DE2550059C2 - Sicherheitssystem für eine Dampfturbinenanlage - Google Patents

Description

a) ein Mittel zur Strömungsüberwachung (25, 35) stromabwärts des Absperrorgan (2, 3, 7, 8) i> liefert ein Signal (26, 36) an ein Logik-System (27,37), wobei der Betrag des Signals (26,36) im Normalfall der Stellung des Absperrorganes (3, 7) entspricht:

b)· bei Nichtübereinstimmung löst das Logik-Systern (27,37) die Sicherheitseinrichtung (1 i) aus, wobei das Absperrorgan (2, 8) schließt und das Vakuumbrechventil (20) teilweise öffnet;

c) stellt das Mittel zur Strömungsüberwachung (25, 35) nach Erreichen des vorgesehenen 2> Teilvakuums einen weiteren Massendurchfluß fest, so werden über das Logik-System (27, 37) das Vakuumbrechventil (20) voll geöffnet und Mittel (34) zum Schutz der Beschaufelung aktiviert, während anderenfalls bei Erreichen jo des vorgesehenen Teilvakuums das Vakuumbrechventil (2O]) wieder geschlossen wird.

2. Sicherheitssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Strömungsüber- j5 wachung (25, 35) ein Druckgeber ist, der an den zu überwachenden Maschinenteil derart angeschlossen ist, daß er die Druckdifferenz über mindestens eine Turbinenstufe mißt.

3. Sicherheitssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Logik-System (27, 37), welches den Vergleich Massenstrom mit dem Stellsignal (14, 16) des Absperrorgans (3, 7) durchführt, ein erstes Zeitglied enthält, das die Ausgabe des Signals (28, 38) für die Auslösung der Sicherheitseinrichtung (11) um eine zwischen etwa 0,2 und 05 see einstellbare Zeit verzögert, sowie ein zweites Zeitglied enthält, das die Ausgabe des Signals (29,39) für Vollvakuumbrechen um eine etwa zwischen 1 und 5 see einstellbare Zeit verzögert.

4. Sicherheitssystem nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (34) zum Schutz der Beschaufelung mindestens ein Wassereinspritzventil ist, welches Kühlwasser in den gefährdeten Teil der Beschaufelung durchläßt und dessen Servosystem (33) über das gleiche Signal (31) wie das Vakuumbrechventil (20) aktiviert wird.

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Die Erfindung betrifft ein Sicherheitssystem für eine Dampfturbinenanlage, in welcher stromaufwärts der Turbine mindestens ein Absperrorgan und stromabwärts der Turbine mindestens ein Vakuumbrechventil vorgesehen sind, welche beide über eine Regel- und Sicherheitseinrichtung gesteuert werden, ersteres beispielsweise aufgrund eines Drehzahlregler-Signals, letzteres beispielsweise aufgrund eines Überdrehzahlwächter-Signals. · ■■ ■ -

Derartige Sicherheitssysteme sind bekannt (DE-PS 3 83 249). Die Vakuumbrechventile, welche in der Regel am Kondensator von Kondensationsdampfturbinen angebracht sind, werden normalerweise beim Abstellen einer Turbogruppe geöffnet, um das Vakuum teilweise zu verschlechtern oder auch ganz zu brechen.Durch die dabei auftretende verstärkte Ventilation in der Niederdruckbeschaufelung wird die auslaufende Welle stark verzögert und kritische Drehzahlen werden schneller durchfahren. Die VakuumbrechventBe sind mit dein Sicherheitssystem der Turbine so verbunden, daß sie erst öffnen, wenn beispielsweise wegen Oberdrehzahl der Drehzahlwächter das Sicherheitssystem auslöst Dieses schließt außerdem die Hauptabschlußventile der Turbine und gibt häufig gleichzeitig Schließbefehl auf eventuell vorhandene gesteuerte Anzapf-Rückschlagklappen.

Nachteilig ist die Tatsache, daß dieses Vakuumbrecher! bei jeder Auslosung des Sicherheitssystems wirksam wird, also während der Lebensdauer einer Turbine recht häufig auftritt. Um Risiken hinsichtlich eines Schaufelschadens zu vermeiden, werden die Vakuumbrechventile nach nur mäßiger Verschlechterung des Vakuums normalerweise wieder verschlossen. Da dieses Teilvakaumbrechen zu wenig wirksam ist, ist es kaum als zusätzliche Sicherheit anzusprechen. Außerdem wird durch die Verknüpfung mit dem üblichen Sicherheitssystem das Vakuumbrechen erst dann wirksam, wenn die Turbine schon hohe Drehzahl erreicht hat.

