Procedimiento y dispositivo para regular la temperatura de vapor para una instalación de vapor.

Procedimiento para regular la temperatura (JD) de vapor (8) para una instalación de vapor (2),

en el que unregulador de estado (46) reconduce varios estados de vapor a un recalentador (6) para sobrecalentar el vapor (8)con ayuda de un observador (42), que calcula estos estados, para editar una temperatura nominal de vapor (JNKS)como magnitud de ajuste, y la temperatura nominal de vapor (JNKS) se transmite a otro regulador (32) para regular latemperatura, caracterizado porque el regulador de estado (46) es un regulador lineal cuadrático.

Procedimiento y dispositivo para regular la temperatura de vapor para una instalación de vapor

La invención se refiere a un procedimiento para regular la temperatura de vapor para una instalación de vapor, en el que un regulador de estado reconduce varios estados de vapor a un recalentador para sobrecalentar el vapor con ayuda de un observador, que calcula estos estados, para editar una temperatura nominal de vapor como magnitud de ajuste, y la temperatura nominal de vapor se transmite a otro regulador para regular la temperatura.

El grado de eficacia de una instalación de central de vapor aumenta con la temperatura del vapor generado en la caldera de central. Evidentemente no deben superarse límites máximos de temperatura admisibles del material de caldera así como de una turbina, que debe recibir el vapor. Cuanto más exactamente pueda mantenerse la temperatura en su valor nominal, el valor nominal podrá estar situado más cerca del límite de temperatura admisible, es decir, podrá alcanzarse un grado de eficacia más elevado durante el funcionamiento de la instalación de central. En el documento GB 2 449 998 A se describe una regulación de temperatura de vapor según el estado de la técnica.

El sobrecalentamiento del vapor en la caldera se produce por medio de que el vapor se conduce en varias etapas a través de haces de tubos calentados – las llamadas etapas de recalentador. La regulación de la temperatura de vapor se realiza mediante inyección de agua en el conducto de vapor, antes de las etapas de recalentador, a través de válvulas de inyección correspondientes. Los recalentadores con sus grandes masas de hierro presentan un comportamiento muy inerte. Una graduación de la válvula de inyección no tiene efecto en la temperatura a regular hasta pasados varios minutos. El retraso de tiempo no es con ello constante, sino que depende de la corriente másica de vapor actual. Además de esto, la temperatura a regular se ve influenciada fuertemente por numerosas perturbaciones, como por ejemplo variaciones de carga, burbujas de hollín en la caldera, cambio del combustible, etc. Por estos motivos una regulación de temperatura exacta es difícil de lograr.

Para solucionar este problema se conoce la llamada regulación en cascada, en la que se instalan dos circuitos reguladores IP encajetillados uno en el otro. Un regulador exterior, lento, regula la temperatura a la salida del recalentador y prefija un valor nominal para la temperatura a la entrada del recalentador – es decir después de la inyección. La temperatura a la entrada del recalentador se regula mediante un regulador PI interior, rápido, que gradúa la válvula de inyección. De este modo pueden regularse al máximo, rápidamente, perturbaciones de la temperatura de vapor a la entrada de la inyección. El inconveniente de este concepto radica en que las perturbaciones, que actúen sobre el propio recalentador, sólo pueden graduarse al máximo en el circuito exterior, lento - es decir, con una baja calidad de regulación.

Una tarea de la invención consiste en indicar un procedimiento, con el que pueda regularse la temperatura de vapor tanto con precisión como de forma estable.

Esta tarea es resuelta por medio de que el regulador de estado, conforme a la invención, sea un regulador lineal cuadrático. En el caso de un Linear Quadratic Regulator (LQR) de este tipo, o expresado de otra manera: de una reconducción de estados lineal cuadrática óptima, se trata de un regulador de estado cuyos parámetros pueden determinarse de tal modo, que se optimice un criterio de calidad para la calidad de regulación. Por medio de esto puede conseguirse una regulación tanto precisa como estable. La invención se basa aquí en la consideración de que para la regulación de estado se reconducen varios estados – en parte no mesurables – para establecer la señal de ajuste de regulador. Para el presente caso aplicativo esto significa que también se utilizan las temperaturas en varios puntos a lo largo del recalentador en el algoritmo. Sin embargo, debido a que estas temperaturas no son mesurables se necesita un circuito de observador, con cuya ayuda pueden estimarse o calcularse los valores de temperatura necesarios. Los términos “estimar”, “calcular” y “establecer” se utilizan a partir de ahora como sinónimos. La ventaja de este concepto consiste en que pueden reaccionar muy rápida y precisamente a perturbaciones, que actúan sobre el recalentador.

La instalación de vapor es una instalación que funciona con vapor. Puede ser una turbina de gas, una instalación de procesamiento de vapor o cualquier otra instalación, que funcione con energía procedente del vapor.

Como un regulador de estado puede entenderse a partir de ahora un circuito de regulación, que regula la magnitud de regulación sobre la base de una representación espacial del estado. Con ello se alimenta el estado del tramo de regulación mediante un observador al tramo de regulación, es decir, se reconduce. La reconducción, que junto con el tramo de regulación forma el circuito de regulación, se produce mediante el observador que sustituye a un dispositivo de medición, y el verdadero regulador de estado. El observador calcula los estados del sistema, en este caso del vapor en el recalentador. El observador comprende una ecuación diferencial de estado, una ecuación inicial y un vector de observación. La salida del observador se compara con la salida del tramo de regulación. La diferencia actúa a través del vector de observador sobre la ecuación diferencial de estado.

