Stellventil - TUM · Stellventil ND-Trommel Prozess-I w y u x z---z Zustandsreglung Abb. 1:...

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).