DE102006051342A1 - Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung für eine Turbine, Stromgeneratorsystem mit einer solchen Einrichtung und Verfahren zum Betreiben eines solchen Stromgeneratorsystems - Google Patents

Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung für eine Turbine, Stromgeneratorsystem mit einer solchen Einrichtung und Verfahren zum Betreiben eines solchen Stromgeneratorsystems Download PDF

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Abstract

Eine erfindungsgemäße Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung für eine Abgasturbine (1) zum Antrieb eiens Generators (2) umfasst ein zuschaltbares dissipatives Element (3) zur Vernichtung wenigstens eines Teils der von der Abgasturbine (1) abgegebenen Leistung. Hierzu kann eine Drosselstelle (3A) in einer ersten Fluidpassage (5.1) zwischen einer mit der Turbine (1) gekoppelten Hydraulikpumpe (4.1) und einem mit dem Generator (2) gekoppelten Hydraulikmotor (4.2) angeordnet sein.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung für eine Turbine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Stromgeneratorsystem mit einer solchen Einrichtung und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Stromgeneratorsystems.
  • Nachfolgend werden ein „Regeln" bzw. eine „Regelung", i.e. die Beeinflussung einer Ausgangsgröße entsprechend ihrer Abweichung von einer Führungsgröße in einem geschlossenen Regelkreis, und ein „Steuern" bzw. eine „Steuerung", i.e. die Beeinflussung einer Ausgangs- durch eine vorgegebene Steuergröße in einer offenen Wirkungskette gleichermaßen als „Steuern" bzw. „Steuerung" bezeichnet.
  • Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, einen Generator zur Erzeugung elektrischer Leistung durch eine Turbine anzutreiben, die ihrerseits unter Entspannung von Dampf (Dampfturbine) oder Gas (Gasturbine) angetrieben wird. Als Gas kann insbesondere das in einer Brennkraftmaschine entstehende heiße Abgas genutzt werden, um die darin gespeicherte Enthalpie in elektrische Energie umzusetzen (Abgasturbine, Powerturbine).
  • Dabei wirkt der Generator entsprechend der von ihm erzeugten und in einen Verbraucherstromkreis eingespeisten elektrischen Leistung dissipativ auf die mit ihm gekoppelte Turbine und verhindert so unzulässig hohe Turbinen- bzw. Generatordrehzahlen, die aufgrund der großen Kreiselkräfte die Turbine bzw. den Generator beschädigen und insbesondere gefährliche Resonanzen anregen können. Im stationären Zustand entspricht – unter Vernachlässigung von Reibungs-, Übertragungs- und sonstiger Verluste – die von der Turbine abgegebene Leistung der vom Generator erzeugten elektrischen Leistung.
  • Tritt dabei eine Störung, beispielsweise ein Leitungsbruch oder ein plötzlicher Ausfall eines Verbrauchers im Verbraucherstromkreis auf, oder fällt die an dem Generator anliegende Last aus anderen Gründen ab, so reduziert sich diese drehzahlbegrenzende Wirkung des Generators. Im Falle eines solchen Lastabwurfes kann die dissipative Wirkung der inneren Widerstände der Turbine und des Generators, also insbesondere deren Lagerreibung und dergleichen, nicht ausreichen, ein sogenanntes Durchgehen der Turbine, i.e. eine Drehzahlerhöhung auf kritische Werte, insbesondere Resonanzfrequenzen, zu verhindern, bei der es zu Schädigungen von Turbine und/oder Generator kommt.
  • Daher ist es, beispielsweise aus der CH 35 458 C1 , der DE 44 29 539 A1 oder der DE 694 11 298 T2 , bekannt, im Falle eines Lastabwurfs durch Verringerung der Zufuhr an Frischluft und/oder Brennstoff zu einer Gasturbine die die Turbine antreibende Gasmenge zu verringern oder das Gas an der Turbine vorbeizuleiten. Dabei kann jedoch das im System befindliche Restgas oder ein durch die die Umleitung realisierende Schnellschlussklappen leckendes Gas noch ein Durchgehen der Turbine bewirken. Zudem werden zum Umleiten des heißen Gases hochfeste und gleichzeitig rasch reagierende Schnellschlussklappen benötigt. Schließlich treten bei den bekannten Verfahren zur Verhinderung eines Durchgehens der Turbine bei einem Lastabwurf erhebliche Totzeiten auf, in denen noch unerwünscht hohe Turbinen- bzw. Generatordrehzahlen auftreten können.
  • Allgemein kann durch Änderung der eine Turbine beaufschlagenden Menge an Arbeitsfluid auch die von der Turbine an den Generator abgegebene Leistung gesteuert werden. Hierzu können beispielsweise neben den vorstehend erläuterten Schnellschlussklappen, die nur eine rasche und vollständige Sperrung des Arbeitsfluidstroms zur Turbine im Falle eines Lastabwurfes zur Aufgabe haben, auch Steuerklappen in der Arbeitsfluidzuleitung zur Turbine vorgesehen sein, mit denen die Turbine beaufschlagende Menge an Arbeitsfluid einstellbar ist. Nachteilig treten auch hier Totzeiten zwischen der Verstellung dieser Klappen und der Änderung der von der Turbine an den Generator abgegebenen Leistung auf.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Steuereinrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der die von einer Turbine an einen Generator abgegebene Leistung gesteuert werden kann. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sicherheitseinrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der ein Durchgehen der Turbine verhindert werden kann.
