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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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").
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Aufgaben, Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und
den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt,
teilweise schematisiert:
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1 ein
Stromgeneratorsystem mit einer Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung
nach einer ersten Ausführung
der vorliegenden Erfindung;
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2 ein
Stromgeneratorsystem mit einer Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung
nach einer zweiten Ausführung
der vorliegenden Erfindung; und
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3 ein
Stromgeneratorsystem mit einer Sicherheits- und/oder Steuereinrichtung
nach einer dritten Ausführung
der vorliegenden Erfindung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.