ES2866150T3 - Conjunto de detención de seguridad - Google Patents

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Samuel H Hawkins
Mikkel Aggersbjerg Kristensen
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Abstract

Disposición (1) de válvulas de detención de seguridad de un sistema (2) de paso de pala hidráulico de una turbina eólica, que comprende - una disposición (15) de acumulador conectada mediante una línea (14) hidráulica a un pistón (20) del sistema (2) de paso de pala hidráulico; - un juego redundante de válvulas (V1) de seguridad dispuesto entre la disposición (15) de acumulador y el pistón; - una boquilla (N1) de restricción de orificio pequeño dispuesta para determinar una primera velocidad de flujo de fluido hidráulico en respuesta a una entrada (STP1) de detención de seguridad; - al menos una válvula (V2) de selección de velocidad; y - al menos una boquilla (N2, N2A, N2B) de restricción de orificio grande dispuesta para determinar una segunda velocidad de flujo de fluido hidráulico en respuesta a una entrada (STP2) de aceleración de rotor, en la que la segunda velocidad de flujo de fluido es más rápida que la primera velocidad de flujo de fluido.

Description

DESCRIPCIÓN
Conjunto de detención de seguridad
La invención describe una disposición de válvulas de detención de seguridad de un sistema de paso de pala hidráulico de una turbina eólica; un conjunto de detención de seguridad de una turbina eólica con sistemas de paso de pala hidráulicos; un método de realización de una secuencia de detención de seguridad para una turbina eólica; y una turbina eólica con sistemas de paso de pala hidráulicos y una disposición de detención de seguridad de este tipo para cada sistema de paso de pala hidráulico.
El rotor aerodinámico de una turbina eólica comprende un buje rotatorio y varias palas de rotor. La presente invención se refiere a un rotor aerodinámico para el cual puede regularse el paso de las palas de rotor, es decir, las palas de rotor pueden posicionarse con relación al flujo de aire incidente usando un movimiento de regulación de paso. Puede regularse el paso de las palas de modo que el ángulo de ataque relativo de la superficie de pala permita que la turbina eólica funcione de manera eficiente y optimice la energía cinética que se transfiere del viento al rotor de turbina. De manera similar, puede regularse el paso de las palas de modo que produzcan un arrastre aerodinámico y desaceleren el rotor de turbina eólica o para mantener una la producción de energía estable con velocidades de viento altas o que varían. En determinadas condiciones tales como una tormenta, pérdida de red, fallo o funcionamiento defectuoso de un componente mecánico o eléctrico, etc., puede ser necesario parar rápidamente una turbina eólica. Una parada de emergencia debe incluir una desaceleración del movimiento rotacional del rotor aerodinámico. Sin embargo, no debe contarse con el controlador de turbina eólica para controlar el movimiento de paso de las palas durante una emergencia de este tipo, dado que el propio controlador de turbina eólica puede no funcionar correctamente o puede incluso ser la causa de la emergencia.
Por tanto, para una regulación de paso de pala fiable durante una parada de emergencia, se requiere un sistema independiente y robusto. En algunos países o regiones, pueden aplicarse normas de seguridad a cualquier medio usado para responder a peligros severos tales como la sobrevelocidad de rotor de turbina eólica. Por ejemplo, la norma ISO 13849-1 especifica los requisitos que deben cumplirse mediante una función de seguridad de nivel de rendimiento “D” (PLd).
Es muy difícil cumplir estos requisitos cuando una función de seguridad depende de un sistema de control activo que se basa en múltiples entradas de sensor y bucles de control complejos. La disponibilidad de tales sistemas puede no estar garantizada durante una emergencia. En su lugar, se prefiere un medio de control independiente y pasivo. En el caso de una turbina eólica con control de paso hidráulico, un planteamiento podría ser almacenar un suministro de reserva de fluido hidráulico bajo presión y hacer pasar este fluido hidráulico a través de la línea hidráulica durante una parada de emergencia para garantizar un movimiento de paso gradual y continuo. La velocidad de flujo de fluido a través de la línea hidráulica está determinada por el área de sección transversal más pequeña en la línea hidráulica, y puede establecerse un límite superior de la velocidad de flujo de fluido incorporando una boquilla de restricción de tamaño apropiado en la línea hidráulica. Por tanto, la velocidad del movimiento de paso durante una detención de emergencia está determinada por el tamaño de orificio de la boquilla de restricción. La velocidad de paso durante una parada de emergencia se haría coincidir idealmente con las condiciones del evento de parada. Surge un problema del hecho de que las condiciones asociadas con una parada debido a la sobrevelocidad de rotor pueden ser diferentes de las asociadas con otros tipos de eventos de parada de emergencia. La sobrevelocidad de rotor puede surgir cuando el rotor acelera como resultado de un fallo de control, por ejemplo.