  • Wenigstens eine dieser Aufgaben wird durch eine Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Anspruch 11 betrifft ein Generatorsystem mit einer solchen Einrichtung. Anspruch 12 stellt ein Verfahren zum Steuern der von einer Turbine an einen Generator abgegebene Leistung, Anspruch 13 ein Verfahren zum Verhindern des Durchgehens einer Turbine bei einem Lastabwurf unter Schutz.
  • Bevorzugt kann mit einer Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowohl als Steuereinrichtung die von einer Turbine an einen Generator abgegebene Leistung gesteuert als auch als Sicherheitseinrichtung ein Durchgehen der Turbine verhindert werden. Gleichermaßen kann eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 lediglich als Sicherheits- oder als Steuereinrichtung ausgebildet sein.
  • Eine erfindungsgemäße Einrichtung ist für eine Turbine vorgesehen, die einen Generator antreibt, der hierdurch elektrische Energie erzeugt und in einen Verbraucherstromkreis einspeist. Bei der Turbine kann es sich um eine Dampfturbine oder Gasturbine handeln. Bevorzugt kann die erfindungsgemäße Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung für eine Abgasturbine vorgesehen sein, die mit heißen Abgasen beispielsweise aus einer Brennkraftmaschine beschickt wird (sogenannte „Powerturbine").
  • Der Verbraucherstromkreis kann einen oder mehrere elektrische Verbraucher umfassen, die die vom Generator erzeugte elektrische Leistung verbrauchen. Diese Leistung kann beispielsweise von einem Elektromotor teilweise in mechanische Energie umgesetzt, in einer Glühbirne in Licht umgewandelt und/oder in einem elektrischen Heizer zur Erwärmung von Luft oder anderen Fluiden genutzt werden. Auch ein aufladbarer Akkumulator, der die vom Generator erzeugte elektrische Energie zwischenspeichert, kann einen Verbraucher des Verbraucherstromkreises bilden.
  • Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, ein dissipatives Element vorzusehen, welches wahlweise, insbesondere im Falle eines Lastabwurfes, zugeschaltet werden kann und dann wenigstens einen Teil der von der Abgasturbine abgegebenen Leistung vernichtet.
  • Der Turbine wird durch das sie beaufschlagende Arbeitsfluid, also den Dampf bzw. das (Ab) Gas, Energie zugeführt, die im Falle eines Lastabwurfes nur zu einem geringen Teil durch die in der Turbine und dem damit gekoppelten Generator dissipiert wird. Die übrige Energie führt zu einer Beschleunigung der Turbine, die dabei unzulässig hohe Drehzahlen erreichen kann, bei denen es zu einer Schädigung der Turbine und/oder des Generators kommen kann. Insbesondere können Resonanzfrequenzen angeregt werden, die zu einer Zerstörung des Stromgeneratorsystems führen können.
  • Durch das zugeschaltete dissipative Element kann wenigstens ein Teil dieser der Turbine zugeführten Energie vernichtet werden, so dass die Turbine nicht mehr auf unzulässig hohe Drehzahlen beschleunigt wird. Im weiteren Verlauf eines Lastabwurfes können die Turbine und der Generator durch das dissipative Element abgebremst werden, bis sie schließlich bevorzugt stillgesetzt werden, wenn die gesamte der Turbine zugeführte Energie vernichtet worden ist. Um die Betriebsbereitschaft des Systems aufrechtzuerhalten und insbesondere ein schnelles Wiederanfahren der Turbine und des Generators zu ermöglichen, muss die Turbine jedoch nicht bis zum Stillstand abgebremst werden. Es kann vielmehr vorteilhaft sein, in dem dissipativen Element nur soviel Energie zu dissipieren, dass ein Durchgehen der Turbine verhindert wird, diese also auch im Falle eines Lastabwurfes mit einer, bevorzugt verringerten, Drehzahl weiterläuft.
  • Die durch das dissipative Element vernichtete Energie kann vorzugsweise wenigstens der von den Verbrauchern des Verbraucherstromkreises, beispielsweise in einem Auslegungspunkt, verbrauchten Energie entsprechen, so dass es, ausge hend von einem Lastabwurf in diesem Auslegungspunkt, zu keiner Beschleunigung der Turbine bzw. des Generators kommt. Gleichermaßen kann die durch das dissipative Element vernichtete Energie auch größer als die von den Verbrauchern des Verbraucherstromkreises verbrauchte Energie sein, um so ein rasches Abbremsen der Turbine und des Generators zu bewirken. In einer alternativen Ausführung kann die durch das dissipative Element vernichtete Energie auch geringer als die von den Verbrauchern des Verbraucherstromkreises verbrauchte Energie sein, um ein sanftes Abbremsen der Turbine und des Generators zu bewirken und Drehstöße zu vermeiden.
  • In einer bevorzugten Ausführung hängt die vom dissipativen Element vernichtete Energie von der Drehzahl der Turbine bzw. des Generators ab. Damit werden die Vorteile der oben beschriebenen Ausgestaltungen kombiniert: bei hohen Drehzahlen, bei denen eine weitere Beschleunigung rasch zum Erreichen kritischer Drehzahlbereich führen würde, wird viel Energie vernichtet und die Turbine bzw. der Generator entsprechend stark abgebremst. Bei niedrigeren Drehzahlen kann ein sanftes und bauteilschonendes Abbremsen erfolgen. Dabei kann der Zusammenhang zwischen Drehzahl und vernichteter Energie gleichermaßen im Wesentlichen linear oder nichtlinear, insbesondere im Wesentlichen quadratisch sein, was einerseits eine ausreichende Sicherheit gegen ein Durchgehen der Turbine, andererseits ein sanftes Abbremsen gewährleistet.
