CH657184A5 - Einrichtung zum regeln einer turbine und zum schuetzen derselben vor einer ueberdrehzahl und verfahren zum pruefen der schnellschlussfunktion dieser einrichtung. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 5.

Bisher war es üblich, die Regelung von Turbinen, einschliesslich der Notsteuerung, über mechanisch-hydraulische Systeme vorzunehmen. Hiebei war für den Normalbetrieb ein Drehzahlregler vorgesehen, welcher über einen mecha-nisch-hydraulischen Weg die Betätigung der Steuerventile besorgte. Zum Schutze von Überdrehzahlen war eine Überdrehzahl-Schnellschlussauslösung vorgesehen, welche im wesentlichen aus einem in der Turbinen welle eingelassenen Bolzen bestand, welcher, wenn eine bestimmte Drehzahl überschritten wurde, vorwiegend durch die Wirkung der Fliehkraft eine Klinke betätigte, die über einen Umschaltantrieb die Freigabe des Kraftöls für die Betätigung der Schnellschlussventile bewirkte. Zur elektrischen Notauslösung von dritter Seite, z.B. durch übergeordnete Systeme, wie Generatorschutz, elektrische Not-Austasten usw., war zusätzlich ein Magnetventil im Kraftölzulauf vorhanden.

Diese Anordnungsart hatte aber eine Reihe von Nachteilen. Zum einen waren die mechanischen Teile sehr empfindlich, und die Gefahr einer Beeinträchtigung durch Verschmutzung, Ölverharzung, Langzeit-Alterung oder Materialermüdung war gross.

Gleichzeitig war aber eine Überprüfung der Einrichtungen schwierig. Sie wurde entweder durch künstlich herbeigeführte Überdrehzahl bei Unterbrechung des laufenden Turbinenbetriebes oder - ohne Unterbrechung - durch Simulation einer Überdrehzahl und gleichzeitiger Unterdrückung der Überdrehzahlauslösung durchgeführt. Die Simulation beinhaltete entweder die Istwert-Erfassung oder die mechanische Überdrehzahlauslösung durch eingepumptes Öl unter die Schnellschlussbolzen.

Die Betriebssteuerung und die Sicherheitssteuerung waren in Aufbau und Wirkungsweise verschieden, so dass eine Einrichtung nicht die Funktion der andern übernehmen konnte, wenn eine dieser Einrichtungen einmal ausfiel.

Zum anderen war der Aufwand sehr hoch. Wollte man nämlich eine Reserve haben, so musste die gesamte Einrichtung mit entsprechenden Mehrkosten doppelt vorgesehen werden.

Es ist ausserdem bekannt, eine Überdrehzahl - Schnellschlussauslösung elektronisch - hydraulisch herbeizuführen. Hiebei wird die Turbinendrehzahl induktiv erfasst und in einer Auswerteelektronik überwacht, wobei die Schnellschlussauslösung in der Regel durch ein Magnetventil erfolgt. Zur Prüfung während des normalen Betriebes ist es erforderlich, zum Turbinenschutz auf eine paralleles Überwachungssystem umzuschalten, wobei gleichzeitig eine entsprechende Prüfschaltung in Betrieb gesetzt wird. Diese Prüfschaltung hat den Nachteil, dass der Auslösekreis unterbrochen wird und eine ordnungsgemässe Auslösung im Betrieb nur dann gewährleistet ist, wenn die Prüfschaltung in den Normalzustand zurückversetzt wird, was nicht immer in letzter Konsequenz prüfbar ist.

Es sind auch elektronisch-hydraulische Regeleinrichtungen bekannt; solche Einrichtungen sind jedoch von den Schutzsystemen getrennt und wirken nur auf die Regelventile allein.

Ziel der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung der eingangs genannten Art für Turbinen zu schaffen, welche mit identischen, jedoch voneinander unabhängigen Baugruppen von der Istwert-Erfassung bis zu den Stellorganen aufgebaut ist und die Möglichkeit einer vollkommenen Prüfung aller Funktionen sowohl im Stillstand als auch während des Betriebes, ohne diesen in irgendeiner Weise zu stören, bietet. Dieses Ziel der Erfindung wird durch die Massnahme nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 erreicht.

