DE102011083721B4

DE102011083721B4 - Turbinenüberdrehzahlschutzvorrichtung zum sicheren Abschalten von Magnetventilen einer Turbine

Info

Publication number: DE102011083721B4
Application number: DE102011083721.3A
Authority: DE
Inventors: Axel Zindler; Michael Naumann; Bernd Haase
Original assignee: Ellenberger and Poensgen GmbH; Siemens AG
Current assignee: Ellenberger and Poensgen GmbH; Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2020-06-18
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: DE102011083721A1

Abstract

Turbinenüberdrehzahlschutzvorrichtung zum sicheren Abschalten von Magnetventilen einer Turbine, mit zumindest dreikanaligen Steuersignalen (A1,A2,A3) zum Ansteuern der Magnetventile, einem zweipoligen steuerbaren Lastanschluss (L+,L-) zur Spannungsversorgung der Magnetventile, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeden der beiden steuerbaren Lastanschlusspole (L+,L-) und dazugehörigen Spannungsversorgungspolen (V+,V-) jeweils zwei ansteuerbare Leistungshalbleiterschalter (HE+,HD+,HE-,HD-) in Reihe geschaltet sind, und wobei der jeweilige lastseitige Leistungshalbleiterschalter (HE+,HE-) mittels einer Mehrheitsentscheidungseinrichtung (10) für die zumindest dreikanaligen Steuersignale (A1,A2,A3) angesteuert wird, und wobei der jeweilig andere Leistungshalbleiterschalter (HD+,HD-) durch eine Fehlerüberwachungseinrichtung (20), die mittels entsprechend angeordneter Zustandsüberwachungseinrichtungen die Funktionalität der Entscheidungseinrichtung (10) und der damit angesteuerten Leistungshalbleiterschalter (HE+,HE-) überwacht, angesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenüberdrehzahlschutzvorrichtung zum sicheren Abschalten von Magnetventilen einer Turbine gemäß Anspruch 1.
Turbinenüberdrehzahlschutzvorrichtungen sind beispielsweise aus der US 4 217 617 A bekannt. Aus der DE 41 37 048 A1 und der DE 201 21 788 U1 sind Überwachungs- und Sicherheitsschaltungen für Leistungsschalter, insbesondere für Halbleiterschalter bekannt. Die Offenlegungsschrift DE 22 54 250 A offenbart eine Einrichtung zur Überwachung der Turbinendrehzahl, die auf elektronischen Überwachungskanälen aufgebaut ist.
Magnetventile in Gas- und Dampfturbinen müssen insbesondere in Gefahrensituationen schnell, zuverlässig und fehlersicher abschalten können. Dazu werden Komponenten benötigt, die nach der Norm IEC 61508 „funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektronischer Systeme“ die Sicherheitsanforderungsstufe SIL3 erfüllen. Das heißt, dass innerhalb von 20ms entweder bei einzelnen Ansteuermagnetventilen Ströme im Bereich von ca. 2A bei 24V Gleichspannung oder bei allen Ansteuermagnetventilen Gesamtströme von bis zu 80A bei 24V Gleichspannung fehlersicher geschaltet werden müssen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbinenüberdrehzahlschutzvorrichtung bereit zu stellen, mit der ein solches sicheres Abschalten von Magnetventilen einer Turbine gewährleistet ist.
Gelöst wird diese Aufgabe mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Turbinenüberdrehzahlschutzvorrichtung, mit zumindest dreikanaligen Steuersignalen zur Ansteuerung der Magnetventile, einem zweipoligen steuerbaren Lastanschluss zur Spannungsversorgung der Magnetventile, wobei zwischen jeden der beiden steuerbaren Lastanschlusspole und der dazugehörigen Spannungsversorgungpole jeweils zwei ansteuerbare Leistungshalbleiterschalter in Reihe geschaltet sind, und wobei der jeweilige lastseitige Leistungshalbleiterschalter mittels einer Mehrheitsentscheidungseinrichtung für die zumindest dreikanaligen Steuersignale angesteuert wird, und wobei der jeweilig andere Leistungshalbleiterschalter durch eine Fehlerüberwachungseinrichtung, die mittels entsprechend angeordneter Zustandsüberwachungseinrichtungen die Funktionalität der Entscheidungseinrichtung und der damit angesteuerten Leistungshalbleiterschalter überwacht, angesteuert wird.
Dadurch, dass jeweils zwei Leistungshalbleiterschalter in Reihe geschaltet sind und jeder von einer eigenen Einrichtung, hier der eigentlichen Ansteuerung mittels einer Mehrheitsentscheidungseinrichtung der zumindest dreikanaligen Steuersignale und der weiteren Ansteuerung durch die Fehlerüberwachungseinrichtung, angesteuert wird, kann auch beim Ausfall eines Leistungshalbleiterschalters weiterhin der sichere Betrieb der Turbine gewährleistet werden. Die Magnetventile können so auch im Fehlerfall noch innerhalb der durch die Norm vorgegebenen Werte schnell, zuverlässig vor allem fehlersicher angesteuert und damit geschaltet werden.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Turbinenüberdrehzahlschutzvorrichtung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung soll nun anhand einer Figur beispielhaft erläutert werden. Dargestellt ist eine Ausführungsform einer dreikanaligen Ansteuerung mit A1, A2 und A3. Die zu schaltende Spannungsversorgung erfolgt über die beiden Leitungen von den Spannungsversorgungspolen V+ und V- zu den entsprechend ansteuerbaren Lastanschlusspolen L+ und L-. An die Lastanschlusspole können die ein- bzw. auszuschaltenden Aktoren, wie beispielsweise Magnetventile einer Gas- oder Dampfturbine, direkt oder auch indirekt über weitere fehlersichere Schaltungen angeschlossen werden. Zwischen jeden der beiden Lastanschlusspole L+ und L- und den dazugehörigen Spannungsversorgungspolen V+ und V- sind jeweils zwei ansteuerbare Leistungshalbleiterschalterschalter HE+ und HD+ sowie HE- und HD- in Reihe geschaltet.