Bei Großanlagen ist es weiter bekannt, den üblichen zwei in Strömungsrichtung in Serie angeordneten Stellgliedern — Hauptabschluß- und Regelventil — ein drittes zusätzliches Ventil vorzuschalten. Dieses zusätzliche Ventil wird durch ein unabhängiges Logik-System bei zu hohen Drehzahlen geschiossen. Diese Maßnahme weist jedoch den Nachteil auf, d-..ß sie zum einen hohe Kosten und zum andern einen dauernden zusätzlichen Druckverlust verursacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in einer Dampfturbinenanlage in der Regel vorhandene Sicherheitseinrichtung mit einer zusätzlichen Sicherheit zu erweitern, welche erst beim Versagen der erstgenannten wirksam wird.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Kombination folgender Merkmale erreicht:

a) ein Mittel zur Strömungsüberwachung stromabwärts des Absperrorgans liefert ein Signal an ein Logik-System, wobei der Betrag des Signals im Normalfall der Stellung des Absperrorganes entspricht;

b) bei Nichtübereinstimmung löst das Logik-System die Sicherheitseinrichtung aus, wobei das Absperrorgan schließt und das Vakuumbrechventil teilweise öffnet;

c) stellt das Mittel zur Strömungsüberwachung nach Erreichen des vorgesehenen Teilvakuums einen weiteren Massendurchfluß fest, so werden über das Logik-System das Vakuumbrechventil voll geöffnet und Mittel zum Schutz der Beschaufelung aktiviert, während andernfalls bei Erreichen des vorgesehenen Teilvakuums das Vakuumbrechventil wieder geschlossen wird.

Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu

sehen, daß die zusätzlich erzielte Sicherheit mit relativ mäßigem Aufwand geschaffen wird, und zudem bei schon ausgeführten Anlagen nachträglich angebracht werden kann.

Besonders einfach ist die zu schaffende Einrichtung, wenn das Mittel zur Strömungsüberwachung ein zwischen eine oder mehrere Turbinenstufen anschließbarer Differenzdruckgeber ist.

Ferner ist es zweckmäßig, wenn das vergleichende Logik-System zwei Zeitglieder enthält, wobei ersteres die Auslösung der Sicherheitseinrichtung um vorzugsweise 0,2 bis 0,5 see verzögert, während die zweite die Auslösung der"VoIlvakuumbrechung um vorzugsweise 1 bis 5 see verzögert

Ein einfaches Mittel zum Schutz der Beschaufelung wird darin gesehen, wenn bei VoIIväkuumbrechen über mindestens ein Wassereinspritzventil dem gefährdeten Beschaufelungsteil Kondensat zugeführt wird.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es handelt sich bei der gezeigten Dampfkraftanlage um eine mehrgehäusige Großturbine; erfindungsunwesentliche Anlageteile wie beispielsweise Dampferzeuger, Speisewasserpumpe, Vorwärmerkette und dergleichen sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels (Wasserdampf. Kondensat) sowie die Übermittlungsrichtung der elektrischen Signale, welche der besseren Obersicht wegen gestrichelt dargestellt sind, sind mit Pfeilen gekennzeichnet

Vom Dampferzeuger bringt die Frischdampfleitung 1 den hochgespannten Dampf zum sog. Hauptabschlußoder Schnellschlußventil 2 und zum Regelventil 3. Ausführung und Anordnung dieser Absperrorgane sowie Anzahl und Reihenfolge sind für die Erfindung unwesentlich: zur Vereinfachung ist im gewählten Beispiel nur je ein Schnellschluß- und Regelventil gezeichnet.

Der Dampf entspannt sich anschließend in der Hochdruckturbine 4 und strömt dann in einen Wärmetauscher 5. Dieser Wärmetauscher 5 kann im Dampferzeuger als Zwischenüberhitzer bekannter Bauart eingebaut sein. Es kann sich aber boi einem Sattdampflcernkraftwerk auch um einen Wasserabscheider allein oder um einen Wasserabscheider und einen dampfbeheizten Zwischenüberhitzer handeln. ■»? Wesentlich ist beim gewählten Beispiel nur die Tatsache, daß sein Speicher-Volumen so groß ist, daß zur Vermeidung von Überdrehzahlen in die Dampfleitung vor Eintritt in die Niederdruck-Turbine 6 mindestens ein Absperrorgan, beispielsweise ein Abfangventil 7 und eventuell auch ein zweites Absperrorgan als Niederdruck-Hauptabsperrung 8 eingebaut ist. Ausführung dieser Absperrorgane sowie Anzahl und Anordnung sind ebenfalls für die Erfindung unwesentlich.