  • Die von dem dissipativen Element vernichtete Leistung kann einstellbar sein. Damit kann die von der Turbine an den Generator abgegebene Leistung sehr einfach, zuverlässig und präzise gesteuert werden. Im Normalbetrieb kann so eine Leistungssteuerung des Generators realisiert werden, indem die Differenz zwischen der von der Turbine abgegebenen und der von dem Generator zu erzeugenden Energie – unter Berücksichtigung der bei der Übertragung und Umwandlung entstehendenden systembedingten Verluste – im dissipativen Element vernichtet wird. Dabei können vorteilhafterweise Totzeiten, die zwischen einer Änderung des die Turbine beaufschlagenden Arbeitsfluidstroms und einer Änderung der von der Turbine abgegebenen Leistung auftreten, verringert werden. Zudem ist es möglich, beispielsweise Schwankungen in dem Arbeitsfluidstrom auszugleichen.
  • Ein „Zuschalten" des dissipativen Elements kann insofern ein diskretes Einkoppeln in den Leistungsfluss von der Turbine zu dem Generator bezeichnen, insbesondere den Wechsel von einem Zustand, in dem das dissipative Element nicht mit dem Leistungsfluss verbundenen ist, zu einem Zustand, in dem die gesamte von der Turbine an den Generator abgegebene Leistung durch das dissipative Element übertragen und dort, wenigstens teilweise, vernichtet wird. Gleichermaßen bezeichnet „Zuschalten" auch ein kontinuierliches Einkoppeln des dissipativen Elements in den Leistungsfluss von der Turbine zu dem Generator derart, dass zunehmend mehr Leistung in dem dissipativen Element vernichtet wird.
  • Im Falle eines Lastabwurfes kann die Turbine mittels des einstellbaren dissipativen Elements entsprechend eines vorgegebenen Verlaufs abgebremst werden, so dass wiederum eine ausreichende Sicherheit gegen ein Durchgehen der Turbine, andererseits aber auch ein sanftes Abbremsen und ein Aufrechterhalten einer gewünschten Drehzahl realisiert werden kann, um insbesondere ein Wiederanfahren der Turbine zu erleichtern.
  • Turbine und Generator können, insbesondere im Falle eines Lastabwurfes, voneinander entkoppelt werden, so dass die Drehzahlerhöhung des einen Elements kein Durchgehen des anderen Elements bewirkt. Zudem kann so dem einen Element die in dem anderen Element gespeicherte kinetische Energie entzogen werden. In einer bevorzugten Ausführung bleiben Turbine und Generator jedoch auch im Falle eines Lastabwurfes miteinander gekoppelt, da hierdurch beide Elemente abgebremst werden und die innere Reibung des einen Elements zum Abbremsen des anderen Elements dient.
  • In einer besonders bevorzugten ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst das dissipative Element eine Drosselstelle, die in einer ersten Fluidpassage zwischen einer mit der Turbine gekoppelten Hydraulikpumpe und einem mit dem Generator gekoppelten Hydraulikmotor angeordnet ist. Bei dieser hydrauli schen Leistungsauskoppelung treibt die Turbine die Hydraulikpumpe an, die ein Hydraulikfluid zu dem Hydraulikmotor fördert, der seinerseits den Generator antreibt.
  • Die Drosselstelle kann hier durch ein oder mehrere Strömungshindernisse ausgebildet sein, an denen das von der Hydraulikpumpe zu dem Hydraulikmotor geförderte Hydraulikfluid Energie verliert. Insbesondere kann die Drosselstelle eine oder mehrere Drosselblenden umfassen. Hierdurch kann die in der Drosselstelle dissipierte Energie in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Druckdifferenz im Hydraulikfluid in weiten Bereichen einfach vorgegeben werden.
  • Vorteilhafterweise hängt dabei die Menge der dissipierten Energie von der Turbinendrehzahl ab: je höher diese ist, desto stärker fördert die Hydraulikpumpe Hydraulikfluid zu dem Hydraulikmotor, und desto mehr Energie wird an der Drosselstelle dissipiert. Somit wirkt eine Drosselstelle im Falle eines Lastabwurfs selbstregelnd hohen Turbinendrehzahlen und insbesondere einem Durchgehen der Turbine entgegen.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Drosselstelle konstruktiv sehr einfach und robust ausgebildet werden kann. Sie kann insbesondere Druckstößen, die bei einem plötzlichen Lastabwurf auftreten können, widerstehen und wirkt vorteilhaft dämpfend.
  • Die Drosselstelle kann zugeschaltet werden, indem die Hydraulikpumpe und der Hydraulikmotor an Stelle einer zweiten Fluidpassage, über die Pumpe und Motor im Normalbetrieb kommunizieren, über die erste Fluidpassage verbunden werden, in der die Drosselstelle ausgebildet ist. Hierzu muss lediglich zwischen der ersten und zweiten Fluidpassage umgeschaltet werden, wozu ein geeignetes Schaltventil, beispielsweise ein Magnetumschaltventil, vorgesehen sein kann. Dieses muss im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Schnellschlussklappen in einem Bypass, der die Turbine überbrückt, nicht für die Beaufschlagung mit heißem Gas oder Dampf ausgelegt werden und kann daher entsprechend einfacher, kostengünstiger und/oder mit einer geringeren Schaltzeit ausgebildet sein.
