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Verfahren und Einrichtung zur Verbesserung der Abscha.ltsicherheit
beim Betrieb von Turbosä*tzen Um ein Durchgehen von Turbosätzen bei Störungsfällen
(z. B. Klemmen eines Regelventils) zu verhindern, werden vor den Regelventilen Schnellschlußventile
angebracht, welche bei der sogenannten Schnellschlußdrehzahl ansprechen. Soll eine
Turbine im Störungsfall nicht über 25 % Überdrehzahl erreichen, so muß die Schnellschlußdrehzahl,
d. h. die Drehzahl, bei welcher die Schnellschlußeinrichtung zum Auslösen gebracht
wird, wesentlich kleiner sein.
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Gängige Werte Liegen bei etwa 10 bis 13 % Überdrehzahl über der Nenndrahzahl.
Bekanntgeworden ist eine Vorrichtung zur Begrenzung der Drehzahl von mi-t Drucköl
gesteuerten Dampf oder Gasturbinen) welche eine Schnellschlußvorrichtung besitzen
(deutsche Patentschrift 572 205), Damit bei einem plötzlichen Lastabwurf nich-t
sogleich der Schnellschluß zum Ansprechen gebracht wird, ist hierbei vorgesehen,
daß nach Überschreitung der Leer-Laufdrehzahl, jedoch vor Erreichen der Drehzahl,
welche die Auslösung des Schnelischlusses bewirkt, von den Regelorganen aus ein
zusätzlicher Ölabflußquerschnitt freigegeben wird, welcher das Schließen der Regelventile,
nicht aber des Schnelischlusses bewirkt. In nellerer Zeit sind derartige Vorrichtungen
als sogenannte Lastabwurfrelais realisiert worden, weiche im falle eines plötzlichen
Lastabwurfes momen-tan ansprechen und durch kurzzeitige Freigabe eines Ablaufquerschnittes
den Sekundäröldruck im hydraulischen Regelkreis absenken, so daß die Regelventile
eine Schließbewegung ausführen. Diese Vorrichtungen haben sich an sich bewährt;
alleine genügen sie jedoch Ln vielen Fällen noch nicht, um dem heute gesteilgerten
Sicherheitsbedürfnis bei Dampfturbinenanlagen Rechnung zu tragen. Treten nämlich
Klemmungen an den Regelventilen oder andere Störungen an diesen Ventilen auf, so
wird, obwohl der Regler auf Schließen der Regelventile einwirkt,
eine
zu hohe Dampfmenge durchgelassen, was zur Folge hat, daß die Schnellschlußeinrichtung
ansprechen muß. Hier nützt auch nicht cas Absenken des öldruckes, da hierauf ein
gestörtes RegeLventil reicht rea.giert. Insbesondere treten diese Probleme bei Turbosätzen
für Atomkraftwerke auf, also sogenanten Sattdampfturbosätzen. In derartigen Sattdampfturbosätzen
sind relativ große Dampfmengen gespeichert, da die Gehäuse, die Leitungen, Überhitzer,
Zyklone und dgl. erhebliche Speichervolumina darsteLlen.
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Durch Drehklappen vor dem Niederdruck teil versucht man zwar zu verhindern,
daß die gespeicherten Dampfmengen vollständig in Niederdruckteile expandieren und
die Drehzahl über 12,5 % (oder wen.iger) hinaus, bezogen auf die Nenndrehzahl, ansteigen
lassen.
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Die Klappen müssen jedoch wegen der großen Querschnitte selbst sehr
groß sein und, mit sie schnell genug schließen, von sehr großen Drehkolben betätigt
werden. Diese Vorrichtungen sind re lativ teuer und bringen eine Reihe zusätzlicher
Probleme mit sich (Ansteigen des Dampfdruckes vor den Klappen, besonders bei klem
mendem Regelventil; nur schwere Öffnungsmöglichkeit der Klappen gegen einen Dampfdflick
bei normaler Abschaltung u.s.f.). Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
vorgenannten Nachteile und Schwierigkeiten zu übersinden, d .h. für Turbosätze einen
Gewinn an Abschaltaicherheit zu erzielen, ohne daß hierfür große Aufwendungen erforderllch
wären.
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Gegenstand der Erfindung ist nunmehr ein Verfahren zur Verbesserung
der Abschaltsicherheit beim Betrieb von Turbosätzen, welche zur Regelung und Absperrung
des Treibmittelflusses zu den Turbinenteilen (HD-, 2CD- und/oder ND-Teilen) mit
Regel- und Schnellschlußventilen versehen sind, wobei im Falle einer Lastabsenkung
die Regelventile im Schließsinne betätigt werden, und die Schnell schlußventiie
vom mechanischen Drehzahlwächter einer Schnellschlußeinrichtung bei Überschreiten
der Schnellschlußdrehzahl Schließbefehl erhalten, vorzugsweise für Sattdampfturbosätze,
deren Gehäuse, Leitungen, Uberhitzer, Zyklone u. dgl . erhebliche Speichervolumina
für den Dampf bilden, und bei denen ggf. Ab blasseinrichtungen vorgesehen sind.
