DE102011052728A1

DE102011052728A1 - Dynamische Matrixsteuerung von Dampftemperatur mit Prävention des Einfließens von gesättigtem Dampf in den Überhitzer

Info

Publication number: DE102011052728A1
Application number: DE102011052728A
Authority: DE
Inventors: Robert Allen Beveridge; Richard J. Whalen
Original assignee: Emerson Process Management Power and Water Solutions Inc
Current assignee: Emerson Process Management Power and Water Solutions Inc
Priority date: 2010-08-16
Filing date: 2011-08-16
Publication date: 2012-02-16
Also published as: HK1168142A1; CA2747921A1; PH12014000288B1; GB2482955A; US20120040299A1; US9217565B2; GB2482955B; GB201113709D0; PH12014000288A1; CN102374520B; CN102374520A; CA2747921C

Abstract

Eine Technik zur Steuerung eines Dampfkesselsystems mittels dynamischer Matrixsteuerung beinhaltet die Prävention von Einfließen gesättigten Dampfes in einen Überhitzerabschnitt. Ein dynamischer Matrixsteuerungsblock verwendet eine Änderungsrate einer Störvariablen, eine aktuelle Austrittdampftemperatur und einen Austritttemperatursollwert als Eingaben, um ein Steuersignal zu erzeugen. Ein Präventionsblock modifiziert das Steuersignal basierend auf einer Temperatur gesättigten Dampfes und einer Zwischendampftemperatur. In manchen Ausführungsformen wird das Steuersignal basierend auf einem Schwellenwert und/oder einer anpassbaren Funktion g(x) modifiziert. Das modifizierte Steuersignal wird genutzt, um ein Feldgerät zu steuern, welches den Zwischendampf und den Austrittdampf des Kesselsystems wenigstens teilweise beeinflusst. In manchen Ausführungsformen ist der Präventionsblock im dynamischen Matrixsteuerungsblock enthalten.

Description

Diese Anwendung ist eine Teilfortführung der anhängigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 12/856,998, die am 16. August 2010 eingereicht wurde, den Titel „Steam Temperature Control Using Dynamic Matrix Control (Dampftemperaturregelung mittels dynamischer Matrixsteuerung)” trägt und dessen Inhalt ausdrücklich durch Bezugnahme hierin mit eingeschlossen ist.
Technisches Gebiet der Erfindung
Dieses Patent betrifft allgemein die Steuerung von Kesselsystemen und in einem spezifischen Fall die Steuerung und Optimierung von Dampfkesselsystemen anhand dynamischer Matrixsteuerung.
Allgemeiner Stand der Technik
In einer Vielzahl von industriellen sowie nicht-industriellen Anwendungen werden Brennstoff verbrennende Kessel eingesetzt, die üblicherweise durch die Verbrennung von verschiedenen Brennstoffarten, wie Kohle, Gas, Öl, Abfallstoffe, usw., chemische Energie in Wärmeenergie umwandeln. Eine beispielhafte Anwendung von Brennstoff verbrennenden Kesseln findet sich in Wärmestromgeneratoren, wobei Brennstoff verbrennende Kessel Wasser, welches durch eine Anzahl von Leitungen und Rohren im Kessel fließt, in Dampf umwandeln und der erzeugte Dampf anschließend genutzt wird, um eine oder mehrere Dampfturbinen anzutreiben, um Elektrizität zu erzeugen. Die Leistung eines Wärmestromgenerators ist eine Funktion der Menge der Wärme, die in einem Kessel erzeugt wird, wobei die Wärmemenge direkt durch die Menge des Brennstoffes, der zum Beispiel pro Stunde verbraucht (z. B. verbrannt) wird, bestimmt wird.
In vielen Fällen beinhalten Stromerzeugungssysteme einen Kessel, der einen Ofen aufweist, welcher Brennstoffe verbrennt oder anderweitig verbraucht, um Hitze zu erzeugen, die ihrerseits an Wasser weitergegeben wird, das durch Leitungen oder Rohre in verschiedenen Abschnitten des Kessels fließt. Ein herkömmliches Dampferzeugungssystem beinhaltet einen Kessel, der einen Überhitzerabschnitt (mit einem oder mehreren Unterabschnitten) aufweist, in dem Dampf erzeugt wird, welcher dann üblicherweise einer ersten Dampfturbine, normalerweise einer Hochdruckdampfturbine, zugeführt und in dieser genutzt wird. Um die Leistungsfähigkeit des Systems zu erhöhen, kann der Dampf, der aus dieser ersten Dampfturbine austritt, in einem Zwischenüberhitzerabschnitt, welcher einen oder mehrere Unterabschnitte aufweisen kann, des Kessels erneut erhitzt und anschließend einer zweiten Dampfturbine, üblicherweise mit niedrigerem Druck, zugeführt werden. Während die Leistungsfähigkeit eines wärmebasierten Stromgenerators in hohem Maße von der Effizienz der Wärmeübertragung der spezifischen Ofen-/Kesselkombination, die eingesetzt wird, um den Brennstoff zu verbrennen und die Wärme auf das in den verschiedenen Abschnitten des Kessels fließende Wasser zu übertragen, abhängt, hängt diese Effizienz auch von der Steuerungstechnik ab, die verwendet wird, um die Temperatur des Dampfes in den verschiedenen Abschnitten des Kessels, wie im Überhitzerabschnitt des Kessels und dem Zwischenüberhitzerabschnitt des Kessels, zu regeln.
Es versteht sich jedoch, dass Dampfturbinen eines Stromkraftwerks üblicherweise auf unterschiedlichen Betriebsniveaus zu unterschiedlichen Zeiten betrieben werden, um abhängig vom Energie- oder Lastbedarf unterschiedliche Mengen an Elektrizität zu erzeugen. Bei den meisten Kraftwerken, in denen Dampfkessel zum Einsatz kommen, werden die gewünschten Dampftemperatursollwerte an den Endaustritten der Überhitzer und Zwischenüberhitzer konstant gehalten und es ist notwendig, die Dampftemperatur unter allen Lastpegeln nahe (z. B. innerhalb eines engen Bereichs) an diesen Sollwerten zu halten. Insbesondere beim Betrieb von Großdampferzeugern (z. B. zur Stromerzeugung) ist die Regelung der Dampftemperatur unerlässlich, da es wichtig ist, dass die Temperatur des Dampfes, der aus einem Kessel austritt und in eine Dampfturbine eintritt, die optimale, gewünschte Temperatur hat. Wenn die Dampftemperatur zu hoch ist, kann der Dampf die Schaufeln der Dampfturbine aus verschiedenen metallurgischen Gründen beschädigen. Wenn die Dampftemperatur wiederum zu niedrig ist, kann der Dampf Wasserpartikel enthalten, welche Komponenten der Dampfturbine über einen längeren Betriebszeitraum der Dampfturbine hinweg beschädigen sowie die Betriebsleistung der Turbine beeinträchtigen können. Schwankungen in der Dampftemperatur können außerdem zu Materialermüdung führen, was die Hauptursache für Leitungsleckagen ist.
Üblicherweise enthält jeder Abschnitt (d. h. der Überhitzerabschnitt und der Zwischenüberhitzerabschnitt) des Kessels kaskadierte Wärmetauscherabschnitte, wobei der Dampf, der aus einem Wärmetauscherabschnitt austritt, in den nächsten Wärmetauscherabschnitt geleitet wird und die Temperatur des Dampfes in jedem Wärmetauscherabschnitt steigt, bis der Dampf im Idealfall die gewünschte Dampftemperatur aufweist und der Turbine zugeführt wird. In einer derartigen Anordnung wird die Dampftemperatur hauptsächlich durch die Regelung der Wassertemperatur am Austritt der ersten Phase des Kessels gesteuert, welche hauptsächlich dadurch erreicht wird, dass das Brennstoff-/Luftgemisch, welches dem Ofen zugeführt wird, verändert wird oder dadurch, dass das Verhältnis der Verbrennungsrate zum der Ofen-/Kesselkombination zugeführten Speisewasser verändert wird. In Durchlaufkesselsystemen, in denen keine Trommel verwendet wird, kann in erster Linie das Verhältnis der Verbrennungsrate zur Speisewasserzufuhr zum System genutzt werden, um die Dampftemperatur am Einlass der Turbinen zu regeln.
Während sich die Anpassung des Brennstoff-/Luftverhältnisses und des Verhältnisses von Verbrennungsrate und Speisewasserzufuhr zu der Ofen-/Kesselkombination gut dafür eignet, die gewünschte Regelung der Dampftemperatur im Zeitverlauf zu erzielen, ist es schwierig, kurzzeitige Schwankungen in der Dampftemperatur in verschiedenen Abschnitten des Kessels ausschließlich durch die Regelung des Brennstoff-/Luftverhältnisses und des Verhältnisses der Verbrennungsrate zur Speisewasserzufuhr zu kontrollieren. Um eine kurzzeitige (und sekundäre) Regelung der Dampftemperatur zu erreichen, wird an einem Punkt vor dem letzten Wärmetauscherabschnitt, der Turbine unmittelbar vorgelagert, gesättigtes Wasser in den Dampf eingesprüht. Diese sekundäre Regelung der Dampftemperatur wird üblicherweise vor dem letzten Überhitzerabschnitt des Kessels und/oder vor dem letzten Zwischenüberhitzerabschnitt des Kessels durchgeführt. Um diesen Arbeitsablauf auszulösen, sind entlang des Dampfströmungsweges und zwischen den Wärmetauscherabschnitten Temperaturfühler angeordnet, welche die Dampftemperatur an kritischen Punkten entlang des Strömungswegs messen, und die gemessenen Temperaturen werden verwendet, um die Menge des gesättigten Wassers, das zu Zwecken der Dampftemperaturregelung in den Dampf eingesprüht wird, zu regeln.
In vielen Fällen sind solche Systeme in hohem Maße auf die Sprühtechnik angewiesen, um die Dampftemperatur so genau zu regeln, wie es nötig ist, um die oben beschriebenen Einschränkungen der Turbinentemperatur einzuhalten. Bei Durchlaufkesselsystemen, die einen kontinuierlichen Wasser-(Dampf-)-fluss durch eine Reihe von Leitungen im Kessel gewährleisten und keine Trommel verwenden, um die Temperatur des Dampfes oder des Wassers, der/das aus dem ersten Kesselabschnitt austritt, zu mitteln, kann es zu größeren Schwankungen bei der Dampftemperatur kommen und es wird üblicherweise mehr Gebrauch von Sprühabschnitten gemacht, um die Dampftemperatur an den Einlässen der Turbinen zu regeln. In derartigen Systemen wird zusätzlich zur Regelung des Verhältnisses der Verbrennungsrate zur Speisewasserzufuhr üblicherweise ein Überhitzer-Sprühfluss genutzt, um das Ofen-/Kesselsystem zu steuern. In diesen oder anderen Kesselsystemen verwendet ein Prozessleitsystem (PLS) kaskadierte PID-Steuerungen (Proportional-Integral-Differenzierer), um sowohl die Zufuhr des Brennstoff-/Luftgemisches zum Ofen als auch die Menge der den Turbinen vorgelagert durchgeführten Einsprühung zu steuern.
Kaskadierte PID-Steuerungen reagieren jedoch üblicherweise reaktionär auf einen Fehler oder eine Differenz zwischen einem Sollwert und einem tatsächlichen Wert oder Pegel einer abhängigen Prozessvariablen, die es zu regeln gilt, wie zum Beispiel die Temperatur des Dampfes, welcher der Turbine zugeführt werden soll. Die Reaktion der Steuerung erfolgt demnach erst, nachdem die abhängige Prozessvariable bereits von ihrem Sollwert abgewichen ist. Sprühventile, die einer Turbine vorgelagert sind, werden zum Beispiel gesteuert, so dass sie ihren Sprühfluss erst anpassen, nachdem die Temperatur des Dampfes, der der Turbine zugeführt wird, bereits vom gewünschten Zielwert abgewichen ist. Dieses reaktionäre Regelverhalten kann demnach in Verbindung mit wechselnden Kesselbetriebsbedingungen zu großen Temperaturschwankungen führen, welche das Kesselsystem stark beanspruchen und die Lebensdauer der Leitungen, Sprühsteuerventile und anderer Komponenten des Systems verkürzen.
Kurzdarstellung
Eine Ausführungsform eines Verfahrens, mit dem verhindert wird, dass gesättigter Dampf in einen Überhitzerabschnitt eines Dampfkesselsystems einfließt, kann das Erzeugen eines Steuersignals durch eine dynamische Matrixsteuerung, basierend auf einem Signal, welches die Änderungsrate der in einem Dampfkesselsystem verwendeten Störvariablen angibt, beinhalten. Das Verfahren kann außerdem das Abrufen einer Temperatur gesättigten Dampfes und einer Temperatur des Zwischendampfes und das Bestimmen des Ausmaßes der Differenz zwischen den beiden abgefragten Dampftemperaturen beinhalten. Die Dampftemperatur des Zwischendampfes kann einer Stelle, an der eine Temperatur des Austrittdampfes bestimmt wird, vorgelagert gemessen werden, wobei der Austrittdampf vom Dampfkesselsystem erzeugt wird, um dann einer Turbine zugeführt zu werden. Das Verfahren kann ferner das Anpassen des Steuersignals basierend auf dem Ausmaß der Differenz zwischen der Temperatur gesättigten Dampfes und der Zwischendampftemperatur und die Steuerung der Temperatur des Zwischendampfes auf Grundlage des angepassten Steuersignals beinhalten.
Eine Ausführungsform einer Fuzzifizierereinheit zur Verwendung in einem Dampfkesselsystem kann eine erste Eingabe zum Empfangen des Signals, welches ein Ausmaß einer Temperaturdifferenz zwischen vom Dampfkesselsystem erzeugtem gesättigtem Dampf und Zwischendampf angibt, und eine zweite Eingabe zum Empfangen eines von einer dynamischen Matrixsteuerung erzeugten Steuersignals umfassen, wobei das Steuersignal der Änderungsrate der Störvariablen entspricht, die im Dampfkesselsystem verwendet wird. Eine Dampftemperatur des Zwischendampfes kann einer Stelle, an der eine Temperatur des Austrittdampfes bestimmt wird, vorgelagert gemessen werden, wobei der Austrittdampf vom Dampfkesselsystem erzeugt wird, um dann einer Turbine zugeführt zu werden. Die Fuzzifizierereinheit kann außerdem eine Anpassungsroutine beinhalten, welche das Steuersignal basierend auf dem Ausmaß der Temperaturdifferenz zwischen dem gesättigten Dampf und dem Zwischendampf anpasst. Ferner kann die Fuzzifizierereinheit eine Ausgabe beinhalten, um das angepasste Steuersignal einem Feldgerät bereitzustellen, welches die Temperatur des Zwischendampfes steuert.
Eine Ausführungsform eines Dampfkesselsystems kann einen Kessel, ein Feldgerät und eine Steuerung, die kommunikativ mit dem Kessel und dem Feldgerät verbunden ist, umfassen. Der Kessel kann einen Überhitzerabschnitt enthalten. Das Dampfkesselsystem kann ferner ein Steuersystem umfassen, welches kommunikativ mit der Steuerung verbunden ist, um ein Signal, welches eine im Dampfkesselsystem verwendete Störvariable angibt, empfangen zu können. Das Steuersystem kann eine oder mehrere Routinen umfassen, die basierend auf einer Änderungsrate der Störvariablen, einer Temperatur des vom Überhitzerabschnitt erzeugten Austrittdampfes und eines Sollwerts, welcher dem einer Turbine zugeführten Austrittdampf entspricht, ein Steuersignal erzeugen. Die eine oder mehrere im Steuersystem enthaltene(n) Routine(n) kann/können das Steuersignal außerdem basierend auf einer Differenz zwischen einer Temperatur gesättigten Dampfes und einer Temperatur des dem Überhitzerabschnitt bereitgestellten Zwischendampfes modifizieren und können das modifizierte Steuersignal an das Feldgerät bereitstellen, um so die Temperatur des Zwischendampfes zu steuern.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines typischen Kesseldampfkreislaufs für einen herkömmlichen Satz dampfbetriebener Turbinen, wobei der Kesseldampfkreislauf einen Überhitzerabschnitt und einen Zwischenüberhitzerabschnitt aufweist;
2 ein schematisches Diagramm einer Steuerung eines Überhitzerabschnitts eines Kesseldampfkreislaufs für eine dampfbetriebene Turbine, wie in 1 dargestellt, gemäß dem aktuellen Stand der Technik;
3 ein schematisches Diagramm einer Steuerung eines Zwischenüberhitzerabschnitts eines Kesseldampfkreislaufs für ein dampfbetriebenes Turbinensystem, wie es in 1 dargestellt ist, gemäß dem aktuellen Stand der Technik;
4 ein schematisches Diagramm einer Methode zur Steuerung des Kesseldampfkreislaufs der dampfbetriebenen Turbinen aus 1, auf eine Art und Weise, die hilft, die Effizienz des Systems zu optimieren;
5A eine Ausführungsform des Änderungsratenermittlers aus 4;
5B eine Ausführungsform der Fehlererkennungseinheit aus 4;
5C ein Beispiel einer Funktion f(x), die im Funktionsblock aus 5B enthalten ist;
5D eine schematische Darstellung einer Steuerungsmethode für den Kesseldampfkreislauf der dampfbetriebenen Turbinen aus 1 auf eine Art und Weise, die verhindert, dass gesättigter Dampf in einen Überhitzerabschnitt eines Dampfkesselsystems eintritt;
5E eine Ausführungsform des Präventionsblocks aus 5D;
5F ein Beispiel einer Funktion g(x), die im Fuzzifizierer aus 5E enthalten ist;
6 ein beispielhaftes Verfahren der Steuerung eines Dampfkesselsystems;
7 ein beispielhaftes Verfahren der dynamischen Steuerungseinstellung eines Dampfkesselsystems; und
8 ein beispielhaftes Verfahren, mit dem verhindert wird, dass gesättigter Dampf in einen Überhitzerabschnitt eines Dampfkesselsystems eintritt.