En una forma de ejecución ventajosa de la invención el observador es un filtro Kalman, que está diseñado conforme a la reconducción de estado lineal cuadrática. La cooperación entre el LQR y el filtro Kalman recibe el nombre de algoritmo LQG (Linear Quadratic Gaussian) .

De forma ventajosa, la magnitud de perturbación del calor aportado mediante el recalentador al vapor se define como estado y se utiliza en el algoritmo de regulación. Aquí no sólo pueden definirse como estado las temperaturas o un parámetro derivado de ellas a lo largo del recalentador, sino adicionalmente la magnitud de perturbación, y en especial estimarse o establecerse con ayuda del observador. Las perturbaciones que actúan directamente sobre el recalentador se expresan por medio de que se modifica el intervalo de calentamiento en el recalentador. Mediante una observación de este tipo de las magnitudes de perturbación es posible una reacción muy rápida, precisa pero al mismo tiempo robusta ante las perturbaciones correspondientes.

Otra configuración ventajosa de la invención prevé que como magnitudes de estado se utilicen entalpías del vapor. Mediante la utilización de las entalpías en lugar de temperaturas de vapor puede linealizarse el sistema de regulación y, por medio de esto, hacerse accesible un cálculo más sencillo. El procedimiento LQR se refiere a problemas de regulación lineales. La temperatura a la entrada del recalentador, sin embargo, actúa mediante la toma de calor de forma no lineal sobre la magnitud de regulación temperatura a la salida. Mediante la consiguiente conversión a entalpías, en especial de todos los valores de medición y nominales de temperatura, se consigue una linealización del problema de regulación, ya que entre entalpía de entrada y de salida existe una relación lineal. La conversión se realiza con ello convenientemente con ayuda de relaciones tabulares de agua/vapor, utilizando la presión de vapor medida. Mediante esta linealización se consigue un comportamiento de regulación muy robusto, es decir, la calidad de regulación ya no depende del punto de funcionamiento actual de la instalación.

Aparte de esto se propone que la reconducción de estado se realice a través de una ecuación matricial, cuyos parámetros se determinen al menos en parte mediante la utilización de valores de medición actuales. Mediante un cálculo online de la matriz de reconducción el regulador puede adaptarse constantemente a las condiciones de funcionamiento reales. Por ejemplo, por medio de esto se tiene en cuenta automáticamente una variación, dependiente de la carga, del comportamiento dinámico del recalentador. También mediante este paso puede conseguirse un aumento de la robustez del algoritmo de regulación. A cauda del hecho de que el algoritmo de regulación es muy robusto, durante la puesta en marcha sólo es necesario ajustar muy pocos parámetros. Por ello el tiempo y la complejidad de puesta de marcha son considerablemente menores con respecto a todos los procedimientos conocidos hasta ahora.

De forma ventajosa la ecuación matricial se calcula mediante una técnica de conducción de la instalación de... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para regular la temperatura (ϑD) de vapor (8) para una instalación de vapor (2) , en el que un regulador de estado (46) reconduce varios estados de vapor a un recalentador (6) para sobrecalentar el vapor (8) con ayuda de un observador (42) , que calcula estos estados, para editar una temperatura nominal de vapor (ϑNKS) como magnitud de ajuste, y la temperatura nominal de vapor (ϑNKS) se transmite a otro regulador (32) para regular la temperatura, caracterizado porque el regulador de estado (46) es un regulador lineal cuadrático.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el observador (42) es un filtro Kalman, que está diseñado conforme a la reconducción de estado lineal cuadrática.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la magnitud de perturbación del calor (qF) aportado mediante el recalentador (6) al vapor (8) se define como estado (x5) y se utiliza en el algoritmo de regulación.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el observador establece el calor aportado en el recalentador al vapor.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el calor (qF) aportado en el recalentador (6) al vapor (8) se establece mediante un integrador (38) .

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque como magnitudes de estado se utilizan entalpías del vapor (8) .

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque como magnitudes de estado se utilizan desviaciones de las entalpías absolutas de valores nominales de entalpía.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque mediante una conversión de valores de medición de temperatura y valores nominales de temperatura a entalpías se linealiza el problema matemático del regulador.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la reconducción de estado se realiza a través de una ecuación matricial, cuyos parámetros se determinan al menos parcialmente mediante la utilización de valores de medición actuales.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque la ecuación matricial se calcula mediante una técnica de conducción de la instalación de vapor.

11. Procedimiento según la reivindicación 9 ó 10, caracterizado porque la ecuación matricial se transfiere a una serie de ecuaciones diferenciales escalares.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque la serie de ecuaciones diferenciales escalares se resuelve mediante integración con signo inverso.

13. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el observador (42) trabaja con independencia del regulador de estado (46) .

14. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque para el cálculo de estado se utiliza un modelo del tramo de regulación del recalentador (6) , cuyo retraso en el tiempo se determina mediante un cociente entre una constante de tiempo y una señal de carga (LA) de la instalación de vapor (2) .

15. Dispositivo para regular la temperatura (ϑD) de vapor (8) para una instalación de vapor (2) , con un regulador de estado (46) para editar una temperatura nominal de vapor (ϑNKS) como magnitud de ajuste, mediante la reconducción de varios estados de vapor de un recalentador (6) para sobrecalentar el vapor (8) , un observador (42) que calcula estos estados, y otro regulador (32) para regular la temperatura (ϑNK) con base en la temperatura nominal de vapor (ϑNKS) , caracterizado porque el regulador de estado (46) es un regulador lineal cuadrático.