Die Erfindung besteht darin, daß bei einer Lastabsenkung zum Zeitpunkt t0 = 0 die
Sprungfunktion
einer elektrischen Größe gebildet und aus dieser
Sprungfunktion eine dem vorher berechneten Drehzahlverlauf des Abfang-Vorganges
analoge Grenzwertkurve abgeleitet wird, deren Scheitelpunkt unterhalb der Auslösedrehzahl
des mechanischen Drehzahlwächters liegt, daß mit dieser'Grenzwertkurve eine den
tatsächlichen Drehzahlverlauf wiedergebende Istwertkurve einer weiteren elektrischen
Größe in Vergleich gesetzt wird und daß mindestens dann, wenn die Istwertkurve sich
der Grenzwertkurve unter Unterschreitung eines minimalen Abstandes nähert, ein resultierendes
Auslöses-ignal auf die Schnellschlußeinrichtung zum Schließen der Schnellschlußventile
und ggf. zum Öffnen der Abblaseventile gegeben wird. Die mit der Erfindung erreichbaren
Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß der Grenzwertkurve jeder gewünschte
Verlauf gegeben werden kann abhängig von den individuellen Eigenschaften des Turbosatzes
und daß auf diese Weise bei Störungen während des Abfangvorganges, d. h. insb. bei
einem oder mehreren klemmenden Regelventilen, die Schnellschlußeinrichtung noch
vor Ansprechen des mechanischen Drehzahlwächters Auslösebefehl erhalten kann, so
daß der Turbosatz mit Sicherheit weit vor Erreichen der Schleuderdrehzahl abgefangen
werden kann. Die Grenzdrehzahlkurve kann aus Berechnungen der Vollasta.bscha.ltung,
die durch Messungen bei Inbetriebna.hme der Maschine korrigiert werden, ermittelt
werden. Die Annäherung der Istwertkurve a.n die Grenzwertkurve unter Unterschreitung
eines minimalen Abstandes soll hier wie im folgenden bedeuten, daß die Istwertkurve
die Grenzwertkurve fast erreicht, tangiert oder schneidet, d. h. diese Einstellmöglichkeiten
für die zugehörigen Steuer- und Regelt in richtung sind gegeben.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Vergleich der Istwertkurve
mit der Grenzwertkurve zur Gewinnung eines sekundären Ansprechkriteriums herangezogen
wird, das die Abgabe eines Auslösesignals bereits dann veranlaßt, wenn der Anstieg
einer aus Grenzwert- und Istwertkurve gebildeten Drehzahldifferenzkurve t n (t)
einen Sollwert unterschreitet, der jeweils einem unterhalb der Grenzwertkurve liegenden
fiktiven Ansprechdrehzahlwert entspricht, und daß im Sinne einer Oder-Bedingung
Auslösung dann erfolgt, wenn
die Istwertkurve sich der Grenzwertkurve
um einen Minimalwert nähert (d. h. die Grenzwertkurve fast erreicht, tangiert oder
schneidet) oder ein Auslösesignal des sekundären Ansprechkriteriums vorliegt. Auf
diese Weise kann im Sinne einer verbesserten Prophylaxe bereits die Tendenz der
Istwertkurve ermittelt und zur Auslösung herangezogen werden. Beispielsweise kann
es sein, daß die Regelventile wohl etwas drosseln aber nicht voll schließen. Obwohl
sich damit der Abstand der Istwertkurve von der Grenzwertkurve zunächst vergrößert
hat, kann er noch vor dem Abfangen wieder linear ansteigen, und dieser Anstieg wird
rechtzeitig erfaßt, d. h. noch bevor die*Istwertkurve a.n die Grenzwertkurve herankommt.
Gemäß einem Verfahrensmerkma.l ist die durch das sekundäre Ansprechkriterium gestellte
zweite Oder-Bedingung da.nn erfüllt, wenn die irehzahldifferenzkurve ß n (t) ein
Maximum durchläuft bzw+ ihre erste Ableitung das (t)/dt entsprechend einer Drehbeschleunigungsdiffere'nzkurve,
durch Null geht.
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Es ist jedoch stattdessen oder in Ergänzung hierzu auch möglich, daß
eine zweite bzw. dritte Oder-Bedingung bereits dann erfüllt ist, wenn die erste
Ableitung den (t)/dt der Drehza.hldifferenzkurve t n (t) ein Maximum durchläuft
bzw. ihre zweite Ableitung
unter Unterschreitung eines Minimalwertes negativ wird.
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Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden
dann, wenn nach dem Abfangen des Turbosatzes, d. h. bereits fallender Istwertkurve
und damit nur kleinen Überdrehzahlwerten, die Differenzkurve tn (t) einen Minimalwert
überschreitet, die Auslösesignale der sekundären Ansprechkriterien blockiert bzw.
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gelöscht.
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Diese Maßnahme ist deshalb vorteilhaft, weil bei sehr niedrigen Überdrehza.hl-Istwerten
eine hohe Wahrscheinlichkeit für die ordnungsgemäßB Funktion der Regelventile bei
dem betreffenden Ab -fangvorgang gegeben ist, so daß das primäre Auslösekriterium
neben dem mechanischen Drehzahlwächter zur Überwachung ausreicht. Sollte am Ende
des Abfangvorganges ein neuer Lastsprung
auftraten, so muß ohnehin
eine neue Sprungfunktion ab einem neuen Zeitpunkt t0 zugehörig zur neuen Lastabsenkung
gebildet werden.