  • In einer alternativen Ausführung kommuniziert die erste Fluidpassage, in der die Drosselstelle ausgebildet ist, ständig mit der Hydraulikpumpe und dem Hydraulikmotor, wird jedoch im Normalbetrieb durch eine zweite Fluidpassage überbrückt. In einer solchen Parallelschaltung von erster und zweiter Fluidpassage strömt wenig Hydraulikfluid durch die erste Fluidpassage und die Drosselstelle, so dass das dissipative Element hier wenig Energie vernichtet. Im Falle eines Lastabwurfes muss nun nur die zweite Fluidpassage gesperrt werden, was beispielsweise durch ein Magnetsperrventil einfach, rasch und zuverlässig erfolgen kann. Das Hydraulikfluid wird damit gezwungen, durch die erste Fluidpassage zu strömen, wobei ein Teil der von der Turbine abgegebenen Leistung an der Drosselstelle dissipiert wird. Dadurch kann auch die Anzahl notwendiger Ventile reduziert werden, was die Ansteuerung verbessern und den Bauaufwand und den Platzbedarf reduzieren kann.
  • Vorteilhafterweise kann das Absperrventil in der zweiten Fluidpassage seinerseits als Drosselstelle wirken, solange es nicht vollständig geschlossen ist. Damit kann durch Steuerung der Schließstellung des Absperrventils, beispielsweise eines Schiebers, in der zweiten Fluidpassage die Größe der dissipierten Leistung vorgegeben werden. In gleicher Weise kann auch die in der ersten Fluidpassage angeordnete Drosselstelle variabel sein, was sich beispielsweise durch eine Drosselblende mit veränderbarem Durchmesser, einen einfahrbaren Schieber oder dergleichen realisieren lässt. Dann bedarf es nicht notwendigerweise einer zweiten Fluidpassage, da die Energiedissipation durch entsprechende Einstellung der Drosselstelle (beispielsweise Öffnen der Drosselblende; Herausfahren des Schiebers) gesteuert werden kann. Insbesondere durch eine solche Drosselstelle mit veränderbarem Energieverlust kann im Normalbetrieb die Generatorleistung einfach gesteuert werden. Wenn kein Lastabwurf vorliegt, kann die Energiedissipation so minimiert werden.
  • In einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst das dissipative Element einen elektrischen Widerstand, wobei der Generator wahlweise elektri sche Leistung in den Verbraucherstromkreis oder einen Stromkreis einspeisen kann, in dem der elektrische Widerstand angeordnet ist.
  • Tritt ein Lastabwurf auf, so wird der Generator von dem Verbraucherstromkreis getrennt, der nicht mehr genügend von der Turbine abgegebene Leistung aufnimmt, und mit dem Stromkreis verbunden, in dem der elektrische Widerstand angeordnet ist. In diesem wird dann ausreichend elektrische Leistung dissipiert, um ein Durchgehen der Turbine zu verhindern. Auch hier kann der Widerstand fest vorgeben oder vorteilhaft einstellbar sein, so dass die Turbine durch Vorgabe des Widerstandes und damit der an ihm abfallenden Leistung gezielt abgebremst werden kann.
  • Bevorzugt kann ein Umschalten zwischen dem Verbraucherstromkreis und dem Stromkreis, in dem der elektrische Widerstand angeordnet ist, sehr rasch und einfach mittels elektrischer oder elektronischer Bauteile bewirkt werden, womit vorteilhaft keine beweglichen Teile wie bei Schnellschlussklappen, Absperr- oder Umschaltventilen vorhanden sind.
  • In einer alternativen Ausgestaltung der zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung kann der Verbraucherstromkreis auch mit dem Generator verbunden bleiben, sofern beispielsweise ein Lastabwurf durch Wegfall eines parallel geschalteten Verbrauchers geschieht, der von dem Generator versorgte Stromkreis also weiter Strom führen kann. In diesem Fall kann das dissipative Element in Form eines elektrischen Widerstandes parallel oder in Serie zu den übrigen noch mit elektrischer Leistung versorgten Verbrauchern hinzugeschaltet werden. Durch die Veränderung des zugeschalteten elektrischen Widerstandes kann wiederum im Normalbetrieb die vom Generator in den übrigen Verbraucherstromkreis eingespeiste Leistung gesteuert bzw. geregelt werden.
  • In einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst das dissipative Element eine mechanische Bremse, insbesondere eine Reibbremse, und/oder eine elektromagnetische Bremse, insbesondere eine Wirbelstrombremse. Hierdurch kann auch bei herkömmlichen, mechanisch miteinander gekoppelten Turbinen und Generatoren ein Durchgehen der Turbine verhindert werden.
  • Eine Reibbremse kann beispielsweise auf die Abtriebswelle der Turbine oder die Antriebswelle des Generators wirken und lässt sich mechanisch besonders einfach und zuverlässig realisieren. Eine Wirbelstrombremse kann auch hohe von der Turbine abgegebene Leistungen vernichten, ohne dabei abgenutzt zu werden. Auch hier kann die dissipierte Leistung von der Turbinendrehzahl abhängen und so die vorstehend beschriebene vorteilhafte selbstregelnde Wirkung aufweisen.
  • Die erste, zweite und/oder dritte Ausführung können auch miteinander kombiniert werden. So kann eine Drosselstelle in einem Hydraulikkreislauf zwischen Turbine und Generator mit einer mechanischen Reibbremse oder einem elektrischen Widerstand kombiniert sein, um auch bei einem Ausfall eines Systems, insbesondere einer Leckage in dem Hydraulikkreislauf, zuverlässig ein Durchgehen der Turbine zu verhindern. Umgekehrt kann eine Drosselstelle die zu dissipierende Energie besonders gut vernichten, wobei insbesondere die dabei entstehende Wärme, in die die dissipierte Energie umgewandelt wird, wenigstens teilweise in dem Hydraulikfluid (zwischen) gespeichert werden kann. Daher kann bei einer Kombination der ersten, zweiten und/oder dritten Ausführung beispielsweise vorgesehen sein, dass im Falle eines Lastabwurfes zunächst durch eine Drosselstelle und/oder eine Wirbelstrombremse ausreichend Energie dissipiert wird, um ein Durchgehen der Turbine zu verhindern, und eine mechanische Reibbremse oder ein elektrischer Widerstand kann im Bedarfsfall hinzugeschaltet werden, falls Drosselstelle bzw. Wirbelstrombremse nicht ausreicht.
  • Zwischen der Turbine und dem Generator kann ein Getriebe angeordnet sein, welches die Turbinendrehzahl der Generatordrehzahl angleichen kann. Diese kann beispielsweise durch die gewünschte Netzfrequenz im Verbraucherstromkreis vorgegeben sein, in die der Generator elektrische Leistung einspeist. Bei dem Getriebe kann es sich beispielsweise um ein Stirnrad- oder ein Planetengetriebe handeln. Wird die Leistung hydraulisch aus der Turbine ausgekoppelt, so kann ein Getriebe zwischen Turbine und Hydraulikpumpe und/oder zwischen Hydraulikmotor und Generator angeordnet sein.
  • In dem dissipativen Element wird die von der Turbine abgegebene und zu vernichtende Leistung bevorzugt in Wärme umgewandelt. Bei einer Drosselstelle nach der ersten Ausführung erwärmt sich das Hydraulikfluid und die entsprechenden Fluidpassagen, bei einem elektrischen Widerstand nach der zweiten Ausführung erwärmt sich dieser, und bei einer mechanischen Bremse nach der dritten Ausführung erhöht sich die Temperatur von Bremsscheiben, Bremszangen, Elektromagneten und elektrischen Widerständen einer Wirbelstrombremse und dergleichen. Daher ist in einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung eine Kühlvorrichtung zur Abfuhr wenigstens eines Teiles der in dem dissipativen Element in Wärme umgewandelten Leistung vorgesehen. Die Kühlvorrichtung kann insbesondere einen oder mehrere Wärmetauscher umfassen, deren Abwärme vorteilhaft genutzt werden kann.
  • Bei der normalen Steuerung des Stromgenerators soll die Turbine mit einer vorgegebenen Menge Arbeitsfluid (Dampf, (Ab) Gas) beaufschlagt werden, im Falle eines Lastabwurfes von keinem Arbeitsfluid mehr. Daher ist in einer bevorzugten Ausführung stromaufwärts vor der Turbine eine Ventilanordnung vorgesehen, mit dem das Arbeitsfluid wahlweise der Turbine zugeführt werden kann. Die Ventilanordnung kann bevorzugt ein Umschaltventil umfassen, welches das Arbeitsfluid teilweise oder vollständig in eine Überbrückungsleitung umleiten kann, die die Turbine überbrückt, wenn diese beispielsweise im Falle eines Lastabwurfes nicht mehr mit dem Arbeitsfluid beaufschlagt werden soll. Aus der Überbrückungsleitung kann das Arbeitsfluid entweder direkt in die Umgebung abgegeben oder an einer stromabwärts nach der Turbine gelegenen Stelle wieder einer Arbeitsfluidableitung zugeführt werden. Hierzu kann die Ventilanordnung ein zweites Umschaltventil umfassen, welches ein Zurückströmen des Arbeitsfluides von der Überbrückungsleitung in die Turbine verhindern kann, um eine plötzliche Umkehr der Durchströmungsrichtung in der Turbine zu vermeiden. Gleichermaßen kann hierzu auch ein Rückschlagventil stromabwärts nach der Turbine vorgesehen sein. Das stromaufwärts vor der Turbine vorgesehene Umschaltventil kann durch zwei separate Schnellschlussklappen ersetzt sein, von denen eine die Überbrückungsleitung, die andere die Zufuhr zur Turbine absperren und die komplementär zueinander gesteuert werden.
  • Im Übrigen können zusätzlich die nach dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zur Steuerung einer Turbine und/oder zur Vermeidung eines Durchgehens der Turbine nach einem Lastabwurf vorgesehen sein. Diesbezüglich wird insbesondere auf die eingangs genannte DE 44 29 539 A1 und DE 694 11 298 T2 verwiesen, deren Inhalt insofern vollständig in Bezug genommen wird. Durch die erfindungsgemäße Einrichtung kann einerseits ein redundantes Sicherheits- und/oder Steuerungssystem geschaffen werden. Zum anderen kann eine erfindungsgemäße Einrichtung sehr rasch reagieren, da beispielsweise ein Magnetabsperrventil in der zweiten Fluidpassage der ersten Ausführung oder eine Umschaltung zu einem anderen Stromkreis in der zweiten Ausführung mit sehr geringer Verzögerung erfolgen kann. Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren können anschließend ausgeführt werden, wobei hier vorteilhafterweise keine raschen Reaktionszeiten der Stellglieder, beispielsweise der in der Arbeitsfluidzufuhr angeordneten Schnellschlussklappen notwendig sind. Somit können diese Stellglieder kostengünstiger ausgeführt werden.
  • Nach einem Verfahren nach einer Ausführung der Erfindung wird die von dem dissipativen Element vernichtete Leistung so eingestellt, dass die Differenz der von der Turbine abgegebene Leistung und einer Sollleistung, mit der der Generator betrieben werden soll, in dem dissipativen Element vernichtet wird. Die Einstellung der vernichteten Leistung kann manuell oder automatisch erfolgen und gleichermaßen als geschlossene Regelstrecke oder offene Steuerkette ausgebildet sein.
  • Nach einem Verfahren nach einer weiteren Ausführung der Erfindung wird das dissipative Element zur Vernichtung wenigstens eines Teils der von der Turbine abgegebenen Leistung zugeschaltet, falls ein Lastabwurf detektiert wird. Diese Zuschaltung kann bevorzugt automatisch erfolgen.
  • Bei einem Lastabwurf steigt aufgrund des niedrigeren anliegenden Gegendrehmoments die Turbinen- und Generatordrehzahl. Bei einer hydraulischen Leistungsauskoppelung sinkt dementsprechend der Druck im Hydraulikkreislauf. Dementsprechend kann ein Lastabwurf detektiert werden, falls die Drehzahl der Turbine und/oder die Drehzahl des Generators jeweils einen Grenzwert übersteigen und/oder der Hydraulikdruck einen Grenzwert unterschreitet. In diesem Fall kann die Sicherheitseinrichtung automatisch das dissipative Element zuschalten, um ein Durchgehen der Turbine zu verhindern. Anschließend oder gleichzeitig kann die Zufuhr von Arbeitsfluid zur Turbine reduziert oder gesperrt werden, indem das Arbeitsfluid umgeleitet und/oder die Erzeugung von Arbeitsfluid reduziert bzw. beendet wird.
  • Weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
  • 1 ein Stromgeneratorsystem mit einer Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung nach einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ein Stromgeneratorsystem mit einer Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung nach einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
  • 3 ein Stromgeneratorsystem mit einer Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung nach einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung.
  • 1 zeigt ein Stromgeneratorsystem mit einer Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung nach einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Das Stromgeneratorsystem umfasst eine Abgasturbine 1, die über eine Arbeitsfluidleitung 8 mit heißem Abgas aus einer Brennkraftmaschine beschickt wird. Unter Entspannung dieses Abgases treibt die Turbine eine Abtriebswelle an, deren Drehzahl in einem Getriebe 6 übersetzt wird. Ausgangsseitig ist das Getriebe mit einer Hydraulikpumpe 4.1 gekoppelt, die ein Hydraulikfluid (im Ausführungsbeispiel Hydrauliköl) durch eine zweite Fluidpassage 5.2 zu einem Hydraulikmotor 4.2 fördert und diesen dadurch antreibt.
  • Der Hydraulikmotor 4.2 ist seinerseits mit einem Generator 2 gekoppelt, der elektrische Leistung erzeugt und in einen Verbraucherstromkreis 7.1 mit einer Mehrzahl elektrischer Verbraucher (nicht dargestellt) einspeist. Die von der Turbine 1 abgegebene Leistung wird somit hydraulisch durch den Hydraulikreislauf 4 ausgekoppelt.
  • In der zweiten Fluidpassage 5.2 ist ein elektromagnetisches Absperrventil 5.3 angeordnet, welches in seinem unaktuierten Zustand die zweite Fluidpassage 5.2 sperrt und bei Anlegen eines Stromes an einen Elektromagneten des Absperrventils 5.3 die zweite Fluidpassage 5.2 öffnet. In einer ersten Fluidpassage 5.1, die die zweite Fluidpassage 5.2 und das darin angeordnete Absperrventil 5.3 überbrückt, ist eine Drosselstelle in Form einer Lochblende 3A angeordnet.
  • Im Normalbetrieb ist das elektromagnetische Absperrventil 5.3 durch Anlegen eines Stromes in seine geöffnete Stellung geschaltet, so dass das von der Hydraulikpumpe 4.1 geförderte Hydrauliköl im Wesentlichen durch die zweite Fluidpassage 5.2 strömt und so ohne große Verluste Leistung auf den Hydraulikmotor 4.2 überträgt.
  • Im Falle eines Lastabwurfes beispielsweise durch einen Leitungsbruch im Verbraucherstromkreis 7.1 sinkt der Drehwiderstand des Generators 2. In der Folge sinkt auch der Druck im Hydraulikreislauf 4, während die Turbine 1 und der Generator 2 beschleunigen. Eine Steuervorrichtung (nicht dargestellt) zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens detektiert bei Überschreiten eines Grenzwertes für die Turbinen- oder Generatordrehzahl oder bei Unterschreiten eines Grenzwertes für den Hydraulikdruck im Hydraulikkreislauf 4 den Lastabwurf und schaltet den Strom ab, mit dem das Absperrventil 5.3 beaufschlagt wird. Dieses schließt daraufhin und sperrt so die zweite Fluidpassage 5.2.
  • Die Turbine 1 wird – jedenfalls zunächst – weiterhin mit Arbeitsfluid beaufschlagt und treibt in der Folge die Hydraulikpumpe 4.1 an. Das von dieser geförderte Hydrauliköl muss nun aufgrund der gesperrten zweiten Fluidpassage 5.2 vollständig durch die erste Fluidpassage 5.1 strömen. Dabei wird an der Drosselstelle 3A ein Großteil der von der Turbine abgegebenen und von der Hydraulikpumpe 4.1 in das Hydraulikfluid eingetragenen Leistung in Wärme umgesetzt und dabei vernichtet. Die Wärme wird von dem Hydraulikfluid aufgenommen und in einem Wärmetauscher (nicht dargestellt) an die Umgebung abgegeben.
  • Beim Durchströmen der Drosselstelle 3A ergibt sich ein hoher Strömungswiderstand gegen die Förderung von Hydraulikfluid durch die Hydraulikpumpe 4.1. Dieser wirkt einer Drehung der Hydraulikpumpe 4.1 und damit der mit ihr über das Getriebe 6 gekoppelten Turbine 1 bremsend entgegen und verhindert so eine übermäßige Drehzahlerhöhung, insbesondere ein Durchgehen der Turbine.
  • In einer nicht dargestellten Abwandlung der ersten Ausführung ist keine zweite Fluidpassage 5.2 vorhanden. Die Drosselstelle 3A ist durch einen einfahrbaren Schieber realisiert, der im Falle eines Lastabwurfes in die erste Fluidpassage 5.1 einfährt und dort als Drosselstelle wirkt. Durch gezieltes teilweises oder vollständiges Ein- und Ausfahren des Schiebers kann darüber hinaus im Normalbetrieb die an den Generator abgegebene Leistung und damit die erzeugte elektrische Energie gesteuert werden.
  • 2 zeigt ein Stromgeneratorsystem mit einer Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung nach einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Mit der ersten Ausführung identische Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, so dass diesbezüglich auf die Erläuterungen zu ersten Ausführung verwiesen und nachfolgend nur auf die Unterschiede zwischen erster und zweiter Ausführung eingegangen wird.
  • Im Gegensatz zur ersten Ausführung ist hier keine Drosselstelle im Hydraulikkreislauf vorgesehen. Der Generator kann jedoch wahlweise mit dem Verbraucher stromkreis 7.1 oder einem Stromkreis 7.2 verbunden werden, in dem ein elektrischer Widerstand 3B angeordnet ist.
  • Wird bei Überschreiten eines Grenzwertes für die Turbinendrehzahl ein Lastabwurf detektiert, so wird der Generator 2 vom Verbraucherstromkreis 7.1 getrennt und mit dem Stromkreis 7.2 verbunden, in dem ein elektrischer Widerstand 3B angeordnet ist. In diesem wird die eingespeiste elektrische Leistung in Wärme umgesetzt und an die Umgebung abgegeben. Die solcherart vernichtete Leistung steht mit einem Teil der von der Turbine 1 abgegebenen Leistung im Gleichgewicht. Dies begrenzt ein Beschleunigen der Turbine 1 und des damit gekoppelten Generators 2 und verhindert so ein Durchgehen der Turbine.
  • Das Umschalten zwischen den beiden Stromkreisen 7.1 und 7.2 kann mittels elektrischer oder elektronischer Bauteile (nicht dargestellt) sehr rasch erfolgen, so dass ein Durchgehen der Turbine frühzeitig verhindert werden kann. Zudem steigt mit wachsender Erwärmung des Widerstandes 3B dessen elektrischer Widerstand an, so dass sich in selbstregelnder Weise die darin vernichtete Leistung mit zunehmender Dauer des Lastabwurfes, aber auch mit zunehmender Turbinendrehzahl und damit zunehmendem Strom, der in den Stromkreis 7.2 eingespeist wird, erhöht. Ein weiterer Vorteil der zweiten Ausführung besteht darin, dass der Verbraucherstromkreis 7.1, in dem ein Störfall, beispielsweise ein Leitungsbruch vorliegt, nach der Trennung vom Generator 2 nicht mehr mit Strom versorgt wird, was Kurzschlüsse in der gebrochenen Leitung und dergleichen verhindern kann.
  • 3 zeigt ein Stromgeneratorsystem mit einer Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung nach einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Wiederum wird nachfolgend nur auf die Unterschiede zur ersten und zweiten Ausführung eingegangen.
  • Zusätzlich zur ersten Ausführung ist in der dritten Ausführung eine zuschaltbare Wirbelstrombremse 3C zwischen Getriebe 6 und Hydraulikpumpe 4.1 angeordnet. Weiterhin ist ein Umschaltventil 8.1 in der Arbeitsfluidzufuhr 8 vorgesehen, das das Arbeitsfluid wahlweise zur Turbine 1 oder in eine Überbrückungsleitung leiten kann, die stromabwärts nach der Turbine in einem zweiten Umschaltventil 8.2 mit einer Arbeitsfluidableitung 8.3 verbunden werden kann.