Der Vorteil dieser Bauweise, gleiche Baugruppen zum Regeln der Turbine und zum Schützen derselben vor einer Überdrehzahl vorzusehen, ist dadurch gegeben, dass der eine Drehzahlregler zeitweise die Funktion des anderen übernehmen kann, z.B., wenn einer der Drehzahlregler ausfällt. Es ist somit auch bei höchsten Sicherheitsanforderungen nicht mehr notwendig, sämtliche Einrichtungen doppelt vorzusehen.

Durch den gleichen Aufbau der Regler wird erreicht, dass bei Ausfall eines Reglers die Sicherheitsfunktion ohne Einschränkung vom anderen Regler übernommen und unter gewissen Voraussetzungen auch ein Notbetrieb aufrechterhalten werden wird, bei gleichzeitiger Minimierung des Bauteilaufwandes. Damit ist eine hohe Verfügbarkeit (geringe Ausfallswahrscheinlichkeit) gegeben; selbstverständlich sind dabei auch eine hohe Regelgüte und höchste Maschinensicherheit sowie der Aufbau von Redundanzsystemen und eine weitestgehende Anpassungsfähigkeit an andere (übergeordnete) Regeleinrichtungen weitere Forderungen.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 5 angeführten Merkmale gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung s

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beispielsweise erläutert. Hiebei zeigen:

Fig. 1 ein Übersichtsschema eines einzelnen Turbinenregelkreises,

Fig. 2 das Schema einer im Betrieb prüfbaren Schnellschlussvorrichtung und

Fig. 3 das Blockschema einer mit zwei Drehzahlreglern und einem Schnellschluss- und einem Reglerventil ausgestatteten Einrichtung gemäss der Erfindung.

In Fig. 1 ist die Turbine mit 1 bezeichnet. In der zu ihr führenden Arbeitsmittelleitung (z.B. Dampfleitung) 2 liegen die Regelventile 3, welche über einen an die Regelölleitung 4 und die Kraftölleitung 5 angeschlossenen Stellantrieb 6 betätigt werden.

Auf der Turbinenwelle 7 sitzt eine Scheibe 8, welche an ihrem Umfang Nuten oder Zähne trägt.

Dieser Scheibe 8 sind zwei Induktionssonden 9,9' zugeordnet, welche bei jedem Vorbeigang eines Zahnes je einen elektrischen Impuls über die Leitungen 10,10' an eine Steuervorrichtung 11 abgeben. Der Steuervorrichtung 11 kann extern eine Führungsgrösse, beispielsweise ein Gleichstrom im Bereich von null bis etwa 20 mA, von einem übergeordneten, nicht dargestellten Regler (Kaskadenregelung od. dgl.) zugeführt werden.

Durch die Leitung 13 kann der Steuervorrichtung 11 ein externes Signal zur Schnellschlussauslösung zugeführt werden, d.h., der Schnellschluss kann auch von aussen her -z.B. von Hand oder vom Generatorschutz aus - ausgelöst werden.

Die Sollwerteinstellung der Steuervorrichtung 11 ist mit 14 bezeichnet; die Taster 16,17 mit den zur Steuervorrichtung 11 führenden Leitungen 18,19 dienen zur Drehzahl-Sollwert-Fernverstellung. Die drei mit 20,21,22 bezeichneten, aus der Steuervorrichtung kommenden Leitungen führen zu Anzeigegeräten 23,24,25, welche die augenblickliche Drehzahl der Turbine, den eingestellten Sollwert und die Grösse des Ausgangssignals der Steuervorrichtung erkennbar machen. Die Ausgänge 26 bis 29 führen zur Verriegelung und Signalisierung und übertragen Signale für Stillstand n = 0, Mindestdrehzahl nmin, Höchstdrehzahl nmax, bzw. melden einen Schnellschluss nss. Die das genannte Ausgangssignal führende Leitung ist mit 30 bezeichnet und verbindet ein Druckstellglied 31 mit der Steuervorrichtung 11. Von diesem Druckstellglied 31, welches als elektronisch-hydraulischer Wandler wirkt, geht die schon zuvor erwähnte Regelölleitung 4 aus.