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Vielfach ist im Lastsprungfalle zum Zeitpunkt t0 bereits eine gewisse
Überdrehzahl gegeben, so daß es nicht sinnvoll ist, die Grenzwertkurve bei der Nenndrehzahl
des Turbosatzes beginnen zu lassen. Gemäß einem weiteren vorteilhaften Verfahrensmerkmal
sieht die Erfindung deshalb vor, daß dann, wenn zum Schaltzeitpunkt t0 eine über
der Nenndrehzahl n0 um den Betrag n = nist - n0 liegende Überdrehzahl vorhanden
ist, der Grenzwertkurve eine der momentanen Drehzahldifferenz # n zum Zeitpunkt
t0 a.naloge konstante elektrische Größe überlager-t wird, welche die Grenzwertkurve
urn den Betrag # n0 anhebt.
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Gegenstand der Erfindung is-t auch eine Einrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche in der Hauptsache dadurch gekannzeichnet
ist, daß ein elektrischer Funktionsgenerator vorgesehen ist, welchem eingangssei-tig
eine Spannungs- oder Stromsprungfunktion zuleitbar ist, und der ausgangsseitig eine
Auswerteeinrichtung mit einer der Drehzahl-Grenzwer tkurve en--tsprechenden zeitabhängigen
elektrischen Größe einspeist, wobei der Auswerteeinrichtung eingangsseitig ferner
die der Drehzahl-Istwertkurve entsprechende zeitabhängige elektrische Größe von
eine; Drehtzahlmeßeinrichtung zuleitbar ist und die Auswerteelnrichtung ausgangaseitig
an die Schnellschlußeinrichtung zur Abgabe des Auslöseslgnals angeschlossen ist,
wobei das Auslösesignal dann abgegeben wird, wenn sich die Istwertkurve der Grenzwertkurve
unter Unterschreitung eines minimalen Abstandes nähert.
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Weitere Merkmale und Vorteile sowie die Wirkungsweise der Erfindung
werden im folgenden anhand der mehrere Ausführungsbeispiele darstellenden ZeLchnung
erläutert, in welcher zeigen: Fig. 1 in qualitativer Darstellung ein Diagramm, in
welchem über der Zeitachse t, beginnend beim Zeitpunkt t0 der Verlauf einer Grenzwertkurve,
einer iatwertkurve, einer Drehzahldifferenzkurve und weiterer die sekundären Auslösekriterien
liefernder Kurven
eingetragen ist, wobei der Ordinatenachse ein
mehrfacher Maßstab für die Drehzahl n sowie die ers-te und zweite Ableitung dieser
Drehzahl n zugrunde gelegt ist; Fig. 2 ein Schaltbild in vereinfachter, schematischer
Darstellung für eine Einrichtung, welche das erfindungsgem.äße Verfahren verwirklicht;
Fig. 3 eine andere Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 2 im Detail; Fig. 4 eine
weitere Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 2 gleichfalls im Detail.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung wird der Sattdampfturbine
T der Frischdampf über ein Schnellschlußventil Vi und ein Regelventil V2 zugeleitet
Die zugehörige Drehzahl-Regelungseinrichtung, welche drehzahl- und/oder belastungsabhangig
die Frischdampfzufuhr durch mehr oder weniger s-tarkes Öffnen des Regelventils V2
bemiß-t und damit die Drehzahl der Turbine T innerhalb der Schwankungen des Proportionalbereiches
auf Solldrehzahl hält, is-t bei R1 angedeutet, Der die Turbine T verlassende entspannte
Dampf wird über die Dampfleitung d2 (die Frischdampfleitung is-t mit di bezeichnet)
einem nachgeschalte-ten Turbinen teil oder einem Kondensator zugeleitet (nicht dargestellt).
Wie gestrichelt angedeutet, kann eine Abblaseeinrichtung mit Abblaseventil VA, Leitung
d3 und Hilfs- oder Haupkondensator Ko vorgesehen sein, welche insb. bei Versagen
der Ventile V1, V2 die Überschußdampfmenge unter Umgehung des Turbinenteils T ableitet
und dem Kondensator Ko zuführt, wobei die Betätigung des Abblaseventils VA z.B.