Durch die Abdampfleitung strömt der nunmehr entspannte Dampf zum Kondensator 10. Die Pumpe 24 fördert das anfallende Kondensat in die nicht gezeigte Vorwärmerkette zur Speisepumpe und zurück zum Dampferzeuger. Der Block Il enthält eine Regel- und Sicherheitseinrichtung, die nicht näher dargestellt wird. Sie erzeugt die Signale für die Steuerung der Regel- und Sicherheits-Stellglieder: Das Signal 12 steuert über das Servosystem 13 das Hauptabschlußventil 2. Das Signal 14 steuert über das Servosystem 15 die Stellung des Regelventtles 3. Das Signal 16 steuert über das Servosystem 17 die Stellur^ des Ablaufventils 7 und das Sisnal 18 über das Servosystem 19 die Stellung der Hauptabschließung 8.

Weiter ist die Anlage mit einem oder mehreren Vakuumbrechventilen 20 ausgerüstet Auch diese Vakuumbrechventfle werden vom System 11 Ober ein Signal 21 und das Servosystem 22 gesteuert

Die Ausführung des Systems 11 sowie die Art der Signale 12/14/16/18/21 und der zugehörigen Servosysteme 13/15/17/19/22 sind für die Erfindung unwesentlich: Es kann sich um hydraulische oder pneumatische Drucksignale oder um Spannungen oder Ströme als elektrische Stellsignale handeln. Wesentlich ist nur, daß die erwähnten Servosysteme 13, 15, 17, 19, 22 eine eindeutige Zuordnung der Hubstellung oder Winkelstellung der Stellglieder 2, 3, 7, 8, 20 zum Betrag der Steuersignale 12,14,16,18,21 erzeugen.

Erfindungsgemäß wird die bisher beschriebene und als bekannt vorausgesetzte Dampfturbine mit Sicherheits- und Regelsystem durch folgende Komponenten ergänzt: Ein Geber 25 ist an Ein- und Austrittsseite der Hochdruckturbine 4 angeschlossen. E' überwacht die Druckdifferenz über die Hochdruck-Besdipjuieliing und gibt ein Signal 26 an das im Block 27 enthaltende Logik-System. Außerdem werden der Logik 27 das Stellsignal 14 für das Hochdruck-Regelventil 3 und das Stellsignal. 12 für das Hochdruck-Schnellschlußventil 2 zugeführt Von der Logik 27 gehen zwei Signale aus: Ein erstes Signal 28 ist auf das System 11 geschaltet und erzeugt einen Auslösebefehl für das Sicherheitssystem. Ein zweites Signal 29 geht auf das »Odsrw-Glied 30, dessen Ausgangssignal 31 über ein Größtwert-Auswahlglied zum Servosystem 22 des Vakuumbrechventils 20 geführt ist. Über dieses Auswahlglied 32 wird außerdem im Sinne der Erfindung das bereits erwähnte Steuerglied 21 geführt. Weiter wird das Signal 31 beim Pfeil 50 der Kesselsteuerung als Abstellsignal für die Kesselfeuerung zugeführt. Ferner steuert das Signal 31 über ein Servosystem 33 ein Wassere.inspritzventil 34, das Kühlwasser zur Kühlung der letzten Re^:hen der Niederdruckbeschaufelung zu nicht näher bezeichneten Einspritzdüsen fließen läßt, die zu diesem Zweck an geeigneter Stelle angebracht sind. Dieses Kühlwasser ist vorzugsweise Kondensat, welches nach der Kondensatpumpe 24 und vor der nicht gezeigten Vorwärmkette abgezweigt wird.

Ein zweiter Geber 35 mißt die Druckdifferenz über die Beschaufelung der Niederdruckturbine und gibt sein Signal 36 an die Logik 37. Der Logik 37 werden weiter das Signal 16 für das Abfangventil 7 und das Signal 18 für die Abschließung 8 zugeführt. Ein erstes Ausgangssignal 38 wird der Steuereinrichtung 11 und ein zweites Ausgangssignal 39 dem »Oder«-Glied 30 zugeführt.

Die Funktionsweise der Einrichtung ist folgende: Es wird apg-snommen, daß wegen einem gleichzeitigen Defekt an den Absperrorganen 2 und 3 — beispielsweise wegen Salzabla^erung in den Führungen der Ventilspindeln — bei einer Entlastung (z. E. Öffnen des Generatorschalters) beide Organe 2 und 3 mindestens teilweise offenbleiben.