Detaillierte Beschreibung
Obwohl der nachstehende Text eine detaillierte Beschreibung mehrerer verschiedener Ausführungsformen der Erfindung offenbart, versteht sich, dass der rechtliche Geltungsbereich der Erfindung durch den Wortlaut der Patentansprüche, welche am Ende dieses Patentes aufgeführt sind, definiert wird. Die detaillierte Beschreibung ist ausschließlich als beispielhaft auszulegen und beschreibt nicht jede mögliche Ausführungsform der Erfindung, da die Beschreibung jeder möglichen Ausführungsform unpraktisch, wenn nicht gar unmöglich, wäre. Unter Verwendung von heutiger Technologie oder Technologie, die nach dem Anmeldedatum dieses Patentes entwickelt wird, können zahlreiche alternative Ausführungsformen implementiert werden, die dennoch immer noch in den Geltungsbereich der Patentansprüche, welche diese Erfindung definieren, fallen würden.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Durchlaufkesseldampfkreislaufs für einen herkömmlichen Kessel 100, der zum Beispiel in einem Wärmekraftwerk eingesetzt werden kann. Der Kessel 100 kann mehrere Abschnitte beinhalten, durch die Dampf oder Wasser in verschiedenen Formen, zum Beispiel als überhitzter Dampf, zwischenüberhitzter Dampf, usw., fließt. Während der in 1 dargestellte Kessel 100 mehrere horizontal angeordnete Kesselabschnitte aufweist, kann/können in einer tatsächlichen Umsetzung einer oder mehrere dieser Abschnitte vertikal (zueinander) angeordnet sein, insbesondere da Abgase, welche den Dampf in mehreren verschiedenen Kesselabschnitten, wie dem Wasserwand-Absorptionsabschnitt, erhitzen, vertikal (oder spiralförmig vertikal) aufsteigen.
Wie in 1 dargestellt, beinhaltet der Kessel 100 in jedem Fall einen Ofen und einen primären Wasserwand-Absorptionsabschnitt 102, einen primären Überhitzer-Absorptionsabschnitt 104, einen Überhitzer-Absorptionsabschnitt 106 und einen Zwischenüberhitzerabschnitt 108. Zusätzlich kann der Kessel einen oder mehrere Enthitzer- oder Sprühabschnitte 110 und 112 und einen Vorwärmerabschnitt 114 enthalten. Während des Betriebs wird der vom Kessel 100 erzeugte und vom Überhitzerabschnitt 106 ausgestoßene Hauptdampf genutzt, um eine Hochdruckdampfturbine 116 (HD) zu betreiben und der heiße, erhitzte Dampf, der vom Zwischenüberhitzerabschnitt 108 kommt, wird genutzt, um eine Mitteldruck-(MD)-Turbine 118 anzutreiben. Üblicherweise kann der Kessel 100 auch genutzt werden, um eine Niedrigdruck-(ND)-Turbine anzutreiben, die in 1 nicht dargestellt ist.
Der Wasserwand-Absorptionsabschnitt 102, der primär für die Dampferzeugung verantwortlich ist, beinhaltet eine Anzahl an Leitungen, durch welche Wasser oder Dampf vom Vorwärmerabschnitt 114 im Ofen erhitzt wird. Speisewasser, das in den Wasserwand-Absorptionsabschnitt 102 fließt, kann selbstverständlich durch den Vorwärmerabschnitt 114 gepumpt werden und dieses Wasser nimmt im Wasserwand-Absorptionsabschnitt 102 eine große Menge an Wärme auf. Der Dampf oder das Wasser, der/das am Austritt des Wasserwand-Absorptionsabschnitts 102 bereitgestellt wird, wird zum primären Überhitzer-Absorptionsabschnitt 104 und von dort aus zum Überhitzer-Absorptionsabschnitt 106 geleitet, welche zusammen die Dampftemperatur auf sehr hohe Temperaturpegel erhöhen. Der Hauptdampfaustritt vom Überhitzer-Absorptionsabschnitt 106 treibt die Hochdruckturbine 116 an, um Elektrizität zu erzeugen.
Sobald der Hauptdampf die Hochdruckturbine 116 antreibt, wird der Dampf durch den Zwischenüberhitzer-Absorptionsabschnitt 108 geleitet und der heiße, erneut erhitzte Dampfausstoß vom Zwischenüberhitzer-Absorptionsabschnitt 108 wird genutzt, um die Mitteldruckturbine 118 anzutreiben. Die Sprühabschnitte 110 und 112 können genutzt werden, um die Enddampftemperatur an den Einlässen der Turbinen 116 und 118 auf gewünschte Sollwerte zu regeln. Der Dampf von der Mitteldruckturbine 118 kann abschließend durch ein Niedrigdruckturbinensystem (hier nicht dargestellt) an einen Dampfkondensator (hier nicht dargestellt) geleitet werden, in dem der Dampf zu einer Flüssigkeit kondensiert wird und anschließend beginnt der Kreislauf von Neuem mit mehreren Kesselzufuhrpumpen, welche Speisewasser für den nächsten Zyklus zunächst durch eine Kaskade von Speisewasserheizerreihen und dann durch einen Vorwärmer leiten. Der Vorwärmerabschnitt 114 befindet sich in dem Fluss heißer Abgase, die aus dem Kessel austreten, und nutzt die heißen Gase, um zusätzliche Wärme auf das Speisewasser zu übertragen, bevor das Speisewasser in den Wasserwand-Absorptionsabschnitt 102 eintritt.
Wie in 1 dargestellt, ist eine Steuerung oder Steuereinheit 120 innerhalb des Wasserwandabschnitts 102 kommunikativ mit dem Ofen und den Ventilen 122 und 124, welche die Wassermenge regeln, die den Sprühgeräten in den Sprühabschnitten 110 und 112 zugeführt wird, verbunden. Die Steuerung 120 ist außerdem mit verschiedenen Sensoren verbunden, einschließlich Mitteltemperatursensoren 126A, welche sich an den Auslässen des Wasserwandabschnitts 102, des Enthitzers 110 und des Enthitzers 112 befinden; Austritttemperatursensoren 126B, welche am zweiten Überhitzerabschnitt 106 und dem Zwischenüberhitzerabschnitt 108 angeordnet sind; und Flusssensoren 127 an den Auslässen der Ventile 122 und 124. Die Steuerung 120 empfängt außerdem andere Eingaben, einschließlich der Verbrennungsrate, eines Lastsignals (üblicherweise als Vorsteuerungssignal bezeichnet), das einer tatsächlichen oder gewünschten Last des Kraftwerkes entspricht und/oder eine Differenz dieser Last angibt, und Signale, die Einstellungen oder Funktionen des Kessels angeben, wie zum Beispiel Dämpfereinstellungen, Brennerkippstellungen, usw. Die Steuerung 120 kann andere Steuersignale erzeugen und an die verschiedenen Kessel- und Ofenabschnitt des Systems senden und kann andere Messungen, wie Ventilpositionen, gemessener Sprühfluss, andere Temperaturmessungen, usw., empfangen. Obwohl diese nicht spezifisch als solche in 1 dargestellt sind, könnte die Steuerung oder Steuereinheit 120 auch separate Abschnitte, Routinen und/oder Steuergeräte zur Steuerung der Überhitzer- und Zwischenüberhitzerabschnitte des Kesselsystems enthalten.
2 ist ein schematisches Diagramm 128, welches die verschiedenen Abschnitte des Kesselsystems 100 aus 1 darstellt und eine herkömmliche Art und Weise zeigt, in welcher derzeit die Steuerung in Kesseln gemäß dem heutigen Stand der Technik durchgeführt wird. Insbesondere sind im Diagramm 128 der Vorwärmer 114, der primäre Ofen- oder Wasserwandabschnitt 102, der Überhitzerabschnitt 104, der zweite Überhitzerabschnitt 106 und der Sprühabschnitt 110 aus 1 dargestellt. In diesem Fall wird das Sprühwasser, welches am Überhitzer-Sprühabschnitt 110 zugeführt wird, der Zufuhrleitung zum Vorwärmer 114 entnommen. 2 zeigt außerdem zwei PID-basierte Regelkreise 130 und 132, welche in der Steuerung 120 aus 1 oder durch andere PLS-Steuerungen implementiert werden können, um den Brennstoff- und Speisewasserbetrieb des Ofens 102 zu regeln, um wiederum die Temperatur 151 des Austrittdampfes, welcher vom Kesselsystem der Turbine zugeführt wird, zu beeinflussen.
Der Regelkreis 130 beinhaltet insbesondere einen ersten Steuerblock 140, der als Proportional-Integral-Differenzier-(PID)-Steuerblock dargestellt ist, welcher als primäre Eingabe einen Sollwert 131A in Form eines Faktors oder Signales, der/das einem gewünschten oder optimalen Wert einer Variablen oder manipulierten Variablen 131A entspricht, die genutzt wird, um einen Abschnitt des Kesselsystems 100 zu steuern oder mit diesem zusammenhängt. Der gewünschte Wert 131A kann zum Beispiel einem gewünschten Überhitzer-Sprühsollwert oder einer optimalen Brennerkippposition entsprechen. In anderen Fällen kann der gewünschte oder optimale Wert 131A einer Dämpferposition eines Dämpfers im Kesselsystem 100, einer Position eines Sprühventils, einer Sprühmenge, einer anderen Steuerung, einer manipulierten Variablen oder Störvariablen oder einer Kombination daraus entsprechen, die genutzt wird, um einen Abschnitt des Kesselsystems 100 zu steuern oder mit diesem zusammenhängt. Allgemein kann der Sollwert 131A einer Steuervariablen oder manipulierten Variablen des Kesselsystems 100 entsprechen und kann üblicherweise von einem Benutzer oder Bediener eingestellt werden.
Der Steuerblock 140 vergleicht den Sollwert 131A mit einer Messung der tatsächlichen Steuervariablen oder manipulierten Variablen 131B, die derzeit genutzt wird, um einen gewünschten Ausgabewert zu erzeugen. Um die Beschreibung zu verdeutlichen, zeigt 2 eine Ausführungsform, in welcher der Sollwert 131A am Steuerblock 140 einer gewünschten Überhitzer-Sprühmenge entspricht. Der Steuerblock 140 vergleicht den Überhitzer-Sprühsollwert mit einer Messung der tatsächlichen Überhitzer-Sprühmenge (z. B. dem Überhitzer-Sprühfluss), die aktuell verwendet wird, um einen gewünschten Wasserwandaustritttemperatursollwert zu erzeugen. Der Wasserwandaustritttemperatursollwert gibt die gewünschte Wasserwandaustritttemperatur an, die erforderlich ist, um die Temperatur am Austritt des zweiten Überhitzers 106 (Referenzziffer 151) anhand der Sprühflussmenge, welche durch den gewünschten Überhitzer-Sprühsollwert bestimmt wird, zu regeln, damit sie der gewünschten Turbineneinlasstemperatur entspricht. Dieser Wasserwandaustritttemperatursollwert wird an einen zweiten Steuerblock 142 (ebenfalls als PID-Steuerblock dargestellt) weitergeleitet, der den Wasserwandaustritttemperatursollwert mit einem Signal vergleicht, welches die gemessene Wasserwanddampftemperatur anzeigt, und ein Flusssteuersignal erzeugt. Das Flusssteuersignal wird dann in einem Multiplikatorblock 144 skaliert, zum Beispiel basierend auf der Verbrennungsrate (welche einen Strombedarf angibt oder auf diesem basiert). Die Ausgabe des Multiplikatorblocks 144 wird als Steuereingabe an eine Brennstoff-/Speisewasserschaltung 146 weitergeleitet, welche das Verhältnis zwischen der Verbrennungsrate und dem Speisewasser der Ofen-/Kesselkombination oder das Verhältnis des Brennstoff-/Luftgemischs, welches an den primären Ofenabschnitt 102 bereitgestellt wird, steuert.
Der Betrieb des Überhitzer-Sprühabschnitts 110 wird durch den Regelkreis 132 geregelt. Der Regelkreis 132 beinhaltet einen Steuerblock 150 (als PID-Steuerblock dargestellt), welcher einen Temperatursollwert für die Temperatur des Dampfes am Einlass der Turbine 116 (üblicherweise basierend auf Betriebscharakteristika der Turbine 116 festgelegt oder eingerichtet) mit einer Messung der tatsächlichen Temperatur des Dampfes am Einlass der Turbine 116 (Referenzziffer 151) vergleicht, um auf der Grundlage der Differenz zwischen den beiden Werten ein Ausgabesteuersignal zu erzeugen. Die Ausgabe des Steuerblocks 150 wird an einen Addiererblock 152 weitergeleitet, welcher das Steuersignal vom Steuerblock 150 zu einem Vorsteuerungssignal addiert, welches von einem Block 154 erzeugt wird, zum Beispiel eine Ableitung eines Lastsignals, das einer tatsächlichen oder gewünschten durch die Turbine 116 erzeugten Last entspricht. Die Ausgabe des Addiererblocks 152 wird dann als Sollwert an einen weiteren Steuerblock 156 (erneut als PID-Steuerblock dargestellt) weitergeleitet, wobei der Sollwert die gewünschte Temperatur am Einlass des zweiten Überhitzerabschnitts 106 (Referenzziffer 158) angibt. Der Steuerblock 156 vergleicht den Sollwert von Block 152 mit einer Zwischenmessung der Dampftemperatur 158 am Austritt des Überhitzer-Sprühabschnitts 110 und erzeugt, basierend auf der Differenz zwischen den beiden Werten, ein Steuersignal, welches das Ventil 122 regelt, das die Sprühmenge kontrolliert, die im Überhitzer-Sprühabschnitt 110 bereitgestellt wird. Gemäß dieser Beschreibung wird eine „Zwischen”-Messung oder ein „Zwischen”-Wert einer Steuervariablen oder einer manipulierten Variablen an einer Stelle bestimmt, die einer Stelle vorgelagert ist, an der eine abhängige Ablaufvariable, die gesteuert werden soll, gemessen wird. Wie in 2 dargestellt, wird die „Zwischen”-Dampftemperatur 158 zum Beispiel an einer Stelle bestimmt, die der Stelle vorgelagert ist, an welcher die Austrittdampftemperatur 151 gemessen wird (z. B. wird die „Zwischendampftemperatur” oder „Temperatur des Zwischendampfes” 158 an einer Stelle bestimmt, die weiter von der Turbine 116 entfernt ist als die Austrittdampftemperatur 151).
Wie es aus den PID-basierten Regelkreisen 130 und 132 aus 2 ersichtlich ist, wird der Betrieb des Ofens 102 demnach direkt als eine Funktion der gewünschten Überhitzer-Sprühmenge 131A, der Zwischentemperaturmessung 158 und der Austrittdampftemperatur 151 gesteuert. Insbesondere hält der Regelkreis 132 die Temperatur des Dampfes am Einlass der Turbine 116 (Referenzziffer 151) auf einem Sollwert, indem sie den Betrieb des Überhitzer-Sprühabschnitts 110 steuert und der Regelkreis 130 steuert den Betrieb des Brennstoffes, welcher dem Ofen 102 zugeführt und in diesem verbrannt wird, um die Überhitzer-Sprühmenge auf einem vorbestimmten Sollwert zu halten (um somit den Überhitzer-Sprühbetrieb oder die Sprühmenge auf einem „optimalen” Pegel zu halten).
Während die beschriebene Ausführungsform die Menge des Überhitzer-Sprühflusses als Eingabe für den Regelkreis 130 nutzt, kann/können selbstverständlich ein oder mehrere andere steuerbezogene Signale oder Faktoren genutzt werden oder in anderen Fällen als Eingabe für den Regelkreis 130 verwendet werden, um ein oder mehrere Ausgabesteuersignale zu erzeugen, um den Betrieb des Kessels/Ofens zu steuern und somit eine Dampftemperaturregelung zu gewährleisten. So kann zum Beispiel der Steuerblock 140 die tatsächlichen Brennerkipppositionen mit einer optimalen Brennerkippposition vergleichen, welche von einer Charakterisierung einer rechnerunabhängigen Einheit (insbesondere für Kesselsysteme, die von der Firma Combustion Engineering hergestellt wurden) oder einem separaten, angeschlossenen Optimierungsprogramm oder einer anderen Quelle stammen kann. In einem weiteren Beispiel mit einer anderen Kesselausführungskonfigurierung können die Signale, welche die gewünschte (oder optimale) und tatsächliche Brennerkipppositionen im Regelkreis 130 angeben, in Fällen, in denen Abgasumgehungsdämpfer für die primäre Zwischenüberhitzer-Dampftemperaturregelung eingesetzt werden, durch Signale ersetzt oder ergänzt werden, welche die gewünschten (oder optimalen) und tatsächlichen Dämpferpositionen angeben.
Während der Regelkreis 130 in 2 als Regelkreis dargestellt ist, der ein Steuersignal zur Regelung des Brennstoff-/Luftgemisches des dem Ofen 102 zugeführten Brennstoffes erzeugt, könnte der Regelkreis 130 zusätzlich andere Typen oder Arten von Steuersignalen erzeugen, um den Betrieb des Ofens zu steuern, wie zum Beispiel das Brennstoff-Speisewasserverhältnis, welches verwendet wird, um der Ofen-/Kesselkombination Brennstoff und Speisewasser zuzuführen, die Menge oder Quantität oder den Typ des Brennstoffs, der im Ofen verwendet oder diesem zugeführt wird, usw. Ferner kann der Steuerblock 140 Störvariable(n) als Eingabe verwenden, auch wenn diese Variable selbst nicht verwendet wird, um die abhängige Variable (in der oben beschriebenen Ausführungsform die gewünschte Austrittdampftemperatur 151) direkt zu steuern.
Ferner ist die Steuerung des Betriebs des Ofens, wie aus den Regelkreisen 130 und 132 in 2 ersichtlich ist, in beiden Regelkreisen 130 und 132 reaktionär. Das bedeutet, dass die Regelkreise 130 und 132 (oder Teile davon) so reagieren, dass sie erst nachdem eine Differenz zwischen einem Sollwert und einem tatsächlichen Wert festgestellt wurde, eine Veränderung einleiten. So erzeugt der Steuerblock 150 zum Beispiel erst nachdem der Steuerblock 150 eine Differenz zwischen der Austrittdampftemperatur 151 und einem gewünschten Sollwert festgestellt hat, ein Steuersignal, das an den Addierer 152 gesendet wird, und erst nachdem der Steuerblock 140 eine Differenz zwischen einem gewünschten und einem tatsächlichen Wert einer Störvariablen oder manipulierten Variablen festgestellt hat, erzeugt der Steuerblock 140 ein Steuersignal, welches einem Sollwert der Wasserwandaustritttemperatur entspricht, und leitet es an den Steuerblock 142 weiter. Dieses reaktionäre Regelverhalten kann zu großen Ausgabeschwankungen führen, die das Kesselsystem belasten, wodurch die Lebensdauer von Leitungen, Sprühsteuerventilen und anderen Komponenten des Systems verkürzt wird, insbesondere wenn die reaktionäre Steuerung in Verbindung mit sich verändernden Betriebsbedingungen auftritt.