Vorrangig erfolgt hier das Ein- und Ausschalten der Magnetventile durch die beiden lastseitigen Leistungshalbleiterschalterschalter HE+ und HE-, die mittels einer Mehrheitsentscheidungseinrichtung 10 aus den dreikanaligen Steuersignalen A1 bis A3 heraus angesteuert werden. Damit übernehmen die beiden lastseitig angeordneten Leistungshalbleiterschalter HE+ und HE- über die Logiksteuerung der Mehrheitsentscheidungseinrichtung 10 die Hauptansteuerung der Magnetventile im sicherheitsrelevanten Betriebspfad. Die Logiksteuerung besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel für jeden der zu schaltenden Spannungsversorgungspfade aus einer zwei-aus-drei Entscheidungslogik (2v3) aus den drei Steuersignalen A1 bis A3. Entsprechend dem Ergebnis der Mehrheitsentscheidungslogiken werden dann die Leistungshalbleiterschalter HE+ und/oder HE- angesteuert.
Die beiden andere Leistungshalbleiterschalter HD+ und HDdienen dem sicheren Abschalten im Falle eines Ausfalls von Komponenten in der Hauptsteuerung 10. Dazu ist neben der Mehrheitsentscheidungseinrichtung als Hauptsteuerung 10 eine Fehlerüberwachungseinrichtung 20 vorgesehen, die mittels entsprechend angeordneter Zustandsüberwachungseinrichtungen (D, E und F) die Funktionalität der Mehrheitsentscheidungseinrichtung und der damit angesteuerten Leistungshalbleiterschalter HE+ und HE- überwacht. Die hier zur Anwendung kommenden Zustandsüberwachungseinrichtungen können dabei sowohl diskret aufgebaute oder auch auf Mikroprozessoren beruhende Logikschaltungen sein, wobei aus Kostengründen in aller Regel diskret aufgebaute Schaltungen zu bevorzugen sind.
Die Überwachung der beiden 2v3 Entscheidungslogiken kann so durch eine einfache Zustandsüberwachung E der Ausgänge der beiden 2v3 Entscheidungslogiken mit einer entsprechenden Plausibilitätskontrolle („Ok“,„FAIL“) erfolgen. Weitere Zustandsüberwachungseinrichtungen D und F mit Plausibilitätskontrolle („ON“,„OFF“) sind parallel zu den beiden Leistungshalbleiterschaltern HE+ und HE- angeordnet. Von der Fehlerüberwachungseinrichtung 20 werden nun diese Plausibilitätskontrollen von D, E und F regelmäßig abgefragt und logisch verarbeitet. Entsprechen die Schaltzustände der beiden Leistungshalbleiterschalter HE+ und HE- den logischen Zuständen am Ausgang der beiden 2v3-Logikbaugruppen, ergibt auch die Fehlerdiagnose 40 der Logiksignale E, D und F durch die Fehlerüberwachungseinrichtung 20, dass die gewünschte Ansteuerung von HE+ und HE- umgesetzt wurden, so dass die beiden Leistungshalbleiterschalter HD+ und HD- weiter eingeschaltet bleiben. Ergibt dagegen die Fehlerdiagnose einen abweichenden Zustand zwischen 2v3-Logikansteuerung und den Leistungshalbleiterschaltern, zum Beispiel D=„ON“ und F=„OFF“ obwohl E=„OK“, wird die Fehlerdiagnoseschaltung 40 der Fehlerüberwachungseinrichtung 20 die beiden Leistungshalbleiterschalter HD+ und HD- über eine Steuerschaltung 50 so ansteuern, dass die beiden lastseitigen Pole L+ und L- sicher von den beiden Spannungsversorgungspolen V+ und V- getrennt werden. Die Steuerschaltung 50 kann dabei nebem dem sicheren Sperren der Schalter HD+ und HD-noch weitere Funktionen umfassen, wie beispielsweise das Generieren von internen Hilfsspannungen oder die Erzeugung von Referenzspannungen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zusätzlich noch Entkopplungseinrichtungen 30 in den Steuerleitungen zwischen Mehrheitsentscheidungseinrichtung 10 und Fehlerüberwachungseinrichtung 20 auf der einen Seite und den entsprechenden Leistungshalbleiterschaltern HE+ und HE- sowie HD+ und HDauf der anderen Seite vorgesehen, um Letztere von den Logiksteuerungen 10 und 20 zu entkoppeln.
Zusätzlich sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel Zustandsüberwachungseinrichtungen B und C vorgesehen, mit denen die beiden spannungsversorgungsseitigen Leistungshalbleiterschalter HD+ und HD- zyklisch auf ihre Funktion überprüft werden können. Dies kann beispielsweise durch kurzes Sperren der Leistungshalbleiterschalter erfolgen. Die entsprechenden Plausibilitätsergebnisse der Zustandsüberwachungseinrichtungen A und C werden von der Fehlerdiagnoseschaltung 40 mit überwacht, so dass hier auch ein sicherer Betrieb dieser Leistungshalbleiterschalter gewährleistet werden kann.
Zusätzliche Zustandsüberwachungseinrichtungen A und G mit entsprechenden Plausibilitätsergebnissen zwischen den beiden steuerbaren Lastanschlusspolen L+ und L- und zwischen den beiden Spannungsversorgungspolen V+ und V- zum Monitoren der Spannungsversorgung kann die sichere Abschaltung durch weitere Sicherheitsabfragen weiter verbessert werden. So kann mit der Zustandsüberwachungseinrichtung A überwacht werden, ob die Versorgungsspannung innerhalb der Spezifikation der Betriebsspannung liegt, oder mit der Zustandsüberwachungseinrichtung G eine unabhängige Überwachung erfolgen, ob am Ausgang überhaupt eine Spannung anliegt oder nicht.
Erfindungswesentlich ist bei allen Ausführungen, dass ein Fehler oder eine Fehlfunktion sofort erkannt wird und auch im Fehlerfall ein sicheres Ansteuern und damit insbesondere ein sicheres Abschalten der zu steuernden Magnetventile sichergestellt wird. Durch die erfindungsgemäß ausgebildete Schutzvorrichtung können so geringere Anforderungen an den Betriebspfad gestellt werden, es ist also keine SIL 3 Auslegung der Mehrheitsentscheidungseinrichtung 10 als quasi Hauptsteuerung notwendig, was den Aufwand und das Design erheblich vereinfacht. Vielmehr dient der Diagnosepfad 20 mit Selbstüberwachung einer weiteren sicheren zweipoligen Abschaltung der Magnetventile, sobald ein Fehler vorliegt. Insgesamt ergibt sich so durch die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung eine einfache und sichere eins-von-vier (1004) Struktur für die Komponenten im Sicherheitskreis, wobei diese aber auch selbst wieder redundant ausgelegt werden könnte.