Die Drehzahl wird mit den zwei magnetinduktiven Sonden 9,9' gemessen. Die Steuervorrichtung 11 wählt jeweils das grössere der beiden Sondensignale aus. Dadurch ist sichergestellt, dass auch bei Ausfall eines Messkanals (Leitungen 10 oder 10', z.B. durch Kabelbruch) dieTurbine 1 störungsfrei weiterbetrieben werden kann. Zu diesem Zweck wurden generatorisch wirkende Sonden ausgewählt, die systembedingt bei Störung oder Ausfall Signale nur in Richtung kleinerer Frequenz abgeben können.

Das Ausgangssignal der Steuervorrichtung wird als eingeprägter Strom (0..20 mA) auf das Druckstellglied 31 geschaltet. Es formt das elektrische Signal in einen Impulsöldruck um, der direkt auf die Steuerwerke - hier den Stellantrieb 6 - der Regelventile 3 geschaltet wird.

Als Druckstellglied kann vorzugsweise der in der AT-PS 306 171 beschriebene Tauchanker-Elektromagnet als elektro-hydraulischer Wandler verwendet werden.

Der vom Druckstellglied 31 ausgesteuerte Öldruck wird als Stellgrösse direkt den Stellorganen (Stellantrieb 6) zugeführt.

In die Steuervorrichtung 11 ist eine Schnellschlussvorrichtung eingebaut. Diese löst über das Druckstellglied 31 durch

Abschalten der Hilfsenergie den Turbinenschnellschluss aus, sobald einer der beiden Istwert-Messkanäle (Leitungen 10, 10' ) Überdrehzahl signalisiert oder wenn beide Istwerte einer unzulässigen, zeitlichen Änderung unterliegen oder ein s Istwert-Kanal ausgefallen ist und der zweite Istwert einer unzulässigen, zeitlichen Änderung unterliegt. Ein externer Schnellschlussbefehl (über die Leitung 13) kann ebenfalls verarbeitet werden.

Durch die Verwendung eines kraftgeregelten Elektroma-lo gneten im Druckstellglied 31 lassen sich die erforderlichen Stellkräfte ohne Servosysteme erreichen. Dadurch wird die Ansprechzeit wesentlich verkürzt, und es entfallen die zumeist engen Querschnitte der Vorsteuersysteme und die damit zusammenhängende Verschmutzungsgefahr. 15 Die Einrichtung enthält die im Betrieb prüfbare Schnellschlussvorrichtung. Das Blockschema einer solchen Vorrichtung ist in Fig. 2 gezeigt.

An die von den beiden Sonden 9,9' kommenden Leitungen 10,10' ist je eine Prüfleitung 32,32' unmittelbar 20 angeschlossen. In jeder dieser Prüfleitungen liegt ein Impulsgenerator 33,33', der eine Impulsfolge liefern kann.

Die Frequenz der von den Generatoren 33,33' abgegebenen Impulsfolgen hängt ab von der Grösse der Gleichspannung, die ihnen über die Leitungen 34,34' von einem Span-25 nungswähler 35 mit Wählschalter 36 zugeführt wird. Bei maximaler Gleichspannung wird die maximale Frequenz abgegeben. Diese entspricht der maximal verarbeitbaren Drehzahl, die oberhalb der Schnellschlussdrehzahl liegt.

Durch den Wählschalter 36 kann immer nur eine der 30 beiden Leitungen 34,34' an Gleichspannung gelegt werden. Des weiteren kann der integrierende Spannungswähler 35 nur dann beziehungsweise solange Gleichspannung abgeben, wenn das Sperrglied 37 (ein UND-Gatter mit einem negierenden Eingang), an dessen beiden Eingängen eine Auslöse-35 leitung 38 und ein Prüfschalter 39 liegen, ein entsprechendes Signal an den Spannungswähler 35 abgibt.

