Erstellung eines Simulationsmodells für den
Betrieb einer Gas- und Dampfturbinenanlage
(GuD)

Diplomarbeit
zur Erlangung des Grades
eines Diplomingenieurs
im Fachbereich
Maschinenbau und Energietechnik
der Fachhochschule Flensburg

vorgelegt von

Rainer Jungbluth

17. Juni 2001

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 4
1.1 Aufgabenbeschreibung ... 4
1.2 Lösungsansatz ... 4
1.3 Gliederung der Diplomarbeit ... 6

2 Aufbau und Funktion von GuD-Anlagen ... 8
2.1 Grundlagen ... 8
2.1.1 Die GuD-Anlage ohne Zusatzfeuerung ... 9
2.1.2 Das Kombikraftwerk ... 9
2.1.3 Das Verbundkraftwerk ... 9
2.2 Komponenten einer GuD-Anlage ... 10
2.2.1 Die Gasturbine ... 10
2.2.2 Der Abhitzekessel im GuD-Prozess ... 14
2.2.3 Die Dampfturbine im GuD-Prozess ... 16
2.2.4 Sonstige Komponenten im GuD-System ... 18
2.3 Betriebsarten und Funktion ... 19
2.3.1 Der Anfahrvorgang ... 19
2.3.2 Die GuD-Anlage im Teillastbetrieb ... 23
2.4 Die Referenzanlage GuD-Anlage Leuna ... 24

3 Ideen und Konzepte zur Programmerstellung ... 26
3.1 Programmplanung ... 26
3.2 Grundidee und Leistungsumfang ... 26
3.3 Quellen und Unterlagen ... 27
3.4 Die Programmstruktur ... 29

4 Die Entwicklungsumgebung Visual Basic 5.0 ... 32
4.1 Kurzbeschreibung ... 32
4.2 Die Steuerelemente (OCX) ... 33
4.3 Dynamic Link Libraries (DLL) und das API ... 34
4.4 Ereignisorientierte Programmierung (EOP) ... 35

5 Programmerstellung ... 36
5.1 Einführung ... 36
5.2 Das Fensterkonzept ... 36
5.3 Aufbau der grafischen Oberfläche ... 37
5.3.1 Das MDI-Formular ... 37
5.3.2 Das Prozessfenster ... 38
5.3.3 Das Panel-Formular ... 39
5.3.4 Das Schreiber-Formular ... 41
5.3.5 Das Protokoll-Formular ... 42
5.4 Die Programmierung ... 42
5.4.1 Das Systemfenster Form3 ... 43
5.4.1.1 Die Timer der Gasturbinen und Abhitzekessel ... 43
5.4.1.2 Die Timer4 Routine ... 51
5.4.1.3 Funktionen in Timer6 ... 67
5.4.2 Das Panel Form5 ... 68
5.4.2.1 Die Option ′Anlagen Sollleistung′ ... 68
5.4.2.2 Der Betriebsschalter für den automatischen Betrieb ... 68
5.4.2.3 Der Button ′Detail′ ... 69
5.4.2.4 Die Gasturbinen Startschalter ... 69
5.4.2.5 Die vertikalen Scrollbars ... 69
5.4.2.6 Die Optionsfelder der Simulationsgeschwindigkeit ... 70
5.4.3 Das Protokoll-Formular Form6 ... 70
5.4.4 Das Schreiber-Formular Form2 ... 70
5.4.4.1 Initialisierung beim Start der Form ... 71
5.4.4.2 Die Optionsfelder ... 72
5.4.4.3 Die PictureBox ... 72
5.4.4.4 Die CheckBox für das Fadenkreuz ... 73
5.4.5 Das MDI-Formular Form1 ... 73
5.4.5.1 Initialisierung beim Start ... 73
5.4.5.2 Die CPU-Auslastungsanzeige ... 75
5.4.5.3 Das Programmmenü ... 75
5.4.5.4 Die Buttonleiste Toolbar1 ... 75
5.4.5.5 Das Deklarationsmodul Modul1.bas ... 76

6 Benutzungshinweise ... 79
6.1 Kompatibilität ... 79
6.2 Installation ... 79
6.3 Bedienung ... 80

7 Ausblick und Einschränkungen ... 82
7.1 Die Abfahrroutine ... 82
7.2 Begrenzte Schreiberfläche ... 82
7.3 Unzureichende Meldungen im Protokollfenster ... 83
7.4 Statischer Anfahrvorgang ... 83
7.5 Speicherfunktion ... 83
7.6 Die Button- und Menüleiste ... 83
7.7 Prozess mit optimalen Wirkungsgrad ... 84

