EP2592237B1 - Düsengruppenregelung für Turbinen - Google Patents

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EP2592237B1
EP2592237B1 EP12189506.4A EP12189506A EP2592237B1 EP 2592237 B1 EP2592237 B1 EP 2592237B1 EP 12189506 A EP12189506 A EP 12189506A EP 2592237 B1 EP2592237 B1 EP 2592237B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pump
nozzle group
valve
control
control valve
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP12189506.4A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP2592237A3 (de
EP2592237A2 (de
Inventor
Rüdiger BACKASCH
Mike Heyn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP2592237A2 publication Critical patent/EP2592237A2/de
Publication of EP2592237A3 publication Critical patent/EP2592237A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2592237B1 publication Critical patent/EP2592237B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/141—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path
    • F01D17/145—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path by means of valves, e.g. for steam turbines

Definitions

  • the invention relates to a nozzle group control for a turbine according to the preamble of independent claim 1.
  • thermodynamic design For turbines and in particular for steam turbines, there are different concepts of thermodynamic design, being optimized for the different operation of the system. If the turbine is almost always driven under the same load, it is usually designed as a throttle-controlled turbine. This optimizes the design of the turbine to the maximum load point.
  • the turbine is controlled in this case by nozzle groups, whereby it has a higher efficiency in the partial load range compared to the throttle-controlled turbine.
  • the structure of a nozzle group-controlled turbine consists of control valves, flow channels, nozzle segments (consisting of turbine blades in constant pressure construction), the control wheel (consisting of turbine blade in constant pressure) and the following in the flow direction blading in constant pressure or overpressure.
  • the live steam is fed through the individual control valves each a nozzle segment.
  • the admission of the individual nozzle segments takes place by the successive opening of the control valves. In each case only one control valve is opened or a maximum of two control valves moved simultaneously.
  • valve bar in which individual control valves in Lifting direction are loosely attached and operated at different heights of the valve beam realized.
  • a single drive could be used for several control valves.
  • a control over a valve bar is for example from the US 5 295 783 A known.
  • the control valves are driven by hydraulic actuators.
  • the actuators are connected to a central hydraulic system and are supplied via this with the required working pressure.
  • the hydraulic system is designed as an open system, that is, the hydraulic fluid is pumped out of an open hydraulic fluid reservoir and brought to the required working pressure of the control valves. Due to the hydraulic pressure, the control valves are moved to their corresponding position.
  • Generic nozzle group controls are for example from the DE 938 549 C or the DE 12 75073 B known.
  • the hydraulic system requires large amounts of pressurized oil, a complicated installation of pipes and is therefore correspondingly complex and expensive.
  • the hydraulic fluid must be constantly under pressure in operation, which can lead to safety problems and leaks at the plant.
  • each actuator has a working cylinder, which is moved by its own hydraulic pump in the desired position and thus also moves the control valve in a corresponding position.
  • the holding of the position is realized by the closing of associated solenoid valves, so that a hydrostatic pressure is built up in the working cylinders of the actuators.
  • the leakage over the associated Valves are so small that "re-pumping" is only necessary after longer time intervals.
  • Such a control valve is for example in the DE 10 2010 011 516 A1 disclosed.
  • a disadvantage of such a solution is that a separate pump with associated drive is necessary for each actuator. If the pump fails, the entire nozzle group control must be switched off and the individual pump replaced. As a result, the reliability of such a system is low.
  • the nozzle group control according to the invention for a turbine in particular a steam turbine, comprising at least a first control valve, a second control valve, and a pump, each control valve having its own actuator, which can move the respective control valve between an open and a closed position, wherein the actuators are hydraulically actuated and necessary for actuating the actuators hydraulic pressure is established by a pump, wherein the actuators are arranged in a hydraulic circuit parallel to each other and can be controlled by a common first pump, characterized in that the hydraulic circuit is a closed circuit and the actuator has a working cylinder in which a double-sided acted upon piston is slidably disposed and the working cylinder has at least one valve which controls the inflow and outflow into the working cylinder and thereby forms a hydrostatic drive and wherein the pump is designed only for the hydraulic fluid requirement of a valve.
  • the invention makes use of the fact that the control valves in the nozzle group control in steam turbines, usually controlled sequentially, so that a pump is sufficient and this one pump must be designed only for the hydraulic fluid requirement of a control valve. As a result, only a single pump is required for the inventive nozzle group control, instead of 4 so far. Also, in the event that two valves are to be moved together exceptionally, the pump power of a pump would be sufficient, possibly the closing and / or opening speed of the control valves is slightly reduced.
  • the actuators are arranged in a common hydraulic circuit, parallel to each other, and can be controlled by a common first pump, in contrast to the hitherto usual control with one pump per actuator, a significant simplification of the nozzle group control can be achieved, resulting in significant leads to financial savings.
  • the invention provides that the hydraulic circuit is a closed circuit. As a closed circuit while a cycle is referred to, in which the hydraulic fluid does not leave the hydraulic circuit, but is pumped only in the circulation. A contact with the environment or a pump back into an open memory is eliminated. As a result, significantly less hydraulic fluid is necessary than so far, whereby the desire for an oil-free turbine largely taken into account.
  • the actuator has a working cylinder in which a double-sided acted upon piston is slidably disposed.
  • a double-sided acted upon piston is slidably disposed.
  • the reciprocal action of the piston takes place in that the hydraulic fluid is pumped from one side of the piston to the other during opening and closing operations.
  • the working cylinder has at least one valve which controls the inflow or outflow in the working cylinders.
  • the valve In order to enable a displacement and thus an adjustment of the actuator, the valve is controlled such that it is in an open position. For holding the piston in a certain position, the inflow and outflow to the working cylinder are then blocked.