Wenn eine Lastabtjhaltung eintritt, wird zunächst die Turbinendrehzahl zufolge kräftiger Beschleunigung ansteigen. Die in der Einrichtung 11 enthaltene Turbinenregelung wird sehr schnell die Stcilsignale 14 und 16 in Richtung »schließen« aussteuern und unter normalen Umständen sind die Organe 3 und 7 wenige Zehntelsekunden nach Eintritt einer Vollastabschaltung ganz geschlossen. Gemäß Annahme wird beispielsweise das Regelventil 3 nicht oder nicht ganz schließen, d. h. dem Steuerbefehl 14 nicht folgen. Die Logik 27 wird

jetzt feststellen, daß /war das Stellsignal 14 auf Durchfluß »null« steht, daß aber immer noch eine positive Druckdifferenz über die Hochdruckbeschaufelung ansteht. Als maßgebliche Druckdifferenz gilt vorzugsweise ein Wert von etwa 5— 10% der normalen Vollast-Druckdifferenz. Die Logik wird nach wenigen Zehntclsekunden, vorzugsweise nach 0,2—0.5 see, das Signal 28 auf die Sicherheitseinrichtung It ausgeben, wodurch eine Auslösung des Sicherheitssystems veranlaßt wird, schon bevor die Drehzahl den üblichen Einstellwert der Drehzahlwächter erreicht hat. Mit dieser Auslösung sind folgende Befehle verbunden: Schließen der Schnellschlußventile 2 und 8, teilweises Öffnen des Vakuumbrechventils 20 usw. Um die Niederdruckbeschaufelung vor zu hoher Beanspruchung durch die bei eintretender Bremswirkung entstehende Wärme und gleichzeitig erzeugten Vibralinnrn zu schützen, wird in der Regel das Vakuumbrechventil nach nur mäßiger Verschlechterung des Vakuums wieder geschlossen (üblich ist, bei Großturbinen den Druck im Kondensator auf Werte zwischen etwa 0,2 und 0.3 bar absolut ansteigen zu lassen). Die zweite Stufe der Logik überprüft, ob nach dem Auslösen des Sicherheitssystems die Druckdifferenz über die Beschaufelung in ausreichend kurzer Zeit verschwindet. Da das Vakuumbrechventil 20 schon geöffnet hat. ist jetzt nur zu entscheiden, ob es nach Erreichen des eingestellten Teilvakuums wieder schließen soll oder ob es im Sinne der Erfindung erst bei höherem Kondensatordruck schließen soll. Für diese Entscheidung kann die Zeit langer gewählt werden: es dauert ohnehin mehr als 5 see, bis das erwähnte Teilvakuum erreicht wird und das Vakuumbrechventil 20 wieder schließen würde. Dementsprechend kann die zweite Zeitstufe zwischen 1 und 5 see einstellbar gewählt werden. Wenn nach dieser Zeitspanne die Druckdifferenz über die Beschaufelung noch immer über dem vorstehend angegebenen Einstellwert liegt, wird das Signal 29 aktiviert, das über das »Oder«-Glied 30 gleichzeitig folgende Reaktionen auslöst:

Das Vakuumbrechventil 22 wird über das Kleinstwert-Auswahlglied 32 geöffnet. Der Dampferzeuger erhält ein Signal 31 für den Befehl »Feuer-Löschen« bzw. »Reactor scram«. Wenn bei einem Siedewasser-Reaktor am Austritt zusätzlich Schnellschluß-Ventile vornanden sind, sind auch diese Ventile zu schließen. Weiter wird durch das Servo system 33 das Wassereinspritzventil 34 geöffnet, womit die Gefährdung der Beschaufelung reduziert wird.

Die bisherigen Überlegungen gelten beispielsweise für die Vollastabschaltung, welche die Regelung allein abfangen kann, ohne daß das Sicherheitsystem (Schnellschlußregler) anspricht. Moderne Großanlagen sind mit einer Reihe von Kontroll- und Warngeräten versehen, weiche sowohl Signalvorrichtungen als auch die Sicherheitseinrichtung auslösen können. Wird letzteres in einem solchen Fall — beispielsweise bei Feststellung überhöhter Lagertemperatur — ausgelöst, dann ändern beide Signalpaare 12/14 und 16/18 ihren Ausgangswert gleichzeitig auf Stellungsbefehl »geschlossen«. Wenn — wie im angenommenen Störfall zu erwarten ist — das Signal »Druckdifferenz« 26 nicht in der notwendigen kurzen Zeit auf null geht, wird die Logik 27 direkt das Signal 29 für Vakuumbrechen aktivieren.

