Zusammenfassung
Eine Hauptbauform im Bereich der großen Kraftwerke ist die GuD (Gas- und Dampf) Konfiguration. Dabei wird die Abhitze von einer oder mehreren Gasturbinen verwendet, um Dampf zu erzeugen und damit eine nachgeschaltete Dampfturbine zu betreiben. Bei einem GuD-Einwellen-Kraftwerk wird ein einziger Generator sowohl durch die Gas- als auch durch die Dampfturbine angetrieben. Bei dieser Bauform sind Gasturbine und Generator starr gekoppelt, die Dampfturbine überträgt das Moment hingegen über eine synchronisierende, selbst-schaltende Kupplung.
Beim Hochfahren kuppelt die Dampfturbine normalerweise in einem beliebigen Winkel relativ zur Gasturbinen-/Generatorwelle. Es gibt nun Turbinenstränge, bei denen aus betrieblichen Gründen ein bestimmter Winkelbereich bevorzugt wird. Aus diesem Grund wurde eine Regelung entwickelt, die das Einkuppeln in einem definierten Winkelbereich ermöglicht.
Die Stabilität und Robustheit gegenüber Störgrößen (schwankende Netzfrequenz) und Parameterunsicherheiten wurde zunächst simulationsbasiert untersucht. Das Konzept wurde leittechnisch umgesetzt und die Performance des Reglers in Hardware-in-the-loop-Tests validiert. Auch die darauf folgende Erstimplementierung in einem niederländischen Kraftwerk war erfolgreich, die vorgegebene Genauigkeit konnte gesichert erreicht werden.
Dieser Beitrag zeigt die Entwicklungsschritte, die systemtechnisch vorgegebenen Randbedingungen sowie Auswertungen der erfolgten Implementierungen.
Abstract
CCPPs (Combined Cycle Power Plants) utilize the waste heat from gas turbines to generate steam which is used to operate a steam turbine. In single shaft CCPPs, a gas turbine and a steam turbine drive the same generator. The gas turbine and the generator are located on one shaft; the steam turbine is on another shaft that can be engaged to the gas turbine/generator shaft by a shift clutch.
Some single shaft CCPPs are known to display increased vibration amplitudes if engaged at certain angles and a very smooth operational behavior if engaged at other angles. Although the first priority is to have an assembly that runs smoothly at arbitrary engagement angles, an option to engage at a predefined ‚good‘ angle provides a nice back-up solution to avoid undue vibrations.
To meet this requirement, a control algorithm was developed which allows to run up the steam turbine so that it will engage at a specified angle.
A simulation study was conducted to analyze the performance of the controller with respect to robustness towards parameter uncertainties, different sampling times and frequency fluctuations of the electrical grid during coupling. Additionally, hardware-in-the-loop tests with simulated turbines and a hardware I&C system implementation also revealed a very satisfactory performance.
This contribution documents the development under consideration of the given boundaries as well as an assessment of the implemented controller.
Über die Autoren
Dr. rer. nat. habil. Gerta Zimmer ist Advisory Engineer bei der Siemens AG im Bereich Dampfturbinen Field Service. Hauptarbeitsgebiete: Modellbildung, dynamische Simulation, Dampfturbinenregelung, Monitoring, probabilistische Lebensdaueranalyse.
Siemens AG, Power and Gas Division, Steam Turbines, Field Service Engineering Muelheim, PG SU EUS EN FSM, Rheinstr. 100, 45478 Mülheim an der Ruhr
Dipl.-Ing. Daniel Pieper ist Mitarbeiter der Siemens AG im Bereich Dampfturbinen. Hauptarbeitsgebiet: Wellenstrangkoordination
Siemens AG, Power and Gas Division, Steam Turbines, Core Technologies, PG SU R&D TEC COT, Rheinstr. 100, 45478 Mülheim an der Ruhr
Dipl.-Ing. Martin ist Mitarbeiter der Siemens AG im Bereich Dampfturbinen. Hauptarbeitsgebiet: Dampfturbinenregelung, Beurteilung von Netzanforderungen.
Siemens AG, Power and Gas Division, Steam Turbines, ST Operations & Control Units, PG SU R&D TEC COT 3, Rheinstr. 100, 45478 Mülheim an der Ruhr
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