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abhängig von dem Dampfdruck hinter dem nicht dargestellten Zwischeniiberhitzer
oder abhängig von einem beim Abfangen norma.lerweise nicht erreichten Überdrehzahlwert
erfolgen kann, wie durch die Steuerleitung 91 angedeutet, Die Turbine T treibt einen
mit der Turbinenwelle 1 über die Kupplung 12 gekuppelten Generator G an, der seine
elektrische Energie in das Netz N speist. Durch den Pfeil r>ist angedeutet, daß
sich die Welle 1 mit dem Drehzahl
-Istwert nist dreht; DW ist ein
mecha.nischer Drehza.hlwächter, der bei Erreichen der Schnellschlußdrehzahl, im
allgemeinen 10 bis 13 % über der Nenndrehzahl, ein hydraulisches Auslösesignal über
Steuerleitung 92 auf die Schnellschlußeinrichtung SS gibt, welch letztere über Steuerleitung
s3 die Schließung des Schnellschlußventils V1 im Störungsfalle veranlaßt. Für den
Fall, daß ein Lastabwurf oder eine Lastabsenkung auf Seiten des vom Generator G
eingespeisten Netzes N auftritt, wird das Regelventil V2, wie an sich bekannt, von
der Regeleinrichtung R1 im Schließsinne betätigt, im Falle eines Lastanstiegs i
m Öffnungssinne, wie oben bereits angedeutet. Der in Fig. 1 dargestellte Turbosatz
T,G ist vorzugsweise ein Sattdampfturbosatz, dessen Gehäuse, Leitungen und nicht
dargestellte Überhitzer, Zyklone u. dgl. erhebliche Speichervolumina für den Dampf
bilden, so daß ein Bedarf für zusätzliche Abschaltsicherheit im Falle eines Lastabwurfes
oder einer La.sta.bsenkung besteht. Hierzu ist ein elektrischer Funktion generator
FG vorgesehen, welchem eingangsseitig die Sprungfunktion f1 (t) einer elektrischen
Größe über einen Integrierer I, der die Sprungfunktion £1 (t) in die linear ansteigende
Funktion f2 (t) umformt, über die elektrische Leitung ei eingangsseitig zugeleitet
wird. Die Sprungfunktion f1 (t) ist vorzugsweise eine Spannungssprungfunktion von
z. B. 10 V Scheitelwert, welche über Leitung e2 und den Schalter S1 zum Zeitpunkt
tO = ° (La.sta.bsenkung) dem Integrierer I zugeführt wird. Der Funktionsgenerator
FG bildet aus der ihm zugeführten liner ansteigenden Funktion f2 (t) die gewünschte
Grenzwertkurve f3 (t). Die Funktionen fl bis f3 sind, wie aus der-Regelungstechnik
geläufig, neben bzw.
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in die entsprechenden Funktionsgruppen gezeichnet. Weiterhin ist zur
Vereinfachung eine einpolige Darstellung der Anschlüsse zu den Funktionsgruppen
bzw. ihrer elektrischen Verbindungsleitungen gewählt; es versteht sich, daß diese
zwei- oder mehrpolig sein kann.
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Die Grenzwertkurve £3 (t) wird als eine Eingangsgröße über Leitung
e4 der durch gestrichelte Umrahmung hervorgehobenen Auswerteeinrichtung A zugeführt,
während die andere Eingangsgröße der Auswerteeinrichtung A dieser über Leitung e5
gleichfalls
als elektrische Größe, und zwa.r als eine dem Drehzahl-Istwert
ist bzw. der Drehzahl-Istwertkurve nist = £4 (t) analoge Spa.nnung zugeführt wird.
aufbau und Wirkungsweise der Auswerteeinrichtung A werden weiter unten noch näher
erläutert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Drehzahl-Istwert nist von
einem mit Permanentpolen 2a versehenen, mit der Turbinenwelle 1 rotierenden Rad
2 und einem diesem gegenüberstehenden Hallgenerator 3 nebst Verstärker 4 abgeleitet,
von welch letzterem der Drehzahl-Istwert über Leitung e6 und Schalter S2 zum Zeitpunkt
t0 = 0 auf Leitung e5 geschaltet wird. Die Auswerteeinrichtung A ist ausgangsseitig
über Leitung e7 an die Schnellschlußeinrichtung SS angeschlossen und gibt das Auslösesignal
L1 -dann an die Schnell schlußeinrichtung SS weiter, wenn sich die Istwertkurve
nist = £4 (t) der Grenzwertkurve f3 (t) unter Unterschreitung eines minimalen Abstandes
nähert.
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Fig. 2 zeigt qualitativ den Verlauf der Grenzwertkurve nG = f3 (t)
und den bei einer Vollastabschaltung eingetretenen Verlauf der Istwertkurve n ist
= f4 (t), im folgenden zur Vereinfa.chung mit £3 bzw. £4 bezeichnet. Grenzwert-
und Istwertkurve beginnen praktisch beim gleichen Uberdrehzahlwert n1 und entfernen
sich dann mit fortschreitender Zeit t in zunehmendem Maße, was einem normalen Abfangvorgang
entspricht. Es ergibt sich da.mit der unterhalb der Kurven £3 und f4 eingezeichnete
Verlauf für die Drehzahldifferenzkurve # n = £5 (t), im folgenden mit £5 bezeichnet,
deren Werte mit fortschreitender Zeit immer größer und größer werden. Zum Zeitpunkt
t1 beginnend ist eingezeichnet, welchen Verlauf die Istwertkurve £4 in Form der
Kurve f41 nehmen könnte, wenn die Regelventile zum Zeitpunkt t1 gestört wären. Der
Drehzahl-Istwert würde dann praktisch linear ansteigen, und es ergäbe sich ein Schnittpunkt
P1 mit der Grenzwertkurve £3, der als Kriterium dafür dienen kann, ein Auslösesignal
L1 auf die Schnell schlußeinrichtung zu geben. Das Auslösesignal könnte auch bereits
dann gegeben werden, wenn die Kurve f 41 beim Punkt P2 angekommen ist, d. h. noch
ein geringer Abstand zur Grenzwertkurve £3 gegeben ist, oder erst dann, wenn die
Kurve f41 den Punkt P3 durchläuft, d. h. über die Grenzwertkurve £3 hinausgewachsen
ist
Jedenfalls müssen diese Auslösepunkte P1 bis P3 noch weit unterhalb
der Grenzdrehzahl für die mechanische Schnellschlußeinrichtung DW liegen, beispielsweise
könnte das Maximum der Grenzwertkurve f3 7 % über der Nenndrehzahl nnenn liegen,
wie in Fig 2 eingetragen, Es ergibt sich dann gegenüber der bei 10 bis 13 liegenden
Grenzdrehzahl des mecha.nischen Drehzahlwächters DW noch ein Sicherheitsabstand
von 3 bis 6%. Beim Verlauf der Kurven f3 und f4 ist davon ausgegangen, daß zum Schaltzei-tpunk-t
t0 bereits eine gewisse Überdrehzahldifferenz # n0 = nist - n0 vorhanden war. In
diesem Palle darf die Grenzwertkurve f3 nicht so wie in Fig. 1 dargestellt, im Nullpunkt
beginnen - dies wäre nur denn zweckmäßig, wenn im Schaltzeitpunk-t t0 gerade die
Nenndrehzahl n0 vorhanden wäre - sondern muß bei einem Überdrehzahlwert beginnen,
der mindestens der zum Schaltzeitpunkt t0 entsprechenden Tat drehzahl entspricht.