Das vom jeweils von der Gleichspannung angesteuerten Impulsgenerator 33 bzw. 33' gelieferte Signal wird dem von den Sonden 9 bzw. 9' erzeugten Signal überlagert; eine 40 Umschaltung der Messumformer auf «Sonde» bzw. «Generator» wird nicht vorgenommen.

Die beiden Leitungen 10,10' liegen an Messumformern 40,40', die eine von der Impulsfolgefrequenz abhängige Gleichspannung an die Grenzwertstufen 41,41' liefern. Die 45 Ausgänge der beiden Grenzwertstufen 41,41' lösen über die ODER-Glieder 42 und 43 den Schnellschluss durch Entregen des Relais 48 aus. Der Schnellschluss wird ebenfalls von einem externen Schnellschlusssignal (Leitung 13) oder von einer Systemüberwachung 45 ausgelöst. Die Systemüberwa-50 chung ist über einen Prüftaster 47 und ein Sperr-UND-Glied 46 ebenfalls in seiner Funktion prüfbar.

Der Test erfolgt derart, dass mit dem Ansprechen des Auslösesignals (Ausgang der GW-Stufen 41 und 41 ' bzw. Ausgang der Systemüberwachung 45) das SS-Relais 48 entregt 55 wird. Dadurch wird die Hilfsenergie zum Druckstellglied 31 abgeschaltet, und die Auslöseleitung 38 wird an 24 V gelegt. Dadurch sperren die Sperr-UND-Glieder 46 und 37, und der Test wird beendet. Damit nimmt das SS-Relais 48 seine ursprüngliche Lage wieder ein.

60 Der Ausgang des ODER-Gliedes 43 ist an das Schnellschlussrelais 48 und an ein Melderelais 49 gelegt; das zuletzt genannte Relais 49 dient nur zu Zwecken der externen Meldung, etwa zur Anzeige- oder Rückmeldung.

Über das Schnellschlussrelais 48 wird dem Druckstellglied 65 31 eine Hilfsenergie, z.B. 24 Volt Gleichspannung, zugeführt.

Schaltet das Schnellschlussrelais 48 in die in Fig. 2.

gezeigte Stellung um, dann fehlt die Gleichspannung, und die Ventile 3 schliessen sofort (Schnellschluss).

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Entsprechend Fig. 2 enthält somit jeder der beiden Drehzahlmesskanäle eine durch die Messumformer 40,40' und die Grenzwertstufen 41,41 ' realisierte Schnellschluss-Dreh-zahlüberwachung, die bei Erreichen des eingestellten Grenzwertes über das Relais 48 dem Druckstellglied 31 die Hilfsenergie wegschaltet. Dadurch kann der Magnet nicht mehr anziehen, und der Impulsöldruck wird abgebaut. Die Dampfregelventile schliessen, und die Turbine ist abgeschaltet. Das parallel liegende Relais 49 steht zur Verarbeitung in einer externen Steuerung zur Verfügung.

Das Schnellschlusssystem ist das wichtigste Schutzsystem einer Turboanlage. Deshalb sollten die Komponenten in regelmässigen Zeitabständen überprüft werden. Dieses Regelsystem gestattet es, alle beteiligten Komponenten in jeder Betriebsphase ohne jeden Einfluss auf die Turbinendrehzahl aktiv zu überprüfen. Dazu kann jeder der beiden Drehzahlmesssonden eine stetig ansteigende «Prüfdrehzahl» aufgezwungen werden. Der zweite Messkanal übernimmt hiebei während dieser Überprüfung allein die Regelaufgabe. Beim Erreichen der Schnellschlussdrehzahl spricht das Schutzsystem an. Das Schnellschlussrelais wird umgeschaltet, d.h. entregt, und trennt das Druckstellglied von der Hilfsenergie.