Selbstverständlich ist die Anwendung der beschriebenen zusätzlichen Sicherheitseinrichtung nicht auf zweiteilige Turbinen mit dazwischengeschalteten, ein Speichervolumen darstellenden Wärmetauschern 5

beschränkt. Aber die Wirksamkeit dieser Einrichtung ist — wie durchgeführte Rechnungen zeigen — bei Turbinen dieser Bauart besonders groß. Die Tatsache, daß gleichzeitiges, in geöffneter Stellung Hängenbleiben aller vier Stellglieder 2, 3, 7 und 8 noch um Größenordnungen weniger wahrscheinlich ist als nur gleichzeitiges, eventuell teilweises Hängenbleiben nur der Hochdruck- oder nur der Niederdruck-Ventile, bringt den Vorteil mit sich, daß der noch durchströmende Dampf entweder nur mit dem Teilgefälle der Hochdruekbeschaufelung (und der dann in der Regel durch nicht gezeichnete Sicherheitsventile am Wärmetauscher 5 ins Freie entweicht) oder dem Teilgefälle der Niederdruckbeschaufelung arbeitet und damit nur mäßige Beschleunigungen des Rotors erzeugt. Es ist klar — immer nach Ergebn's der Rechnung und für den Fachmann ohne weiteres verständlich —. daß dem Druckanstiegs-Gradienten im Kondensator besondere Bedeutung zukommt und daß es unter Umständen zweckmäßig wird, das Vakuumbrechventil größer auszulegen als bisher üblich.

Die für eine ausgeführte Großturbine mit je vier parallel öffnenden Ventilen für eine Vollastabschaltung durchgeführte Überdrehzahl-Rechnung zeigt, daß selbst mit einem voll offen blockierten Regel- und Schneilschiußventil die Schleuderdrehzahl von 120% höchstens kurzzeitig noch knapp überschritten wird, und dies mit den existierenden Vakuumbrechventilen.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das in der Zeichnung Dargestellte beschränkt. Weitere interessante Konsequenzen können sich bei ihrer Anwendung auf Turbinen für Kernkraftwerke ergeben. Es sind drei Fälle zu unterscheiden:

Bei diesen Turbinen werden je nach der im Wärmetauscher 5 gespeicherten Energie kein, ein oder zwei Regel- und Absperrorgane in Serie vor dem Niederdruck-Eintritt eingebaut.

Fall 1: Kein Stellglied ist dann zulässig, wenn die Energiespeicherung zwischen den Turbinenteilen so klein ist, daß die Gruppe bei Vollastabschaltung nur mit den Hochdruck-Regelventilen allein unter der Schnellschlußdrehzahl abgefangen werden kann.

Fall 2: Ein Regel-Stellglied genügt dann, wenn beim Versagen dieses Regel-Stellgliedes die Schnellschluß-Drehzahl (normalerweise

100—112% der Nenndrehzahl) zwar überschritten, aber die höhere Schleuderdrehzahl (120—125%) sicher nicht erreicht wir*, wobei verschiedene zusätzliche Mittel angewendet werden können, um dieses Ziel einzuhalten.

Fall 3: Zwei Stellglieder (7 und 8) in jeder Zuleitung sind dann erforderlich, wenn bei Versagen des Regel-Stellgliedes 7 die Schleuder-Drehzahl bei Vollastabschaltung mit großer Wahrscheinlichkeit überschritten würde.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist eines der möglichen Mittel, das bei allen zur Zeit gebauten und geplanten Kernkraftwerken genügen würde, den dritten erwähnten Fall mit Sicherheit zu vermeiden. Das heißt, statt zweier Stellglieder in Serie genügt dann nur eines mit dem Gewinn einer wesentlichen Reduktion der Kosten und geringerer Druckverluste.

Es kann im Zusammenhang mit den vorerwähnten Gründen zweckmäßig sein, einen Teil oder das gesamte

zusätzliche Sicherheitssystem mchrkunalig nach bekannten Prinzipien, z. B. zwei von drei auszuführen. Es handelt sich um dem Fachmann bekannte Verfahren, deren Anwendung keine Erweiterung des Erfindungsgedankens bedeuten würde.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   : 1. Sicherheitssystem für eine Dampfturbinenanlage, in welcher stromaufwärts der Turbine mindestens ein Absperrorgan und stromabwärts der ί Turbine mindestens ein Vakuumbrechventil vorgesehen sind, welche beide über eine Regel- und Sicherheitseinrichtung gesteuert werden, ersteres beispielsweise aufgrund eines Drehzahlregler-Signals, letzteres beispielsweise aufgrund eines Oberdrehzahlwächter-Signals, gekennzeichnet d u rch. die Kombination folgender Merkmale: