bereitgestellt, der einen sekundären Überhitzer hat, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

Voreinstellen einer erwarteten Einlaßtemperatur für den sekundären Überhitzer mit einer Kessellast,

Erzeugen eines Sollwertes für einen Kaskadenregler für die Einlaßtemperatur eines sekundären Überhitzers,

Korrigieren der erwarteten Einlaßtemperatur bezüglich einer Abweichung zwischen einer Feuerungsrate, die für die Kessellast erforderlich ist, und einer tatsächlichen Feuerungsrate,

Korrigieren der erwarteten Einlaßtemperatur bezüglich einer Abweichung zwischen einer Luftströmungsrate, die für die Feuerungsrate für die Kessellast erforderlich ist, und einer tatsächlichen Luftströmungsrate,

Korrigieren der erwarteten Einlaßtemperatur bezüglich der Temperaturregelung für die Wiedererhitzung bzw. Nachverbrennung,

Bewirken einer endgültigen Rückkopplungskorrektur der erwarteten Einlaßtemperatur, und Regeln der Einlaßtemperatur zu dem sekundären Überhitzer auf der Basis der endgültig korrigierten, erwarteten Einlaßtemperatur,

dadurch gekennzeichnet, daß die endgültige Rückkopplungskorrektur der erwarteten Einlaßtemperatur bewirkt wird durch die Verwendung einer Zeitverzögerungsregeleinrichtung, die auf die Auslaßtemperatur des sekundären Überhitzers anspricht, um die erwartete Einlaßtemperatur bezüglich einer kontrollierten bzw. geregelten Verzögerung zu korrigieren, wobei die Zeitverzögerungsregeleinrichtung durch einen Anpaßregler entsprechend Kessellastveränderungen abgestimmt wird.

Die im folgenden beschriebene Erfindung löst oder erleichtert zumindest die oben erwähnten Probleme, die mit Regelsystemen nach dem Stand der Technik verknüpft sind, indem adaptive Regeltechniken und Zeitverzögerungsregeltechniken (Smith-Vorhersager) bei der Dampftemperaturregelung verwendet werden, um eine spezialisierte Regelung bereitzustellen, um eine Anpassung an lange Zeitverzögerungen und Verfahrenslücken vorzunehmen. Diese Regelung benutzt auch die Dynamik des Kessels, da die Temperatur auf kurzzeitige Verfahrensabweichungen während Belastungsänderungen und auf Abweichungen reagiert, die durch Instabilitäten aufgrund von Veränderungen der Verbrennungsluft und/oder durch Rußblasen verursacht werden, ebenso wie auf Änderungen aufgrund von verwendeten Nachverbrennungstemperaturregelmaßnahmen wie z.B. Verkippen von Brennern, Gasrezirkulierung oder Vorspannschieber bzw. -klappen.

Eine bevorzugte Ausführungsform besteht in der Regelung von Überhitzungstemperaturen bei Anwendungen, die den Gebrauch von Temperaturreglersprühnebeln beinhalten, welche in ein Überhitzungssystem zwischen primären und sekundären Überhitzeroberflächen injiziert werden.

Die Erfindung wird jetzt weiter anhand eines veranschaulichenden und nicht beschränkenden Beispiels beschrieben unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Ansicht eines typischen Kessels,

Figur 2 eine grafische Wiedergabe, die eine typische Reaktion einer Überhitzungsdampftemperatur auf eine Änderung des Wasserstromes in einem Temperaturregler veranschaulicht,

Figur 3 eine grafische Wiedergabe einer ungeregelten Auslaßdampftemperatur eines sekundären Überhitzers in Abhängigkeit von dem Prozentsatz der Vollast,

Figur 4 eine schematische Ansicht eines schon früher vorgeschlagenen Dampftemperaturregelsystems, und

Figur 5 eine schematische Ansicht eines Dampftemperaturregelsystems, welches die vorliegende Erfindung verwirklicht.

Die Zeichnungen zeigen Regelsysteme für die Dampftemperatur als Funktionsblöcke in Blockdiagrammen, die im Stand der Technik wohlbekannt sind und in einer Veröffentlichung der Bailey Controls Company beschrieben sind mit dem Titel "Functional Diagramming of Instruments and Control Systems (Funktionsdiagramme von Instrumenten und Regelsystemen), wobei diese Veröffentlichung hier durch die Bezugnahme darauf übernommen wird. Weiterhin sind anpassungsfähige Verstärkungsregelungen allgemein im Stand der Technik bekannt und werden in der technischen Druckschrift TP 81-5 der Bailey Controls Company mit dem Titel "Adaptive Process Control Using Function Blocks" (Adaptive Verfahrensregelung unter der Verwendung von Funktionsblöcken) beschrieben, wobei diese Veröffentlichung ebenfalls durch die Bezugnahme hier aufgenommen wird.

Figur 1 zeigt einen typischen Kessel mit einer Wasserzufuhr 2, die in eine Dampftrommel 4 eintritt und nach unten über Fallrohre in einen Kesselabschnitt 8 geleitet werden, wo das Zufuhrwasser 2 in eine Mischung aus Dampf und Wasser umgewandelt wird. Der Dampf wird von dem Wasser in der Trommel 4 abgetrennt und der trocken gesättigte Dampf 10 wird zu einem primären Überhitzer 12 geschickt. Überhitzter Dampf aus dem primären Überhitzer 12 wird durch einen Sprühnebeltemperaturregler 14, welchem Wasser unter der Regelung eines Regler (Sprühnebel-Ventils zugeleitet wird) gekühlt und durchläuft einen sekundären Überhitzer 16. Der überhitzte Dampf 18 geht dann entweder zu einer Turbine, einem Arbeitsverfahren oder zu beiden.

Es gibt Zeitverzögerungen zwischen der Position des Temperaturreglersprühnebels 14 und seiner Wirkung auf den Dampf, der schließlich den sekundären Überhitzer 16 verläßt. Zeitlücken bzw. -verzögerungen werden auch verursacht durch die Wärmeübergangseigenschaften der Metalle des Überhitzers und des Dampfes selbst.

Figur 2 veranschaulicht eine typische Reaktion von Temperaturen des überhitzten Dampfes auf eine Änderung des Wasserstromes des Temperaturreglers. Das Ausmaß und die Zeiten verändern sich in Abhängigkeit von der Kesselausgestaltung, den Abmessungen und der Nennlast: Deshalb sind die tatsächlichen Temperaturen und Wasserströme nicht quantifiziert. Die dargestellte Zeit ist typisch für einen Kessel, der einen Hauptdampfstrom von etwa 1,8 Gg/h (4,0 Mlb/h) hat und mit etwa halber Last fährt bzw. betrieben wird. Bei Vollast ist das zeitliche Ansprechen schneller, was zu einer kürzeren Totzeit und einer gewissen Reduzierung der Zeitverzögerung führt. Diese Änderungen müssen berücksichtigt werden.

Jede Regelung mit relativ langen Zeitkonstanten (zwei Minuten oder mehr) arbeitet stabiler, wenn Modellverfahren mit offenem Wirkungskreis verwendet werden, um das geregelte Medium voreinzustellen. Wenn zusätzlich Zwischenregelpunkte zweckmäßig sind und eine gewisse Vorhersage für die endgültige Dampftemperatur bieten, so sind diese ebenfalls zweckmäßig in einem Kaskadenregelverfahren.

Fast alle trommel- bzw. zylinderartigen Kessel sind so ausgestaltet, daß sie ein im allgemeinen ansteigendes Profil der Auslaßtemperatur des umgeregelten sekundären Überhitzers mit steigender Kessellast haben. Die Auslegung erfolgt üblicherweise so, daß die Einheit die erforderliche Dampfauslaßtemperatur bei Lasten unter etwa 50 % der Kessel- (Voll-) Last nicht erreichen muß und deshalb bei diesen Lasten nicht geregelt wird. Oberhalb einer solchen Last wird die überschüssige Überhitzungstemperatur "ausgesprüht" durch den Sprühnebeltemperaturregler.

Figur 5 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Ein Modell vorhersager 38 setzt eine erwartete Einlaßtemperatur (T2) für den sekundären Überhitzer mit Rücksicht auf die Last 40 ein. Diese Vorhersage wird durch den Unterschied 42 zwischen einer Feuerungsrate, die für eine Last erforderlich ist, und der tatsächlichen Feuerungsrate modifziert. Ein Überfeuern läßt die Temperatur ansteigen und ein Unterfeuern reduziert die Temperatur. Ein ähnlicher Modifizierer 44 berücksichtigt die Überschußluft (Abweichung des Luftstromes), die ebenfalls bewirkt, daß die Temperatur ansteigt, wenn der Luftstrom gesteigert wird. Ein dritter Modifizierer 46 berücksichtigt bzw. kompensiert gegebenenfalls eine Nachverbrennungstemperaturregelung bzw. eine Wiedererhitzungstemperaturregelung, die sich auf die Überhitzungstemperatur auswirken kann.

Der Modellvorhersager 38 erzeugt einen Sollwertpunkt für einen Kaskadenregler 48 für die Einlaßtemperatur eines sekundären Überhitzers.

Da kein Modell perfekt ist, wird eine Endabstimmung oder Korrektur aus der Auslaßtemperatur (T1) des Überhitzers über einen Rückkopplungsregler 50 angebracht Wegen der Zeitverzögerung und der in Figur 2 anschaulich dargestellten Zeitlücke würde ein Standard-Proportional plus Integralregler entweder verstimmt werden, was eine langsame, träge Regelung ergibt, oder er würde instabil sein. Deshalb ist ein Zeitverzögerungsregler 52 vorgesehen, um eine verbesserte Ansprechzeit mit einer stabilen Regelung vorzusehen. Da die Charakteristiken der Ansprechzeit sich mit der Belastung (des Kessels) verändern, wird der Zeitverzögerungsregler 52 durch einen Anpaßregler 54 abgestimmt

Um zu verhindern, daß der Zeitverzögerungsregler 52 integriert, wenn das Sprühnebelventil bei geringer Belastung geschlossen ist, sind Regelbegrenzer 56 entwickelt worden, um zu verhindern, daß der Zeitverzögerungsregler aufintegriert. Der Zeitverzögerungsregler 52 verkörpert eine Verfahrensmodelltechnik, die aus einer Zeitverzögerung besteht, die so eingestellt wird, daß sie mit der Zeitverzögerung, die in Figur 2 dargestellt ist, zuzüglich einer Zeitlücke erster Ordnung zusammenpaßt, wie sie in derselben Figur dargestellt ist. Diese beiden Zeitkonstanten sind extern aufgrund der Kesselbelastung einstellbar über den Anpaßregler 54, um Zeitkonstanten aufzunehmen bzw. anzupassen, die sich mit der Dampfproduktionsrate des Kessels verändern.

Die Erfindung kann auf andere Arten als den anhand eines Beispiels oben beschriebenen verwirklicht werden. Beispielsweise ist aus Gründen der Klarheit ein Wassersprühnebelventil (Ventile) eines Temperaturreglers dargestellt worden. Die Erfindung ist jedoch ebenso anwendbar auf Temperaturregeleinrichtungen, wie z.B. auf Verkippungsbrenner, Schlammtrommeltemperaturregler, Kondensatoren für gesättigten Dampf, Gasrezirkulierung, Vorspannschieber (biassing dampers) und ähnliche Anwendungen.