Der Schliesskontakt des Schnellschlussrelais 48 meldet «Schnellschluss ausgelöst.» Damit wird die Prüfdrehzahl auf Null gesetzt, das Schnellschlussrelais zieht wieder an, und das Druckstellglied kann wieder weiterarbeiten.

Das Schnellschlussrelais 48 wird nur für höchstens 20 Millisekunden entregt. Das entspricht etwa einem Regelzyklus des Magnetkraft-Regelkreises im Druckstellglied 31. Damit ist sichergestellt, dass die Stellung der Dampf regelventile nicht verändert wird.

Die Funktion der Regelventile lässt sich durch eine geringfügige Änderung des Drehzahlsollwertes leicht überprüfen.

Das Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfin-dungsgemässen Einrichtung ist in Fig. 3 veranschaulicht.

Wie in Fig. 1 sind die Turbine 1, deren Welle 7 und die Geberscheibe 8 gezeigt. Mit 50 ist eine Arbeitsmaschine (insbesondere Generator oder Verdichter) bezeichnet, die von der Turbine angetrieben wird. In der zur Turbine 1 führenden Arbeitsmittelleitung 2 liegen hintereinander ein Schnellschlussventil 51 und ein oder mehrere Regelventile 52. Diese beiden Ventile werden von Stellwerken 53,54 betätigt, die einerseits über Leitungen 55, ein Koppelventil 56, eine Leitung 57 und ein handbetätigbares Notausschaltventil 58 gemeinsam oder zueinander parallel mit einer Kraftölquelle in Verbindung stehen. Anderseits führt zu jedem der Stellwerke 53,54 eine Steuerölleitung 60,61 von einem Druckstellglied 31 bzw. 31'.

Das Koppelventil 56 sperrt im Schnellschlussfall das Kraftöl zu den Ventilstellwerken 53 und 54.

Ein Höchstmass an Sicherheit und Zuverlässigkeit wird durch den Umstand erreicht, dass auch das Schnellschlussventil 51 mit einem Drehzahlregler ausgerüstet ist.

Alle Funktionseinheiten (Regler, Druckstellglied, Stellantriebe) sind so konzipiert, dass bei Ausfall der Hilfsenergie (elektrisch, hydraulisch) die Anlage abgestellt wird (fail-safe-Verhalten).

Bei der in Fig. 3 gezeigten Einrichtung enthält die Steuervorrichtung zwei einander völlig gleiche Regler, und zwar den Schnellschlussregler 62 und den Drehzahlregler 63.

Jeder dieser beiden Regler ist über je zwei Leitungen 10,10' mit je zwei Sonden 9,9' verbunden. Beide Regler 62,63 stehen über einen Zwischenkreis (Verknüpfungskreis) 64 mit einem Not-Ausschalter 65, einer Verriegelung 66 und der externen Steuerung 67 in Verbindung. Weiter hängen am Zwischenkreis 64 noch eine externe Anzeige 68 und Einrichtungen für externe Meldungen, mit 69 bezeichnet. Jedes Druckstellglied 31,31' kann mit einer Hand Verstellung 31" zu seiner Verstellung in eine Endlage (Offenstellung) versehen sein.

Von jedem Regler 62,63 geht eine dessen Ausgangssignal führende Leitung 30,30' zu dem dem jeweiligen Regler zugeordneten Druckstellglied 31 bzw. 31'. Zwischen den beiden Reglern besteht eine Signalverknüpfung 59, die auch beim Ansprechen von nur einem der Regler den zweiten Regler mit abschaltet.

Ausserdem wird in einem solchen Fall der Sollwertgeber an beiden Reglern in die Null-Lage gesteuert.

Zur Zufuhr elektrischer Hilfsenergie (gegebenenfalls hydraulischer Hilfsenergie) sind die Leitungen 70,71,71 ' vorgesehen, die von einer nicht gezeigten Stromquelle (Druckölquelle) zum Verknüpfungskreis 64 bzw. von diesem zu den Druckstellgliedern 31,31' führen.

Das Schnellschlussventil 51 wird genauso angesteuert wie das Regelventil bzw. die Regelventile 52.

Die erfindungsgemässe Einrichtung bietet die folgenden Vorteile:

drehzahlgeregeltes Fernanfahren über den Anfahr-Schnellschlussregler 62,

Notregelbetrieb bei Ausfall des Drehzahlreglers 63 durch den Schnellschlussregler 62, durch Verknüpfung der Schnellschlusssignale beider Regler wird vierfache Redundanz auf der Signalseite und doppelte Redundanz auf der Stellgliedseite erreicht. Hiedurch kann die bisher erforderliche mechanische Schnellschlussauslösung entfallen ; übergeordnete Schnellschlussauslösesysteme, z.B. Generatorschutz, Not-Austaster u. dgl. sind in die Einrichtung voll integriert.

Gemäss der Erfindung handelt es sich demnach um eine elektronische Einrichtung, welche unter anderem aus Istwertgebern, Sollwert-Istwert-Vergleichern, Stellgliedern für Turbinenregelventile mit mehrfacher Drehzahlgrenzwert-Erfassung besteht.

Besondere Merkmale sind darin gelegen, dass der zum Drehzahlregler 63 völlig identische Schnellschlussregler 62 über ein gleiches zugeordnetes Druckstellglied 31 auf das Turbinen-Schnellschlussventil 51 einwirkt, dass dabei der Schnellschlussregler 62 ebenso wie der Drehzahlregler 63 ohne jede Betriebsunterbrechung oder Betriebsstörung während des Betriebes komplett in seiner Funktion überprüfbar ist, die Stellglieder beim Ausbleiben der Hilfsenergie die Arbeitsmittelleitung 2 sperren und/oder dass die eigentlichen Regelungsfunktionen auch vom Schnellschlussregler 62 übernommen werden können.

Übergeordnete Schutzsysteme können auf diese Einrichtung einwirken und ebenfalls den Schnellschluss auslösen.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

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1. Einrichtung zum Regeln einer Turbine und zum Schützen derselben vor einer Überdrehzahl, mit einem Schnellschlussventil (51) und mindestens einem Regelventil (52) in der Arbeitsmittelleitung (2) zur Turbine (1), Drehzahlfühler (9,9') und eine an diese angeschlossene Vorrichtung (1 1) zum Steuern des Regelventils, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung zwei im wesentlichen gleiche, voneinander unabhängige Drehzahlregler (62,63) umfasst, von denen der eine mit dem Regelventil (52) und der andere mit dem Schnellschlussventil (51) über je ein zugeordnetes Druckstellglied (31,31 ') in Wirkverbindung steht, und dass jedem Drehzahlregler zwei die Drehzahlfühler enthaltende, unabhängige Drehzahl-Istwert-Erfas-sungsVorrichtungen (8,9,10; 8,9', 10') zugeordnet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckstellglieder (31,31') mit einer Handverstellung (31") versehen sind, durch welche jeweils eines der genannten Ventile (51,52) in die Endlage verbindbar ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Koppelventil (56) zum Abschalten der Hilfsenergie für die genannten Ventile (51, 52) zum Zweck eines Schnellschlusses vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Druckstellglieder (31,31') zum Verstellen der genannten Ventile (51,52) zwecks Veränderung der Drehzahl der Turbine und zum schnellen Schliessen der Ventile ausgebildet ist, wobei es zur Schnellschlussauslösung die Hilfsenergie zur Steuerung der Ventile ausschaltet.

5. Verfahren zum Prüfen der Schnellschlussfunktion bei der Einrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, dass einem der Drehzahlsignale ein Prüfsignal kurzzeitig überlagert wird, wobei das Istwertsignal durch das überlagerte Prüfsignal unterdrückt wird und die Einrichtung voll funktionsfähig bleibt, die Hilfsenergiezu-fuhr zu dem zugeordneten Druckstellglied (31 bzw. 31') unterbrochen, nach dieser Unterbrechung die Prüfung beendet und die Hilfsenergiezufuhr wieder eingeschaltet wird.