  • the valve on the working cylinder is designed so that there is a hydrostatic drive. In this case, the holding of the position of the control valve is achieved by closing the valves on the working cylinder, whereby the hydraulic fluid can not escape from both sides of the double-acting piston from the working cylinder. Due to this hydrostatic design of the nozzle group control, it is not necessary for the pump to constantly maintain the necessary working pressure.
  • the pump can be switched off, as the position is maintained by the hydrostatic pressure in the working cylinder and a displacement of the piston in the working cylinder is not possible.
  • valve is a four-way valve. This type of valve allows a particularly simple control of the working cylinder during the closing and opening operation.
  • valve is a solenoid valve.
  • Solenoid valves are simple in construction, inexpensive and can be controlled very well. Therefore, they are particularly suitable for use in the described working cylinder.
  • a further embodiment of the invention provides that the pump is designed such that it can reverse the pumping direction.
  • the pump By reversing the pumping direction, the oil during the opening and closing process can be pumped from one side of the piston to the other, which allows a simple displacement of the piston in the working cylinder and thus a simple displacement of the control valve coupled to the actuator.
  • the reversal of the pumping direction represents a particularly simple embodiment.
  • a further embodiment of the invention provides that an additional reservoir for hydraulic fluid is provided in the hydraulic circuit.
  • the hydraulic accumulator can ensure that the already low leakage losses are compensated.
  • the additional storage for the hydraulic fluid can be very small due to the low leakage losses.
  • the memory for the hydraulic fluid can be integrated, for example, in the hydraulic circuit in which the lines of the hydraulic circuit are designed to be correspondingly larger.
  • a further embodiment of the invention provides that the pump is electrically operated.
  • the electric drive for the pump enables a smooth, continuous and fast pump response.
  • the pump can also be operated by a drive other than an electric one.
  • an additional clutch can be arranged, which responds in particular in case of overload or a terminal of the pump and separates the pump from the drive.
  • additional units such as a frequency converter, can be provided.
  • a further embodiment of the invention provides that in the hydraulic circuit, a second redundant pump is arranged, which can replace the first pump if necessary.
  • a redundant pump By arranging a redundant pump, the reliability is significantly increased. If the first pump fails, the nozzle group control can continue to work without any problems. The replacement of the defective pump can be done during operation.
  • the redundant system offers clear advantages over the previous control, in which a failure of a single pump has led to complete failure of the nozzle group control.
  • the redundant pump is preferably to be driven by means of a redundant drive, so that damage to the drive of the pump does not lead to failure of the nozzle group control.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a control stage 100 of a nozzle group control for a turbine.
  • the control stage 100 has a stator 110 with first guide vanes 111 and second guide vanes 112. Furthermore, the control stage 100 has a first flow channel 101 and a second flow channel 102.
  • the first flow channel 101 is designed in such a way that a first working fluid flowing through the first flow channel 101 is acted on by first fluid parameters and a first mass flow m1 of the first guide blade 111.
  • the second flow channel 102 is designed such that a second working fluid having second fluid parameters and a second mass flow m2 flowing through the second flow channel 102 acts on the second guide vanes 112.
  • the control level 100 can, as in FIG. 1 shown further flow channels 103, 104 have.
  • the further flow channels 103 and 104 are designed so that they can act on third guide vanes 113 and fourth vanes 114 with a working fluid such as water vapor.
  • the respective flow channels 101-104 divide the guide vanes 111-114 of the stator 110 into corresponding segments AD.
  • FIG. 1 becomes the first flow channel 101 bounded by its wall and directs the working fluid flowing through it directly to the first vanes 111.
  • the first vanes 111 together with the first flow channel 101, the first segment A of the control stage 100. Accordingly, the second segment B, the third Segment C and the fourth segment D formed.
  • a corresponding working fluid which may have different mass flows m1-m4 and / or different fluid parameters, flow.
  • the fluid parameters are, for example, pressures P1-P4 and flow rates C1-C4.
  • the mass flow m1-m4 and the flow parameters of the working fluid into the respective flow channel 101-104 can be regulated by control valves 121-124 arranged in the flow channels 101-104.
  • first the first control valve 121 opens, so that a first working fluid with the mass flow m1 and the first pressure P1 and the first flow velocity C1 in the direction of the first guide vanes 111 through the first flow channel 101 flows.
  • the first guide vanes 111 direct the working fluid in a predetermined direction, so that in the predetermined direction, the blades of an impeller arranged behind it are flown.
  • a second working fluid flows through the second flow channel 102 in the direction of the stator 110 and flows against the second guide vanes 112.
  • the second control valve 122 is operated at its valve point and thus has the optimum efficiency, if necessary Performance that third control valve 123 is opened, so that a third working fluid flows through the third flow channel 103 in the direction of the third guide vane 113.
  • the fourth control valve 124 is opened to allow a fourth working fluid to flow through the fourth flow passage 104 with a fourth mass flow m4 and a fourth flow velocity C4 toward the fourth vanes 114 ,
  • a nozzle group control is provided, whereby the working fluid, such as live steam, is fed through separate control valves 121-124 each to an associated nozzle segment A to D. As the power of the turbine increases, the control valves 121-124 open in a predetermined order.
  • the opening sequence mentioned in the aforementioned sections can be run as often as desired during turbine operation when loading the turbine as described, or when relieving the turbine in reverse order, in whole or in part. It is also possible that in special cases, two valves are opened or closed simultaneously.
  • FIG. 2 shows the control of the control valves 121 to 124 of the nozzle group control accordingly FIG. 1 ,
  • each control valve 121 to 124 has its own actuator 201 to 204.
  • the actuator 201 to 204 can move the respective control valve 121 to 124 between a fully open and a fully closed position, whereby intermediate positions of the control valves 121 to 124 are possible.
  • the actuators are hydraulically controlled.