3 zeigt einen herkömmlichen (dem aktuellen Stand der Technik entsprechenden) Regelkreis 160, welcher in einem Zwischenüberhitzerabschnitt 108 eines Dampfturbinen-Stromerzeugungssystem eingesetzt wird, der zum Beispiel durch die Steuerung oder Steuereinheit 120 in 1 implementiert sein kann. Hier kann ein Steuerblock 161 mit einem Signal arbeiten, welches einem tatsächlichen Wert einer Steuervariablen oder einer manipulierten Variablen 162 entspricht, die verwendet wird, um das Kesselsystem 100 zu steuern oder mit diesem zusammenhängt. Um die Beschreibung zu verdeutlichen, zeigt 3 eine Ausführungsform des Regelkreises 160, in dem die Eingabe 162 dem Dampffluss entspricht (der üblicherweise durch den Lastbedarf bestimmt wird). Der Steuerblock 161 erzeugt einen Temperatursollwert für die Temperatur des Dampfes, der in die Turbine 118 eingeführt wird, als Funktion des Dampfflusses. Ein Steuerblock 164 (als PID-Steuerblock dargestellt) vergleicht diesen Temperatursollwert mit einer Messung der tatsächlichen Dampftemperatur 163 am Austritt des Zwischenüberhitzerabschnitts 108, um als Ergebnis der Differenz zwischen diesen beiden Temperaturen ein Steuersignal zu erzeugen. Ein Block 166 addiert dann dieses Steuersignal mit einer Messung des Dampfflusses und die Ausgabe von Block 166 wird an eine Sprühsollwerteinheit oder einen Block 168 sowie eine Ausgleichseinheit 170 weitergeleitet.
Die Ausgleichseinheit 170 beinhaltet einen Ausgleicher 172, welcher ein Steuersignal an eine Überhitzer-Dämpfersteuereinheit 174 sowie an eine Zwischenüberhitzer-Dämpfersteuereinheit 176 leitet, die die Abgasdämpfer in den verschiedenen Überhitzer- und Zwischenüberhitzerabschnitten des Kessels steuern. Es versteht sich, dass die Abgasdämpfersteuereinheiten 174 und 176 die Dämpfereinstellungen anpassen oder modifizieren, um die Menge der Abgase vom Ofen, welche an die Überhitzer- und Zwischenüberhitzerabschnitte der Kessel umgeleitet werden, zu steuern. Demnach kontrollieren die Steuereinheiten 174 und 176 somit die Menge der Energie, die von jedem der Überhitzer- und Zwischenüberhitzerabschnitte des Kessels bereitgestellt wird oder gleicht diese aus. Daraus ergibt sich, dass die Ausgleichseinheit 170 die primäre Steuerung am Zwischenüberhitzerabschnitt 108 ist, um die Energie- oder Wärmemenge zu regeln, die im Ofen 102 erzeugt wird, welcher im Betrieb des Zwischenüberhitzerabschnitts 108 des Kesselsystems in 1 verwendet wird. Die Betätigung der Dämpfer, welche von der Ausgleichseinheit 170 bereitgestellt werden, steuert selbstverständlich das Verhältnis oder die relative Menge der Energie oder der Wärme, die dem Zwischenüberhitzerabschnitt 108 und den Überhitzerabschnitten 104 und 106 zugeführt wird, da das Umleiten von mehr Abgasen zu einem Bereich üblicherweise die Menge an Abgasen, die dem anderen Bereich zugeführt wird, verringert. Obwohl die Ausgleichseinheit 170 in 3 als die Dämpfersteuerung ausführende Einheit dargestellt ist, kann der Ausgleicher 170 ferner außerdem eine Steuerung durch die Ofenbrennerkippposition, oder in manchen Fällen beide, zur Verfügung stellen.
Aufgrund von zeitlich begrenzten oder kurzfristigen Schwankungen der Dampftemperatur und der Tatsache, dass der Betrieb der Ausgleichseinheit 170 mit dem Betrieb der Überhitzerabschnitte 104 und 106 sowie dem Zwischenüberhitzerabschnitt 108 zusammenhängt, ist die Ausgleichseinheit 170 unter Umständen nicht in der Lage, eine vollständige Regelung der Dampftemperatur 163 am Austritt des Zwischenüberhitzerabschnitts 108 bereitzustellen, um zu gewährleisten, dass die gewünschte Dampftemperatur an dieser Stelle 161 erreicht wird. Aus diesem Grund wird durch den Einsatz des Zwischenüberhitzer-Sprühabschnitts 112 am Einlass der Turbine 118 eine zweite Steuerung der Dampftemperatur 163 bereitgestellt.
Insbesondere wird die Steuerung des Zwischenüberhitzer-Sprühabschnitts 112 durch den Betrieb der Sprühsollwerteinheit 168 und eines Steuerblocks 180 bereitgestellt. Hierbei bestimmt die Sprühsollwerteinheit 168 auf bekannte Art und Weise basierend auf einer Mehrzahl von Faktoren einen Zwischenüberhitzer-Sprühsollwert, wobei der Betrieb der Ausgleichseinheit 170 berücksichtigt wird. Üblicherweise wird die Sprühsollwerteinheit 168 nur dann konfiguriert, den Zwischenüberhitzer-Sprühabschnitt 112 zu betreiben, wenn der Betrieb der Ausgleichseinheit 170 nicht genügend oder keine ausreichende Steuerung der Dampftemperatur 161 am Einlass der Turbine 118 bieten kann. In jedem Fall wird der Zwischenüberhitzer-Sprühsollwert als Sollwert des Steuerblocks 180 (erneut als PID-Steuerblock dargestellt) bereitgestellt, welcher diesen Sollwert mit einer Messung der tatsächlichen Dampftemperatur 161 am Austritt des Zwischenüberhitzerabschnitts 108 vergleicht und basierend auf der Differenz zwischen diesen beiden Signalen ein Steuersignal erzeugt und das Steuersignal genutzt wird, um das Zwischenüberhitzer-Sprühventil 124 zu steuern. Wie bereits bekannt ist, stellt das Zwischenüberhitzer-Sprühventil 124 eine kontrollierte Zwischenüberhitzer-Sprühmenge zur Verfügung, um eine weitere oder zusätzliche Regelung der Dampftemperatur am Austritt des Zwischenüberhitzers 108 zu gewährleisten.
In manchen Ausführungsformen kann die Steuerung des Zwischenüberhitzer-Sprühabschnitts 112 mittels eines ähnlichen Steuerungsschemas durchgeführt werden, wie es für 2 beschrieben wurde. Die Verwendung einer Zwischenüberhitzerabschnittvariablen 162 als Eingabe in den Regelkreis 160 aus 3 ist zum Beispiel nicht auf eine manipulierte Variable begrenzt, welche genutzt wird, um den Zwischenüberhitzerabschnitt in bestimmten Situationen tatsächlich zu steuern. Es kann demnach auch möglich sein, eine manipulierte Variable 162 des Zwischenüberhitzers, die nicht tatsächlich genutzt wird, um den Zwischenüberhitzerabschnitt 108 zu steuern, oder eine andere Steuer- oder Störvariable des Kesselsystems 100 als Eingabe in den Regelkreis 160 zu verwenden.
Ähnlich wie die PID-basierten Regelkreise 130 und 132 aus 2, ist auch der PID-basierte Regelkreis 160 reaktionär. Das bedeutet, dass der PID-basierte Regelkreis 160 (oder Teile davon) so reagiert, dass er erst nachdem eine Differenz oder einen Fehler zwischen einem Sollwert und einem tatsächlichen Wert festgestellt wurde, eine Veränderung einleitet. So erzeugt der Steuerblock 164 zum Beispiel ein Steuersignal, welches an den Addierer 166 weitergeleitet wird, erst nachdem der Steuerblock 164 eine Differenz zwischen der Austrittdampftemperatur 163 und einem gewünschten, vom Steuerblock 161 erzeugten Sollwert festgestellt hat, und erst nachdem der Steuerblock 180 eine Differenz zwischen der Zwischenüberhitzer-Austritttemperatur 163 und dem vom Block 168 bestimmten Sollwert festgestellt hat, gibt der Steuerblock 180 ein Steuersignal an das Sprühventil 124 weiter. Dieses reaktionäre Regelverhalten kann in Verbindung mit sich ändernden Kesselbetriebsbedingungen zu großen Austrittschwankungen führen, welche die Lebensdauer von Leitungen, Sprühkontrollventilen und anderen Komponenten des Systems verkürzen.
4 zeigt eine Ausführungsform eines Steuersystems oder Steuerungsschemas 200 für die Regelung des dampferzeugenden Kesselsystems 100. Das Steuersystem 200 kann wenigstens einen Teil des Kesselsystems 100, wie eine Steuervariable oder andere abhängige Prozessvariablen des Kesselsystems 100, steuern. In dem in 4 dargestellten Beispiel regelt das Steuersystem 200 eine Temperatur des Austrittdampfes 202, welcher vom Kesselsystem 100 einer Turbine 116 zugeführt wird, aber in anderen Ausführungsformen kann das Steuerungsschema 200 zusätzlich oder alternativ andere Teile des Kesselsystems 100 steuern (z. B. einen Mittelteil, wie zum Beispiel die Temperatur des Dampfes, welcher in den zweiten Überhitzerabschnitt 106 eintritt, oder eine Systemausgabe, einen Ausgabeparameter oder eine Ausgabesteuervariable, wie einen Druck des Austrittdampfes an der Turbine 118). In manchen Ausführungsformen können mehrere Steuerungsschemata 200 verschiedene Ausgabeparameter steuern.
Das Steuersystem oder Steuerungsschema 200 kann in der Steuerung oder Steuereinheit 120 des Kesselsystems 100 durchgeführt werden oder mit diesem kommunikativ verbunden sein. In manchen Ausführungsformen kann zum Beispiel wenigstens ein Teil des Steuersystems oder Steuerungsschemas 200 in der Steuerung 120 enthalten sein. In manchen Ausführungsformen kann das gesamte Steuersystem oder Steuerungsschema 200 in der Steuerung 120 enthalten sein.
Tatsächlich kann das Steuersystem 200 aus 4 die PID-basierten Regelkreise 130 und 132 aus 2 ersetzen. Statt, wie die Regelkreise 130 und 132, reaktionär ausgeführt zu sein (z. B. wobei eine Steuerungsanpassung erst durchgeführt wird, nachdem eine Differenz oder Fehler zwischen dem zu steuernden Teil des Kesselsystems 100 und einem zugehörigen Sollwert erkannt wurde), ist das Steuerungsschema 200 wenigstens teilweise als Vorsteuerung ausgeführt, damit die Regelanpassung eingeleitet wird, bevor eine Differenz oder ein Fehler an dem Teil des Kesselsystems 100 erkannt wird. Insbesondere kann das Steuersystem oder -schema 200 auf einer Änderungsrate von einer oder mehreren Störvariablen basieren, welche den Teil des Kesselsystems 100, der gesteuert werden soll, beeinflusst/beeinflussen. Ein dynamischer Matrixsteuerungs-(DMS)-Block kann die Änderungsrate der einen oder mehreren Störvariablen an einer Eingabe empfangen und dafür sorgen, dass der Prozess auf einem optimalen Punkt, welcher auf der Änderungsrate basiert, ausgeführt wird. Ferner kann der DMS-Block fortlaufend den Prozess optimieren, wenn sich die Änderungsrate selbst ändert. Da der DMS-Block fortlaufend das beste Regelverhalten abschätzt und den Prozess basierend auf aktuellen Eingaben prädiktiv optimiert und anpasst, ist der dynamische Matrixsteuerungsblock als Vorsteuerung oder prädiktiv ausgeführt und ist somit in der Lage, den Prozess näher an seinem Sollwert zu steuern. Dementsprechend werden die Prozesskomponenten mit dem DMS-basierten Steuersystem 200 nicht großen Temperaturschwankungen oder anderen derartigen Faktoren ausgesetzt. Im Gegenteil, PID-basierte Steuersysteme oder -schemata sind überhaupt nicht in der Lage, eine Optimierung zu prognostizieren oder abzuschätzen, da PID-basierte Steuersysteme oder Steuerungsschemata darauf angewiesen sind, dass ein Messungsergebnis oder ein Fehler in der kontrollierten Variablen tatsächlich auftritt, um jegliche Prozessanpassungen auszuführen. Daraus ergibt sich, dass PID-basierte Steuersysteme oder -schemata weiter von gewünschten Sollwerten abweichen als das Steuersystem oder -schema 200 und dass die Prozesskomponenten PID-basierter Steuersysteme üblicherweise aufgrund dieser Extreme früher ausfallen.
Ein weiterer Unterschied zu den PID-basierten Regelkreisen 130 und 132 aus 2 ist, dass das DMS-basierte Steuersystem oder -schema 200 keinen Zwischenwert oder vorgelagert gemessenen Wert, der dem zu steuernden Teil des Kesselsystems 100 entspricht, wie die Zwischendampftemperatur 158, welche nach dem Sprühventil 122 und vor dem zweiten Überhitzerabschnitt 106 bestimmt wird, als Eingabe benötigt. Da das DMS-basierte Steuersystem oder -schema 200 wenigstens teilweise prädiktiv arbeitet, benötigt das DMS-basierte Steuersystem oder -schema 200 keine zwischengelagerten „Kontrollpunkte”, um den Prozess zu optimieren, wie es bei PID-basierten Schemata der Fall ist. Diese Unterschiede und Details des Steuersystems 200 werden nachstehend genauer beschrieben.
Insbesondere beinhaltet das Steuersystem oder -schema 200 einen Änderungsratenermittler 205, der ein Signal empfängt, welches einer Messung einer tatsächlichen Störvariablen des Steuerungsschemas 200, die aktuell einen gewünschten Arbeitsablauf des Kesselsystems 100 beeinflusst, oder einem gewünschten Ausgabewert einer Steuervariablen oder abhängigen Prozessvariablen 202 des Steuerungsschemas 200 entspricht, ähnlich der Messung der Steuervariablen oder manipulierten Variablen 131B, welche am Steuerblock 140 aus 2 empfangen wird. In der in 4 dargestellten Ausführungsform handelt es sich bei dem gewünschten Arbeitsablauf des Kesselsystems 100 oder der gesteuerten Variablen des Steuerungsschemas 200 um die Austrittdampftemperatur 202 und die Störvariableneingabe zum Steuerungsschema 200 am Änderungsratenermittler 205 ist ein Brennstoff-/Luftverhältnis 208, welches dem Ofen 102 zugeführt wird. Die Eingabe zum Änderungsratenermittler 205 kann jedoch jede beliebige Störvariable sein. So kann die Störvariable des Steuerungsschemas 200 zum Beispiel eine manipulierte Variable sein, die in einem anderen Regelkreis des Kesselsystems 100 als dem Steuerungsschema 200 verwendet wird, wie etwa eine Dämpferposition. Die Störvariable des Steuerungsschemas 200 kann eine Steuervariable sein, die in einem anderen Regelkreis des Kesselsystems 100 als dem Steuerungsschema 200 verwendet wird, wie zum Beispiel die Zwischentemperatur 126B aus 1. Die Störvariableneingabe in den Änderungsratenermittler 205 kann gleichzeitig als Steuervariable eines anderen bestimmten Regelkreises und als manipulierte Variable eines weiteren anderen Regelkreises im Kesselsystem 100, wie zum Beispiel dem Brennstoff-Luftverhältnis, angesehen werden. Die Störvariable kann eine andere Störvariable eines anderen Regelkreises sein, z. B. Umgebungsluftdruck oder eine andere Prozesseingabevariable. Beispiele möglicher Störvariablen, die in Verbindung mit dem DMS-basierten Steuersystem oder -schema verwendet werden können, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, eine Ofenbrennerkippstellung; einen Dampffluss; eine Rußbläsermenge; eine Dämpferposition; eine Leistungseinstellung; ein Verhältnis des Brennstoff-Luftgemisches des Ofens; eine Verbrennungsrate des Ofens; einen Sprühfluss; eine Wasserwand-Dampftemperatur; ein Lastsignal für entweder die Ziellast oder die tatsächliche Last der Turbine; eine Flusstemperatur; ein Brennstoff-Speisewasser-Mischverhältnis; die Temperatur des Austrittdampfes; eine Brennstoffmenge; eine Brennstoffart oder eine andere manipulierte Variable, Steuervariable oder Störvariable. In manchen Ausführungsformen kann die Störvariable eine Kombination aus einer oder mehreren Steuervariablen, manipulierten Variablen und/oder Störvariablen sein.
Obwohl nur ein Signal, welches einer Messung einer Störvariablen des Steuersystems oder -schemas 200 entspricht, als am Änderungsratenermittler 205 empfangen dargestellt wird, können in manchen Ausführungsformen ferner ein oder mehrere Signal(e), welche(s) einer oder mehreren Störvariablen des Steuersystems oder -schemas 200 entspricht/entsprechen, vom Änderungsratenermittler 205 empfangen werden. Im Gegensatz zu Referenzziffer 131A aus 2 ist es nicht notwendig, dass der Änderungsratenermittler 205 einen Sollwert oder gewünschten/optimalen Wert, welcher der gemessenen Störvariablen entspricht, empfängt, z. B. ist es in 4 nicht erforderlich, einen Sollwert für das Brennstoff-Luftverhältnis 208 zu empfangen.
Der Änderungsratenermittler 205 ist konfiguriert, um eine Änderungsrate der Störvariableneingabe 208 zu bestimmen und ein Signal 210 zu erzeugen, welches der Änderungsrate der Eingabe 208 entspricht. 5A zeigt ein Beispiel des Änderungsratenermittlers 205. In diesem Beispiel beinhaltet der Änderungsratenermittler 205 wenigstens zwei Zeitdifferenzblöcke 214 und 216, die der empfangenen Eingabe 208 jeweils einen Vorlauf oder eine Verzögerung hinzufügen. Anhand der zwei Zeitdifferenzblöcke 214 und 216 bestimmt der Änderungsratenermittler 205 eine Differenz zwischen zwei Messungen des Signals 208 zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten und bestimmt dementsprechend einen Abfall oder eine Änderungsrate des Signals 208.
