DE3309441A1 - Turbinen-regel- und steuersystem - Google Patents

Description

KRAFTWERK UNTON AKTIENGESELLSGIiAFT Unser Zeichen Mülheim a. d. Ruhr VPA 83 P 6009 DE

Turbinen-Regel- und Steuersystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein Turbinen-Regel- und Steuersystem unter Verwendung elektrohydraulischer Kompaktantriebe zur Betätigung von Ventilen an Turbomaschinen, ''(' insbesondere Dampfturbinen, wie Regel-, Schnell sch! uß-» oder (JmLeitventilen, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs.

Kin solcher Kompaktantrieb isI; durch die DE 30 19 602 A1 bekannt. Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer

Ί¹') Weiterentwicklung dieses elektroh.ydrauli sehen Kompaktantriebes, welcher in konstruktiver und schaltungstechnischer Hinsicht in der mit dem gleichen Anmeldedatum wie die vorliegende Anmeldung eingereichten Patentanmeldung VPA 83 P 6007 DE (= P ) näher beschrieben ist. Die vor-

'<?() liegende Erfindung befaßt sich mit dem Ansteuersystera dieses Kompaktantriebs und seiner Verknüpfung mit dem Turbinen-Regel- und Steuersystem, ihr Ii egt die Aufgabe zugrunde, das Ansteuersystem so auszubilden, daß es in seiner Ausführung als Ansteuersystem für einen kompakten Stellantrieb für eine schnelle Umsetzung der vom Turbinenregler kommenden Regelgrößen in entsprechende hydraulische Stellbefehle sorgt, ebenso auch für eine Umsetzung der von der Schnellschlußauslösung kommenden elektrischen Befehle, wobei ein hohes Maß an Eigensicherheit (Fail-Safe-Vernalten) gewährleistet sein soll. Das Ansteuersystem in seiner Ausführung für einen kompakten Stellantrieb soll mit dem Ansteuersystem für den Stellantrieb möglichst viele elektrohydraulisch^ Wandlerkomponenten gemeinsam haben und lediglich durch Austausch weniger Komponenten für seine Funktion anpaßbar sein. Erf i.ndungHgemäß wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichen der·, Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst. ♦"-

Bu 2 Fl/16.3.1983

- & - VPA 83 P 6009 DE

Im folgenden wird anhand der Zeichnung, -in der mehrere Ausführungsbeispiele der i-rf'i ndung dargestellt sind, diese noch näher crl äutrrt. Dnri.n zeigt t:eils im Blockschaltbild - teils in sohornat i r.chor Darstellung: 5

Fig. 1 im oberen Toll A ei rinn konventionellen elektrohydraulisehen Turbinenregler ur.ul im Vergleich dazu im unteren Teil B ein Turbinen-Regel- und Steuersystem, welches der Erfindung zugrunde liegt;

Fig. 2 ebenfalls in Blockdiagramm-Darstellung, mehr detailliert, im oberen Teil A einen konventionellen elektrohydraulxschen Regler und im unteren Teil B ein der Erfindung zugrunde liegendes Turbinen-Regel- und Steuer-System;

Fig. 5 das Ansteuorsystem bei einem als Stellantrieb ausgebildeten Kompnktantrir->b;

Fig. M das Ansteuer.system bei einem als Schaltantrieb ausgebildeten Kompaktantrieb;

Fig. 5 wieder in einer Vergleichsdarstellung im oberen Teil A eine typische Rohrleitungs- und Kabelanordnung für eine elektrohydraulische Regeleinrichtung und im unteren Teil B die Kabelanordnung für ein der Erfindung zugrunde liegendes Turbinen-Regel- und Steuer-System;

Fig. 6 eine Vorteilsliste, d. h. eine Aufzählung der Vorteile, die bei Verwendung von Kompaktantrieben im Rahmen eines der Erfindung zugrunde liegenden Turbinen-Regel- und Steuer-Systems erzielbar sind;

Fig. 7 eine Überdrehzahl-Schutzkette zur Gewinnung von Schnellschluß-Auslösesignalen und

Fig. 8 einen Zuverlässigkeits-Vergleich einer konventio-

- Vl'Λ 83 J^J bOO9 DE

no'! lon elektrohydrauli cu'.hen 'Pirr-bi ncn-Rff^elei ririchtung und des der Erfindung¹; ziip;i.'iinfi·.· IVc^ri-udan TRS-Systoimn.