  • each actuator 201 to 204 each have a working cylinder 500, in which a double-sided acted upon piston 600 is slidably disposed.
  • Each working cylinder is connected via a hydraulic circuit 400 with a pump 300.
  • the individual actuators 201 to 204 are in the hydraulic circuit arranged parallel to each other and are driven jointly by the pump 300.
  • the pump 300 is electronically operated and has an electric motor 700 for this purpose.
  • a clutch may additionally be provided between the motor 700 and the pump 300.
  • a pump with a different drive can also be used.
  • the method of a control valve 121 to 124 is effected in that first the valve 700 is opened at the corresponding working cylinder 500 and the pump 300 pumps the hydraulic fluid in the appropriate direction, ie the double-acting piston 600 acted upon accordingly.
  • the pump 300 is driven so that it pressurizes the double-sided piston 600 from above, whereby the hydraulic fluid at the bottom of the double-sided piston 600, can flow out of the working cylinder 500 and the piston 600 itself moved down, whereby the control valve 124 closes.
  • the pump 300 pumps the hydraulic fluid in the opposite direction, so that the piston is acted upon from below and the hydraulic fluid flows above the piston 600 from the working cylinder 500.
  • the valve 700 When the piston 600 has reached a predetermined position which corresponds to a desired position of the control valve coupled to the actuator, the valve 700 is closed. As a result, the hydraulic fluid is trapped above and below the double-acting piston 600 in the working cylinder 500 and it forms a hydrostatic pressure in the working cylinder 500, which fixes the piston 600 in its position. As a result, the pump 300 can be switched off and does not, as has hitherto been necessary in conventional systems, constantly maintain an oil pressure in the entire system, that is, in the entire hydraulic circuit 400. This results in a more energy-efficient operation, on the other hand, it increases the reliability of the nozzle group control, since the hydraulic circuit 400 does not have to be constantly under pressure.
  • the pump 300 is only operated if one of the control valves 121 to 124 has to be actuated.
  • the pumping direction is reversible and the pumping direction depends on whether the respective control valve 121 to 124 is to be opened or closed.
  • the respective valve 700 is opened on the corresponding working cylinder 500.
  • the control valve 121 to 124 has reached the desired position, the corresponding valve 700 is closed and the pump 300 can then be switched off again.
  • a redundant system with a second pump 301 and corresponding drive 801 is provided in the exemplary embodiment, which is used in case of failure of the first pump 300.
  • the redundant system ensures that even if the first pump 300 and / or the first drive 800 fails, the nozzle group control continues to function flawlessly.
  • the defective pump 300 can be replaced during operation. This represents a great advantage over the previous systems, where each actuator and thus each control valve has its own pump. In these systems, the entire nozzle group control failed when a single pump failed.
  • the nozzle group control according to the invention thus makes it possible to ensure a higher level of operational reliability with two pumps than was previously the case with the use of four pumps.
  • the pump 300 is equal to or slightly larger dimensions than the pumps that were previously used to control the individual actuators.
  • an additional reservoir for hydraulic fluid can be provided.
  • the leakage due to the closed hydraulic circuit 400 is usually very low, it is sufficient to provide only a small hydraulic fluid storage. This may possibly already be formed by slightly over-dimensioning the pipeline for the hydraulic circuit 400.
  • the nozzle group control according to the invention thus enables a reduction of the necessary number of pumps from previously four to only one pump, wherein the pump power can remain unchanged.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Control Of Turbines (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Düsengruppenregelung für eine Turbine nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.
  • Für Turbinen und insbesondere für Dampfturbinen gibt es unterschiedliche Konzepte der thermodynamischen Auslegung, wobei auf den unterschiedlichen Betrieb der Anlage hin optimiert wird. Wird die Turbine fast ausnahmslos unter der gleichen Last gefahren, so wird sie üblicherweise als drosselgeregelte Turbine ausgelegt. Hierbei optimiert man die Auslegung der Turbine auf den maximalen Lastpunkt.
  • Gibt es dagegen verschiedene Lastpunkte, dann ist es sinnvoll, dass Teillastverhalten der Turbine zu berücksichtigen. Die Turbine wird in diesem Fall durch Düsengruppen geregelt, wodurch sie im Teillastbereich einen höheren Wirkungsgrad im Vergleich zur drosselgeregelten Turbine hat.
  • Der Aufbau einer düsengruppengeregelten Turbine besteht aus Regelventilen, Strömungskanälen, Düsensegmenten (bestehend aus Turbinenschaufeln in Gleichdruckbauweise), dem Regelrad (bestehend aus Turbinenschaufel in Gleichdruckbauweise) sowie der in Strömungsrichtung folgenden Beschaufelung in Gleichdruck- oder Überdruckbauweise.
  • Bei einer Düsengruppenregelung einer Dampfturbine wird der Frischdampf durch die einzelnen Regelventile jeweils einem Düsensegment zugeleitet. Die Beaufschlagung der einzelnen Düsensegmente erfolgt durch das nacheinander Öffnen der Regelventile. Dabei wird jeweils nur ein Regelventil geöffnet bzw. maximal zwei Regelventile gleichzeitig bewegt.
  • Bei älteren Konstruktionen wurde das sequentielle Betätigen durch einen Ventilbalken, in dem einzelne Regelventile in Hubrichtung lose befestigt sind und die bei unterschiedlichen Hubhöhen des Ventilbalkens betätigt werden, realisiert. Dadurch konnte ein einzelner Antrieb für mehrere Regelventile eingesetzt werden. Eine Regelung über einen Ventilbalken ist beispielsweise aus der US 5 295 783 A bekannt.
  • Aufgrund steigender Dampfparameter werden bei heutigen Konstruktionen anstelle der Balkenventile, Einzelantriebe eingesetzt, um die erforderlichen Kräfte zu realisieren.
