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Optimierung der Füllstandsregelung derND-Trommel einer GuD-Anlage
Ahmed El-Guindy, Simon Rünzi und Kai MichelsInstitut für Automatisierungstechnik, Universität Bremen
Fabian Nickel und Julian NiedermeierSWM Services GmbH
EINFÜHRUNGIn der Industrie sind PI- oder PID-Regler
der Standard für die Regelung des Füll-stands in Kesseltrommeln. Obwohl dieseRegelung im Normalfall ausreichend ist, umden Füllstand innerhalb sicherheitsrelevanterGrenzwerte zu halten, bleibt der Prozess kri-tisch, denn es handelt sich um ein multi-variables Nichtminimalphasensystem mit in-verser Anfangsreaktion und verkoppeltenEingangsgrössen, das je nach Betriebssitua-tion auch noch variieren kann. Die nichtoptimale Wahl der PID-Regelparameter führtbei dynamischer Blockführung, wie sie beiregelleistungsfähigen Anlagen notwendig ist,leicht zu einem mangelhaften Regelverhal-ten, das letztendlich zum Abschalten desBlocks führen kann. Wir stellen eine moder-ne, beobachterbasierte Mehrgrössenregelungvor, die in einem 450 MW GuD-Kraftwerkder Stadtwerke München zum Einsatz kommt.Diese Regelung wurde so in die bestehendenStrukturen integriert, dass sie vom Betriebs-personal gut beherrschbar ist.
ZIEL1. Identifizierung der wesentlichen Mängel
in der vorhandenen Regelstruktur2. Entwurf eines realisierbaren, modernen
Regelkonzepts, ausgelegt auf das Worst-Case-Szenario der Doppelhöckerkurve
3. Umsetzung der Regelung im MauellKraftwerksleitsystem mit minimalemEingriff in die vorhandene Regelstruktur
4. Implementierung einer Umschaltlogik,die den Wechsel zwischen der alten undneuen Regelstruktur während des Be-triebs durch den Bediener ermöglicht
VORGEHENSWEISEDie bisherige Sollwertregelung mit Ist-
wertrückführung wird durch eine Regelungmit Zustandsrückführung unter Verwendungeines Riccati-Reglers mit Beobachter ersetzt.Dadurch wird ein ausgewogenes Verhält-nis aus Effizienz und Regelungsaufwand er-reicht. Die daraus resultierende optimierteVerstärkungsmatrix stabilisiert den Regelkreisund minimiert zugleich die GütefunktionJ . Das erzeugte Stellsignal für die Öffnungder Durchflussregelventile dient der Sollwert-nachführung und dem Störgrössenausgleichund reagiert auf Lastwechsel der Gasturbine.
J =
∫ ∞
0
(xT (t)Qx(t) + uT (t)Ru(t))dt
L
ND-Trommelbeobachter
-F
StellventilND-Trommel
Prozess-I
wy
u
x
z
-
-
-z
Zustandsreglung
Abb. 1: Blockdiagramm der neuen Regelstruktur
ZUGRUNDELIEGENDES MODELL
Betrachtet wird das Åström-Bell-Modell [1]. Der Hauptteil des Systems kann durch einnichtlineares Modell vierter Ordnung abgedeckt werden, indem man Massen- und Energieerhaltdefiniert. Das Modell wurde im Vorfeld in einer MATLAB/Simulink-Umgebung implementiertund intensiv untersucht, bevor es im Mauell-Leitsystem umgesetzt wurde. Durch die Verwen-dung der vorhandenen Echtzeit-Messdaten zur Korrektur fungiert das Modell als Luenberger-Beobachter in einem dynamischen System.
Absolute pressure
Steam Turbinevalve
Bypass valve
Buttefly valve
Over-the-roof
valve
Feed-watervalve
Statevariables
Actuatingvariables
State Controller
Observer
Abb. 2: Screenshot aus dem Mauell-Bedienbild mit dem neuen Regler
ERGEBNISSEDie erarbeiteten Ergebnisse der neuentwickelten Regelung zeigen, dass die verwendete mul-
tivariable Regelungstechnologie den bisherigen PID-Regler in vielen Aspekten übertrifft. DasRegelungsverhalten wird signifikant verbessert, während die Regelabweichung bei Lastwechselnviel geringer ausfällt, sogar im Worst-Case-Szenario.
0 10 20 30 40 50 60
4.2
4.4
4.6
4.8
Druck ND-Trommel Zbard
0 10 20 30 40 50 60−250
−150
75
−75
0
150200
−200
250Niveau ND-Trommel Zmmd
0 10 20 30 40 50 60 7060
70
80
90
100
110
120Gasturbine Wirkleistung ZMWd
Alte PID-regler Zustandsreglung Semi-Zustandsreglung
Abb. 3: Regelverhalten bei Abfahren der Doppelhöckerkurve
LITERATURVERZEICHNIS
[1] K.J. Åström, D. Bell: Drum-Boiler Dynamics, Auto-matica, 36: 363-378, 2000.
[2] D. G. Luenberger: Observers for multivariable sys-tems, IEEE Trans. on Automatic Control, 11: 190-197,1966.
PROJEKTPARTNERDiese Arbeit ist ein Gemeinschaftsprojekt desInstituts für Automatisierungstechnik (IAT)der Universität Bremen und der StadtwerkeMünchen (SWM).
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