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Bei den heute üblichen elekt ro-hydraul i sehen Turbinen- =$~f Regel- j.md Steuersystemen gibt es noch verhältnismäßig viel hydraulische Signalverarbeitung und lange hvdrauti sehe Si gnal 1 ei t ungen , kic dies d-t«; ΓοΙιοι-ί-κι ί3ΐο£ΚΓ<*τβ*Η<1 Λ (F i gur j örrx—'Wt« rn . Dies ι si das ülockschema der TurbinoTi-Drehzah I -Rege I e in π chi imjr Γ links die Istdrehzahl, rechts das Stellglied an der Turbine, dazwischen Signal vcrnrln· i tungen und Leitungen. Die Meliwerterf assung , die Rege 1 funk t i on und der Soll-Istwert vergleich werden bereits elektrisch vorgenommen, ansonsten erfolgt zentral für alle Antriebe eine elektrohydraulische Umformung und die SignaIwoiterleitung, die Signalverteilung, die Signal staffeiung und Signalverarbeitung entsprechend der Venti1 kenn 1inie hydraulisch bzw. mechanisch.

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Dir« untere ' Figur ( v,ei gt gegenübergestellt das neue TRS-System (3?, λνο hydraulische Einrichtungen ausschließlich für Ste1Ieistungsverstärkungen in den Stell- und Schaltantrieben eingesetzt werden. Es gibt keine hydraulischen Signal1 eitungen, e« gibt keine hydraulischen Signalverarbeitungen.

Die elekt.ro/hydrauli sehen Imf ormste 1 len sind hierbei dezentralisiert, (d.h. jetzt an jedem Antrieb), was wie später gezeigt wird - die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems verbessert.

Diese Gegenüberstellung des bisher üblichen elektro- (—94" hydraulischen Turb ι non-Rege I sys l onis (oben) und neuen TRS-SvstenxS tSB ist j η Form von Funktionsblöcken

\<λ Τ·3 ZA/ B " SchraffTrrt

ir«——3 gezeigt. R-©4— sind die Gerätekomplexe hydr. Drehzahlregler, e 1 ek tro-hydr . Umformer (beide itn TRS-Svstem Hl' nicht mehr vorhanden) ι ■ Ferner zei;:t das HiId <\io unterschiedlichen

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Ililfsenirgicversprgiinpen für ήχο <· ι nv.c 1 non Geriitrkomplexe tf hyrlr. und ριίιι | eloktr. Hi Lfsericrpipversorgung .aus

Im TRS-System .'^2 (unteres Schema) werden nur noch elektrische Versorgungsleitungen auch für ei ie hydraulischen Einrichtungen der Stell- und Schaltantrie.be vorgesehen.

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Die hydraulische Versqreuriji ist Lm YXutrieb.^integriert Un s£fa*,-tric6> Cet ctr gesielt+) _odt_t ä«cC? <Ui~ SU7&&&\t*H*e

Voraussetzung für den Einbau der hydraulischen Versorgung in den Antrieb ist natürlich, daß die damit verbundenen Probleme wie Raumbedarf, Gewicht, Kühlung, Leckagesicherheit etc. .zufriedenstellend gelöst werden und die ßetriebszuverlässigkeit groß genug ist. n 'i

Schematisch ist eine solche Stelleinhcit mit eingebauter hydraulischer Versorgung ϋφ —3- ( dargestelit.

Alle hydraulischen Steuerelemente, dio elektro-hydraulische Umformung und die hydraulische Versorgung bestehend aus Höchstdruckpumpen und Spoicherladung sind ohne Rohrleitungen in kompakter Bauweise mit dem Stellzylinder verbunden. Dieser als "Kompaktantrieb" bezeichnete Antrieb wird nur über Stecker und Kabel mit den elektrischen Steuer- und Rege 1 gerät en sowie den Überwachungsgeräten und den ο 1 ok ι r 1 .sehen Versorgung« ge ra ton verbunden.

Eino elektrische S te L l.ung.srrirr 1 c i tu· i .eh t unjr mit entsprechendor Verstärkung <\cr Regelabweichung (Ste 1 lurigssollvon Stο I1ungs1stwert) steuert ein vieht. igfs Funk t i on so I onion t innerhalb de« Kompakt ;m-

3309U1 -3- WP iß^pVt. Q

triebes an, das in einer baueinheit die hydraulische Steuerung des Sttellkolbens kombiniert mit der Funktion der elektro-hydr'aulischen Umformung - das sogenannte Servoventil. Eine iMMaMMnOBB ' ^{l l} l7 d i e seit 1955 im industriellen Einsatz ist und laufend verbessert wurde.