Deshalb ist der Grenzwertkurve 3 eine der momentanen Drehzahldifferenz n0 zum Zeitpunkt
t0 zwischen Istwert- und Nenndrehzahl analoge konus taste elektrische Größe überlagert,
welche die Grenzwertkurve f3 um den Betrag # nO angehoben hat. Die der Drehzahldifferenz
# n0 zum Zeitpunkt tQ entsprechende konus taste elektrische Größe bzw. Vorspannung
ist der besseren Übersichtlichkeit wegen in Fig. 2 unterhalb der Abszissenachse
strichpunktiert angedeutet. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die Ansprechgenauigkeit
der Einrichtung nach Fig 1 wesentlich verbessert is-t bzw. daß keine une.rwünschten.Auslösungen,
obgleich der Abfangvorgang normal erfolgt, gegeben werden.
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Der anhand der Fig. 2 erläuterte Grenzwert-Istwertvergleich findet
seine schaltungstechnische Rea.lisierung innerhalb der Auswerteeinrichtung A nach
Fig. 1 9n der Form, daß über die elektrische Leitung e8 die Grenzwertkurve f3 dem
Komparator K1 als eine Eingangsgröße zugeleitet wird, während der Drehzahl-Istwert
nist bzw. die Istwertkurve f4 über Leitung e9 als andere Eingangsgröße dem Komparator
K1 zugeleitet wird. Die Ausgangsleitung e10 des Komparators K1 führt dann Auslösesignal
L1, wenn, wie erwähnt, sich die Istwertkurve der Grenzwertkurve unter Unterschreitung
eines minimalen Abstandes nähert, was durch die Bezeichnung in $ O an der Ausgangsleitung
e10 hervorgehoben ist.
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Zu dem genannten Zweck kann die Ausgangsleitung e10 an sich direkt
a.n die chnell.schlu ßeinrichtrng SS angeschlossen sein im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist jedoch noch ein Odergatter G0 zwischengeschaltet, wobei das Obergatter G0 außer
der Eingangsleitung e10 noch eine weitere Eingangsleitung ei 1 a.uflweist, die in
einem zweiten Kanal der Auswerteeinrichtung, wie weiter unten noch erläutert, angeordnet
ist. Die Schnellschlußeinrichtung SS vers-tärkt das elektrische Auslösesignal L1
oder -formt es un-ter Verstärkung in eine hydraulisches Auslösesignal um, welchem
Signa-1a über die Steuerleitung S3, wie erwähnt, zur Betätigung dem Servomotor des
Schnellschlußventils V1 zugeleitet werden. Mit einer Zeitverzögerung kann von der
Schnellschlußeinrichtung SS dann, wenn der - allerdings höchst anwahrscheinliche
- Eall eintritt, daß das Schnellschlußventil V1 blockiert, ein Steuersignal an das
Abblaseventil UA weitergegeben werden Die in Fig. 1 dargestellte Auswerteeinrichtung
kann noch weiter dadurch vervollkommnet werden, daß - wie in Fig 3 näher dargestell-t
- der Vergleich der Istwertkurve f4 mit der Grenzwertkurve f3 zur Gewinnung eines
sekundären Ansprechkriterium herangezogen wird, das die Abgabe eines Auslösesignals
bereits dann veranlaßt, wenn der Anstieg der aus Grenzwert- und Istwertkurve f3,
f4 gebildeten Drehzahldifferenzkurve f5 einen Sollwert unterschreitet, der jeweils
einem unterhalb der Grenzwertkurve f3 liegenden fiktiven Ansprechdrehzahlwert entspricht.
Unterhal-b der Differenzkurve f5 ist; der Verlauf ihrer ers-ten Ableitung bzw ihres
Anstieges d #n (t) = f6 (t), dt nachstehend vereinfacht mit f6 bezeichnet, eigetragen.