  • Die Regelventile werden dabei durch hydraulische Aktuatoren angetrieben. Die Aktuatoren sind mit einer zentralen Hydraulikanlage verbunden und werden über diese mit dem erforderlichen Arbeitsdruck versorgt. Die Hydraulikanlage ist dabei als offene Anlage konzipiert, das heißt die Hydraulikflüssigkeit wird aus einem offenen Hydraulikflüssigkeitsspeicher herausgepumpt und auf den erforderlichen Arbeitsdruck der Regelventile gebracht. Durch den Hydraulikdruck werden die Regelventile in ihre entsprechende Lage verschoben. Gattungsgemäße Düsengruppenregelungen sind beispielsweise aus der DE 938 549 C oder der DE 12 75073 B bekannt.
  • Die Hydraulikanlage erfordert große unter Druck stehende Ölmengen, eine aufwendige Verlegung von Rohren und ist daher entsprechend aufwendig und teuer. Außerdem muss die Hydraulikflüssigkeit im Betrieb ständig unter Druck gehalten werden, was zu Sicherheitsproblemen und zu Undichtigkeiten an der Anlage führen kann.
  • Um diese Probleme zu vermeiden werden zunehmend hydrostatische Antriebe entwickelt, die dadurch gekennzeichnet sind, dass jeder Aktuator über einen Arbeitszylinder verfügt, der durch eine eigene Hydraulikpumpe in die gewünschte Position verfahren wird und damit das Regelventil ebenfalls in eine entsprechende Position bewegt. Das Halten der Position wird durch das Schließen zugehöriger Magnetventile realisiert, so dass ein hydrostatischer Druck in den Arbeitszylindern der Aktuatoren aufgebaut wird. Die Leckage über die zugehörigen Ventile ist dabei so gering, dass ein "Nachpumpen" erst nach längeren Zeitintervallen notwendig ist. Ein solches Regelventil ist beispielsweise in der DE 10 2010 011 516 A1 offenbart.
  • Nachteilig an einer solchen Lösung ist jedoch, dass für jeden Aktuator eine eigene Pumpe mit zugehörigem Antrieb notwendig ist. Beim Ausfall der Pumpe muss die gesamte Düsengruppenregelung ausgeschaltet und die einzelne Pumpe ersetzt werden. Hierdurch ist die Betriebssicherheit eines solchen Systems gering.
  • Ausgehend vom vorliegenden Stand der Technik ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine Düsengruppenregelung für eine Turbine, insbesondere eine Dampfturbine bereitzustellen, welche einen vereinfachten Aufbau und eine verbesserte Betriebssicherheit aufweist.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1.
  • Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die erfindungsgemäße Düsengruppenregelung für eine Turbine, insbesondere eine Dampfturbine, umfassend wenigstens ein erstes Regelventil, ein zweites Regelventil, sowie eine Pumpe, wobei jedes Regelventil einen eigenen Aktuator aufweist, der das jeweilige Regelventil zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Position verfahren kann, wobei die Aktuatoren hydraulisch betätigbar sind und der zur Betätigung der Aktuatoren notwendige hydraulische Druck durch eine Pumpe aufgebaut wird, wobei die Aktuatoren in einem Hydraulikkreislauf parallel zueinander angeordnet sind und von einer gemeinsamen ersten Pumpe ansteuerbar sind, zeichnet sich dadurch aus, dass der Hydraulikkreislauf ein geschlossener Kreislauf ist und der Aktuator einen Arbeitszylinder aufweist, in dem ein doppelseitig beaufschlagbarer Kolben verschieblich angeordnet ist und der Arbeitszylinder wenigstens ein Ventil aufweist, welches den Zu- und oder Abfluss in den Arbeitszylinder steuert und dadurch einen hydrostatischen Antrieb ausbildet und wobei die Pumpe nur für den Hydraulikflüssigkeitsbedarf eines Ventils ausgelegt ist.
  • Die Erfindung macht sich dabei die Tatsache zu Nutze, dass die Regelventile bei der Düsengruppenregelung bei Dampfturbinen, üblicherweise nacheinander angesteuert werden, so dass eine Pumpe ausreicht und diese eine Pumpe auch nur für den Hydraulikflüssigkeitsbedarf eines Regelventils ausgelegt sein muss. Hierdurch ist für die erfindungsgemäße Düsengruppenregelung, anstatt bislang 4, nur noch eine einzige Pumpe erforderlich.
    Auch für den Fall, dass ausnahmsweise zwei Ventile zusammen bewegt werden sollen, würde die Pumpleistung der einen Pumpe ausreichen, wobei möglicherweise die Schließ- und/ oder Öffnungsgeschwindigkeit der Regelventile etwas reduziert ist.
  • Dadurch, dass die Aktuatoren in einem gemeinsamen Hydraulikkreislauf, parallel zueinander angeordnet sind, und von einer gemeinsamen ersten Pumpe ansteuerbar sind, kann im Gegensatz zu der bislang üblichen Ansteuerung mit jeweils einer Pumpe je Aktuator, eine deutliche Vereinfachung der Düsengruppenregelung erreicht werden, was zu erheblichen finanziellen Einsparungen führt.
    Die Erfindung sieht vor, dass der Hydraulikkreislauf ein geschlossener Kreislauf ist. Als geschlossener Kreislauf wird dabei ein Kreislauf bezeichnet, bei dem die Hydraulikflüssigkeit den Hydraulikkreislauf nicht verlässt, sondern lediglich im Kreislauf gepumpt wird. Ein Kontakt mit der Umgebung oder ein zurückpumpen in einen offenen Speicher entfällt. Hierdurch ist deutlich weniger Hydraulikflüssigkeit notwendig als bislang, wodurch dem Wunsch an eine ölfreie Turbine weitgehend Rechnung getragen.