Insbesondere kann das Signal 208, welches der Messung der Störvariablen entspricht, an einer Eingabe des ersten Zeitdifferenzblocks 214 empfangen werden, welcher eine Zeitverzögerung addiert. Eine vom ersten Zeitdifferenzblock 214 erzeugte Ausgabe kann an einer ersten Eingabe eines Differenzblocks 218 empfangen werden. Die Ausgabe des ersten Zeitdifferenzblocks 214 kann außerdem an einer Eingabe eines zweiten Zeitdifferenzblocks 216 empfangen werden, welcher eine zusätzliche Zeitverzögerung addieren kann, die mit der Zeitverzögerung, die vom ersten Zeitdifferenzblock 214 addiert wurde, identisch sein oder von dieser abweichen kann. Die Ausgabe des zweiten Zeitdifferenzblocks 216 kann an einer zweiten Eingabe des Differenzblocks 218 empfangen werden. Der Differenzblock 218 bestimmt eine Differenz zwischen den Ausgaben der Zeitdifferenzblöcke 214 und 216 und kann anhand der Zeitverzögerungen der Zeitdifferenzblöcke 214, 216 einen Abfall oder eine Änderungsrate der Störvariablen 208 bestimmen. Der Differenzblock 218 kann ein Signal 210, welches einer Änderungsrate der Störvariablen 208 entspricht, erzeugen. In manchen Ausführungsformen kann/können einer oder beide der Zeitdifferenzblöcke 214, 216 anpassbar sein, um ihre jeweiligen Zeitverzögerungen variieren zu können. Für eine Störeingabe 208, die sich im Laufe der Zeit sehr langsam verändert, kann zum Beispiel eine Zeitverzögerung an einem oder beiden der Zeitdifferenzblöcken 214, 216 erhöht werden. In manchen Ausführungsformen kann der Änderungsratenermittler 205 mehr als zwei Messungen des Signals 208 sammeln, um den Abfall oder die Änderungsrate genauer berechnen zu können. 5A ist selbstverständlich nur ein Beispiel des Änderungsratenermittlers 205 aus 4 und auch andere Beispiele können möglich sein.
Mit erneuter Bezugnahme auf 4 kann das Signal 210, welches der Änderungsrate der Störvariablen entspricht, von einem Verstärkungsblock oder Verstärkungsversteller 220 empfangen werden, der das Signal 210 verstärkt. Die Verstärkung kann erweiternd oder fraktioniert sein. Das Ausmaß der Verstärkung, die durch den Verstärkungsblock 220 hinzugefügt wird, kann manuell oder automatisch ausgewählt sein. In manchen Ausführungsformen kann der Verstärkungsblock 220 weggelassen werden.
Das Signal 210, welches der Änderungsrate der Störvariablen des Steuersystems oder -schemas 200 entspricht (einschließlich einer gewünschten Verstärkung, die vom optionalen Verstärkungsblock 220 hinzugefügt wird), kann an einem dynamischen Matrixsteuerungs-(DMS)-Block 222 empfangen werden. Der DMS-Block 222 kann als Eingaben außerdem eine Messung eines aktuellen oder tatsächlichen Wertes eines Teils des Kesselsystems 100, der gesteuert werden soll (z. B. die Steuervariable oder gesteuerte Variable des Steuersystems oder -schemas 200; im Beispiel von 4 die Temperatur 202 des Dampfaustritts), und einen zugehörigen Sollwert 203 empfangen. Der dynamische Matrixsteuerungsblock 222 kann basierend auf den empfangenen Eingaben eine modellprädiktive Steuerung durchführen, um ein Steuerungsausgabesignal zu erzeugen. Hierbei ist anzumerken, dass der DMS-Block 222, im Gegensatz zu den PID-basierten Regelkreisen 130 und 132 aus 2, keine Signale, welche Zwischenmessungen des zu steuernden Teils des Kesselsystems 100 entsprechen, wie die Zwischendampftemperatur 158, empfangen muss. Derartige Signale können jedoch, falls gewünscht, als Eingaben zum DMS-Block 222 genutzt werden, zum Beispiel wenn ein Signal an eine Mittelmessung in den Änderungsratenermittler 205 eingegeben wird und der Änderungsratenermittler 205 ein Signal, welches der Änderungsrate der Mittelmessung entspricht, erzeugt. Obwohl dies in 4 nicht dargestellt ist, kann der DMS-Block 222 zusätzlich zum Signal 210, welches der Änderungsrate entspricht, dem Signal, welches einem tatsächlichen Wert der gesteuerten Variable (z. B. Referenzziffer 202) entspricht, und seinem Sollwert 203 außerdem andere Eingaben empfangen. Der DMS-Block 222 kann zum Beispiel Signale außer dem Signal 210, welches die Änderungsrate angibt, empfangen, die Null oder mehr Störvariablen entsprechen.
Allgemein gesagt ist die modellprädiktive Steuerung, welche vom DMS-Block 222 durchgeführt wird, eine Mehrfacheingabe-Einfachausgabe-(MISO)-Steuerungsstrategie, in welcher die Auswirkungen der Veränderung jeder einer Anzahl von Prozesseingaben auf jede einer Anzahl von Prozessausgaben gemessen wird und diese gemessenen Reaktionen dann genutzt werden, um eine Modell des Prozesses zu erstellen. In manchen Fällen kann jedoch auch eine Mehrfacheingabe-Mehrfachausgabe-(MIMO)-Steuerungsstrategie angewendet werden. Egal ob MISO oder MIMO, dass Modell des Prozesses wird mathematisch invertiert und dann verwendet, um basierend auf Veränderungen der Prozesseingaben die Prozessausgabe oder -ausgaben zu steuern. In manchen Fällen beinhaltet das Prozessmodell eine Prozessausgangsreaktionskurve für jede der Prozesseingaben, oder ist von ihnen abgeleitet und jede dieser Kurven kann zum Beispiel basierend auf einer Reihe von Pseudozufallsschrittveränderungen, welche an jede der Prozesseingaben geliefert werden, erstellt werden. Diese Reaktionskurven können genutzt werden, um den Prozess auf bekannte Weise zu gestalten. Da modellprädiktive Steuerung nach dem heutigen Stand der Technik bekannt ist, werden die spezifischen Einzelheiten hier nicht näher ausgeführt. Modellprädiktive Steuerung wird allgemein in Qin, S. Joe und Thomas A. Badgwell, „An Overview of Industrial Model Predictive Control Technology", AIChE Conference, 1996, beschrieben.
Ferner kann die Erzeugung und Verwendung von fortschrittlichen Steuerroutinen, wie MPC-Steuerroutinen, in den Konfigurationsprozess für eine Steuerung für das dampferzeugende Kesselsystem integriert werden. Wojsznis et al., U.S. Patent Nr. 6,445,963 mit dem Titel „Integrated Advanced Control Blocks in Process Control Systems”, dessen Offenbarung hierin ausdrücklich durch Verweis mit eingeschlossen ist, offenbart ein Verfahren zur Erzeugung eines fortschrittlichen Steuerblocks, wie zum Beispiel einer fortschrittlichen Steuerung (z. B. einer MPC-Steuerung oder einer neutralen Netzwerksteuerung), mittels Daten, die bei der Konfiguration der Prozessanlage gesammelt werden. Genauer gesagt offenbart U.S. Patent Nr. 6,445,963 ein Konfigurationssystem, das auf eine Art und Weise, die mit der Erzeugung und dem Herunterladen anderer Steuerblöcke, welche ein bestimmtes Steuermuster, wie das Fieldbus-Muster, verwenden, integriert ist, einen fortschrittlichen Mehrfacheingabe-Mehrfachausgabe-Steuerblock in einem Prozesssteuerungssystem erzeugt. In diesem Fall wird der fortschrittliche Steuerblock initiiert, indem ein Steuerblock (wie der DMS-Block 222), welcher gewünschte Eingaben und Ausgaben aufweist, die mit Prozessausgaben bzw. -eingaben verbunden sind, erzeugt wird, um einen Prozess, wie einen in einem dampferzeugenden Kesselsystem verwendeten Prozess, zu steuern. Der Steuerblock beinhaltet eine Datensammelroutine und einen zugehörigen Funktionsgenerator und kann eine Steuerlogik aufweisen, die frequenzunabhängig oder anderweitig unentwickelt ist, weil dieser Logik Einstellungsparameter, Matrixkoeffizienten oder andere Steuerparameter fehlen, die für die Implementierung erforderlich sind. Der Steuerblock wird im Prozesssteuersystem angeordnet, wobei die definierten Eingaben und Ausgaben innerhalb des Steuersystems kommunikativ miteinander verbunden sind, so dass diese Eingaben und Ausgaben verknüpft wären, wenn der fortgeschrittene Steuerblock eingesetzt werden würde, um den Prozess zu steuern.
Während eines Testdurchlaufs stößt der Steuerblock die Steuerblockausgaben anhand von Funktionen, die von einem Funktionsgenerator erzeugt werden, der spezifisch für die Verwendung zur Erzeugung eines Prozessmodells ausgelegt ist, systematisch jede der Prozesseingaben um. Über die Steuerblockeingaben koordiniert der Steuerblock die Sammlung von Daten, welche zu der Reaktion jeder der Prozessausgaben zu jeder der erzeugten Funktionen, die an jede der Prozesseingaben geleitet werden, gehören. Diese Daten können zum Beispiel zur Speicherung an einen Daten-Historian gesendet werden. Nachdem ausreichend Daten für jedes der Prozesseingabe-/-ausgabepaare gesammelt wurden, wird ein Prozessmodellierungsvorgang ausgeführt, in dem ein oder mehrere Prozessmodell(e) zum Beispiel anhand jeder beliebigen bekannten oder gewünschten Modellerzeugungs- oder Modellermittlungsroutine aus den gesammelten Daten erzeugt werden. Im Rahmen dieser Modellerzeugungs- oder Modellermittlungsroutine kann eine Modellparameterermittlungsroutine die Modellparameter entwickeln, z. B. Matrixkoeffizienten, Ausfallzeit, Verstärkung, Zeitkonstanten, usw., die von der Steuerlogik für die Steuerung des Prozesses benötigt werden. Die Modellerzeugungsroutine oder die Prozessmodellerzeugungssoftware kann verschiedene Arten von Modellen, einschließlich nicht parametrischer Modelle, wie finiter Impulsreaktions-(FIR)-Modelle, und parametrischer Modelle, wie autoregressiver Modell mit externen Eingaben (ARX), erzeugen. Die Steuerlogikparameter und, falls erforderlich, das Prozessmodell, werden dann auf den Steuerblock heruntergeladen, um den fortschrittlichen Steuerblock zu vollenden, so dass der fortschrittliche Steuerblock mit den/dem darin enthaltenen Modellparametern und/oder dem Prozessmodell genutzt werden kann, um den Prozess während des Betriebs zu steuern. Falls gewünscht, kann das im Steuerblock gespeicherte Modell neu bestimmt, verändert oder aktualisiert werden.
In dem in 4 dargestellten Beispiel beinhalten die Eingaben des dynamischen Matrixsteuerungsblocks 222 das Signal 210, welches die Änderungsrate der einen oder mehreren Störvariablen des Steuerungsschemas 200 entspricht (wie eine oder mehrere der oben beschriebenen Störvariablen), ein Signal, welches einer Messung eines tatsächlichen Wertes oder Pegels der gesteuerten Ausgabe 202 entspricht, und einen Sollwert 203, der einem gewünschten oder optimalen Wert der gesteuerten Ausgabe entspricht. Üblicherweise (aber nicht unbedingt) wird der Sollwert 203 durch einen Benutzer oder Bediener des dampferzeugenden Kesselsystems 100 bestimmt. Der DMS-Block 222 kann eine dynamische Matrixsteuerungsroutine nutzen, um basierend auf den Eingaben und einem gespeicherten Modell (üblicherweise parametrisch, in manchen Fällen allerdings auch nicht-parametrisch) eine optimale Reaktion zu prognostizieren und der DMS-Block 222 kann basierend auf der optimalen Reaktion ein Steuersignal 225 zur Steuerung eines Feldgerätes erzeugen. Bei Erhalt des vom DMS-Block 222 erzeugten Signals 225 kann das Feldgerät seinen Betrieb basierend auf dem vom DMS-Block 222 empfangenen Steuersignal 225 anpassen und die Ausgabe in Richtung des gewünschten oder optimalen Wertes beeinflussen. Auf diese Weise kann das Steuerungsschema 200 die Änderungsrate 210 einer oder mehrerer Störvariablen vorsteuern und eine fortschrittliche Korrektur einer Differenz oder eines Fehlers, der im Ausgabewert oder -pegel auftritt, bereitstellen. Wenn die Änderungsrate der einen oder mehreren Störvariablen 210 sich ändert/ändern, prognostiziert der DMS-Block 222 basierend auf den veränderten Eingaben 210 ferner eine darauffolgende optimale Reaktion und erzeugt ein entsprechendes, aktualisiertes Steuersignal 225.
In dem spezifisch in 4 dargestellten Beispiel handelt es sich bei der Eingabe zum Änderungsratenermittler 205 um ein Brennstoff-Luftverhältnis 208, das dem Ofen 102 zugeführt wird, der Teil des dampferzeugenden Kesselsystems 100, der durch das Steuerungsschema 200 kontrolliert wird, ist die Austrittdampftemperatur 202 und das Steuerungsschema 200 steuert mittels Anpassung des Sprühventils 122 die Austrittdampftemperatur 202. Dementsprechend verwendet eine dynamische Matrixsteuerungsroutine des DMS-Blocks 222 das Signal 210, welches der Änderungsrate des Brennstoff-Luftverhältnisses 208 entspricht und vom Änderungsratenermittler 205 erzeugt wird, ein Signal, welches einer Messung einer tatsächlichen Austrittdampftemperatur 202 entspricht, eine gewünschte Austrittdampftemperatur oder einen Sollwert 203 und ein parametrisches Modell, um ein Steuersignal 225 für das Sprühventil 122 zu bestimmen. Das parametrische Modell, das vom DMS-Block 222 verwendet wird, kann genaue Beziehungen zwischen Eingabewerten und der Steuerung des Sprühventils 122 identifizieren (statt nur in einer Richtung, wie im Fall der PID-Steuerung). Der DMS-Block 222 erzeugt das Steuersignal 225 und bei dessen Erhalt passt das Sprühventil 122 basierend auf dem Steuersignal 225 eine Sprühflussmenge an und beeinflusst so die Austrittdampftemperatur 202 in Richtung der gewünschten Temperatur. Durch diese Vorsteuerung regelt das Steuersystem 200 basierend auf einer Änderungsrate des Brennstoff-Luftverhältnisses 208 das Sprühventil 122 und folglich die Austrittdampftemperatur 202. Wenn das Brennstoff-Luftverhältnis 208 sich danach ändert, kann der DMS-Block 222 das aktualisierte Brennstoff-Luftverhältnis 208, das parametrische Modell und in manchen Fällen vorherige Eingabewerte nutzen, um eine nachfolgende optimale Reaktion zu bestimmen. Anschließend kann ein nachfolgendes Steuersignal 225 erzeugt und an das Sprühventil 122 gesendet werden.
Das vom DMS-Block 222 erzeugte Steuersignal 225 kann von einem Verstärkerblock oder Verstärkungsversteller 228 (z. B. einem Addierer-Verstärkungsversteller) empfangen werden, der das Steuersignal 225 vor dessen Übermittlung an das Feldgerät 122 verstärkt. In manchen Fällen kann die Verstärkung erweiternd sein. In manchen Ausführungsformen kann die Verstärkung fraktioniert sein. Das Ausmaß der Verstärkung, die durch den Verstärkungsblock 228 hinzugefügt wird, kann manuell oder automatisch ausgewählt werden. In manchen Ausführungsformen kann der Verstärkungsblock 228 weggelassen werden.
Dampferzeugende Kesselsysteme reagieren von Natur aus allgemein etwas langsamer auf Steuerungen, was zumindest teilweise auf die großen Mengen an Wasser und Dampf, die sich durch das System bewegen, zurückzuführen ist. Um die Reaktionszeit zu verkürzen, kann das Steuerungsschema 200 zusätzlich zum primären dynamischen Matrixsteuerungsblock 222 einen sekundären dynamischen Matrixsteuerungs-(DMS)-Block 230 beinhalten. Der sekundäre DMS-Block 230 kann ein gespeichertes Modell (entweder parametrisch oder nicht-parametrisch) und eine sekundäre dynamische Matrixsteuerungsroutine verwenden, um ein Verstärkungsausmaß zu bestimmen, um welches das Steuersignal 225 basierend auf der Änderungsrate oder Ableitung der an einer Eingabe des sekundären DMS-Blocks 230 empfangenen Störvariable verändert wird. In manchen Fällen kann das Steuersignal 225 auch auf einer gewünschten Gewichtung der Störvariablen und/oder ihrer Änderungsrate basieren. Eine bestimmte Störvariable kann zum Beispiel schwerer gewichtet werden, damit sie mehr Einfluss auf die gesteuerte Ausgabe hat (z. B. auf die Referenzziffer 202). Üblicherweise kann das im sekundären DMS-Block 230 gespeicherte Modell (z. B. das sekundäre Modell) vom im primären DMS-Block 222 gespeicherten Modell (z. B. dem primären Modell) abweichen, da die DMS-Blöcke 222 und 230 jeweils einen anderen Satz von Eingaben empfangen, um unterschiedliche Ausgaben zu erzeugen. Der sekundäre DMS-Block 230 kann an seiner Ausgabe ein Verstärkungssignal oder sekundäres Signal 232 erzeugen, welches dem Verstärkungsmaß entspricht.
