EP0419946A1

EP0419946A1 - Stellantrieb

Info

Publication number: EP0419946A1
Application number: EP90117575A
Authority: EP
Inventors: Heinz Frey; Kamil Prochazka
Original assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1989-09-28
Filing date: 1990-09-12
Publication date: 1991-04-03
Anticipated expiration: 2010-09-12
Also published as: ES2053042T3; DE59005002D1; JPH03121203A; ATE103035T1; US5193779A; EP0419946B1; CH678968A5; JP2974749B2

Abstract

Dieser Stellantrieb (1) weist einen mit einem Öldruck betätigbaren Hauptkolben (4) und eine mit einer über ein Gestänge (15) mit dem Hauptkolben (4) in Wirkverbindung stehende Vorsteuerung auf. Die Vorsteuerung umfasst eine den Öldruck am Hauptkolben (4) regelnde Regelblende (14) und eine hydraulisch betätigbare Vorsteuerkolbenanordnung (18). Der Stellantrieb (1) soll so ausgebildet werden, dass er im Betrieb eine höhere Dynamik aufweist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Vorsteuerkolbenanordnung (18) über ein elektrohydraulisches Ventil betätigbar ist, welches durch einen elektronischen Regler (31) angesteuert wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung geht aus von einem Stellantrieb für ein Regelventil mit einem mit Öldruck betätigbaren Hauptkolben und mit einer über ein Gestänge mit dem Hauptkolben in Wirkverbindung stehenden Vorsteuerung, welche mindestens eine den Öldruck am Hauptkolben regelnde Regelblende und mindestens eine hydraulisch betätigbare Vorsteuerkolbenanordnung aufweist.