Zusammen mit dem Stellkolben werden extrem große Leistungsverstärkungen mit solchen hochwertigen, stetig steuerbaren Ventilen erreicht; z. D. von 1 W elektr. Eingangsleistung auf 250 kW hydr. Ausgangsleistung. Letzteres ist flMB· der

if n Grund für den hydraulischen Muskel, d.h. den hydraulischen Geräteteil und die dafür erforderliche hydraulische Versorgung.

Stellungsregelkreise mit Servoventilen - allerdings noch nicht mit im Antrieb integrierter hydr. Versorgung - sind seit 1976 im Kernkraftwerk Brunsbiittel , seit 1977 im KKW Isar bei allen Umleit-Stellantrieben der Siedewasaeranlagen und seit über 20 000 Betriebsstunden der SBF-Pumpen im Kraftwerk Mehrura bei allen Frischdampf- und Abfangventil Stellantrieben ohne die geringste Störung im Einsatz.

Diese Erfahrungen sind bei der Entscheidung zur Entwicklung des Kompaktantriebes von großer Bedeutung gewesen. Die Weiterentwicklung dieser elektrisch angesteuerten hydraulischen Antriebe umfaßte die Einbeziehung der für jeden Antrieb eigenen Steuerflüssigkeitsversorgung und die kompakte Anordnung der Elemente. Ferner wird nun

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dieser Kompaktantrieb sowohl als Stellantrieb "als auch

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als Schaltantrieb/für die Schnellschlußventile vorgesehen.

Der Kompakt schaltantrieb als AUF-ZU-Antrieb besitzt dann anstelle eines Servoventiles ein 2-Wegeventil, eine kleiner ausgelegte hydr. Versorgung und keinen elektr. Stellungsregler; ansonsten entspricht er im Aufbau dem Kompakt stel1antrieb.

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Das elektro-hydraul i sehe Steuersystem fur don Schnellschluß - der sogenannte elektro-hydraulisehe Schnellgang - ist für Stell- und Schalt-Kompakt antrieb gleich und damit auch die kurzen Schließzeiten und die Schiießsicherhoit. Fig. 5A₁ B :

Wo bei der bisherigen Technik bis zu 100 verschiedenartige <· Steuerflüssigkeitsrohrleitungen zur Verbindung der sogenannten Reglerschränke, Versorgungseinrichtungen, Steuerflüssigkeit sbehälter, Pumpen, Stell- und Schaltantriebe _v in unmittelbarer Turbinennähe notwendig sindv^sind es im

TRS-System ß2 - untere/ jeweils ein Sammelkabel

2 mit dem Gesamtquerschnitt etwa ßO mm und °-5 Adern zu jedem Stell- bzw. Schaltantrieb.

erkennbaren bzw > f Wie die Übersicht derKzu erwartenden Vorteile des TRS- ' —fe-r

n In, F/G. £ ■ .
Systems 82 ijn n——ψ zeigt, ist damit nicht nur ein geringer Raumbedarf und damit eine bessere Zugänglichkeit zur Turbine zu erwarten, auch Steuerflüssigkeitsleckagen von Rohrleitungen und Anschlußflanschen werden vermieden und damit die Brandgefahr praktisch beseitigt. Schließlich werden auch Signalweiterleitungsunsicherheiten - wie sie bei schlecht verlegten oder sehr langen Impulsleitungen durch Kompressibilität der Hydraulik bzw. Lufteinschlüsse immer wieder möglich sind, ausgeschlossen.

Die Verarbeitung und Weiterleitung der elektrischen Signale sind rückwirkungsfrei und damit ebenso ein Qualitätsgewinn wie die einfache Verstärkungsänderung oder Verteilungsänderung der Signale z. D. beim automatischen Vertrimmen oder Staffeln der' Ventilgruppen. -.

Neben noch anderen Vorteilen, wie geringere HiIfsenergif und leichtere Austauschbarkeit spricht entscheidend für diese neue Technik ciie dadurch erzielte Qualitätsverbesserung der Regel- und Steuorfunkt ionen und die Vorbesserung der Zuverlässigkeit.