  • Des Weiteren ist es Merkmal der Erfindung, dass der Aktuator einen Arbeitszylinder aufweist, in dem ein doppelseitig beaufschlagbarer Kolben verschieblich angeordnet ist. Zum Verschieben des Aktuators kann der doppelseitig beaufschlagbare Zylinder auf einfache Weise wechselseitig beansprucht und damit verschoben werden. Die wechselseitige Beaufschlagung des Kolbens erfolgt dadurch, dass die Hydraulikflüssigkeit bei Öffnungs- und Schließvorgängen von einer Kolbenseite auf die andere gepumpt wird.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Arbeitszylinder wenigstens ein Ventil aufweist, welches den Zu- oder Abfluss in den Arbeitszylindern steuert. Um ein Verschieben und damit ein Verstellen des Aktuators zu ermöglichen, ist das Ventil dabei derart angesteuert, dass es sich in einer geöffneten Position befindet. Zum Halten des Kolbens in einer Bestimmten Position wird der Zu- und Abfluss zum Arbeitszylinder dann gesperrt. Das Ventil am Arbeitszylinder ist dabei so ausgebildet, das sich ein hydrostatischer Antrieb ergibt. Dabei wird das Halten der Position des Regelventils durch das Schließen der Ventile am Arbeitszylinder erreicht, wodurch die Hydraulikflüssigkeit beidseits des doppelseitig beaufschlagbaren Kolbens nicht aus dem Arbeitszylinder entweichen kann. Durch diese hydrostatische Ausbildung der Düsengruppenregelung ist es nicht notwendig, dass die Pumpe ständig den notwendigen Arbeitsdruck aufrechterhalten muss. Nachdem das Regelventil eine bestimmte Position eingenommen und das Ventil den Arbeitszylinder verschlossen hat, kann die Pumpe ausgeschalten werden, da die Position durch den hydrostatischen Druck im Arbeitszylinder aufrechterhalten wird und ein Verschieben des Kolbens im Arbeitszylinder dadurch nicht möglich ist. Dadurch, dass nicht über die gesamte Zeitdauer ein Aufrechterhalten des Drucks in den gesamten Hydraulikleitungen erforderlich ist, ergibt sich eine erhöhte Betriebssicherheit im System.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Ventil ein Vier-Zweiwegeventil ist. Diese Art von Ventil ermöglicht eine besonders einfache Ansteuerung des Arbeitszylinders während des Schließ- und des Öffnungsvorgangs.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Ventil ein Magnetventil ist. Magnetventile sind einfach im Aufbau, preisgünstig und lassen sich sehr gut ansteuern. Daher eignen sie sich besonders zum Einsatz beim beschrieben Arbeitszylinder.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Pumpe derart ausgebildet ist, dass sie die Pumprichtung umkehren kann. Durch die Umkehrung der Pumprichtung kann das Öl beim Öffnungs- und Schließvorgang jeweils von der einen Kolbenseite auf die andere gepumpt werden, wodurch sich eine einfache Verschiebung des Kolbens im Arbeitszylinder und damit eine einfache Verschiebung des mit dem Aktuator gekoppelten Regelventils ermöglichen lässt. Grundsätzlich wäre es auch möglich die wechselseitige Beanspruchung des doppelseitigen Kolbens durch eine Schaltung mittels Ventilen, welche im Hydraulikkreislauf angeordnet sind, zu gewährleisten. Die Umkehrung der Pumprichtung stellt allerdings eine besonders einfache Ausgestaltung dar.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass im Hydraulikkreislauf ein zusätzlicher Speicher für Hydraulikflüssigkeit vorgesehen ist. Der Hydraulikspeicher kann dafür sorgen, die ohnehin geringen Leckageverluste ausgeglichen werden. Der zusätzliche Speicher für die Hydraulikflüssigkeit kann auf Grund der geringen Leckageverluste sehr klein ausfallen. Der Speicher für die Hydraulikflüssigkeit kann beispielsweise in den Hydraulikkreislauf integriert werden, in dem die Leitungen des Hydraulikkreislaufes entsprechend größer ausgebildet sind.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Pumpe elektrisch betrieben ist. Der elektrische Antrieb für die Pumpe ermöglicht ein gleichmäßiges, stufenloses und schnelles Ansprechen der Pumpe.
    Die Pumpe kann selbstverständlich auch über einen anderen Antrieb, als einen elektrischen, betrieben werden. Zwischen dem Motor und der Pumpe kann eine zusätzliche Kupplung angeordnet sein, die insbesondere bei Überlastung oder einem Klemmen der Pumpe anspricht und die Pumpe vom Antrieb trennt. Des Weiteren können zusätzliche Aggregate, wie beispielsweise ein Frequenzumrichter, vorgesehen werden.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass im Hydraulikkreislauf eine zweite redundante Pumpe angeordnet ist, die im Bedarfsfall die erste Pumpe ersetzen kann. Durch die Anordnung einer redundanten Pumpe wird die Betriebssicherheit deutlich erhöht. Beim Ausfall der ersten Pumpe kann die Düsengruppenregelung weiter störungsfrei arbeiten. Das Ersetzen der defekten Pumpe kann dabei während des Betriebs erfolgen. Das redundante System bietet dadurch deutliche Vorteile gegenüber der bisherigen Regelung, bei der ein Ausfall einer einzelnen Pumpe zum kompletten Versagen der Düsengruppenregelung geführt hat. Die redundante Pumpe ist vorzugsweise mittels eines redundanten Antriebs anzutreiben, so dass auch schäden am Antrieb der Pumpe nicht zum versagen der Düsengruppenregelung führen.
  • Zusammenfassend kann somit festgestellt werden, dass aufgrund der Parallelschaltung der Aktuatoren und des Betreibens der Aktuatoren über eine gemeinsame Pumpe eine erhebliche Vereinfachung des Systems erreicht wird. Die Kosten können dabei deutlich verringert werden, da lediglich eine statt vier Pumpen erforderlich ist. Bei der Verwendung eines redundanten Systems verringert sich die Anzahl der Pumpen immerhin noch um die Hälfte, bei gleichzeitig deutlicher Steigerung der Betriebssicherheit, da ein Ausfall einer Pumpe nicht zum Versagen der gesamten Düsengruppenregelung führt, wie dies bislang der Fall ist.
  • Ausführungsbeispiele und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt:
    • Figur 1
    den grundsätzlichen Aufbau einer Düsengruppenregelung in Schnittdarstellung;
    Figur 2
    eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Düsengruppenregelung.
  • Bei den Figuren handelt es sich um schematische und zum Teil vereinfachte Darstellungen, bei denen jeweils nur die für die Erfindung wesentlichen Bauteile dargestellt sind. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Regelstufe 100 einer Düsengruppenregelung für eine Turbine. Die Regelstufe 100 weist ein Leitrad 110 mit ersten Leitschaufeln 111 und zweiten Leitschaufeln 112 auf. Ferner weist die Regelstufe 100 einen ersten Strömungskanal 101 und einen zweiten Strömungskanal 102 auf. Der erste Strömungskanal 101 ist derart ausgebildet, dass ein durch den ersten Strömungskanal 101 strömendes erstes Arbeitsfluid mit ersten Fluidparametern und einem ersten Massenstrom m1 der ersten Leitschaufel 111 beaufschlagt. Der zweite Strömungskanal 102 ist derart ausgebildet, dass ein durch den zweiten Strömungskanal 102 strömendes zweites Arbeitsfluid mit zweiten Fluidparametern und einem zweiten Massenstrom m2 die zweiten Leitschaufeln 112 beaufschlagt.
  • Die Regelstufe 100 kann wie in Figur 1 gezeigt weitere Strömungskanäle 103, 104 aufweisen. Die weiteren Strömungskanäle 103 und 104 sind dabei so ausgebildet, dass sie dritte Leitschaufeln 113 und vierte Leitschaufeln 114 mit einem Arbeitsfluid, wie beispielsweise Wasserdampf, beaufschlagen können. Die jeweiligen Strömungskanäle 101-104 teilen bzw. segmentieren die Leitschaufel 111-114 des Leitrades 110 in entsprechende Segmente A-D. Im Ausführungsbeispiel in Figur 1 wird der erste Strömungskanal 101 durch seine Wandung begrenzt und leitet das durch ihn durchströmende Arbeitsfluid direkt zu den ersten Leitschaufeln 111. Die ersten Leitschaufeln 111 bilden zusammen mit dem ersten Strömungskanal 101 das erste Segment A der Regelstufe 100. Entsprechend werden das zweite Segment B, das dritte Segment C und das vierte Segment D gebildet.
  • Durch jeden Strömungskanal 101-104 kann ein entsprechendes Arbeitsfluid, welches unterschiedliche Massenströme m1-m4 und/oder unterschiedliche Fluidparamter aufweisen kann, strömen. Die Fluidparameter sind beispielsweise Drücke P1-P4 und Strömungsgeschwindigkeiten C1-C4.
  • Der Massenstrom m1-m4 und die Strömungsparameter des Arbeitsfluids in den jeweiligen Strömungskanal 101-104 können durch in den Strömungskanälen 101-104 angeordnete Regelventile 121-124 geregelt werden.
  • Wird die Turbine aus dem Stillstand gestartet und bis zur Vollauslastung hochgefahren, öffnet sich zunächst das erste Regelventil 121, so dass durch den ersten Strömungskanal 101 ein erstes Arbeitsfluid mit dem Massenstrom m1 und den ersten Druck P1 sowie der ersten Strömungsgeschwindigkeit C1 in Richtung erster Leitschaufeln 111 strömt. Die ersten Leitschaufeln 111 lenken das Arbeitsfluid in eine vorbestimmte Richtung, so dass in der vorbestimmten Richtung die dahinter angeordneten Laufschaufeln eines Laufrades angeströmt werden. Wenn das erste Regelventil 121 vollständig geöffnet ist und das Regelventil 121 in seinem Ventilpunkt am verlustärmsten das erste Arbeitsfluid durchströmen lässt, wird bei Bedarf zusätzlicher Leistung der Turbine das zweite Regelventil 122 geöffnet. Mit Hilfe des zweiten Regelventils 122 strömt ein zweites Arbeitsfluids durch den zweiten Strömungskanal 102 in Richtung des Leitrades 110 und strömt gegen die zweiten Leitschaufeln 112. Nachdem auch das zweite Regelventil 122 in seinem Ventilpunkt betrieben wird und somit den optimalen Wirkungsgrad aufweist, wird bei Bedarf weiterer Leistung das dritte Regelventil 123 geöffnet, so dass ein drittes Arbeitsfluid durch den dritten Strömungskanal 103 in Richtung dritte Leitschaufel 113 strömt. Wenn das dritte Regelventil 123 mit seinem Ventilpunkt betrieben wird und zusätzliche Leistung benötigt wird, wird schließlich das vierte Regelventil 124 geöffnet, damit ein viertes Arbeitsfluid durch den vierten Strömungskanal 104 mit einem vierten Massenstrom m4 und einer vierten Strömungsgeschwindigkeit C4 in Richtung der vierten Leitschaufeln 114 strömt.
  • Somit wird eine Düsengruppenregelung bereitgestellt, wodurch das Arbeitsfluid, wie beispielsweise Frischdampf, durch getrennte Regelventile 121-124 jeweils einem zugeordneten Düsensegment A bis D zugeleitet wird. Mit steigender Leistung der Turbine öffnen sich die Regelventile 121-124 in einer vorbestimmten Reihenfolge.