STAND DER TECHNIK

Ein Stellantrieb für die Betätigung eines Regelventils mit welchem beispielsweise die Dampfzufuhr zu einer Turbine geregelt wird, weist einen Hauptkolben auf, der einerseits mit Federkraft und andererseits mit Öldruck beaufschlagt ist. Bei nachlassendem Öldruck schliesst die Federkraft sicher das Regelventil, welches also auf jeden Fall die Dampfzufuhr unterbricht. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Turbine keinen unkontrollierbaren Betriebszustand erreichen kann, wenn der Öldruck für das Regelventil ausfallen sollte. Bei dieser Ausführung wird ein Stellsignal als Öldruck durch einen zentralen elektrohydraulischen Wandler, der gleichzeitig mehrere Stellantriebe betätigt, erzeugt. Dies bedingt vergleichsweise lange Impulsrohrleitungen für das das Stellsignal übertragende Öl, sodass dieses zwangsläufig entstandene Leitungsvolumen das dynamische Verhalten des Stellantriebs negativ beeinflusst.
Der Hauptkolben des Stellantriebs ist über ein Gestänge mit einer Regelblende verbunden, welche mit einer Vorsteuerkolbenanordnung zusammenwirkt und den Fluss des Öls zum Haupt kolben regelt. Wird eine spezielle Hubcharakteristik des Stellantriebes gewünscht, so kann diese nur durch eine in das Gestänge integrierte, aufwendige Einrichtung, wie beispielsweise Kulissen oder Kurvenscheiben mit entsprechendem Mechanismus, erreicht werden. Der Hub des Stellantriebes wird im Betrieb in der Regel überwacht, was hier nur mittels einer vergleichsweise aufwendigen Messeinrichtung möglich ist. Zudem wirkt sich nachteilig aus, dass die Stellantriebsfunktion hier nicht durch einen Sicherheitsölkreis direkt gesichert werden kann.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, einen Stellantrieb für ein Regelventil zu schaffen, der im Betrieb eine höhere Dynamik aufweist.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass allfällige Änderungen der Regelcharakteristik rasch und ohne Änderungen an mechanischen Teilen implementiert werden können. Ferner sind keine Impulsrohrleitungen mehr nötig, sodass einerseits die Dynamik verschlechternde Leitungsvolumina im hydraulischen System auf ein Minimum beschränkt werden und andererseits der Aufbau dieses Systems stark vereinfacht wird. Der Hub des Stellantriebs kann problemlos separat überwacht werden, sodass besonders bei einer Inbetriebsetzungsphase vorteilhaft verkürzte Arbeitszeiten erreicht werden können. Die Sicherheit des Stellantriebs wird erhöht, da sich diese Ausführung über einen Sicherheitsölkreis betätigen lässt.
Die weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung, ihre Weiterbildung und die damit erzielbaren Vorteile werden nachstehend anhand der Zeichnung, welche lediglich einen möglichen Ausführungsweg darstellt, näher erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Stellantriebs.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die Figur zeigt einen Stellantrieb 1, der ein Regelventil 2 betätigt, welches eine schematisch dargestellte Heissdampfleitung 2a öffnen und schliessen kann. Das Regelventil 2 ist über eine Stange 3 mit einem Hauptkolben 4 verbunden. Unterhalb des Hauptkolbens 4 ist hier ein mit Öldruck beaufschlagtes Antriebsvolumen 5 angeordnet. Oberhalb des Hauptkolbens 4 ist eine, dem Öldruck entgegenwirkende Feder 6 vorgesehen. Ein schematisch angedeuteter Hauptzylinder 7 schliesst die Feder 6, den Hauptkolben 4 und das Antriebsvolumen 5 ein. Auf der Seite der Feder 6 ist eine weitere Stange 8 mit dem Hauptkolben 4 verbunden. Diese Stange 8 durchdringt, ebenso wie die Stange 3, den Hauptzylinder 7. Die konstruktive Ausführung dieser druckdichten Durchdringungen soll hier nicht beschrieben werden. Die Stange 8 wird durch eine Führung 9 geführt, sie ist über ein angelenktes Zwischenstück 10 mit einer Schwinge 11 gelenkig verbunden. Die Schwinge 11 ist drehbar in einer angedeuteten festen Lagerstelle 12 gelagert. Das andere Ende der Schwinge 11 ist gelenkig mit einer Stange 13 verbunden, die mit einer Regelblende 14 zusammenwirkt. Die Stange 13 ist im oberen Bereich mit einem nicht dargestellten Teil versehen, welches ähnlich wie das Zwischenstück 10 zwischen der Stange 8 und der Schwinge 11, die Umsetzung der Drehbewegung der Schwinge 1 in eine geradlinige Bewegung der Stangen 13 bzw. 8 erleichtert. Die aus der Stange 8, dem Zwischenstück 10, der Schwinge 11, der Lagerstelle 12 und der Stange 13 bestehende Baugruppe wird als Gestänge 15 bezeichnet. In diesem stark vereinfacht dargestellten Gestänge 15 können auch nichtlineare Glieder wie beispielsweise Kurvenscheiben oder Kulissensteuerungen vorgesehen werden.