Claims

Turbinenüberdrehzahlschutzvorrichtung zum sicheren Abschalten von Magnetventilen einer Turbine, mit zumindest dreikanaligen Steuersignalen (A1,A2,A3) zum Ansteuern der Magnetventile, einem zweipoligen steuerbaren Lastanschluss (L+,L-) zur Spannungsversorgung der Magnetventile, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeden der beiden steuerbaren Lastanschlusspole (L+,L-) und dazugehörigen Spannungsversorgungspolen (V+,V-) jeweils zwei ansteuerbare Leistungshalbleiterschalter (HE+,HD+,HE-,HD-) in Reihe geschaltet sind, und wobei der jeweilige lastseitige Leistungshalbleiterschalter (HE+,HE-) mittels einer Mehrheitsentscheidungseinrichtung (10) für die zumindest dreikanaligen Steuersignale (A1,A2,A3) angesteuert wird, und wobei der jeweilig andere Leistungshalbleiterschalter (HD+,HD-) durch eine Fehlerüberwachungseinrichtung (20), die mittels entsprechend angeordneter Zustandsüberwachungseinrichtungen die Funktionalität der Entscheidungseinrichtung (10) und der damit angesteuerten Leistungshalbleiterschalter (HE+,HE-) überwacht, angesteuert wird.
Turbinenüberdrehzahlschutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Mehrheitsentscheidungseinrichtung (10) und der Fehlerüberwachungseinrichtung (20) auf der einen Seite und den jeweiligen Leistungshalbleiterschaltern (HE+,HD+,HE-,HD-) auf der anderen Seite Entkopplungseinrichtungen (30) vorgesehen sind.
Turbinenüberdrehzahlschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den spannungsversorgungsseitigen Leistungshalbleiterschaltern (HD+,HD-) weitere Zustandsüberwachungseinrichtungen zu deren zyklischen Funktionsprüfung durch die Fehlerüberwachungseinrichtung (20) vorgesehen sind.
Turbinenüberdrehzahlschutzeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Lastanschlusspolen (L+,L-) eine Monitoreinrichtung vorgesehen ist, die von der Fehlerüberwachungseinrichtung (20) überwacht wird.
Turbinenüberdrehzahlschutzeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Spannungsversorgungspolen (V+,V-) eine weitere Monitoreinrichtung vorgesehen ist, die von der Fehlerüberwachungseinrichtung (20) überwacht wird.