  • Im Falle eines Lastabwurfes wird wie im ersten Ausführungsbeispiel das Magnetabsperrventil 5.3 geschlossen, so dass der Strömungswiderstand in der Drosselstelle 3A bremsend auf die Turbine 1 wirkt und so deren Durchgehen verhindert. Bis das Magnetabsperrventil 5.3 geschlossen und im Hydraulikkreislauf 4 ein ausreichender Hydraulikdruck aufgebaut ist, wird zusätzlich die Wirbelstrombremse 3C zugeschaltet, indem ein induktiver Stromkreis (nicht dargestellt) geschlossen wird. Sobald die Hydraulikpumpe 4.1 ein ausreichendes Bremsdrehmoment auf die Turbine 1 ausübt, wird die Wirbelstrombremse 3C geöffnet. Diese Ausführung ist zudem vorteilhaft redundant ausgelegt, da ein Durchgehen der Turbine 1 gleichermaßen durch Zuschalten der Drosselstelle 3A oder der Wirbelstrombremse 3C verhindert werden kann.
  • Zeitgleich werden die Ventile 8.1 und 8.2 von der in 3 gezeigten Stellung in ihre komplementären Stellungen geschaltet, so dass Arbeitsfluid aus der Arbeitsfluidzufuhr 8 direkt in die Arbeitsfluidableitung 8.3 geleitet wird, ohne die Turbine 1 zu beaufschlagen. Dabei ist eine langsame Reaktion der im heißen Abgasstrom angeordneten Ventile 8.1 und 8.2, die beispielsweise 30 s betragen kann, unkritisch, da ein Durchgehen der Turbine während der Zeit, bis die Arbeitsfluidzufuhr gestoppt wird, durch das dissipative Element 3A bzw. 3C verhindert wird. Dies gestattet insbesondere die Verwendung langsamerer und damit einfacherer und kostengünstigerer Ausführungen für die Ventile 8.1 und 8.2 an Stelle der bisher eingesetzten Schnellschlussklappen.

Claims (15)

  1. Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung für eine Turbine, insbesondere eine Abgasturbine (1), zum Antrieb eines Generators (2), umfassend ein zuschaltbares dissipatives Element (3) zur Vernichtung wenigstens eines Teils der von der Turbine (1) abgegebenen Leistung.
  2. Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung nach Anspruch 1, wobei das dissipative Element eine Drosselstelle (3A) umfasst, die in einer ersten Fluidpassage (5.1) zwischen einer mit der Turbine (1) gekoppelten Hydraulikpumpe (4.1) und einem mit dem Generator (2) gekoppelten Hydraulikmotor (4.2) angeordnet ist.
  3. Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Hydraulikpumpe (4.1) und der Hydraulikmotor (4.2) wahlweise über die erste Fluidpassage (5.1) oder eine zweite Fluidpassage (5.2) treibend miteinander verbindbar sind.
  4. Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Hydraulikpumpe (4.1) und der Hydraulikmotor (4.2) über eine zweite Fluidpassage (5.2) treibend miteinander verbunden sind, die die erste Fluidpassage (5.1) überbrückt und durch ein Ventil, insbesondere ein Magnetventil (5.3) absperrbar ist.
  5. Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung nach Anspruch 1, wobei das dissipative Element einen elektrischen Widerstand (3B) umfasst, und wobei der Generator (2) wahlweise elektrische Leistung in einen Verbraucherstromkreis (7.1) oder einen Stromkreis (7.2) einspeisen kann, in dem der elektrische Widerstand (3B) angeordnet ist.
  6. Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung nach Anspruch 1, wobei das dissipative Element eine mechanische Bremse, insbesondere eine Reibbremse, und/oder eine elektromagnetische Bremse, insbesondere eine Wirbelstrombremse, umfasst.
  7. Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der Turbine (1) und dem Generator (2) ein Getriebe (6) angeordnet ist.
  8. Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die von dem dissipativen Element vernichtete Leistung einstellbar ist.
  9. Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiter eine Kühlvorrichtung zur Abfuhr einer in dem dissipativen Element (3) in Wärme umgewandelten Leistung umfasst.
  10. Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiter eine stromaufwärts angeordnete Ventilanordnung (8.1) umfasst, mit dem ein Arbeitsfluid wahlweise der Turbine (1) zugeführt werden kann.
  11. Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung nach Anspruch 10, wobei die stromaufwärts angeordnete Ventilanordnung (8.1) ein Umschaltventil umfasst, welches das Arbeitsfluid wahlweise zu der Turbine (1) oder einer Überbrückungsleitung lenkt, welche die Turbine überbrückt.
  12. Stromgeneratorsystem mit einer Turbine (1), einem damit gekoppelten Generator (2) und einer Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  13. Verfahren zum Betrieb eines Stromgeneratorsystems nach Anspruch 12 mit den Schritten: Antreiben des Generators (2) mit der Turbine (1); und Steuern des von dem dissipativen Element (3) vernichteten Teils der von der Turbine (1) abgegebenen Leistung derart, dass an den Generator eine Sollleistung abgegeben wird.
  14. Verfahren zum Betrieb eines Stromgeneratorsystems nach Anspruch 12 mit den Schritten: Antreiben des Generators (2) mit der Turbine (1); und Zuschalten des dissipativen Elements (3) zur Vernichtung wenigstens eines Teils der von der Turbine (1) abgegebenen Leistung, falls ein Lastabwurf detektiert wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei ein Lastabwurf detektiert wird, falls die Drehzahl der Turbine und/oder die Drehzahl des Generators einen Grenzwert übersteigt.
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