Cuando se diseña una turbina eólica en la que debe elegirse una única velocidad de paso de emergencia, hay restricciones que limitan la elección de la velocidad de paso para que no sea ni demasiado rápida ni demasiado lenta. Debe elegirse una velocidad de paso suficientemente lenta, de lo contrario la estructura de torre puede sobrecargarse por empuje negativo que surge de la deceleración de rotor rápida durante la detención. En turbinas eólicas de eje horizontal, el empuje negativo actúa en la dirección de barlovento y, si es excesivo, puede superar los límites estructurales del diseño de torre conduciendo a un derrumbe de la turbina. Por el contrario, debe elegirse una velocidad de paso suficientemente rápida con el fin de impedir que el rotor alcance una velocidad de rotor excesivamente alta y evitar una carga estructural a partir de un empuje de rotor positivo provocado por una sobrevelocidad de rotor. El empuje positivo actúa en la dirección de sotavento y, además de aplicar fuerzas a la estructura de torre en turbinas eólicas con rotores a barlovento, el empuje positivo puede aumentar la desviación de punta de pala. Esto puede dar como resultado un fallo catastrófico cuando una pala colisiona con la torre de turbina.
En los sistemas existentes, es muy difícil identificar una única velocidad de regulación de paso que pueda cumplir ambos requisitos. Algunos sistemas que abordan este problema proporcionan maneras de reducir la carga durante una parada de emergencia usando velocidades de paso variables. Sin embargo, estos sistemas se basan en sistemas de control complejos y, por tanto, no pueden considerarse como medios de control pasivos a prueba de fallos. Otros sistemas de parada de emergencia conocidos para turbinas con unidades de paso hidráulicas se basan en realizar cuidadosamente un ajuste fino del tamaño de la boquilla de restricción hidráulica para lograr una velocidad de paso que sea lo suficientemente rápida como para evitar una carga alta (durante un evento de sobrevelocidad de rotor), y al mismo tiempo lo suficientemente lenta como para reducir la carga que surge de una pérdida rápida de empuje positivo. Sin embargo, a medida que los diámetros de rotor de turbina eólica aumentan es difícil identificar una velocidad de regulación de paso que cumpla ambos requisitos. Ninguna de las soluciones conocidas puede proporcionar un sistema de paso de emergencia a prueba de fallos que permita una velocidad de paso tanto rápida como lenta. Para compensar esto, la torre y otros componentes estructurales deben construirse para ser más resistentes y más pesados con el fin de resistir la carga alta. Estas medidas adicionales aumentan significativamente los costes globales de una turbina eólica. Un sistema de la técnica anterior se conoce por el documento EP2072815A1. Por tanto, un objetivo de la invención es proporcionar un sistema de paso de emergencia a prueba de fallos que permita velocidades de paso tanto rápidas como lentas, y que supere los problemas mencionados anteriormente.
Este objetivo se logra mediante la disposición de válvulas de detención de seguridad de la reivindicación 1; el conjunto de detención de seguridad de la reivindicación 9; y mediante el método de la reivindicación 13 de realización de una secuencia de detención de seguridad.
Según la invención, la disposición de válvulas de detención de seguridad de un sistema de paso de pala hidráulico de una turbina eólica comprende una disposición de acumulador conectada mediante una línea hidráulica a un pistón del sistema de paso de pala hidráulico; un juego redundante de válvulas de seguridad dispuesto entre la disposición de acumulador y el pistón; una boquilla de restricción de orificio pequeño dispuesta en una línea hidráulica para determinar una primera velocidad de flujo de fluido hidráulico en respuesta a una entrada de detención de seguridad; al menos una válvula de selección de velocidad dispuesta en la línea hidráulica; y al menos una boquilla de restricción de orificio grande dispuesta para determinar una segunda velocidad de flujo de fluido hidráulico en respuesta a una entrada de aceleración de rotor positiva, en la que la segunda velocidad de flujo de fluido es más rápida que la primera velocidad de flujo de fluido. En la disposición de válvulas de detención de seguridad inventiva, una válvula de selección de velocidad está conectada en línea con una boquilla de restricción de orificio grande, es decir, en el mismo “ramal” del circuito hidráulico de modo que, cuando se abre la válvula de selección de velocidad, se hace posible una velocidad de flujo de fluido más rápida mediante la boquilla de restricción de orificio grande.