Ein Addiererblock 238 kann das vom sekundären DMS-Block 230 erzeugte Verstärkungssignal 232 (einschließlich jeder gewünschten, vom optionalen Verstärkerblock 235 ausgeführten Verstärkung) und das vom primären DMS-Block 222 erzeugte Steuersignal 225 empfangen. Der Addiererblock 238 kann das Steuersignal 225 und das Verstärkungssignal 232 kombinieren, um ein Addiererausgabesteuersignal 240 zu erzeugen, mit dem ein Feldgerät, wie das Sprühventil 122, gesteuert wird. Der Addiererblock 238 kann zum Beispiel die zwei Eingabesignale 225 und 232 addieren oder das Steuersignal 225 auf andere Weise um das Verstärkungssignal 232 verstärken. Das Addiererausgabesteuersignal 240 kann zum Feldgerät gesendet werden, um das Feldgerät zu steuern. In manchen Ausführungsformen kann das Addiererausgabesteuersignal 240 durch den Verstärkungsblock 228 optional auf die vorstehend für den Verstärkungsblock 228 beschriebene Weise verstärkt werden.
Bei Empfang des Addiererausgabesteuersignals 240 kann ein Feldgerät, wie das Sprühventil 122, gesteuert werden, so dass die Reaktionszeit des Kesselsystems 100 kürzer als eine Reaktionszeit ist, wenn das Feldgerät ausschließlich durch das Steuersignal 225 gesteuert werden würde, um den Teil des Kesselsystems, der gesteuert werden soll, schneller auf den gewünschten Betriebswert oder den gewünschten Betriebspegel zu bringen. Wenn zum Beispiel die Änderungsrate der Störvariablen langsamer ist, hat das Kesselsystem 100 mehr Zeit, um auf die Veränderung zu reagieren und der sekundäre DMS-Block 230 würde ein Verstärkungssignal erzeugen, welches einer niedrigeren Verstärkung entspricht, die mit der Steuereingabe des primären DMS-Blocks 230 kombiniert wird. Wenn die Änderungsrate schneller ist, hätte das Kesselsystem 100 mehr Zeit, um schneller zu reagieren und der sekundäre DMS-Block 230 würde ein Verstärkungssignal erzeugen, welches einer größeren Verstärkung entspricht, die mit der Steuerausgabe des primären DMS-Blocks 230 kombiniert wird.
In dem in 4 dargestellten Beispiel kann der sekundäre DMS-Block 230 vom Änderungsratenermittler 205 das Signal 210 empfangen, welches der Änderungsrate des Brennstoff-Luftverhältnisses 208 entspricht, einschließlich jeder gewünschten Verstärkung, die durch den optionalen Verstärkerblock 220 hinzugefügt wird. Basierend auf dem Signal 210 und einem im sekundären DMS-Block 230 gespeicherten parametrischen Modell kann der sekundäre DMS-Block 230 (zum Beispiel über eine sekundäre dynamische Matrixsteuerungsroutine) ein Verstärkungsausmaß bestimmen, das mit dem vom primären DMS-Block 222 erzeugten Steuersignal 225 kombiniert wird, und ein entsprechendes Verstärkungssignal 232 erzeugen. Das vom sekundären DMS-Block 230 erzeugte Verstärkungssignal 232 kann von einem Verstärkungsblock oder einer Verstärkung (z. B. einer Ableitung oder einem Verstärkungsversteller) 235 empfangen werden, welche(r) das Verstärkungssignal 232 verstärkt. Die Verstärkung kann dabei erweiternd oder fraktioniert sein und ein Maß der vom Verstärkungsblock 235 eingeführten Verstärkung kann manuell oder automatisch ausgewählt werden. In manchen Ausführungsformen kann der Verstärkungsblock 235 weggelassen werden.
Obwohl hier nicht dargestellt, sind verschiedene Ausführungsformen des Steuersystems oder -schemas 200 möglich. So können zum Beispiel der sekundäre DMS-Block 230, der dazugehörige Verstärkungsblock 235 und der Addiererblock 238 optional sein. Insbesondere in einigen Systemen mit einer schnelleren Reaktionszeit können der sekundäre DMS-Block 230, der Verstärkungsblock 235 und der Addiererblock 238 weggelassen werden. In manchen Ausführungsformen kann/können einer oder alle Verstärkungsblöcke 220, 228 und 235 weggelassen werden. In manchen Ausführungsformen kann ein einzelner Änderungsratenermittler 205 ein oder mehrere Signal, das/die mehreren Störvariablen entspricht/entsprechen, empfangen und ein Signal 210, welches (einer) Änderungsrate(n) entspricht, an den primären DMS-Block 222 leiten. In manchen Ausführungsformen können mehrere Änderungsratenermittler 205 ein oder mehrere Signal(e) empfangen, das/die unterschiedlichen Störvariablen entspricht/entsprechen, und der primäre DMS-Block 222 kann mehrere Signale 210 von den mehreren Änderungsratenermittlern 205 empfangen. In Ausführungsformen, die mehrere Änderungsratenermittler 205 beinhalten, kann jeder der mehreren Änderungsratenermittler 205 mit einem anderen zugehörigen sekundären DMS-Block 230 verbunden sein und die mehreren sekundären DMS-Blöcke 230 können jeweils ihre entsprechenden Verstärkungssignale 232 an den Addiererblock 238 leiten. In manchen Ausführungsformen können die mehreren Änderungsratenermittler 205 jeweils ihre entsprechenden Verstärkungsausgaben 210 an einen einzigen sekundären DMS-Block 230 leiten. Selbstverständlich sind auch andere Ausführungsformen des Steuersystems 200 möglich.
Da das dampferzeugende Kesselsystem 100 allgemein mehrere Feldgeräte beinhaltet, können Ausführungsformen des Steuersystems oder -schemas 200 ferner die mehreren Feldgeräte unterstützen. Ein anderes Steuersystem 200 kann zum Beispiel jedem der mehreren Feldgeräte entsprechen, so dass jedes der verschiedenen Feldgeräte durch einen anderen Änderungsratenermittler 205, einen anderen primären DMS-Block 222 und einen anderen (optionalen) sekundären DMS-Block 230 gesteuert wird. Das bedeutet, dass verschiedene Vorgänge des Steuersystems 200 im Kesselsystem 100 enthalten sein können, wobei jeder der mehreren Vorgänge einem anderen Feldgerät entspricht. In manchen Ausführungsformen des Kesselsystems 100 kann wenigstens ein Teil des Steuerungsschemas 200 mehrere Feldgeräte bedienen. So kann zum Beispiel ein einziger Änderungsratenermittler 205 mehrere Feldgeräte, wie mehrere Sprühventile, bedienen. In einem illustrativen Szenario, in dem mehr als ein Sprühventil basierend auf einer Änderungsrate des Brennstoff-Luftverhältnisses gesteuert werden soll, kann ein einziger Änderungsratenermittler 205 ein Signal 210 erzeugen, welches der Änderungsrate des Brennstoff-Luftverhältnisses entspricht, und das Signal 210 an unterschiedliche primäre DMS-Blöcke 222, welche den unterschiedlichen Sprühventile entsprechen, leiten. In einem anderen Beispiel kann ein einziger primärer DMS-Block 222 alle Sprühventile in einem Teil des oder dem gesamten Kesselsystem(s) 100 steuern. In anderen Beispielen kann ein einziger sekundärer DMS-Block 230 ein Verstärkungssignal 232 an mehrere primäre DMS-Blöcke 222 leiten, wobei jeder der mehreren primären DMS-Blöcke 222 sein jeweiliges erzeugtes Steuersignal 225 an ein anderes Feldgerät weiterleitet. Selbstverständlich können auch andere Ausführungsformen des Steuersystems oder -schemas 200 möglich sein, um mehrere Feldgeräte zu steuern.
In manchen Ausführungsformen kann/können das Steuersystem oder Steuerungsschema 200 und/oder die Steuereinheit 120 dynamisch eingestellt werden. So können zum Beispiel das Steuersystem oder Steuerungsschema 200 und/oder die Steuereinheit 120 unter Verwendung einer Fehlererkennungseinheit oder eines Fehlererkennungsblocks 250 dynamisch eingestellt werden. Insbesondere kann die Fehlererkennungseinheit das Vorliegen eines Fehlers oder einer Differenz zwischen dem gewünschten Wert 203 eines Ausgabeparameters und eines tatsächlichen Wertes 202 des Ausgabeparameters erkennen. Die Fehlererkennungseinheit 250 kann an einer ersten Eingabe ein Signal empfangen, welches dem Ausgabeparameter 202 entspricht (in diesem Beispiel die Temperatur des Austrittdampfes 202). An einer zweiten Eingabe kann die Fehlererkennungseinheit 250 ein Signal empfangen, welches dem Sollwert 203 des Ausgabeparameters 202 entspricht. Die Fehlererkennungseinheit 250 kann ein Ausmaß einer Differenz zwischen den an der ersten und an der zweiten Eingabe empfangenen Signalen erkennen und kann ein Ausgabesignal 252, welches das Ausmaß der Differenz angibt, an den primären dynamischen Matrixsteuerungsblock 222 bereitstellen.
Der DMS-Block 222 kann an einer dritten Eingabe ein Signal empfangen, welches der Änderungsrate der Störvariablen 210 entspricht. Wie bereits vorstehend beschrieben, kann das Signal, welches die Änderungsrate der Störvariablen 210 angibt, durch den Verstärkungsblock 220 modifiziert werden oder auch nicht. Der DMS-Block 222 kann das Signal, welches der Änderungsrate der SV 210 entspricht, basierend auf dem von der Fehlererkennungseinheit 250 erzeugten Ausgabesignal 252 anpassen (z. B. basierend auf dem Ausmaß der Differenz zwischen dem Sollwert 203 und dem tatsächlichen Pegel des Ausgabeparameters 202). In manchen Ausführungsformen kann, wenn das Ausgabesignal 252 der Fehlererkennungseinheit 250 eine größere Differenz angibt, dies bedeuten, dass ein größerer Fehler oder eine größere Differenz zwischen einem tatsächlichen Pegel des Ausgabeparameters 202 und einem gewünschten Pegel 203 des Ausgabeparameters 202 vorliegt. Dementsprechend kann der DMS-Block 222 das Signal, welches der Änderungsrate der SV 210 entspricht, aggressiver anpassen oder einstellen, um den Fehler oder die Differenz schneller auszugleichen, z. B. kann das Signal, welches der Änderungsrate der SV 210 entspricht, in höherem Ausmaß angeglichen werden. Auf ähnliche Art und Weise kann, wenn das Ausgabesignal 252 der Fehlererkennungseinheit 250 eine kleinere Differenz oder einen kleineren Fehler anzeigt, der DMS-Block 222 das Signal, welches der Änderungsrate der SV 210 entspricht, weniger aggressiv anpassen oder einstellen, z. B. kann das Signal, welches der Änderungsrate der SV 210 entspricht, in geringerem Ausmaß angeglichen werden. Wenn das Ausgabesignal 252 anzeigt, dass das Ausmaß der Differenz zwischen dem tatsächlichen Pegel des Ausgabeparameters 202 und dem gewünschten Pegel 203 des Ausgabeparameters 202 im Wesentlichen Null ist oder sich anderweitig innerhalb des Toleranzbereichs (wie er durch einen Bediener oder Systemparameter bestimmt wurde) bewegt, kann das Steuersystem oder -schema 200 derartig betrieben werden, dass der Ausgabeparameter 202 innerhalb eines zulässigen Bereich gehalten wird und das Signal, welches der Änderungsrate der SV 210 entspricht, muss nicht angepasst werden.
Auf diese Weise ist der dynamische Matrixsteuerungsblock 222 in der Lage, eine dynamische Einstellung des Steuersystems oder -schemas 200 bereitzustellen. Der DMS-Block 222 kann zum Beispiel basierend auf dem Ausmaß einer Differenz oder eines Fehlers zwischen einem gewünschten Pegel 203 und einem tatsächlichen Pegel des Ausgabeparameters 202 eine dynamische Einstellung der Änderungsrate der Störvariablen 210 bereitstellen. Wenn sich das Ausmaß der Differenz oder des Fehlers verändert, kann das Ausmaß einer Anpassung der Änderungsrate der SV 210 entsprechend angepasst werden.
Es ist anzumerken, dass, obwohl der Fehlererkennungsblock oder die Fehlererkennungseinheit 250 in 4 als separate, vom DMS-Block 222 getrennte Vorrichtung dargestellt ist, in manchen Ausführungsformen wenigstens einige Abschnitte des Fehlererkennungsblocks oder der Fehlererkennungseinheit 250 und der DMS-Block 222 zu einer einzige Vorrichtung kombiniert sein können.
5B zeigt eine Ausführungsform der Fehlererkennungseinheit oder des Fehlererkennungsblocks 250 aus 4. In dieser Ausführungsform kann die Fehlererkennungseinheit 250 einen Differenzblock oder eine Differenzeinheit 250A beinhalten, welche die Differenz zwischen dem tatsächlichen Pegel des Ausgabeparameters 202 und seinem zugehörigen Sollwert 203 bestimmt. Mit Bezugnahme auf 4 kann der Differenzblock 250A zum Beispiel die Differenz zwischen der tatsächlichen Austrittdampftemperatur 202 und einem gewünschten Austrittdampftemperatursollwert 203 bestimmen. In einer Ausführungsform kann der Differenzblock/die Differenzeinheit 250A an einer ersten Eingabe ein Signal empfangen, welches einen tatsächlichen Pegel des Ausgabeparameters 202 angibt, und an einer zweiten Eingabe ein Signal empfangen, welches einen Sollwert 203 angibt, der dem Ausgabeparameter 202 entspricht. Der Differenzblock oder die Differenzeinheit 250A kann ein Ausgabesignal 250B erzeugen, welches die Differenz zwischen den beiden Eingaben 202 und 203 angibt.
Die Fehlererkennungseinheit 250 kann einen Absolutwert- oder Ausmaßblock 250C beinhalten, der das Ausgabesignal 250B vom Differenzblock 250A empfängt und einen absoluten Wert oder ein Ausmaß einer Differenz zwischen den empfangenen Eingabesignalen 202 und 203 bestimmt. In der in 5B dargestellten Ausführungsform kann der Absolutwertblock 250C ein Ausgabesignal 250D erzeugen, welches ein Ausmaß der Differenz zwischen dem tatsächlichen 202 und gewünschten 203 Wert des Ausgabeparameters angibt. In manchen Ausführungsformen können der Differenzblock 250A und der Absolutwertblock 250C in einem einzigen Block (nicht dargestellt) beinhaltet sein, der die Eingabesignale 202, 203 empfängt und das Ausgabesignal 250D erzeugt, welches das Ausmaß der Differenz zwischen dem tatsächlichen 202 und gewünschten 203 Wert des Ausgabeparameters angibt.
Das Ausgabesignal 250D kann an einen Funktionsblock oder eine Funktionseinheit 250E bereitgestellt werden. Der Funktionsblock oder die Funktionseinheit 250E kann eine Routine, einen Algorithmus oder computerausführbare Anweisungen für eine Funktion f(x) (Referenzziffer 250F), die mittels des Signals 250D (welches das Ausmaß der Differenz zwischen dem tatsächlichen 202 und gewünschten 203 Ausgabeparameterpegel angibt) arbeitet, beinhalten. Das Ausgabesignal 252 des Fehlererkennungsblocks 250 kann auf der Ausgabe der Funktion f(x) (Referenzziffer 250F) basieren und kann an den dynamischen Matrixsteuerungsblock 222 bereitgestellt werden. Demnach kann das Signal 250D, welches das Ausmaß der Differenz zwischen dem tatsächlichen 202 und gewünschten 203 Wert des Ausgabeparameters angibt, auf Grundlage von f(x) (Referenzziffer 250F) modifiziert werden und das modifizierte oder angepasste Signal 252 kann an den dynamischen Matrixsteuerungsblock 222 bereitgestellt werden, um das Steuersystem oder Steuerungsschema 200 dynamisch einzustellen.
In manchen Ausführungsformen kann das Ausgabesignal 252 der Fehlererkennung 250 in einem Register R gespeichert werden, auf welches der DMS-Block 222 zugreift, um das Steuersignal 225 zu erzeugen. Insbesondere kann der DMS-Block den Wert im Register R mit einem Wert in einem Register Q vergleichen, um eine Aggressivität, die sich im Steuersignal 225 widerspiegelt, der Einstellung zur Regelung des Steuersystems 200 zu bestimmen. Der Wert im Register Q kann zum Beispiel von einer anderen Vorrichtung innerhalb des Steuerungsschemas 200 oder Kesselsystems 100 bereitgestellt, manuell bereitgestellt oder konfiguriert sein. In einem Beispiel kann die DMS, wenn der Wert von R sich vom Wert von Q entfernt, das Steuersignal 225 aggressiver einstellen, um den Prozess zu steuern. Wenn der Wert von R sich an den Wert von Q annähert, kann der DMS-Block 222 das Steuersignal 225 entsprechend zwecks einer weniger aggressiven Steuerung anpassen. In anderen Ausführungsformen kann das Gegenteil der Fall sein: wenn der Wert von R sich an den Wert von Q annähert, kann die DMS ein aggressiveres Signal 225 erzeugen, und wenn der Wert von R sich weiter vom Wert von Q entfernt, kann die DMS ein weniger aggressiveres Signal 225 erzeugen. In manchen Ausführungsformen können die Register R und Q interne Register des DMS-Blocks 222 sein.
5C zeigt ein Beispiel einer Funktion f(x) (Referenzziffer 250F), die im Funktionsblock 250E aus 5B enthalten ist. Die Funktion f(x) (Referenzziffer 250F) kann die Differenz zwischen dem aktuellen oder tatsächlichen Wert des Ausgabeparameters 202 und seinem zugehörigen Sollwert 203, wie durch die x-Achse 260 dargestellt, als eine Eingabe nutzen. In manchen Ausführungsformen kann der Wert der Eingabe 260 von f(x) durch das Signal 250D in 5B angegeben sein. Die Funktion f(x) kann eine Kurve 262 beinhalten, welche einen Ausgabewert (z. B. die y-Achse 265) für jeden Eingabewert 260 angibt. In manchen Ausführungsformen kann ein Wert der Ausgabe 265 von f(x) (Referenzziffer 250F) im R Register des DMS-Blocks 222 gespeichert werden und das Steuersignal 225 beeinflussen. In dem in 5C dargestellten Beispiel kann ein Fehler oder eine Differenz einer Temperatur zwischen einem aktuellen Prozesswert und seinem Sollwert, die 10 beträgt, zu einer f(x)-Ausgabe von 2 führen und eine Nullpunktdifferenz kann eine f(x)-Ausgabe von 20 zur Folge haben.