  • Die in den vorgenannten Abschnitten genannte Öffnungssequenz kann während des Turbinenbetriebs beim Belasten der Turbine wie beschrieben, oder beim Entlasten der Turbine in umgekehrter Folge, ganz oder teilweise beliebig häufig durchlaufen werden. Es ist auch möglich, dass in besonderen Fällen zwei Ventile gleichzeitig geöffnet oder geschlossen werden.
  • Figur 2 zeigt die Ansteuerung der Regelventile 121 bis 124 der Düsengruppenregelung entsprechend Figur 1. Zur Ansteuerung der Regelventile 121 bis 124 weist jedes Regelventil 121 bis 124 einen eigenen Aktuator 201 bis 204 auf. Der Aktuator 201 bis 204 kann das jeweilige Regelventil 121 bis 124 zwischen einer vollständig geöffneten und einer vollständig geschlossenen Position verfahren, wobei auch Zwischenstellungen der Regelventile 121 bis 124 möglich sind. Die Aktuatoren werden hydraulisch angesteuert. Hierzu weist jeder Aktuator 201 bis 204 jeweils einen Arbeitszylinder 500 auf, in dem ein doppelseitig beaufschlagbarer Kolben 600 verschieblich angeordnet ist. Jeder Arbeitszylinder ist über einen Hydraulikkreislauf 400 mit einer Pumpe 300 verbunden. Die einzelnen Aktuatoren 201 bis 204 sind in dem hydraulischen Kreislauf parallel zueinander angeordnet und werden von der Pumpe 300 gemeinsam angesteuert. Die Pumpe 300 ist elektronisch betrieben und weist hierzu einen Elektromotor 700. Um den Motor 700 vor Überlastung, z.B. im Falle eines Festsitzens der Pumpe zu schützen, kann zusätzlich zwischen dem Motor 700 und der Pumpe 300 eine Kupplung vorgesehen sein. Anstelle einer elektrisch betriebenen Pumpe 300 kann auch eine Pumpe mit anderem Antrieb eingesetzt werden.
  • Da wie bereits in den Ausführungen zur Figur 1 erläutert, jeweils nur ein Regelventil bzw. maximal zwei Regelventile gleichzeitig angesteuert werden, reicht es aus, wenn die Pumpe 300 so ausgelegt ist, dass sie den hierzu maximal nötigen Volumenstrom und den hierzu notwendigen maximalen Hydraulikdruck aufbringen kann. Durch die Parallelschaltung der einzelnen Aktuatoren und die dadurch mögliche Ansteuerung mittels einer einzelnen Pumpe 300 vereinfacht sich die Düsengruppenregelung deutlich und es lässt sich eine deutliche Kosteneinsparung gegenüber den bisherigen Düsengruppenregelungen, bei denen jeder Aktuator über eine einzelne Pumpe angesteuert wurde, erzielen.
  • Das Verfahren eines Regelventils 121 bis 124 erfolgt dadurch, dass zunächst das Ventil 700 am entsprechenden Arbeitszylinder 500 geöffnet wird und die Pumpe 300 die Hydraulikflüssigkeit in die entsprechende Richtung pumpt, d.h. den doppelseitig beaufschlagbaren Kolben 600 entsprechend beaufschlagt. Um das Regelventil 124 beispielsweise zu schließen, wird die Pumpe 300 derart angesteuert, dass sie den doppelseitigen Kolben 600 von oben mit Druckflüssigkeit beaufschlagt, wodurch die Hydraulikflüssigkeit an der der Unterseite des doppelseitigen Kolben 600, aus dem Arbeitszylinder 500 ausströmen kann und der Kolben 600 sich nach unten bewegt, wodurch das Regelventil 124 schließt. Um das Regelventil 124 zu öffnen fördert die Pumpe 300 die Hydraulikflüssigkeit in entgegen gesetzte Richtung, so dass der Kolben von unten beaufschlagt wird und die Hydraulikflüssigkeit oberhalb des Kolben 600 aus dem Arbeitszylinder 500 strömt.
  • Wenn der Kolben 600 eine festgelegte Lage erreicht hat, welcher einer gewünschten Stellung des mit dem Aktuator gekoppelten Regelventils entspricht, wird das Ventil 700 geschlossen. Hierdurch wird die Hydraulikflüssigkeit oberhalb und unterhalb des doppelseitig beaufschlagbaren Kolbens 600 im Arbeitszylinder 500 eingeschlossen und es bildet sich ein hydrostatischer Druck im Arbeitszylinder 500 aus, der den Kolben 600 in seiner Position fixiert. Hierdurch kann die Pumpe 300 ausgeschaltet werden und muss nicht, wie dies bislang bei herkömmlichen Systemen notwendig war, ständig einen Öldruck im gesamten System, das heißt in dem gesamten Hydraulikkreislauf 400, aufrechterhalten. Hierdurch ergibt sich zum einen ein energieeffizienterer Betrieb, zum anderen erhöht es die Betriebssicherheit der Düsengruppenregelung, da der Hydraulikkreislauf 400 nicht ständig unter Druck stehen muss.
  • Die Pumpe 300 wird jeweils nur betrieben, wenn eines der Regelventile 121 bis 124 betätigt werden muss. Die Pumprichtung ist dabei umkehrbar und die Pumprichtung richtet sich danach, ob das jeweilige Regelventil 121 bis 124 geöffnet oder geschlossen werden soll. Während des Pumpbetriebes ist das jeweilige Ventil 700 am entsprechenden Arbeitszylinder 500 geöffnet. Wenn das Regelventil 121 bis 124 die gewünschte Position erreicht hat, wird das entsprechende Ventil 700 geschlossen und die Pumpe 300 kann danach wieder ausgeschaltet werden.