Diese Kurve f6 hat beispielsweise zum Zeitpunkt t2, wo die Kurve f5 einen Wendepunkt
W 51 durchläuft, ein Maximum M61 und zum punkt t3, wo die Kurve f5 ein Maximum M51
durchläuft,eine Nullstelle N61. Weiterhin ist entsprechend der Istwertkurve f41
ab dem Zeitpunkt t1 der Verlauf der zugehörigen Drehzahldifferenzkurve f-51 und-
hierzu die zugehörige Anstiegkurve f61 eingetragen.
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Die Kurve f51 hat ein Maximum M511 und einen Wendepunkt W5Ii, und
die zugehörige Anstiegskurve f61 hat eine zugehörige Nullstelle N611 und ein Maximum
M611. Gemäß einem Ausführungabei
spiel der Erfindung wird die Auswerteeinrichtung
A so eingestellt, daß eine durch das sekundäre Ansprechkriterium gestellte zweite
Oderbedingung dann erfüllt ist, wenn die Drehzahldifferenz kurve £5 bzw. f51 ein
Maximum, beispielsweise M511 durchläuft bzw. ihre erste Ableitung f61, die einer
Drehbeschleunigungsdifferenzkurve entspricht, durch einen Nullpunkt, beispielsweise
N611 geht. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Ansprechkriterium
noch verfeinert bzw. die Ansprechempfindlichkeit der Auswerteeinrichtung.A da.durch
ge-.steigert werden, daß eine zweite bzw. dritte Oderbedingung bereits dann erfüllt
ist, wenn die erste Ableitung £6 bzw. £61 der Drehzahldifferenzkurve £5 bzw. £51
ein Maximum, beispielsweise M611 durchläuft bzw. die zweite Ableitung
unter Unterschreitung eines Minimalwertes negativ wird. Die zweite Ableitung der
Drehzahldifferenzkurve £5 - im folgenden vereinfacht mit £7 bezeichnet - ist für
einen Normalfall im rechten Teil der Fig. 2 eingezeichnet; für den Fall einer Störung
ist sie mit f71 bezeichnet und im linken Teil der Fig. 2 zugehörig zu den Kurven
f51 und f61 dargestellt. Während dann, wenn die Nullstelle der ersten Ableitung
f61 a.ls sekundäres Auslösekriterium herangezogen wird, zum Zeitpunkt t11 Auslösung
gegeben wird, wird dann, wenn ein negativer Wert der zweiten Ableitung f71 als sekundäres
bzw. zusätzlich sekundäres Auslösekriterium herangezogen wird, beispielsweise zum
Zeitpunkt t12 Auslösesignal gegeben, zu welchem Zeitpunkt die zweite Ableitung f71
den negativen Wert £710 durchläuft, der kurz hinter dem Maximum M611 und dem im
vorliegenden Falle praktisch mit dem Maximum M611 zusammenfallenden Wendepunkt W611
der ersten Ableitung f61 liegt. Die vorstehend durch die erste Ableitung f6 bzw.
£61 und durch die zweite Ableitung £7 bzw. £71 gegebenen sekundären Auslösekriterien
können alterna.tiv oder zusammen herangezogen werden. Im rechten Teil der Fig. 2
ist eine Grenzwertlinie / nmin eingezeichnet, welche einen Minima.lwert der Drehza.hldifferenz~
kurve £5 definiert. Dieser Grenzwert # nmin hat den Zweck, daß dann, wenn nach dem
Abfangen des Turbosatzes, d. h. bei-bereits
fallender Istwertkurve
f4 und damit nur kleinen Überdrehzahlwerten, die Differenzkurve f5 einen Minimalwert
überschreitet, die Auslösesignale der sekundären Ansprechkriterien blockiert bzw.
gelöscht werden. Im dargestellten Ausführung,sbeispiel bedeutet dies, daß die Kurve
f5 zum Zeitpunkt t und auch zum Zeitpunkt t3 bereits den Grenzwert j nmin überschritten
hat, so daß die sekundären Auslösekriterien, die durch die Kurven £6 und £7 an sich
gegeben wären, zu keinem Auslösesignal führen.
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Der negative Grenzwert £710 des durch die Kurve £71 gegebenen sekundären
Auslösekriteriums ist deshalb zweckmäßig, damit ein definierter Ansprechwert erhalten
wird; denn ein Nullwerden der zweiten Ableitung aufgrund eines Maximums der ersten
Ableitung ließe sich von einem Nullwerden der zweiten Ableitung aufgrund einer konstanten
ersten Ableitung nicht unterscheiden.
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Das durch die erste Ableitung bzw. die Kurven £6, £61 gegebene sekundäre
Auslösekriterium findet seine scha.ltungsmäßige Realisierung gemäß Fig. 1 in einem
zweiten Kanal der Auswerteeinrichtung A. Wie ersichtlich, ist hier neben dem bereits
erläuterten Komparator K1 ein zweiter Komparator K2 vorgesehen, von denen der eine
K1 sein Auslösesignal L1 abgibt, wenn das primäre Auslösekriterium erfüllt ist,
und der andere K2 zunächst die Differenzkurve £5 bildet und dem Auswerter Al zuführt
über Leitung e12.