Obwohl 5C eine Ausführungsform der Funktion f(x) zeigt, können in Verbindung mit dem Fehlererkennungsblock 250 auch andere Ausführungsformen von f(x) verwendet werden. Die Kurve 262 kann zum Beispiel anders sein, als in 5C dargestellt. In einem weiteren Beispiel können die Wertebereiche der x-Achse 260 und/oder der y-Achse 265 von 5C abweichen. In manchen Ausführungsformen ist es möglich, dass die Ausgabe oder y-Achse der Funktion f(x) nicht an ein Register R bereitgestellt wird. In manchen Ausführungsformen kann die Funktion f(x) der Ausgabe 252 der Fehlererkennung 250 entsprechen. Auch andere Ausführungsformen von f(x) können möglich sein.
In manchen Ausführungsformen kann wenigstens ein Teil der Funktion f(x) (Referenzziffer 250F) modifizierbar sein. Dies bedeutet, dass ein Bediener manuell einen oder mehrere Teil(e) der Funktion f(x) modifizieren kann und/oder einer oder mehrere Teil(e) der Funktion f(x) auf Grundlage eines oder mehrerer Parameter des Steuerungsschemas 200 oder des Kessels 100 automatisch modifiziert werden kann/können. So kann/können zum Beispiel eine oder mehrere Randbedingungen von f(x) verändert oder modifiziert werden, es kann eine Konstante, die in f(x) enthalten ist, modifiziert werden, es kann eine Steigung oder eine Kurve von f(x) zwischen einem bestimmten Bereich von Eingabewerten modifiziert werden, usw.
Erneut mit Bezugnahme auf 5B kann in manchen Ausführungsformen des Fehlererkennungsblocks 250 der Funktionsblock 250E weggelassen werden. In diesen Ausführungsformen kann das Signal, welches das Ausmaß der Differenz zwischen dem tatsächlichen 202 und gewünschten 203 Wert des Ausgabeparameters (Referenzziffer 250D) angibt, dem vom Fehlererkennungsblock 250 erzeugten Ausgabesignal 252 entsprechen.
Manche Ausführungsformen des dynamischen Matrixsteuerungsschemas oder Steuersystems 200 können es beinhalten, dass verhindert wird, dass gesättigter Dampf in den Überhitzer 106 eintritt. Wie allgemein bekannt ist, kann, wenn Dampf mit einer Sättigungstemperatur in den Endüberhitzer 106 geleitet wird, der gesättigte Dampf in die Turbine 202 eingeleitet werden und kann daher unerwünschte Folgen, wie Schäden an der Turbine, verursachen. Dementsprechend zeigt 5D eine Ausführungsform des dynamischen Matrixsteuerungsschemas oder -systems 200, die einen Präventionsblock 282 umfasst, welcher hilft, zu verhindern, dass gesättigter Dampf in den Überhitzer 106 einströmt. Um die Beschreibung möglichst kurz und deutlich zu gestalten, ist in 5D nicht das gesamte in 4 dargestellte Steuerschema oder -system 200 wiederholt dargestellt. Stattdessen ist in 5D ein Abschnitt 280 des Steuerschemas 200 aus 4 dargestellt, welcher den Präventionsblock 282 beinhaltet. Es ist anzumerken, dass, obwohl der Präventionsblock 282 in 5D als separate vom DMS-Block 222 getrennte Vorrichtung dargestellt ist, in manchen Ausführungsformen wenigstens einige Abschnitte des Präventionsblocks 282 und der DMS-Block 222 zu einer einzige Vorrichtung kombiniert sein können.
Der Präventionsblock 282 kann an einer ersten Eingabe ein Steuersignal 225B vom primären DMS-Block 222 empfangen. Der DMS-Block 222 kann eine Routine empfangen, die ein Steuersignal 225A erzeugt und der Routine des DMS-Blocks 222, die in 4 das Steuersignal 225 erzeugt, ähnelt. Die Ausführungsform 280 aus 5D ähnelt ferner 4 insofern, dass das Steuersignal 225A als am Block 238 mit dem Verstärkungssignal 232 addiert dargestellt wird und das addierte Signal im Block 228 durch eine Verstärkung modifiziert wird und so das Steuersignal 225B erzeugt. Wie ebenfalls vorstehend beschrieben, können der Block 238 und/oder der Block 228 in manchen Ausführungsformen ferner optional sein (wie durch die gestrichelten Linien 285 gekennzeichnet) und einer oder beide der Blöcke 238 und 228 kann/können weggelassen werden. In Ausführungsformen, in denen die in den gestrichelten Linien 285 enthaltenen Blöcke entfallen, entspricht das Steuersignal 225B dem Steuersignal 225A.
Der Präventionsblock 282 kann an einer zweiten Eingabe ein Signal empfangen, welches den Atmosphärendruck (AD) 288 angibt, und kann an einer dritten Eingabe ein Signal empfangen, welches die aktuelle Zwischendampftemperatur 158 angibt. Auf Grundlage des Atmosphärendrucks kann der Präventionsblock 282 eine Temperatur von gesättigtem Dampf bestimmen. Auf Grundlage der Temperatur gesättigten Dampfes und der aktuellen Zwischendampftemperatur 158 kann der Präventionsblock 282 ein Ausmaß einer Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturen 158 und 288 bestimmen und eine Anpassung oder Modifizierung des Steuersignals 225B, welches dem Ausmaß der Temperaturdifferenz entspricht, bestimmen, um zu verhindern, dass die Zwischendampftemperatur 158 die Temperatur gesättigten Dampfes erreicht. Wenn das Steuersignal 225B angepasst oder modifiziert wird, kann der Präventionsblock 282 an einer Ausgabe ein angepasstes oder modifiziertes Steuersignal 225C bereitstellen, um die Zwischendampftemperatur 158 zu regeln. In dem in 5D dargestellten Beispiel kann das angepasste oder modifizierte Steuersignal 225C an das Sprühventil 122 bereitgestellt werden und das Sprühventil 122 kann sein Öffnen und Schließen auf Grundlage des modifizierten Steuersignals 225C anpassen, um dabei zu helfen, zu verhindern, dass die Zwischendampftemperatur 158 die Temperatur gesättigten Dampfes erreicht.
5E zeigt eine Ausführungsform der Präventionseinheit oder des Präventionsblocks aus 5D. Die Präventionseinheit oder der Präventionsblock 282 kann an einer ersten Eingabe einer Dampftafel oder eines Dampfrechners 282A ein Signal empfangen, welches einen aktuellen Atmosphärendruck (AD) 288 angibt, und kann an einer zweiten Eingabe der Dampftafel 282A einen Einheitsdampfdruck empfangen. Dampftafeln oder Dampfrechner, wie die Dampftafel 282A, können auf Grundlage eines angegebenen Atmosphärendrucks und des Einheitsdampfdrucks eine Temperatur 282B gesättigten Dampfes bestimmen. Ein Signal, welches die Temperatur 282B gesättigten Dampfes angibt, kann von der Dampftafel 282A an eine erste Eingabe eines Komparatorblocks oder einer Komparatoreinheit 282C bereitgestellt werden. Der Komparatorblock 282C kann an einer zweiten Eingabe ein Signal empfangen, welches die aktuelle Zwischendampftemperatur 158 angibt, und kann auf Grundlage der beiden empfangenen Signale eine Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur 282B des gesättigten Dampfes und der aktuellen Zwischendampftemperatur 158 bestimmen. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Komparatorblock 282C ein Ausmaß der Temperaturdifferenz bestimmen. In anderen Ausführungsformen kann der Komparatorblock oder die Komparatoreinheit 282C eine Richtung der Temperaturdifferenz bestimmen, z. B. ob die Temperaturdifferenz zunimmt oder abnimmt. Der Komparator 282C kann ein Signal 282D, welches das Ausmaß der Temperaturdifferenz oder die Richtung der Temperaturdifferenz angibt, an einen Fuzzifiziererblock oder eine Fuzzifizierereinheit 282E bereitstellen.
Der Fuzzifiziererblock 282E kann an einer ersten Eingabe das Signal 282D und an einer zweiten Eingabe das Steuersignal 225B empfangen. Auf Grundlage des Signals 282D vom Komparator 282C (z. B. basierend auf einer Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur 282B gesättigten Dampfes und dem aktuellen Wert der Zwischendampftemperatur 158) kann der Fuzzifiziererblock 282E eine Anpassung oder Modifizierung des Steuersignals 225B bestimmen und an einer Ausgabe das angepasste oder modifizierte Signal 225C erzeugen.
In manchen Ausführungsformen kann die Anpassung oder Modifizierung des Steuersignals 225B auf Grundlage eines Vergleichs des Ausmaßes der Temperaturdifferenz mit einem Schwellenwert T bestimmt werden, so dass der Fuzzifizierer 282E das Signal 225B nicht anpasst oder modifiziert, bis der Schwellenwert T überschritten wird. In einem Beispiel kann der Schwellenwert T 15 Grad Fahrenheit (F) betragen und die hierin beschriebenen Beispiele und Ausführungsformen beziehen sich auf den Schwellenwert T, der hier 15 Grad F beträgt, um die Beschreibung zu verdeutlichen. Es versteht sich jedoch, dass auch andere Werte oder Einheiten des Schwellenwertes T möglich sein können. Ferner kann der Schwellenwert T in manchen Ausführungsformen entweder automatisch oder manuell anpassbar sein.
In Ausführungsformen, die einen Schwellenwert T beinhalten, kann der Fuzzifiziererblock 282E das Steuersignal 225B anpassen, um ein modifiziertes Steuersignal 225C zu erzeugen, wenn das Ausmaß der Differenz zwischen der Temperatur 282B gesättigten Dampfes und der tatsächlichen Zwischendampftemperatur weniger als T (z. B. weniger als 15 Grad F) beträgt. Die angewandte Anpassung kann zum Beispiel auf dem Signal 282D basieren. Das modifizierte Steuersignal 225C kann an das Sprühventil 122 bereitgestellt werden, um das Sprühventil 122 so zu steuern, dass es sich in Richtung einer geschlossenen Position bewegt. Die Bewegung des Sprühventils 122 in Richtung einer geschlossenen Position kann dazu führen, dass die Zwischendampftemperatur 158 zunimmt und kann somit die Wahrscheinlichkeit verringern, dass Dampf mit einer Sättigungstemperatur in den Überhitzer 106 eintritt. Wenn das Ausmaß der Differenz zwischen der Temperatur 282B gesättigten Dampfes und der tatsächlichen Zwischendampftemperatur 158 größer als T ist, kann die Zwischendampftemperatur 158 einen zulässigen Werteabstand zur Temperatur 282B gesättigten Dampfes aufweisen und der Fuzzifizierer kann das Steuersignal 225B einfach an das Feldgerät 122 weiterleiten, ohne jedwede Anpassungen vorzunehmen (z. B. entspricht das angepasste Steuersignal 225C in diesem Fall dem Steuersignal 225B).
Der Wert von 15 Grad F ist selbstverständlich nur ein Beispiel eines möglichen Schwellenwertes. Die Schwelle kann auch auf andere Werte festgelegt werden. Der Schwellenwert kann außerdem entweder durch einen Bediener, automatisch auf Grundlage einer oder mehrerer Werte oder Parameter im Dampfkesselsystem oder sowohl manuell als auch automatisch modifizierbar sein.
In manchen Ausführungsformen kann die Bestimmung der Anpassung des Steuersignals 225B durch den Fuzzifiziererblock 282E auf einem Algorithmus, einer Routine oder computerausführbaren Anweisungen für eine Funktion g(x) (Referenzziffer 282F) basieren, die im Fuzzifiziererblock 282E enthalten ist. Die Funktion g(x) kann den Schwellenwert T enthalten oder auch nicht. Die Anpassungsroutine g(x) (Referenzziffer 282F) kann zum Beispiel ein angepasstes Steuersignal 225C erzeugen, um ungeachtet des Schwellenwertes T die Rate des Schließens und des Öffnens des Sprühventils 122 auf Grundlage der Richtung (z. B. zunehmend oder abnehmend) der Temperaturdifferenz zu steuern. In einem weiteren Beispiel muss die Anpassungsroutine g(x) das Steuersignal 225B nicht anpassen, wenn das Ausmaß der Temperaturdifferenz größer als der Schwellenwert T ist, sie kann allerdings eine Anpassung des Steuersignals 225B, welches einer Steigerungs- oder Abnahmerate des Ausmaßes der Temperaturdifferenz entspricht, bestimmen, wenn die Temperaturdifferenz weniger als der Schwellenwert T beträgt. Auch andere Beispiele von Ausführungsformen von g(x) (Referenzziffer 282F) sind möglich und können im Fuzzifizierer 282E genutzt werden.
In manchen Ausführungsformen kann wenigstens ein Teil des Algorithmus oder der Funktion g(x) (Referenzziffer 282F) auf ähnliche Weise wie mögliche Modifizierungen oder Anpassungen von f(x) aus 5C entweder manuell oder automatisch selbst modifiziert oder angepasst werden.
5F zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Funktion g(x) (Referenzziffer 282F). In dieser Ausführungsform kann wenigstens ein Teil von g(x) (Referenzziffer 282F) durch eine Kurve 285 dargestellt sein. Die x-Achse 288 kann einen Wertebereich beinhalten, der einem Bereich an Ausmaßen von Temperaturdifferenzen zwischen der Temperatur 282C gesättigten Dampfes und einer aktuellen Zwischendampftemperatur 158 entspricht. Der Wertebereich der x-Achse 288 kann einem Wertebereich entsprechen, der durch das am Fuzzifizierer 282E aus 5E empfangene Signal 282D angeben ist. Die y-Achse 290 kann einen Wertebereich eines Multiplikators beinhalten, der auf das Ausmaß der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur gesättigten Dampfes und der aktuellen Zwischendampftemperatur angewendet wird, z. B. auf das Signal 282D angewendet wird. In 5F sind die Einheiten der y-Achse 290 als fraktioniert dargestellt, z. B. kann sich der Multiplikator in einem Bereich von einem Wert von Null über eine Mehrzahl fraktionierter Werte bis hin zu einem Maximalwert bewegen. In anderen Ausführungsformen kann der Multiplikator in einer anderen Einheit, wie zum Beispiel Prozent, angegeben sein, z. B. 0% bis 100%.
Anhand der Kurve 285 kann für ein gegebenes Ausmaß einer Temperaturdifferenz 288 ein entsprechender Multiplikatorwert 290 bestimmt werden und der bestimmte Multiplikatorwert 290 kann auf das vom Fuzzifizierer 282E empfangene Eingabesignal 282D angewendet werden. Das modifizierte Eingabesignal kann dann vom Fuzzifizierer 282E genutzt werden, um das Steuersignal 225B anzupassen oder zu modifizieren, um ein angepasstes oder modifiziertes Steuersignal 225C zu erzeugen und das angepasste Steuersignal 225C kann dann vom Fuzzifizierer 282E ausgegeben werden.
In der in 5F dargestellten Ausführungsform der Kurve 285 kann sich die Zwischendampftemperatur 158, wenn die Temperaturdifferenz größer als der Schwellenwert T ist (z. B. x > T), ausreichend über der Temperatur 282B des gesättigten Dampfes befinden, wodurch angezeigt wird, dass die derzeitige Steuerebene ausreicht, um die Zwischendampftemperatur 158 in einem gewünschten Bereich zu halten. Dementsprechend muss das Steuersignal 225B unter Umständen nicht angepasst werden und die Kurve 285 kann anzeigen, dass der zugehörige Multiplikator, der auf das Eingabesignal 282D angewendet werden soll, im Wesentlichen Null oder vernachlässigbar ist. In diesem Szenario kann das Signal 282D das Steuersignal 225B unter Umständen nur minimal oder gar nicht beeinflussen und das Ausgabesteuersignal 225C des Fuzzifizierers 282E kann im Wesentlichen dem Eingabesteuersignal 225B entsprechen.
Wenn das Ausmaß der Temperaturdifferenz niedriger ist als der Schwellenwert T (z. B. x < T), kann die Zwischendampftemperatur 285 sich unerwünscht nah an der Temperatur des gesättigten Dampfes bewegen. In diesen Szenarios könnte es erforderlich sein, dass das Steuersignal 225B aggressiver angepasst werden muss. Wenn sich die Temperaturdifferenz Null nähert, kann der Multiplikator 290 gemäß der Kurve 285 ansteigen. Wenn zum Beispiel die Zwischendampftemperatur im Wesentlichen mit der Temperatur gesättigten Dampfes identisch ist (z. B. x = 0), kann ein Multiplikator von eins auf das Signal 282D angewendet werden, so dass das Signal 282D das Steuersignal 225B voll beeinflussen kann, um das Ausgabesteuersignal 225C zu erzeugen. In einem anderen Beispiel mit einer Temperaturdifferenz von 7,5 Grad (z. B. x = 7,5) kann die Kurve 285 anzeigen, dass der auf das Eingabesignal 282D anzuwendende Multiplikator 0,5 oder 50% beträgt und das modifizierte Signal 282D demnach eine halb so hohe Auswirkung auf das Steuersignal 225B hat, wie in dem Szenario, in dem die Temperaturdifferenz im Wesentlichen Null beträgt. Auf diese Weise kann die Funktion g(x), da eine aggressivere Steuerung vom Steuerungsschema 200 angefordert wird, einen Multiplikator des Signals 282D aggressiver einsetzen, um das Eingabesteuersignal 225B anzupassen.
5F beinhaltet eine zusätzliche Kurve 292, die der Kurve 285 übergelagert angeordnet ist, um die Auswirkung von g(x) (Referenzziffer 282F) auf die Positionierung eines Feldgeräts darzustellen. Die Kurve 292 kann die Bewegung des Feldgerätes als Reaktion auf das vom Fuzzifizierer 282E erzeugte Ausgabesteuersignal 225C veranschaulichen. In dieser Ausführungsform kann das Feldgerät ein Sprühventil sein, welches die Zwischendampftemperatur beeinflusst, wie das Ventil 122, obwohl die hierin beschriebenen Grundsätze auch auf andere Feldgeräte anwendbar sind.