Die Regelblende 14 weist ein schematisch angedeutetes Verschlussstück 16 auf, welches starr mit einem Kolben 17 einer Vorsteuerkolbenanordnung 18 verbunden ist. Die Vorsteuerkolbenanordnung 18 weist ein mit Öldruck beaufschlagtes Betätigungsvolumen 19 oberhalb des Kolbens 17 und eine unterhalb des Kolbens 17 vorgesehene und auf diesen einwirkende Feder 20 auf. Die Stellung des Kolbens 17 wird über eine starr mit diesem verbundene Wegmesseinrichtung 21 kontrolliert. Wie eine gestrichelt ausgeführte Wirkungslinie 30 andeutet, werden von der Wegmesseinrichtung 21 abgegebene, wegproportionale elektrische Signale in einen elektronischen Regler 31 eingespeist. Der Regler 31 steht zudem, wie durch eine gestrichelte Wirkungslinie 32 angedeutet, mit einem Proportional-Wegeventil 33 in Wirkverbindung. Diese Wirkverbindung umfasst einerseits die vom elektronischen Regler 31 nach bestimmten vorgegebenen Kriterien gesteuerte elektromagnetische Betätigung des Proportional-Wegeventils 33 und andererseits die in den Regler 31 zurückgespeisten, wegproportionalen elektrischen Signale einer Wegmesseinrichtung 34, welche die Stellung des Proportional-Wegeventils 33 überwacht. Eine definierte Ausgangsstellung des Proportional-Wegeventils 33 wird mit Hilfe einer nicht dargestellten Feder erreicht. Das Proportional-Wegeventil 33 weist zudem eine zusätzliche, nicht dargestellte Hubrückführung auf, die zusammen mit einer ebenfalls nicht dargestellten elektronischen Positionsregelung ein proportionales Steuerverhalten dieses Proportional-Wegeventils 33 errreicht, und zwar wird dabei eine Öldurchflussmenge proportional zu einem einwirkenden elektrischen Signal eingestellt.
Durch eine Leitung 40 wird Öl unter Druck eingespeist, der nötige Öldruck wird durch eine nicht dargestellte Pumpe erzeugt. Die Durchflussmenge des Öls wird durch eine im Verlauf der Leitung 40 angeordnete Blende 41 geregelt. Die Blende 41 kann entweder eine Öffnung mit konstantem Querschnitt oder eine Öffnung mit regelbarem Querschnitt aufweisen. Das Öl strömt in das Antriebsvolumen 5 und von dort weiter, wie durch die abzweigende Leitung 42 schematisch angedeutet, zur Regelblende 14, durch diese hindurch weiter in eine Leitung 43, die zu einer nicht dargestellten Ablaufvorrichtung führt. Von dieser Ablaufvorrichtung gelangt das Öl weiter durch die erwähnte Pumpe zurück in die Leitung 40. Von der Leitung 40 zweigt eine Leitung 44 mit einer Blende 44a ab, welche zu einem Eingang 45 des Proportional-Wegeventils 33 führt. Ein Ausgang 46 des Proportional-Wegeventils 33 ist durch eine Leitung 47 mit dem Betätigungsvolumen 19 der Vorsteuerkolbenanordnung 18 verbunden. Von dieser Leitung 47 zweigt eine Leitung 48 ab, welche in die Leitung 43 einmündet. Von einem weiteren Ausgang 49 des Proportional-Wegeventils 33 führt eine Leitung 50 weg, welche ebenfalls in die Leitung 43 einmündet.
Das Proportional-Wegeventil 33 wird vorteilhaft in unmittelbarer Nähe der Vorsteuerkolbenanordnung 18 angeordnet oder mit dieser zu einer monolithischen Baugruppe zusammengeflanscht, wodurch die Leitung 47 und damit das mit Öl zu füllende Leitungsvolumen klein ausfällt. Die Dynamik der Regelung wird durch den Wegfall von Impulsleitungen stark erhöht. Sämtliche Leitungen, die mit Öldruck beaufschlagt sind, werden mit möglichst kleiner Längserstreckung ausgeführt, um Leitungsvolumina zu verkleinern und dadurch die Dynamik des Stellantriebes zu erhöhen.
In der Leitung 48 ist hier ein als Plattenventil ausgebildetes Sicherheitsventil 60 eingesetzt, welches ein Betätigungsvolumen 61 aufweist. Das Sicherheitsventil 60 ist in der Re gel geschlossen, da das Betätigungsvolumen 61 von einem nicht dargestellten Sicherheitsölkreis her durch eine Leitung 62 so stark mit dem Druck des Sicherheitsöls beaufschlagt wird, dass eine in Öffnungsrichtung des Sicherheitsventils wirkende Feder 63 sich nicht entspannen kann. Die Leitung 48 wird ebenfalls möglichst kurz ausgebildet.