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Dieser Auswerter Al differenziert die Differenzkurve £5 bzw.
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etwaige bei Störungen gegebenen Kurven £51 usw. in einem Differenzierglied
und gibt am Ausgang einer Vergleichsschaltung über Leitung ell dann Auslösesignal
L2 ab, wenn das sekundäre Ansprechkriterium erfüllt ist; d. h., wenn beispielsweise
die in Fig. 2 dargestellte Differenzkurve £51 ihr Maximum M511 durchläuft und dementsprechend
die erste Ableitung £61 ihre Nullstelle N611 hat. Der Auswerter Al ist über die
Leitung ell an den anderen Eingang des Odergatters G0 angeschlossen, an dessen erstem
Eingang, wie erwähnt, die Leistung e10 des ersten Komparators K1 liegt. Das Odergatter
G0 gibt über seine Leitung e7 dann ein Auslösesignal an die Schnellschlußeinrichtung
SS weiter, wenn entweder über Leitung e10 Auslösesignal L1 oder über Leitung e11
Auslösesignal L2 ansteht. Der Auswerter Al kann auch ao
ausgebildet
sein, das in ihm auch die zweite Ableitung der Differenzkurve f5 bzw. f5i usw. in
einem zweiten Differenzierglied ableitbar ist und eine zweite Vergleichsschaltung
zum Vergleich des Momentanwerker der zweiten Ableitung £7 bzw. f71 usw. mit einem
negativen Grenzwert vorgesehen ist. In dieser zweiten Vergleichsschaltung entsteht
dann das Auslösesignal, wenn, wie anhand der Fig. 2 bereits erläutert, die zweite
Ableitung den negativen renzwert, beispielsweise £710, erreicht.
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Die schaltungsmäßige Realisierung zur Grenzwertüberwachung # nmin
gemaß Fig. 2 ist in Fig. 3 im Detail dargestellt. Hiernach ist der Auswerter Al
- statt über einen Kanal k2 direkt an das Odergatter - über zwei Kanäle k21, k22
und ein Undgatter GU an das Odergatter G0 angeschlossen, wobei das Undgatter GU
außer den Eingangskanälen k21 und k22 einen weiteren Eingangskanal k3 aufweist.
An dem Eingangskanal k3 steht dann Signal an, wenn die Differenzkurve f5 den minimalen
Drehzahldifferenzwert # nmin noch nicht erreicht hat, was durch die Bezeichnung
# nist># n min zum Ausdruck gebracht ist. Der Eingangskanal k21 gibt dann Auslössesignal
auf das Undgatter GU, wenn die erste Ableitung, beispielsweise f61, zu Null wird
und z. B. die Nullstelle N611 gemäß Fig. 2 durchläuft, was durch die Bezeichnung
d #n (t) = 0 zum Ausdruck gebracht ist. Anstelle oder zusätzlich zum kanal k21 kann
über den Eingangskanal k22 dann Auslösesignal auf das Undgatter GU gegeben werden,
wenn die zweite Ableitung z. B. f71 aus Fig. 2, ihren negativen Minima.lwer-t, z.
B. f710, durchläuft.
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Die Kanaleingänge k21 und k22 wären, wenn sie gemeinsam als sekundäres
Auslösekriterium benutzt werden, im Sinne einer Oderbedingung miteinander zu verknüpfen.
D. h. am Ausgang des Undgatters Gu steht Auslösesignal L2 an, wenn ers-tens am Eingangskanal
k3 das Freigabesignal ansteh-t und zweitens an einem der Eingangakanäle k21 bzw.
k22 ein Auslösesignal des sekundären Ansprechkriteriums ansteht. Im übrigen sind
diejenigen Teile in Fig. 3, die mit Fig. 1 übereinstimmen, mit den gleichen Bezugszeichen
versehen, d. h. insb. die Eingangsleitung e10, das Odergatter G0 und die Schnellschlußeinrichtung
SS. Der das Auslösesignal L1 leifernde Kanal ist an Übereinstimmung mit Fig. 1 mit
k1
bezeichnet.
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lig. 4 zeigt eine vorteilhafte Variante des den Funktionsgenerator
FG enthaltenden Kanals k, und zwer ist in Fig. 4 der dem Kanal k aus Fig. 1 entsprechende
Hauptkanal k0 vorgesehen und ein weiterer diesen Kanal k0 parallel geschalteter
Kanal k5t welcher eine zum Lastsprungzeitpunkt t0 ansteuerbare Integriereinrichtung
15 enthält, der eine dem zum Schaltzeitpunkt tc. gegebenen Drehzahldifferenz-Momentanwert
#n0 =nist - nnull analoge elektrische Größe als Eingangsgröße zuführbar ist. Die
Integriereinrich-tung I5 hält diese Größe # n 0 fest und gibt sie als Konstantwert
ausgangsseitig zu einem Summenpunkt 5 weiter, an welchen auch der Ausgang des Funktionsgenerators
FG angeschlossen ist. Auf diese Weise sind die AusgangaQiUnale der Kal!-ile k0 und
k5 im Summenpunk-t 5 zu einer korrigierten elektrischen Analogfunktion addierbar,
so daß sich beispielsweise die in Fig, 2 dargestellte, um den Wert m 0 angehobene
Grenzwertkurve t ergibt. Zum Anstoßen des elektrischen Funktionsgenerators FG bzw,
seiner Integriereinrichtung I zum Zeitpunkt t0 und zum Anstoßen und eingangsseitigen
Absperren der im Kanal k5 en-thaltenen Integriereinrichtung 15 zum Zeitpunkt t0
sind kontaktlos arbeitende elektronische Schalter i0, 21 und 22 verwendet, welche
von einer dem Lastsprung analogen elektrischen Größe über die Steuerleitungen s4,
s5 bzw s6 ansteuerbar sind, welche Steuerleitunt-en über die Leitung s7 von einem
nicht dargestellten Leistungsmeßgerät ihre Signale synchron erhalten.