Die Kurve 292 kann einen Positionsmultiplikator 290 für eine aktuelle Geräteposition für jeden Wert der Ausmaße an Temperaturdifferenzen zwischen der Temperatur gesättigten Dampfes und der aktuellen Zwischendampftemperatur 288 definieren. In dieser Ausführungsform der Kurve 292 kann das System 200, wenn die Differenz zwischen der Sättigung und der Zwischendampftemperatur am oder oberhalb des Schwellenwertes T liegt (z. B. x > T), in oder oberhalb eines gewünschten Bereichs an Temperaturdifferenzen betrieben werden und benötigt demnach unter Umständen nicht das Sprühventil 122, um das aktuelle Sprühvolumen zu erhöhen oder zu verringern, um die aktuellen Betriebsbedingungen zu erhalten. Dementsprechend zeigt die Kurve 292, dass die Ventilposition bei Temperaturdifferenzen oberhalb des Schwellenwertes T unter Umständen nicht von ihrem aktuellen Wert abweicht (z. B. beträgt der Gerätepositionsmultiplikator eins).
Wenn sich die Zwischendampftemperatur jedoch in Richtung der Temperatur gesättigten Dampfes bewegt (z. B. x < T), kann es wünschenswert sein, dass die Zwischendampftemperatur 158 zunimmt. Um diese gewünschte Zunahme der Zwischendampftemperatur 158 auszulösen, ist es wünschenswert, das Volumen des Kühlsprays, dass aktuell durch das Ventil 122 bereitgestellt wird, zu verringern. Wenn sich x gegen Null bewegt, kann die Kurve 292 anzeigen, dass der Positionsmultiplikator 290 abnimmt, um das Ventil in Richtung einer geschlossenen Position zu bewegen. So zeigt die Kurve 292 zum Beispiel an, dass der Positionsmultiplikator 290, welcher an der aktuellen Ventilposition angewendet werden soll, 0,5 oder 50% betragen kann, wenn sich die Temperaturdifferenz auf 7,5 Grad beläuft, und somit kann das Ventil durch das Ausgabesteuersignal 225C der Fuzzifizierer 282E gesteuert werden, um sich auf die Hälfte seiner aktuellen Position zu bewegen. Wenn sich die Zwischendampftemperatur im Wesentlichen am Wert der Temperatur gesättigten Dampfes befindet (z. B. x = 0), beträgt der Positionsmultiplikator 290, welcher an der aktuellen Ventilposition angewendet werden soll, im Wesentlichen Null, so dass das Ventil durch das Ausgabesteuersignal 225C gesteuert werden kann, um sich auf null Prozent seiner aktuellen Position (z. B. vollständig geschlossen) zu bewegen, wodurch die Zwischendampftemperatur so schnell wie möglich angehoben wird.
Wie obenstehend beschrieben, zeigt die der Kurve 285, die g(x) (Referenzziffer 282F) entspricht, übergelagerte Kurve 292 eins von zahlreichen möglichen Beispielen, wie das Eingabesignal 282D am Fuzzifizierer 282E auf Grundlage des Zwischendampftemperaturwertes 158 modifiziert werden kann und wie das entstehende angepasste oder modifizierte Steuersignal 225C, das durch den Fuzzifizierer 282E ausgegeben wird, die Positionierung des Feldgerätes 122 beeinflussen kann. Die Kurven 285 und 292 sind selbstverständlich ausschließlich beispielhafter Natur. Auch andere Ausführungsformen der Kurven 285 und 292 sind möglich und können in Verbindung mit der vorliegenden Offenbarung verwendet werden.
6 zeigt ein beispielhaftes Verfahren 300 der Regelung eines Dampfkesselsystems, wie des Dampfkesselsystems 100 aus 1. Das Verfahren 300 kann außerdem in Verbindung mit Ausführungsformen des Steuersystems oder Steuerungsschemas 200 aus 4 arbeiten. So kann das Verfahren 300 zum Beispiel durch das Steuersystem 200 oder die Steuerung 120 ausgeführt werden. Zwecks Deutlichkeit ist das Verfahren 300 nachstehend mit gleichzeitiger Bezugnahme auf den Kessel 100 aus 1 und das Steuersystem oder -schema 200 aus 4 beschrieben.
An einem Block 302 kann ein Signal 208 erhalten oder empfangen werden, welches eine Störvariable, die in einem dampferzeugenden Kesselsystem 100 verwendet wird, angibt. Die Störvariable kann jede beliebige Steuervariable, manipulierte Variable oder Störvariable, die im Kesselsystem 100 verwendet wird, sein, wie eine Ofenbrenner-Kippstellung; ein Dampffluss; eine Rußbläsermenge; eine Dämpferposition; eine Leistungseinstellung; ein Verhältnis des Brennstoff-Luftgemischs des Ofens; eine Verbrennungsrate des Ofens; ein Sprühfluss; eine Wasserwand-Dampftemperatur; ein Lastsignal für entweder die Ziellast oder die tatsächliche Last der Turbine; eine Flusstemperatur; ein Brennstoff-Speisewasser-Mischverhältnis; die Temperatur des Austrittdampfes; eine Brennstoffmenge oder eine Brennstoffart. In manchen Ausführungsformen kann/können ein oder mehrere Signale 208 einer oder mehreren Störvariablen entsprechen. An einem Block 305 kann eine Änderungsrate der Störvariablen bestimmt werden. An einem Block 308 kann ein Signal 210, welches die Änderungsrate der Störvariablen angibt, erzeugt und an eine Eingabe einer dynamischen Matrixsteuerung, wie den primären DMS-Block 222, weitergeleitet werden. In manchen Ausführungsformen können die Blöcke 302, 305 und 308 durch den Änderungsratenermittler 205 ausgeführt werden.
Am Block 310 kann basierend auf dem Signal 210, das am Block 308 erzeugt wird und der Änderungsrate der Störvariablen entspricht, ein Steuersignal 225, welches einer optimalen Reaktion entspricht, erzeugt werden. Das Steuersignal 225 kann zum Beispiel basierend auf dem Signal 210, welches der Änderungsrate der Störvariablen entspricht, und dem parametrischen Modell, welches dem primären DMS-Block 222 entspricht, vom primären DMS-Block 222 erzeugt werden. An einem Block 312 kann basierend auf dem vom Block 310 erzeugten Steuersignal 225 die Temperatur 202 des vom dampferzeugenden Kesselsystem 100 erzeugten Austrittdampfes unmittelbar vor der Weiterleitung in eine Turbine 116 oder 118 gesteuert werden.
In manchen Ausführungsformen kann das Verfahren 300 zusätzliche Blöcke 315–328 beinhalten. In derartigen Ausführungsformen kann das Signal 210, welches der Änderungsrate der vom Block 305 erzeugten Störvariablen entspricht, am Block 315 außerdem an eine sekundäre dynamische Matrixsteuerung, wie den sekundären DMS-Block 230 aus 4 bereitgestellt werden. Am Block 318 kann basierend auf der Änderungsrate der Störvariablen ein Verstärkungsmaß bestimmt werden und am Block 320 kann ein Verstärkungssignal oder sekundäres Signal 232, welches dem am Block 318 bestimmten Verstärkungsmaß entspricht, erzeugt werden.
Am Block 322 können das am Block 320 erzeugte Verstärkungssignal oder das sekundäre Signal 232 und das am Block 310 erzeugte Steuersignal 225 an einen Addierer, wie den Addiererblock 238 aus 4, bereitgestellt werden. Am Block 325 können das Verstärkungssignal oder das sekundäre Signal 232 und das Steuersignal 225 kombiniert werden. So können zum Beispiel das Verstärkungssignal 232 und das Steuersignal 225 addiert oder auf andere Weise miteinander kombiniert werden. Am Block 328 kann basierend auf der Kombination ein Addiererausgabesteuersignal erzeugt werden und am Block 312 kann basierend auf dem Addiererausgabesteuersignal die Temperatur des Austrittdampfes gesteuert werden. In manchen Ausführungsformen kann der Block 312 das Bereitstellen des Steuersignals 225 an ein Feldgerät im Kesselsystem 100 und das Steuern des Feldgerätes basierend auf dem Steuersignal 225 umfassen, so dass die Temperatur 202 des Austrittdampfes ihrerseits gesteuert wird. Es ist zu beachten, dass in manchen Ausführungsformen des Verfahrens 300, welche die Blöcke 315–328 beinhalten, der Fluss vom Block 310 zum Block 312 wegfällt und das Verfahren 300 stattdessen wie durch die gestrichelten Pfeile dargestellt vom Block 310 zum Block 322 weiterläuft.
7 zeigt ein Verfahren 350 der dynamischen Einstellung der Regelung eines Dampfkesselsystems, wie des Dampfkesselsystems aus 1. Das Verfahren 350 kann in Verbindung mit Ausführungsformen des Steuersystems oder Steuerungsschemas 200 aus 4, Ausführungsformen der Fehlererkennungseinheit oder des Fehlererkennungsblocks 250 aus 5B, Ausführungsformen der Funktion f(x) aus 5C und/oder Ausführungsformen des Verfahrens 300 aus 6 arbeiten. Zwecks Deutlichkeit ist das Verfahren 350 nachstehend mit gleichzeitiger Bezugnahme auf das Kesselsystem 100 aus 1, das Steuersystem oder -schema 200 aus 4 und die Fehlererkennungseinheit oder den Fehlererkennungsblock 250 aus 5B beschrieben.
An einem Block 352 kann ein Signal, welches einen Ausgabeparameter eines Dampfkesselsystems (wie System 100) oder einen Pegel des Ausgabeparameters des Dampfkesselsystems angibt, abgerufen oder empfangen werden. Der Ausgabeparameter kann zum Beispiel einer Menge an Ammoniak, das vom Dampfkesselsystem erzeugt wird, einem Pegel einer Trommel des Dampfkesselsystems, einem Druck eines Ofens im Dampfkesselsystem, einem Druck an einer Drossel des Dampfkesselsystems oder einem anderen quantifizierten oder gemessenen Ausgabeparameter des Kesselsystems entsprechen. In einem Beispiel kann der Ausgabeparameter einer Temperatur des vom Kesselsystem 100 erzeugten und an eine Turbine bereitgestellten Austrittdampfes, wie der Temperatur 202 aus 4, entsprechen. In manchen Ausführungsformen kann das Signal, welches den Ausgabeparameter des Dampfkesselsystems angibt, durch einen Fehlererkennungsblock oder eine Fehlererkennungseinheit, wie den Fehlererkennungsblock oder die Fehlererkennungseinheit 250 aus 4, abgerufen oder erhalten werden. In manchen Ausführungsformen kann das Signal, welches den Ausgabeparameter des Dampfkesselsystems 100 angibt, direkt durch einen dynamischen Matrixsteuerungsblock, wie den DMS-Block 222 aus 4, abgerufen oder erhalten werden.
An einem Block 355 kann ein Signal abgerufen oder empfangen werden, welches einem Sollwert, der dem Ausgabeparameter entspricht, angibt. So kann zum Beispiel der Sollwert ein Sollwert sein, der der Temperatur des vom Kesselsystem erzeugten und an eine Turbine bereitgestellten Austrittdampfes entspricht, wie der Sollwert 203 aus 4. In manchen Ausführungsformen kann das Signal, welches den Sollwert angibt, durch einen Fehlererkennungsblock oder eine Fehlererkennungseinheit, wie den Fehlererkennungsblock oder die Fehlererkennungseinheit 250 aus 4, abgerufen oder empfangen werden. In manchen Ausführungsformen kann das Signal, welches den Sollwert angibt, direkt durch einen dynamischen Matrixsteuerungsblock, wie den DMS-Block 222 aus 4, abgerufen oder empfangen werden.
An einem Block 358 kann eine Differenz oder ein Fehler zwischen dem tatsächlichen Wert des Ausgabeparameters (z. B. Referenzziffer 202), welcher am Block 352 abgerufen wird, und dem gewünschten Wert des Ausgabeparameters (z. B. Referenzziffer 203), der am Block 355 abgerufen wird, bestimmt werden. So kann zum Beispiel die Differenz zwischen dem tatsächlichen 202 und gewünschten 203 Wert des Ausgabeparameters durch einen Differenzblock oder eine Differenzeinheit 250A im Fehlererkennungsblock oder der Fehlererkennungseinheit 250 bestimmt werden. In einem weiteren Beispiel kann der DMS-Block 222 die Differenz zwischen dem tatsächlichen 202 und gewünschten 203 Wert des Ausgabeparameters bestimmen.
An einem Block 360 kann das Ausmaß oder die Größe der Differenz/des Fehlers die/der an Block 358 ermittelt wurde, bestimmt werden. So kann zum Beispiel das Ausmaß der Differenz am Block 360 bestimmt werden, wobei der Absolutwert der an Block 358 bestimmten Differenz in Betracht gezogen wird. In manchen Ausführungsformen kann der Absolutwertblock 250C aus 5B am Block 360 das Ausmaß der Differenz zwischen dem tatsächlichen 202 und gewünschten 203 Wert des Ausgabeparameters bestimmen.
An einem optionalen Block 362 kann das Ausmaß der Differenz zwischen dem tatsächlichen 202 und gewünschten 203 Wert des Ausgabeparameters modifiziert oder angepasst werden. Ein Signal, welches das Ausmaß der Differenz zwischen dem tatsächlichen 202 und gewünschten 203 Wert des Ausgabeparameters angibt (z. B. die von Block 360 erzeugte Ausgabe), kann, wie durch Referenzziffer 250F in 5C dargestellt, von einer Funktion f(x) modifiziert oder angepasst werden. Die Funktion f(x) kann das Signal, welches das Ausmaß der Differenz zwischen dem tatsächlichen 202 und gewünschten 203 Wert des Ausgabeparameters angibt, als Eingabe empfangen. Nachdem die Funktion f(x) das Signal, welches das Ausmaß der Differenz angibt, bearbeitet hat, kann die Funktion f(x) eine Ausgabe erzeugen, die einem Signal entspricht, welches das modifizierte oder angepasste Ausmaß der Differenz zwischen dem tatsächlichen 202 und gewünschten 203 Wert des Ausgabeparameters angibt.
In manchen Ausführungsformen kann der Block 362 vom Fehlererkennungsblock 250, wie dem Funktionsblock 250E des Fehlererkennungsblocks 250, ausgeführt werden. In manchen Ausführungsformen kann der Block 362 von dem dynamischen Matrixsteuerungsblock 222 ausgeführt werden. In manchen Ausführungsformen kann der Block 362 vollständig weggelassen werden, wenn zum Beispiel f(x) nicht gewünscht oder erforderlich ist. In diesen Ausführungsformen kann der Block 365 im Verfahren 350 direkt auf Block 360 folgen.
Am Block 365 kann das Signal, welches das modifizierte oder angepasste Ausmaß der Differenz oder des Fehlers zwischen dem tatsächlichen 202 und gewünschten 203 Wert des Ausgabeparameters angibt, genutzt werden, um das Signal, welches der Änderungsrate der Störvariablen entspricht, wie das Signal 210 aus 4, zu modifizieren oder anzupassen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann f(x), die in Block 362 genutzt wird, definiert werden, so dass, wenn das Ausmaß der Differenz oder des Fehlers zwischen dem tatsächlichen 202 und gewünschten 203 Wert des Ausgabeparameters zunimmt, die Rate oder das Ausmaß der Anpassung oder Modifizierung des Signals, welches der Änderungsrate der SV entspricht, an einem Block 365 erhöht wird und dass, wenn das Ausmaß der Differenz oder des Fehlers zwischen dem tatsächlichen 202 und gewünschten Wert 203 des Ausgabeparameters abnimmt, die Rate oder das Ausmaß der Anpassung oder der Modifikation des Signals, welches der Änderungsrate der SV entspricht, am Block 365 verringert wird. Für vernachlässigbare Differenzen/Fehler oder Differenzen/Fehler, die sich innerhalb der Fehlergrenze des Dampfkesselsystems 100 befinden, muss das Signal, welches der Änderungsrate der SV entspricht, unter Umständen überhaupt nicht angepasst oder modifiziert werden. Auf diese Art und Weise kann das Signal, welches der Änderungsrate der SV entspricht, entsprechend, wie durch f(x) definiert, am Block 365 verändert werden, wenn sich das Ausmaß des Fehlers oder der Differenz zwischen dem tatsächlichen 202 und gewünschten 203 Wert des Ausgabeparameters in der Größe verändert.
An einem Block 367 kann das im Block 365 erzeugte modifizierte oder angepasste Signal an den DMS-Block 222 bereitgestellt werden. Wenn das Signal, welches der Änderungsrate der SV 210 entspricht, im Block 365 nicht modifiziert oder geändert wird, kann dem DMS-Block 222 ein Steuersignal bereitgestellt werden, welches dem Originalsignal 210 (einschließlich jeglicher gewünschter Verstärkung 220) entspricht.
In manchen Ausführungsformen kann der Block 365 durch den DMS-Block 222 ausgeführt werden. In diesen Ausführungsformen kann das Signal, welches der Ausgabe von f(x) entspricht, durch den DMS-Block 322 an einer ersten Eingabe (z. B. Referenzziffer 252 aus 4) empfangen und in einem ersten Register oder Speicherplatz R gespeichert werden. Das Signal, welches der Änderungsrate der Störvariablen entspricht, kann an einer zweiten Eingabe (z. B. Referenzziffer 210 oder 220 aus 4) empfangen werden. Der DMS-Block 222 kann die in Q und R gespeicherten Werte miteinander vergleichen und ein Ausmaß oder einen absoluten Wert der Differenz bestimmen. Auf Grundlage des Ausmaßes oder absoluten Wertes der Differenz zwischen Q und R kann der DMS-Block 222 ein Maß an Anpassung oder Modifizierung der Änderungsrate der SV bestimmen und ein modifiziertes oder angepasstes Signal, welches der SV entspricht, erzeugen. Der DMS-Block 222 kann dann auf Grundlage des modifizierten oder angepassten Signals, welches der SV entspricht, ein Steuersignal 225 erzeugen.
In manchen Ausführungsformen kann der Block 365, anstatt durch den dynamischen Matrixsteuerungsblock 222, durch einen anderen Block (nicht dargestellt) ausgeführt werden, der mit dem DMS-Block 222 in Verbindung steht. In diesen Ausführungsformen kann die Änderungsrate der Störvariablen (z. B. Referenzziffer 210 oder 220 aus 4) basierend auf dem Ausmaß der Differenz zwischen dem tatsächlichen 202 oder gewünschten 203 Wert des Ausgabeparameters modifiziert oder angepasst werden. Das modifizierte oder angepasste Signal, welches der Störvariablen entspricht, kann als Eingabe an den DMS-Block bereitgestellt werden, der es in Verbindungen mit anderen Eingaben nutzt, um das Steuersignal 225 zu erzeugen.