  • Um die Betriebssicherheit der Düsengruppenregelung zu erhöhen, ist im Ausführungsbeispiel ein redundantes System mit einer zweiten Pumpe 301 und entsprechenden Antrieb 801 vorgesehen, welches beim Ausfall der ersten Pumpe 300 zum Einsatz kommt. Das redundante System gewährleistet, dass auch beim Ausfall der ersten Pumpe 300 und/oder des ersten Antriebs 800, die Düsengruppenregelung weiter einwandfrei funktioniert. Die schadhafte Pumpe 300 kann während des Betriebes ausgewechselt werden. Dies stellt einen großen Vorteil gegenüber den bisherigen Systemen dar, bei denen jeder Aktuator und damit jedes Regelventil über eine eigene Pumpe verfügt. Bei diesen Systemen fiel die gesamte Düsengruppenregelung beim Ausfall einer einzelnen Pumpe aus. Die erfindungsgemäße Düsengruppenregelung ermöglicht somit mit zwei Pumpen eine höhere Betriebssicherheit zu gewährleisten, als dies bislang beim Einsatz von vier Pumpen der Fall war.
  • Aufgrund der Tatsache, dass in der Regel nur ein Regelventil bzw. maximal zwei Regelventile gleichzeitig betätigt werden, reicht es aus, wenn die Pumpe 300 gleich bzw. leicht größer dimensioniert ist, als die Pumpen die bislang zur Ansteuerung der einzelnen Aktuatoren eingesetzt wurden.
  • Um eventuelle Leckage aus dem System ausgleichen zu können, kann ein zusätzlicher Speicher für Hydraulikflüssigkeit vorgesehen werden. Da die Leckage aufgrund des geschlossenen Hydraulikkreislaufes 400 allerdings in der Regel sehr gering ist, reicht es aus, wenn man einen nur kleinen Hydraulikflüssigkeitsspeicher vorsieht. Dieser kann möglicherweise schon dadurch ausgebildet werden, dass man die Rohrleitung für den Hydraulikkreislauf 400 leicht überdimensioniert.
  • Zusammenfassend kann somit festgestellt werden, dass durch die erfindungsgemäße parallele Anordnung der Aktuatoren im Hydraulikkreislauf eine Ansteuerung der Aktuatoren mittels einer einzigen Pumpe ermöglicht wird. Hierdurch ergeben sich erhebliche Kosteneinsparungen. Durch die Verwendung eines redundanten Systems, das heißt einer zusätzlichen redundanten Pumpe samt Antrieb, ergibt sich eine deutlich verbesserte Betriebssicherheit. Das redundante System gewährleistet, dass die Düsengruppenregelung auch dann noch einwandfrei funktioniert, wenn die erste Pumpe 300 bzw. der erste Antrieb 800, ausfällt. Durch den geschlossenen Hydraulikkreislauf 400 wird die Anforderung nach einer ölfreien Turbine weitgehend erfüllt. Der Ölbedarf ist aufgrund des geschlossenen Systems und der parallelen Anordnung der Aktuatoren sehr gering. Für die beschriebene Düsengruppenregelung für eine Dampfturbine reichen ca. 10 l Hydraulikflüssigkeit aus, um die Düsengruppenregelung auszubilden.
  • Die erfindungsgemäße Düsengruppenregelung ermöglicht somit eine Reduzierung der notwendigen Anzahl von Pumpen von bislang vier auf lediglich eine Pumpe, wobei die Pumpenleistung unverändert bleiben kann.

Claims (7)

  1. Düsengruppenregelung für eine Turbine, insbesondere eine Dampfturbine, umfassend wenigstens ein erstes Regelventile (121), ein zweites Regelventil (122), sowie eine Pumpe (300)
    wobei jedes Regelventil (121, 122) einen eigenen Aktuator (201, 202) aufweist, der das jeweilige Regelventil (121, 122) zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Position verfahren kann, wobei die Aktuatoren(201, 202,) hydraulisch betätigbar sind und der zur Betätigung der Aktuatoren(201, 202) notwendige hydraulische Druck durch die Pumpe (300) aufgebaut wird
    wobei
    die Aktuatoren(201, 202) in einem Hydraulikreislauf (400), parallel zueinander angeordnet sind und von der gemeinsamen ersten Pumpe (300) ansteuerbar sind
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Hydraulikkreislauf (400) ein geschlossener Kreislauf ist und der Aktuator (201, 202) einen Arbeitszylinder (500) aufweist, in dem ein doppelseitig beaufschlagbarer Kolben (600) verschieblich angeordnet ist und der Arbeitszylinder (500) wenigstens ein Ventil (700) aufweist, welches den Zu- und oder Abfluss in den Arbeitszylinder (500) steuert und dadurch einen hydrostatischen Antrieb ausbildet und wobei die Pumpe (300) nur für den Hydraulikflüssigkeitsbedarf eines Ventils (700) ausgelegt ist.
  2. Düsengruppenregelung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Ventil (700) ein 4/2-Wegeventl ist.
  3. Düsengruppenregelung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    Ventil (700) ein Magnetventil ist.
  4. Düsengruppenregelung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Pumpe (300) derart ausgebildet ist, dass sie die Pumprichtung umkehren kann.
  5. Düsengruppenregelung nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    im Hydraulikkreislauf (400) ein zusätzlicher Speicher für Hydraulikflüssigkeit vorgesehen ist.
  6. Düsengruppenregelung nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Pumpe (300) elektrisch betrieben ist.
  7. Düsengruppenregelung nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    im Hydraulikkreislauf (400) eine zweite redundante Pumpe (301) angeordnet ist die im Bedarfsfall die erste Pumpe (300) ersetzen kann.
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