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Im einzelnen bedeuten im Integrierer I: 6 einen Kondensator, 7 einen
Verstärker und 8 einen Vorwiderstand, wobei der elektronische Schalter 10, der Kondensator
6 und der Verstärker 7 zueinander parallel geschaltet sind und zu dieser Parallelschaltung
der Vorwiderstand 8 in Reihe liegt. Bei der Integriereinrichtung I5 bedeuten 65
den Kondensator, 75 den Verstärker und 9 ein zum elektronischen Schalter 21 in Reihe
geschalteten Vorwiderstand, wobei die Reihenschaltung 9-21, der Kondensator 65 und
der Verstärker 75 zueinander parallel geschaltet sind und zu dieter Parallelschaltung
der Vorwiderstand 85 in Reihe liegt,
In der Ausgangsleitung e4
hinter dem Summenpunkt 5 kann noch ein weiterer elektronischer Schalter 11 vorgesehen
sein, der synchron mit den übrigen elektronischen Schaltern über Steuerleitung s8
sein Steuersignal erhält und zum Zeitpunkt t0 geöffnet wird. Mit Sperren des elektronischen
Schalters 10 zum Zeitpunkt t0 beginnt der Integrierer I eine mit der Zeit linear
steigende Spannung abzugeben, die wiederum den Funktionsgenerator FG ansteuert.
Die Wirkungsweise derartiger Integrierer I und Punktion sgene ra.toren ist an sich
bekannt. Zum Zeitpunkt t0 werden auch die elektronischen Schalter 21, 22 gesperrt,
so daß die ohne Sperrung als Verzögerungsglied arbeitende Integriereinrichtung I5
zum Integrierer wird und den ihr eingeprägten Spannungswert, der dem Drehzahldifferenzwert
1'n O analog ist, festhält und zum Summenpunkt 5 weitergibt. Daß dieser zum Zeitpunkt
t0 herrschende Wert An O und kein späterer Wert festgehalten wird, dafür sorgt der
zum Zeitpunkt t0 gleichfalls gesperrte Schalter 22, Der Wert #n O wird beispielsweise
durch Differenzbildung zwischen dem Drehzahl-Istwert n ist und einer Quarznormal£requenz
n 0 gewonnen. Als elektronische Schalter 10, 21, 22, 11 sind mit besonderem Vorteil
sogenannte Feldeffekt-Transistoren (FET) extrem kleiner Schalter zeit zu verwenden.
Diese Beldeffekt-Tra.nsistoren 10, 21, 22, 11 ha.ben jeweils eine Steuerelektrode
g, über welche jeweils das Öffnungs- bzw. Sperrsignal geleitet wird und eine Emitter-Kollektorstrecke
e - c, die im Falle des Transistors 11 zum Zeitpunkt t0 geöffnet und im Falle der
Transistoren 10, 21, 22 zum Zeitpunkt t0 gesperrt wird, Die vorstehend anhand der
Fig. 1, 3 und 4 erläuterte Schalteinrichtung kann mit Vorteil auch als Sicherheitsschaltung
ausgeführt werden, beispielsweise als sogenannte 2 aus 3-Schaltung (vgl. hierzu
Siemens-Zeitschrift 1968, Seiten803 bis 806).
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Sinnvoll erschein es hierbei, die Drehzahl-Istwerte dreifach vorzumessen.
Eine Drehzahl-Analog-Messung wäre bei einer Dampfturbine die Abfrage des ordnungsgemäßen
Schließens der Regelventile mit Endschalter, die anderen Messungen ließen sich über
einen Winkelschrittgeber und einen Frequenz-Spannungsumsetzer am Turbogenerator
realisieren. Eine weitere Verfahrens- und Schaltungsvariante
ergäbe
sich dadurch, daß an Stelle der in Fig. 2 dargestellten Drehzahlgrenzwert- und Istwertkurven
£3, £4 Drehbeschleunigungsgrenzwert- und -istwertkurven verwendet und mit ein ander
in Vergleich gesetzt würden, wobei demgemäß als sekundäres Auslösekriterium die
erste Ableitung dieser Beschleunigungskurven genügen würde. Im übrigen ist die Erfindung
nicht auf die Anwendung bei Dampfturbinen beschränkt, sondern läßt sich auch bei
anderen Turbomaschinen, wie insb. Ga.sturbinen, anwenden, sofern hierbei ein erhöhtes
Bedürfnis nach Abschaltsicherheit besteht.
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15 Ansprüche 4 Figuren