In manchen Ausführungsformen kann das Verfahren 350 aus 7 in Verbindung mit dem Verfahren 300 aus 6 arbeiten. So kann zum Beispiel das modifizierte oder angepasste Signal, welches der Änderungsrate der SV entspricht (z. B. durch den Block 365 aus 7 erzeugt), als eine Eingabe 252 an den DMS-Block 222 bereitgestellt werden, um bei der Erzeugung des Steuersignals 225 zum Einsatz zu kommen. In diesem Beispiel kann das Verfahren 350 aus 7, wie durch die Verbindung A in 6 und 7 dargestellt, den Block 308 aus 6 ersetzen.
8 zeigt ein Verfahren 400, welches dazu dient, zu vermeiden, dass gesättigter Dampf in einen Überhitzerabschnitt des Dampfkesselsystems, wie das Kesselsystem aus 1, eintritt. Das Verfahren 400 kann in Verbindung mit Ausführungsformen des Steuersystems oder Steuerungsschemas 200 aus 4 und 5D, Ausführungsformen der Präventionseinheit oder des Präventionsblocks 282 aus 5E, Ausführungsformen von g(x), die mit Bezugnahme auf 5F beschrieben wurden, und/oder Ausführungsformen des Verfahrens 300 aus 6 und/oder des Verfahrens 350 aus 7 arbeiten. Zwecks Deutlichkeit ist das Verfahren 400 nachstehend mit gleichzeitiger Bezugnahme auf das Kesselsystem 100 aus 1 und das Steuersystem oder Steuerungsschema 200 aus 4 und 5D und die Präventionseinheit oder den Präventionsblock 282 aus 5B und 5E beschrieben.
An einem Block 310 kann basierend auf einem Signal, welches eine Änderungsrate einer Störvariablen, die im dampferzeugenden Kesselsystem verwendet wird, angibt, ein Steuersignal erzeugt werden. Das Steuersignal kann durch eine dynamische Matrixsteuerung erzeugt werden. Wie zum Beispiel in 4 dargestellt, kann der dynamische Matrixsteuerungsblock 222 auf Grundlage des Signals 210, welches die Änderungsrate der Störvariablen 208 angibt, ein Steuersignal 225 erzeugen. Hier ist zu beachten, dass der Block 310 auch im Verfahren 300 aus 6 enthalten sein kann.
An einem Block 405 kann eine Temperatur gesättigten Dampfes abgerufen werden. Die Temperatur gesättigten Dampfes kann in einem Beispiel abgerufen werden, indem ein aktueller Atmosphärendruck abgerufen wird und die Temperatur gesättigten Dampfes auf Grundlage des Atmosphärendrucks von einer Dampftafel oder einem Dampfrechner bestimmt wird. Wie in 5E dargestellt, kann eine Dampftafel 282A ein Signal, welches einen aktuellen Atmosphärendruck 288 angibt, empfangen, eine zugehörige Temperatur 282B gesättigten Dampfes bestimmen und ein Signal erzeugen, welches die entsprechende Temperatur 282B des gesättigten Dampfes angibt.
An einem Block 408 kann eine Zwischendampftemperatur abgerufen werden. Die Temperatur des Zwischendampfes kann zum Beispiel an einer Stelle im Kessel 100 abgerufen werden, an welcher der Zwischendampf einem Überhitzer oder einem Endüberhitzer zugeführt wird. In einem Beispiel kann ein Signal, welches die aktuelle Zwischendampftemperatur 158 in 5D angibt, durch einen Komparatorblock oder eine Komparatoreinheit 282C abgerufen werden.
An einem Block 410 können die Temperatur gesättigten Dampfes und die aktuelle Zwischendampftemperatur miteinander verglichen werden, um eine Temperaturdifferenz zu bestimmen. In manchen Ausführungsformen kann ein Ausmaß der Temperaturdifferenz bestimmt werden. In manchen Ausführungsformen kann eine Richtung (z. B. Zunahme oder Abnahme) der Temperaturdifferenz bestimmt werden. Wie in 5D dargestellt, kann der Komparator 282C zum Beispiel ein Signal, welches die zugehörige Temperatur 282B gesättigten Dampfes angibt, und ein Signal, welches eine aktuelle Zwischendampftemperatur 158 angibt, empfangen und der Komparator 282C kann auf der Grundlage der beiden empfangenen Signale das Ausmaß und/oder die Richtung der Temperaturdifferenz bestimmen.
An einem Block 412 kann auf Grundlage der an Block 410 bestimmten Temperaturdifferenzen eine Anpassung oder Modifikation des am Block 310 erzeugten Steuersignals bestimmt werden. So kann zum Beispiel ein Fuzzifiziererblock oder eine Fuzzifizierereinheit 282E aus 5E auf der Grundlage des Signals, welches die Temperaturdifferenz 282D angibt, eine Anpassung oder die Modifizierung des Steuersignals 225B bestimmen. In manchen Ausführungsformen kann die Anpassung oder Modifizierung des Steuersignals auf einem Vergleich des Ausmaßes der Temperaturdifferenz mit einem Schwellenwert basieren. In manchen Ausführungsformen kann die Anpassung oder Modifizierung des Steuersignals auf einer Routine, einem Algorithmus oder einer Funktion, wie g(x) (Referenzziffer 282F), die in der Fuzzifizierereinheit 282E enthalten ist, basieren.
An einem Block 415 kann ein angepasstes oder modifiziertes Signal, welches der Änderungsrate der SV entspricht, erzeugt werden. So kann zum Beispiel der Fuzzifizierer 282E auf der Grundlage der am Block 412 bestimmten Anpassung oder Modifizierung ein angepasstes oder modifiziertes Steuersignal 225C erzeugen.
An einem Block 418 kann die Zwischendampftemperatur auf Grundlage des angepassten oder modifizierten Steuersignals geregelt werden. In der Ausführungsform von 4 kann das Feldgerät 122 das angepasste Steuersignal 225C empfangen und entsprechend reagieren, um die Zwischendampftemperatur 158 zu regeln. In Ausführungsformen, in denen es sich bei dem Feldgerät 122 um ein Sprühventil handelt, kann sich das Sprühventil auf der Grundlage des angepassten Steuersignals 225C in Richtung einer geöffneten Position oder in Richtung einer geschlossenen Position bewegen.
In manchen Ausführungsformen kann das Verfahren 400 aus 8 in Verbindung mit dem Verfahren 300 aus 6 arbeiten. Die Blöcke 405 bis 418 des Verfahrens 400 können zum Beispiel ausgeführt werden, bevor die Temperatur des Austrittdampfes 312 des Verfahrens 300 gesteuert wird, wie durch die Verbindung B in 6 und 8 dargestellt.
Ferner sind die hierin beschriebenen Steuerungsschemata, Systeme und Verfahren jeweils auf dampferzeugende Systeme anwendbar, die andere Arten von Konfigurationen für Überhitzer- und Zwischenüberhitzerabschnitte verwenden, als die hierin dargestellten oder beschriebenen Konfigurationen. Obwohl 1–4 mit zwei Überhitzerabschnitten und einem Zwischenüberhitzerabschnitt dargestellt sind, kann das hierin beschriebene Steuerungsschema daher auch mit Kesselsystemen verwendet werden, die mehr oder weniger Überhitzerabschnitte und Zwischenüberhitzerabschnitte aufweisen, und die eine beliebige Art von Konfiguration innerhalb jedes der Überhitzer- und Zwischenüberhitzerabschnitte verwenden.
Ferner sind die hierin beschriebenen Steuerungsschemata, Systeme und Verfahren nicht auf die Steuerung ausschließlich einer Austrittdampftemperatur eines dampferzeugenden Kesselsystems beschränkt. Auch andere abhängige Prozessvariablen des dampferzeugenden Kesselsystems können zusätzlich oder alternativ durch jedes beliebige der hierin beschriebenen Steuerungsschemata, Systeme oder Verfahren geregelt werden. Die hierin beschriebenen Steuerungsschemata, Systeme und Verfahren sind zum Beispiel jeweils für die Steuerung einer Ammoniakmenge zur Stickoxidreduzierung, eines Trommelpegels, Ofendrucks, Drosseldrucks und anderer abhängigen Prozessvariablen des dampferzeugenden Kesselsystems anwendbar.
Obwohl der obenstehende Text eine detaillierte Beschreibung von mehreren verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung offenbart, versteht sich, dass der rechtliche Geltungsbereich der Erfindung durch den Wortlaut der Patentansprüche, welche am Ende dieses Patentes aufgeführt sind, definiert wird. Die detaillierte Beschreibung ist ausschließlich als beispielhaft auszulegen und beschreibt nicht jede mögliche Ausführungsform der Erfindung, da die Beschreibung jeder möglichen Ausführungsform unpraktisch, wenn nicht gar unmöglich, wäre. Unter Verwendung von heutiger Technologie oder Technologie, da nach dem Anmeldedatum dieses Patentes entwickelt wird, können zahlreiche alternative Ausführungsformen implementiert werden, die dennoch immer noch in den Geltungsbereich der Patentansprüche, welche diese Erfindung definieren, fallen würden.
Demnach können viele Modifikationen und Variationen an den hierin beschriebenen und dargestellten Techniken und Strukturen durchgeführt werden, ohne dabei vom Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Folglich ist anzumerken, dass die hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen ausschließlich beispielhafter Natur sind und den Umfang der Erfindung nicht eingrenzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6445963 [0058, 0058]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Qin, S. Joe und Thomas A. Badgwell, „An Overview of Industrial Model Predictive Control Technology”, AIChE Conference, 1996 [0057]

Claims

Verfahren zum Verhindern des Einfließens von gesättigtem Dampf in einen Überhitzerabschnitt eines Dampfkesselsystems, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erzeugen eines Steuersignals durch eine dynamische Matrixsteuerung basierend auf einem Signal, welches eine Änderungsrate einer im Dampfkesselsystem verwendeten Störvariablen angibt; Abrufen einer Temperatur gesättigten Dampfes und einer Temperatur von Zwischendampf, wobei die Temperatur des Zwischendampfes einer Stelle, an der eine Temperatur des Austrittdampfes bestimmt wird, vorgelagert gemessen wird und der Austrittdampf von einem Dampfkesselsystem erzeugt wird, um einer Turbine zugeführt zu werden; Bestimmen des Ausmaßes einer Differenz zwischen der Temperatur gesättigten Dampfes und der Zwischendampftemperatur; Anpassen des Steuersignals basierend auf dem Ausmaß der Differenz zwischen der Temperatur gesättigten Dampfes und der Zwischendampftemperatur; und Steuern der Temperatur des Zwischendampfes basierend auf dem angepassten Steuersignal.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Bereitstellen des Zwischendampfes an den Überhitzerabschnitt eines Dampfkesselsystems umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Anpassen des Steuersignals basierend auf dem Ausmaß der Differenz zwischen der Temperatur gesättigten Dampfes und der Zwischendampftemperatur das Anpassen des Steuersignals umfasst, wenn das Ausmaß der Differenz zwischen der Temperatur gesättigten Dampfes und der Zwischendampftemperatur unter einem Schwellenwert liegt.
Verfahren nach Anspruch 3, das ferner das obengenannte Anpassen des Steuersignals umfasst, wenn das Ausmaß einen Schwellenwert übersteigt oder ihm entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Anpassen des Steuersignals ferner das Anpassen des Steuersignals basierend auf einem Algorithmus umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine der folgenden Optionen zutrifft: das Abrufen der Temperatur gesättigten Dampfes und der Temperatur des Zwischendampfes umfasst das Abrufen der Temperatur gesättigten Dampfes und der Temperatur des Zwischendampfes durch die dynamische Matrixsteuerung; das Bestimmen des Ausmaßes der Differenz zwischen der Temperatur gesättigten Dampfes und der Temperatur des Zwischendampfes umfasst das Bestimmen des Ausmaßes der Differenz zwischen der Temperatur gesättigten Dampfes und der Zwischendampftemperatur durch die dynamische Matrixsteuerung oder das Anpassen des Steuersignals basierend auf dem Ausmaß der Differenz zwischen der Temperatur gesättigten Dampfes und der Zwischendampftemperatur umfasst das Anpassen des Steuersignals basierend auf dem Ausmaß der Differenz zwischen der Temperatur gesättigten Dampfes und der Zwischendampftemperatur durch die dynamische Matrixsteuerung.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Empfangen des Steuersignals von der dynamischen Matrixsteuerung an einem Fuzzifiziererblock oder einer Fuzzifizierereinheit umfasst und wobei das Anpassen des Steuersignals das Anpassen des Steuersignals durch den Fuzzifiziererblock oder die Fuzzifizierereinheit umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Anpassen des Steuersignals durch den Fuzzifiziererblock oder die Fuzzifizierereinheit das Anpassen des Steuersignals durch einen im Fuzzifiziererblock oder der Fuzzifizierereinheit enthaltenen Algorithmus umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner das Modifizieren des im Fuzzifiziererblock oder der Fuzzifizierereinheit enthaltenen Algorithmus umfasst.
Fuzzifizierereinheit zur Verwendung in einem Dampfkesselsystem, die Folgendes umfasst: eine erste Eingabe, um ein Signal zu empfangen, welches das Ausmaß einer Differenz zwischen einer Temperatur gesättigten Dampfes und einer Temperatur von durch das Dampfkesselsystem erzeugtem Zwischendampf angibt, wobei die Temperatur des Zwischendampfes einer Stelle, an welcher eine Temperatur des Austrittdampfes bestimmt wird, vorgelagert gemessen wird und der Austrittdampf von einem Dampfkesselsystem erzeugt wird, um einer Turbine zugeführt zu werden; eine zweite Eingabe, um ein von einer dynamischen Matrixsteuerung erzeugtes Steuersignal zu empfangen, wobei das Steuersignal auf einem Signal basiert, welches eine Änderungsrate einer im Dampfkesselsystem verwendeten Störvariablen angibt; eine Anpassungsroutine, die das an der zweiten Eingabe empfangene Steuersignal basierend auf dem Ausmaß der Differenz zwischen der Temperatur gesättigten Dampfes und der Zwischendampftemperatur anpasst; und eine Ausgabe, um das angepasste Steuersignal einem Feldgerät bereitzustellen, welches die Temperatur des Zwischendampfes steuert.
Fuzzifizierereinheit nach Anspruch 10, wobei: die Anpassungsroutine einen Schwellenwert beinhaltet, das Steuersignal angepasst wird, wenn das Ausmaß der Differenz zwischen der Temperatur gesättigten Dampfes und der Temperatur des Zwischendampfes unterhalb des Schwellenwerts liegt und das Steuersignals nicht angepasst wird, wenn das Ausmaß der Differenz zwischen der Temperatur gesättigten Dampfes und der Temperatur des Zwischendampfes über dem Schwellenwert liegt oder ihm entspricht.
Fuzzifizierereinheit nach Anspruch 11, wobei der Schwellenwert modifizierbar ist.
Fuzzifizierereinheit nach Anspruch 10, wobei das von der dynamischen Matrixsteuerung erzeugte Steuersignal ferner auf der Temperatur des Austrittdampfes und einem Sollwert, welcher der Temperatur des Austrittdampfes entspricht, basiert.
Fuzzifizierereinheit nach Anspruch 10, wobei das Feldgerät ein Sprühventil ist.
Fuzzifizierereinheit nach Anspruch 10, wobei der Zwischendampf an einen Überhitzerabschnitt des Dampfkesselsystems bereitgestellt wird.
Fuzzifizierereinheit nach Anspruch 15, wobei der Überhitzerabschnitt ein Endüberhitzerabschnitt ist.
Fuzzifizierereinheit nach Anspruch 10, wobei die Anpassungsroutine modifizierbar ist.
Dampfkesselsystem, das Folgendes umfasst: einen Kessel, der einen Überhitzerabschnitt beinhaltet; ein Feldgerät; eine Steuerung, die kommunikativ mit dem Kessel und dem Feldgerät verbunden ist; und ein Steuersystem, das kommunikativ mit der Steuerung verbunden ist, um ein Signal, welches eine im Dampfkesselsystem verwendete Störvariable angibt, empfangen zu können, wobei das Steuersystem eine oder mehrere Routine(n) beinhaltet, die: basierend auf einer Änderungsrate der Störvariablen, einer Temperatur des vom Überhitzerabschnitt erzeugten Austrittdampfes und eines Sollwerts, welcher dem Austrittdampf entspricht, ein Steuersignal erzeugen; und das Steuersignal basierend auf einer Differenz zwischen einer Temperatur gesättigten Dampfes und einer Temperatur des dem Überhitzerabschnitt zugeführten Zwischendampfes anpassen und das modifizierte Steuersignal einem Feldgerät bereitstellen, um die Temperatur des Zwischendampfes zu steuern.
Dampfkesselsystem nach Anspruch 18, wobei: das Steuersystem eine dynamische Matrixsteuerung und eine Sättigungspräventionseinheit beinhaltet; die dynamische Matrixsteuerung eine erste Routine beinhaltet, die das Steuersignal erzeugt und das Steuersignal der Sättigungspräventionseinheit bereitstellt; und die Sättigungspräventionseinheit eine zweite Routine umfasst, die das Steuersignal von der dynamischen Matrixsteuerung empfängt, das Steuersignal basierend auf der Differenz zwischen der Temperatur gesättigten Dampfes und der Temperatur des Zwischendampfes modifiziert und das modifizierte Steuersignal an das Feldgerät bereitstellt, um die Temperatur des Zwischendampfes zu steuern.
Dampfkesselsystem nach Anspruch 19, wobei die Sättigungspräventionseinheit Folgendes umfasst: eine Eingabe, um ein Signal, welches den Atmosphärendruck angibt, zu empfangen; eine Dampftafel, um die Temperatur gesättigten Dampfes basierend auf dem Atmosphärendruck zu bestimmen; einen Komparatorblock, um ein Ausmaß der Differenz zwischen der Temperatur gesättigten Dampfes und der Temperatur des Zwischendampfes zu bestimmen und ein Signal, welches das Ausmaß der Differenz zwischen der Temperatur gesättigten Dampfes und der Temperatur des Zwischendampfes angibt, an die Fuzzifizierereinheit bereitzustellen; und die Fuzzifizierereinheit die zweite Routine beinhaltet.
Dampfkesselsystem nach Anspruch 18, wobei das Feldgerät ein Sprühventil ist.