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise des Stellantriebes 1 sei die Figur näher betrachtet. Das Proportional-Wegeventil 33 ist so geschaltet, dass vom Betätigungsvolumen 19 der Vorsteuerkolbenanordnung 18 Öl durch die Leitungen 47 und 50 in die Leitung 43 und durch diese in die Ablaufvorrichtung abfliessen kann. Dies hat zur Folge, dass die Feder 20 den Kolben 17 und mit ihm das Verschlussstück 16 der Regelblende 14 nach oben drücken kann, wodurch der Durchströmquerschnitt der Regelblende 14 vergrössert wird. Die Blende 41 begrenzt die Durchflussmenge des Öls, da jedoch jetzt durch die Regelblende 14 mehr Öl abströmen kann, sinkt der Öldruck im Antriebsvolumen 5 ab und die Feder 6 drückt den Hauptkolben 4 nach unten und das Regelventil 2 wird in Schliessrichtung bewegt. Dieser Vorgang setzt sich solange fort, bis der elektronische Regler 31 aufgrund der eingehenden, von der Wegmesseinrichtung 21 herrührenden wegproportionalen Signale feststellt, dass die gewünschte Sollposition des Regelventils 2 erreicht ist. Dabei werden im Regler 31 etwaige Nichtlinearitäten im Schliessverhalten des Regelventils 2 ausgeglichen. Diese Nichtlinearitäten werden bei der Inbetriebsetzung dieses Stellantriebes 1 in den Regler 31 eingegeben, etwa nötige Feineinstellungen können ebenfalls über eine Eingabe in den Regler 31 durchgeführt werden. Ein und derselbe Typ Regler kann demnach für die verschiedensten Regelventile eingesetzt werden, da lediglich entsprechendes Programmieren nötig ist, um den Regler anzupassen. Zudem können mit Hilfe des Reglers 31 beliebige Schliess- und Öffnungscharakteristiken des Regelventils 2 eingestellt werden. Auf diese Art können aufwendige mechanische Abänderungen des Gestänges 15 vermie den werden, die sonst für eine Veränderung der Antriebscharakteristik des Stellantriebs 1 nötig wären.
Soll nun das Regelventil 2 wieder geöffnet werden, sodass mehr Dampf durch die Heissdampfleitung 2a in eine Turbine gelangen kann, so wird das Proportional-Wegeventil 33 durch einen Befehl vom Regler 31 her umgeschaltet, und zwar so, dass das zuoberst in diesem Ventil dargestellte Schaltschema gilt. In diesem Fall ist der Eingang 45 durchverbunden zum Ausgang 46, sodass durch die Leitungen 44 und 47 Öl, dessen Menge durch das Proportional-Wegeventil 33 gesteuert wird, in das Betätigungsvolumen 19 der Vorsteuerkolbenanordnung 18 fliessen und dort den Öldruck erhöhen kann, da durch die Leitung 48 kein Öl abfliesst. Durch die Blende 44a wird die Öffnungsgeschwindigkeit der Vorsteuerkolbenanordnung 18 begrenzt. Die Vorsteuerkolbenanordnung 18 schliesst bzw. reduziert den Durchströmquerschnitt der Regelblende 14, sodass, durch die Leitung 40 gespeist, der Öldruck im Antriebsvolumen 5 ansteigt, wodurch der Hauptkolben 4 nach oben und gleichzeitig das Regelventil 2 in Öffnungsrichtung bewegt wird. Sobald der vorgegebene Sollwert erreicht wird, erkennt der Regler 31 dies und steuert das Proportional-Wegeventil 33 ab, sodass kein zusätzliches Öl in das Betätigungsvolumen 19 gelangt.
Die Funktion des Regelventils 2 muss in periodischen Abständen kontrolliert werden, um sicher zu sein, dass es im Falle einer Störung auch jederzeit seine Schliessbewegung ausführen kann. Bei herkömmlichen Stellantrieben musste für diesen Zweck eine zusätzliche Öldruckleitung in die Vorsteuerkolbenanordnung 18 geführt werden, sodass diese gegen den im Betätigungsvolumen 19 herrschenden Druck betätigt werden konnte. In diesem Fall wurde dann der Kolben 17 nach oben bewegt, die Regelblende 14 wurde geöffnet, der Druck aus dem Antriebsvolumen 5 konnte über die Regelblende 14 entweichen und das Regelventil 2 führte eine vom übrigen Steuersystem unabhängige Schliessbewegung durch. Diese zusätzliche Öldruckleitung musste mit Ventilen bestückt und gegen das übrige Steuersystem sicher abgeschottet sein, um ungewollte, gefährliche Betätigungen der Vorsteuerkolbenanordnung 18 zu vermeiden. Liese aufwendige Lösung braucht es nun nicht mehr, da diese Kontrolle über den Regler 31 direkt initiiert werden kann durch entsprechende elektrische Ansteuerung des Proportional-Wegeventils 33.
Die Sicherheitsanforderungen an technische Anlagen insbesondere auch an thermische Kraftwerke steigen stetig an. Eine vergleichsweise hohe Sicherheit wird erreicht, wenn ein separater Sicherheitsölkreis erlaubt sämtliche sicherheitsrelevanten Ventile annähernd gleichzeitig zu betätigen. Das Sicherheitsventil 60 öffnet sich sofort, wenn der Druck des Sicherheitsöls in der Leitung 62 abfällt. Das Öl aus dem Betätigungsvolumen 19 der Vorsteuerkolbenanordnung 18 strömt sehr rasch durch die Leitung 48 ab und der Stellantrieb 1 schliesst umgehend das Regelventil 2. Dieses Schliessen erfolgt sogar bei Energieausfall, da die Federn 63, 20 und 6 das sichere Erreichen der Ausschaltstellung auch ohne zusätzliche Energie sicherstellen. Auf diese Art wird immer ein sicherer Endzustand des Stellantriebes 1 erreicht, instabile Betriebszustände können nicht auftreten.