Das neue Turbinen- Hegel - und Steuersystem wird stark abor .nicht, allein durch (inn Kompakt an t. r Leb geprägt. Neu ist vor allem das 1· rhi on dor hydr. Regler, dor hydr. Sl fiuerei rir i cht ungPTi für den Turluriciischut 7.

einer anderen Pah^f€i»^d«

binenregler-Funktion auch durch ablösende Drehzahl- und Leiitunesrciler und direkt auf (lie Ansteuerung der Stellventile wirkende Uruckrcglcr u.a. wesentlich

So ist z. B. der 2. parallel zum olektr. Drehzahlregler geschaltete Stand-by-ürehzalilrcgler beibehalten worden. Lediglich der Signalverarbeitungsbereich ist nicht mehr hydraulisch sondern elektrisch ausgeführt.

Raaaia e {Elektrische^ f~ Drehzahl-Redundantregler ig' ZPC-^Ch***+ (SieLe fff. 2 ßj.

Die Kette der Überdrehzahlschutzeinrichtung - bisher ausschließlich mechanisch bzw. hydraulisch - wird da, wo Signale verarbeitet bzw. ferngeleitet werden, elektrifiziert. Das bewährte mechanische Grenzdrehzahlerfassungssystem aber, die Drehzahlwächter als Fliehkraft ringe.sind wegen der Einfachheit und der nachgewiesenen großen Zuverlässigkeit sowie der getrennten Prüfbarkeit während des Betriebes in ntC- Überdrehzahl schutzke t te des TKS-Systcm= 82 übernommen worden.

Die Auslösung dieser Drehzahlwächter im Grenzdrehzahlfal1 wird im TRS-Systera 82 berührungslos und elektrisch mittels analoger W>gmeßumi'o rnier erfoiit. Die elektrische Signa ler fassung" wird ständig auf Fehler überwacht * ^rt—3-Ί—+-i——. Zu dPM Stell- und Schnltan-Irieben wird dieses Sehne I1schlußsignal elektrisch ^und jeweils 2-k.nnalig we it-er ce leitet.

*) dt5+£cllpcn An tu eldest c-m d &sb* β*Λ~ */ <2<*«c c/chh^hwc/ircc^/f'jti^ - H -

Wie bisher wird die Federkraft, als Schi ießkr'af t""der "Ventilantriebe - sowohl der Schalt- als auch der Stellantriebe - im j\nforderungsfall redundant über je 2 jetzt in Ruhestrom geschaltete elektro-hydraulische Binärsigmil

i,

umformer, d ip. Magnetventile mit Losbrechbc schleuniger ausgelöst.

Da diese 2-kanalige Umformung jetzt dezentral für jeden Antrieb vorgesehen ist, muß die hierbei vorhandene Vervielfachung der elektro-hydraulischen liina'rsignalumf ormungen - 4-mal pro Stell- und Sehne 11 schl ulJvonti !kombination - im Hinblick auf die Sicherheit der Gesamtanlage analysiert werden. J&&& Jies /rerglei chend mit dem bisherigen System - wo 2 Magnetventile für alle Ventilkombinationen an der Turbine vorhanden sind - mittels der Fehlerbaummethode der Wahrscheinlichkeitsrechnung get

Das Ergebnis dieser Fehlerwahrschein Iichkeitsanalvse ist

Hb ff 9-8/

in derVgezeigten Tabelle zusammengefaßt. Die Randbedingungen für diese Rechnung, im wesentlichen die Fehlerraten der einzelnen Bauelemente, sind pessimistisch angenommen bzw. vorliegenden Ausfallstatistiken entnommen.

Q ist hierin die Wahrscheinlichkeit für das Eintreten eines unerwünschten Ereignisses beim bestehenden System EHR.

Q₀ ist die entsprechende Wahrscheinlichkeit beim neuen TRS-System 82 und der Quotient Q /Q₀ entspricht der Qualitätsverbesserung.

In Sicherheitsrichtung, d.h. emo von acht Venti Lkombina t ionen schließt nicht, wenn ein Schrie? 1 I sch 1 ufSsignal ansteht, ist die Zuverlässigkeit um den Faktor -1'3 3 besser.

In Vorfü jrbarke i t sr ι eh t-wng, d.h. /.wc ί \o\\ acht Ventilkombinationen sch 1 ielicMi fehlerhaft , ist die Zuverlässigkeit deich.

Das fehlerhafte Schließen aller H Ventilkornbinationen ist durchi die dezentralisierte Umformung beim TRS-System 82 um den Faktor 10 bosser. Das sind besonders in Sicherheit sricrrtung sphr gute Ergebnisse.

Die Erzielung einer derartigen hohen Zuverlässigkeit setzt natürlich voraus, daß die der Rechnung zugrundeliegenden Schaltungsstrukturen, Fohlerraten der Bauelemente und deren Standzeiten sowie die PrüfIntervalle sich realisieren lassen.