8 Schlussbetrachtung ... 85

9 Anhang ... 87
9.1 Anhang A - Prozessdiagramme ... 87

Literaturverzeichnis

Kapitel 1

Einleitung

1.1 Aufgabenbeschreibung
Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Simulation einer realen GuD-Anlage¹ als lauffähiges Programm unter dem Betriebssystem MS-Windows. Als Referenzanlage wurde die GuD-Anlage Leuna-Werke der Leuna-Steag Energiegesellschaft mbH gewählt. Das Programm soll durch verschiedene Darstellungsformen wie Systemschaltbilder, Kurvendarstellungen, Analogbilder verschiedener Parameter einem Kraftwerkswartenplatz ähneln. Primär soll das Programm möglichst in Echtzeit arbeiten und so den Anfahr- und Abfahrprozess simulieren sowie alle Anlagendaten wie Temperaturen, Massenströme und Leistungen auf dem Systembildschirm ausgeben. Der Betrieb der Dampfturbine muss komplett neu berechnet werden, da die Referenzanlage den Niederdruckdampf als Prozessdampf verwendet. Im Programm soll aber eine Kondensationsdampfturbine arbeiten und allen verfügbaren Dampf entspannen. Um die Wartezeiten der Echtzeitsimulation zu verkürzen, eine kalte Anlage benötigt bis zu 7 Stunden bis sie zu 100% hochgefahren ist, soll auch eine Veränderung der Simulationsgeschwindigkeit implementiert werden.
Die Ausgangsmaterialien zur Erstellung des Programms sind originale Datenblätter der GuD-Anlage Leuna-Werke sowie der GuD-Anlage ,,Agua del Cajon" in Neuquen / Argentinien. Hierzu gehören Kurvendarstellungen des Anfahr- und Abfahrprozesses der Gasturbinen mit Abhitzekessel sowie diverse Planungsunterlagen der jeweiligen Betreiber. Als Programmiersprache habe ich Visual Basic 5.0 ausgewählt, da sie bei der heutigen Prozessorleistung diesen Anforderungen gerecht wird und leicht zu erlernen ist. Zusätzlich gibt es eine große Auswahl von ActiveX² Steuerelementen zur freien Benutzung im Internet Sie werden benötigt um diverse Animationen oder Darstellungen des GuD-Prozesses benutzerfreundlich darzustellen.

1.2 Lösungsansatz
Zur Erstellung dieses komplexen Programms gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten. Die erste ist das komplette Erfassen des GuD-Prozesses in Differentialgleichungen. Dazu wären umfangreiche Messreihen vor Ort nötig und die Zeit für die Erstellung dieser Arbeit würde wahrscheinlich nicht ausreichen. Die Programmiersprache Visual Basic würde ebenfalls an ihre Grenzen stoßen. Ein weiterer Weg ist die Auswertung der Datenblätter und Kurvendarstellungen in einem Betriebsfall, um sie fest als Datentabelle in das Programm einzufügen. So kann man mit wenig Rechenaufwand andere Betriebsfälle ableiten. Natürlich bedeutet das auch eine gewisse Unflexibilität des Programms, die aber hier akzeptiert werden soll.
Der erste Schritt zur Programmerstellung ist die genaue Planung des Kraftwerksaufbaus und die Festlegung der Simulationstiefe. Das bedeutet, es muss die grafische Oberfläche mit allen zu simulierenden Bauteilen gezeichnet oder erstellt werden. Zusätzlich müssen die Ausgabeboxen formatiert und positioniert werden. Zu erwähnen sei noch die Programmierung der Menüleiste, sie wächst mit dem Programm. Ist die Oberfläche erstellt, so kann das Programm mit Programmcode gefüllt werden.

!! Abbildung ist in der Download-Datei enthalten!!
Abbildung 1.1: GuD-Sim mit fertigem Layout

Die Betriebskurven der Referenzanlage werden durch Linearisierung in Abhängigkeit von der Zeit in das Programm eingefügt. Mit diesen Daten kann die Gasturbine und der Abhitzekessel in Echtzeit hoch- und runterfahren. Probleme gibt es natürlich noch genug. Was passiert, wenn zwei oder alle drei Module laufen? Wer öffnet diverse Kesselventile? Wie wird die gemeinsame Sammelleitung geregelt? Dazu muss ein globaler Teil programmiert werden, der diese Regelungsaufgaben übernimmt. Realisiert wurde dieses mit Hilfe eines ,,Timers", der in vorgegebenen Intervallen immer den gleichen Programmcode durchläuft und ständig die Betriebsparameter abtastet und bei Bedarf Maßnahmen einleitet. Dieses Programmstück ist praktisch das Herz des Programms, da es alle Komponenten der Anlage miteinander kombiniert. Damit man auch noch später sehen kann, was die Anlage geleistet hat, muss das Programm über einen Schreiber verfügen, der ständig die wichtigsten Anlagenparameter mitschreibt. Dazu eignet sich unter Visual Basic sehr gut die so genannte ,,PictureBox". Sie zeigt Grafiken aller Art an und kann auch aus dem Programm heraus für Zeichnungen wie Striche oder Punkte benutzt werden. Da die Anlagendaten in Abhängigkeit von der Zeit gespeichert wurden, kann man die ,,PictureBox" auch so skalieren, dass die x-Achse die Zeit und die y-Achse die Betriebsdaten darstellt. Somit kann man mit einfachen Befehlen einen vollständigen Schreiber simulieren. Zum Starten der einzelnen Anlagen wurde ein so genanntes ,,Panel" integriert. Es ermöglicht dem Benutzer den Start der Anlage auf Mausklick und gibt zusätzlich analoge Informationen über die wichtigsten Prozessdaten.
Auch wenn der logische Ablauf des Programms bekannt ist, so liegen die Probleme natürlich im Detail. Selbst wenn man die Programmiersprache gut beherrscht, kommt man an den detaillierten Abläufen in der GuD-Anlage nicht vorbei. Als Beispiel muss der globale Programmteil die komplette Regelung des Aufwärmvorgangs der Anlage übernehmen. Das heißt, dass die Dampfleitungen und die Dampfturbine nur in einer bestimmten Geschwindigkeit aufgeheizt werden dürfen. Der Anfahrvorgang der Dampfturbine nimmt die meiste Zeit in Anspruch, eine kalte Dampfturbine benötigt bis zu 6 Stunden bis sie mit 100% Last fahren kann. Ein weiteres Phänomen ist die Aufwärmung der Rohre. Strömt in kalte Rohre heißer Dampf, so kondensiert der Dampf sofort zu Wasser. Das geschieht so lange, bis die Rohre bei vorhandenen Dampfdruck, die Sättigungstemperatur erreicht haben.

1.3 Gliederung der Diplomarbeit
Nachdem die Lösungsansätze und die damit zusammenhängenden Probleme im vorhergehenden Kapitel kurz dargelegt wurden, soll hier auf die weitere Gliederung dieser Arbeit eingegangen werden. Im folgenden Kapitel wird der Aufbau und die Funktion von GuD-Anlagen der gängigsten Konfigurationen erklärt. Dabei wird auch auf die einzelnen Komponenten der Anlagen Rücksicht genommen. Gleichzeitig werden verschiedene Betriebsarten, wie der Anfahrvorgang und der Teillastbetrieb einer GuD-Anlage ohne Zusatzfeuerung erklärt.
In Kapitel 3 wird die Idee sowie das geplante Konzept des Programms erläutert. Durch Programmieransätze und durch die Erklärung der Quellunterlagen wird die Programmstruktur erarbeitet.
Kapitel 4 macht einen kurzen Streifzug durch die Programmiersprache Visual Basic. Hier sollen dem Leser die grundsätzlichen Eigenschaften der Programmierumgebung dargestellt werden.
In Kapitel 5 wird sich eingehend mit der Programmierung des Programms beschäftigt. Es wird von der Erstellung der grafischen Oberfläche bis zu den einzelnen Programmschritten alles bearbeitet. Nach diesem Kapitel ist der Programmaufbau kein Geheimnis mehr.
In Kapitel 6 wird auf die Bedienung des Programms eingegangen. Dazu zählen die technischen Voraussetzungen, die Installation und einige Bedienungshinweise, die als Ergänzung zum vorherigen Kapitel gesehen werden können. Ein ausführlicher Hilfetext findet sich im Unterverzeichnis des installierten Programms unter /Hilfe.
Kapitel 7 greift Funktionen des Programms auf, die aus den verschiedenen Gründen nicht mehr in das Programm eingeflossen sind. Dabei werden Lösungsansätze und Ausblicke für spätere Versionen erläutert.
In Kapitel 8 wird eine Schlussbetrachtung der Arbeit durchgeführt.
In Kapitel 9 sind die Anlagen aufgeführt. Dort finden sich alle Diagramme, die zur Erarbeitung des Programms selbst erstellt wurden.
Auf den letzten Seiten sind das Literatur-, Abbildungs-, und das Tabellenverzeichnis untergebracht.
Auf einen Index wurde hier verzichtet.

Kapitel 2

Aufbau und Funktion von GuD-Anlagen

2.1 Grundlagen
Unter dem Begriff ,,GuD-Anlagen" versteht man das Zusammenwirken einer Gasturbine mit einem Abhitzedampferzeuger, der eine Dampfturbine mit Heißdampf versorgt und eventuell Prozessdampf für andere industrielle Zwecke bereitstellt. Im Vergleich zu anderen herkömmlichen Kraftwerken liefert also nur die Gasturbine³ die nötige Energie zur Dampferzeugung. Die hohe Attraktivität dieser Anlagen ist dem hohem Gesamtwirkungsgrad und den günstigen Herstellungskosten zu verdanken.

[...]

1 Gas- und Dampfturbinenanlage

2 Ein Standart von Microsoft, der es ermöglicht, Programmcode in anderen Programmen zu integrieren.

3 Kombi-undVerbundkraftwerkewerdenzusätzlichbefeuert.