Claims

1. Stellantrieb (1) für ein Regelventil (2) mit einem mit einem Öldruck betätigbaren Hauptkolben (4) und mit einer über ein Gestänge (15) mit dem Hauptkolben (4) in Wirkverbindung stehenden Vorsteuerung, welche mindestens eine den Öldruck am Hauptkolben (4) regelnde Regelblende (14) und mindestens eine hydraulisch betätigbare Vorsteuerkolbenanordnung (18) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die mindestens eine Vorsteuerkolbenanordnung (18) so ausgebildet ist, dass sie über mindestens ein elektrohydraulisches Ventil betätigbar ist,
- dass an der mindestens einen Vorsteuerkolbenanordnung (18) und am mindestens einen elektrohydraulischen Ventil jeweils eine, ein elektrisches Signal abgegebende Wegmesseinrichtung (21, 34) vorgesehen ist,
- dass diese elektrischen Signale in einen elektronischen Regler (31) geleitet und dort mit einem Sollwert verglichen werden, und
- dass der elektronische Regler (31) bei Sollwertabweichungen korrigierend auf das elektrohydraulische Ventil einwirkt.

2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- dass das mindestens eine elektrohydraulische Ventil als Proportional-Wegeventil (33) ausgebildet ist.

3. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- dass das Proportional-Wegeventil (33) mit der Vorsteuerkolbenanordnung (18) zu einer monolithischen Einheit verbunden ist.

4. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- dass Nichtlinearitäten des Regelventils (2) durch nichtlineare Glieder im Gestänge (15) oder durch Eingabe der Ventilcharakteristik in den elektronischen Regler (31) oder durch eine Kombination beider Massnahmen ausgeglichen werden.

5. Stellantrieb nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass bei Störungen mittels eines Sicherheitsventils (60) das Schliessen des Regelventils (2) sichergestellt ist.