Claims (1)

33094A1 ι ·-..: j.·:.:-:.·: - W - VPA 83 P 6009 Patentansprüche

1./Turbinen-Regel- und Steuersystem unter Verwendung elektrohydraulischer Kompaktantriebe zur Betätigung von Ventilen an Turbomaschinen, insbesondere Dampfturbinen, wie Regel-, Schnellschluß- oder Um!eitventilen, wobei der Kompaktantrieb versehen ist:

mit Mitteln zur elektrischen Energieversorgung und zum Empfang elektrischer AnsteuersignaLe sowie zur Umformung derselben in entsprechende hydraulische Stell- oder Schaltgrößen,

mit einem autarken hydraulischen Versorgungssystem, welches mindestens eine aus einem Hydraulikfluidbehälfcer gespeiste und von einem Elektromotor· angetriebene Fluid-" pumpe und mindestens einen druckseitig an die Pumpe angeschlossenen hydraulischen Druckspeicher umfaßt, an welchen Druckspeicher eine hydraulische Druckschiene angeschlossen ist,
mit einem hydraulischen Kraftkolben-Zylinder-System, dessen Kolbenstange mit der Ventilspindel verbunden ist und welches gegen die Kraft einer Ausschaltfeder über elektro-hydraulische Steuerungsorgane eines elektro-hydraulischen Ansteuersystems zur Erzeugung der Stell- und Schaltgrößen-abhängigen öffnungs- und Schließbewegungen und -positionen mit einem aus den Druckspeichern gespeisten Druckfluidstrom beaufschlagbar ist, ferner mit dem genannten elektro-hydraulisehen Ansteuersystem mit'seinen Steuerungsorganen, wobei das elektro-hydraulisehe Ansteuersystem, das hydraulische Kraftkolben-Zylinder-System und das hydraulische Versorgungssystem zu einem am Ventilgehäuse angeordneten, kompakten Antriebsblock integriert sind, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) Der Kompakt antrieb ist sowohl als Stell- und auch Schaltantrieb verwendbar;

- *f - VPA 83 P 6009 DE

b) In der Ausführung als Stellantrieb weist das Anstetiersystem des Kompaktantriebs auf:

b1) mindestens ein elektrohydrauli.sch.es Servoventil, 5" dem vom Turbinenregler die einem Stellgrößen-Sollwert entsprechende Regelabweichung als elektrische Eingangsgröße zuführbar ist, welche nach Verstärkung und Umformung als entsprechende hydraulische Stellgröße (Fluidstrom) den Kraftkolben beauf-» '¹O schlagt, wobei der Stellgrößen-'Istwert von einem den Ventilhub abfragenden Wegmeßumformer als elektrische Größe zu dem dem Turbinenregler nachgeschalteten Stellungsregler zurückgeführt ist;

1^L3 b2) mindestens zwei parallel geschaltete binär arbeitende elektrohydraulisch^ Wandler, jeweils in Form von Magnetventilen, vorzugsweise WegeSchiebern, und diesen hydraulisch nachgeschalteten Zweiwege-Sitzventilen, welche die hydraulische Druckschiene

PO im Versorgungssystem des Kompaktantriebs im Ansprechfalle mit dem Ablauf verbinden, wobei die Magnetventile durch elektrische Auslösesignale von der SchnellSchlußauslösung ansteuerbar sind und zusätzlich im Sinne einer Oder-Bedingung zum Zwecke der hydraulischen Schnellauslosung von elektrischen Auslösesignalen, die ein dem Stellungsregler nachgeschalteter Grenzwertschalter abgibt, wenn die Abweichung zwischen Ventilstellungs-Sollwert und -Istwert einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet;

c) In der Ausführung als Schaltantrieb weist das Ansteuersystem des Kompaktantriebs anstelle des elektrohydraulischen Servoventil ein Zwei/Zwei-Wegpmagnetventil auf, welches elektrisch an die AUF—ZU-Steuerung der Turbinenregel- und Anfahreinrichtung angeschlossen ist, wobei der elektrische Stellungsregler bzw. Wegmeß-

3

- 1# - VPA 83 P 6009 umformer fortgelassen und das Speichervolumen und die Pumpenleistung des hydraulischen Versorgungssystems wegen des Fehlen« kurzzeitiger öffnungsbefehle kleiner als beim hydraulischen Versorgungssystem des Stellantriebs gewählt sind.