Tal como se indicó anteriormente, la velocidad de flujo de fluido a través de una línea hidráulica está determinada por el área de sección transversal más pequeña en la línea hidráulica. El área de sección transversal más pequeña de una línea hidráulica se denomina generalmente el “orificio” de esa línea hidráulica. En el contexto de la invención, por tanto, la boquilla de restricción de orificio pequeño tiene un área de sección transversal más pequeña que la boquilla de restricción de orificio grande. Por tanto, la boquilla de restricción de orificio grande permite una velocidad de flujo de fluido más rápida que la boquilla de restricción de orificio pequeño.
Una ventaja de la disposición de válvulas de detención de seguridad inventiva es que permite que un diseñador la construya para que tenga una velocidad de paso rápida y una velocidad de paso lenta en fases diferentes de una detención de emergencia. Esto puede lograrse de una manera sencilla y directa. La disposición de válvulas de detención de seguridad inventiva puede usarse en diversas turbinas eólicas de tamaños diferentes (es decir, para sistemas de paso de pala hidráulicos) con una elección apropiada de las boquillas de restricción para lograr las velocidades de flujo de fluido “lenta” y “rápida” deseadas. El término “línea hidráulica” tal como se usa en el contexto de la invención puede entenderse que es un tubo o tubo flexible que porta fluido hidráulico desde la disposición de acumulador hasta un pistón del sistema de paso de pala. Al abrir una válvula en la línea hidráulica, se fuerza fluido (que está a presión) a través de la línea en cuanto se abre la válvula. La velocidad de flujo de fluido está determinada por la boquilla de restricción relevante, que determina la velocidad a la que puede fluir fluido desde la disposición de acumulador hasta la disposición de pistón hidráulico. Con la disposición de detención de seguridad inventiva, puede regularse el paso de una pala a velocidades diferentes abriendo de manera selectiva sólo las válvulas de seguridad, o abriendo también una o más válvulas de selección de velocidad. Cuando sólo se abren las válvulas de seguridad, la velocidad de paso de seguridad puede considerarse una velocidad “lenta”. Cuando también se abre una válvula de selección de velocidad, la segunda boquilla de restricción garantiza que la velocidad de paso de seguridad sea más rápida, y esto puede considerarse una velocidad “rápida”.
La disposición de válvulas de detención de seguridad inventiva es a prueba de fallos y funciona con un nivel de seguridad más alto que un sistema convencional, y también puede ajustar la velocidad de paso según sea necesario para reducir la carga estructural crítica.
Según la invención, un conjunto de detención de seguridad de una turbina eólica (con sistemas de paso de pala hidráulicos) comprende una disposición de válvulas de detención de seguridad de este tipo para cada sistema de paso de pala hidráulico de la turbina eólica; una primera disposición de relés redundante para el accionamiento de las válvulas de seguridad en respuesta a una entrada de detención de seguridad; y una segunda disposición de relés redundante para el accionamiento de las válvulas de selección de velocidad en respuesta a una entrada de aceleración de rotor.
Una ventaja del conjunto de detención de seguridad inventivo es que es un conjunto a prueba de fallos que cumple los requisitos de la norma ISO 13849-1, y que puede construirse de una manera sencilla y económica. El conjunto de detención de seguridad inventivo puede instalarse en el buje de la turbina eólica. Una ventaja del conjunto de detención de seguridad inventivo sobre las soluciones de la técnica anterior es que el control de velocidad de paso está dirigido por un sistema de seguridad que es totalmente independiente del controlador de turbina eólica (o cualquier otro controlador).
Según la invención, el método de realización de una secuencia de detención de seguridad para una turbina eólica con sistemas de paso de pala hidráulicos comprende las etapas de proporcionar una disposición de válvulas de detención de seguridad de este tipo para cada sistema de paso de pala hidráulico de la turbina eólica; proporcionar una entrada de detención de seguridad en respuesta a un evento que requiere una parada de emergencia; medir la aceleración de rotor y proporcionar una entrada de aceleración de rotor; accionar los juegos redundantes de válvulas de seguridad en respuesta a la entrada de detención de seguridad; y accionar las válvulas de selección de velocidad en respuesta a la entrada de aceleración de rotor.
Siempre que las válvulas de selección de velocidad estén cerradas, la velocidad de flujo del fluido está limitada por la primera boquilla de restricción, que tiene un orificio más pequeño que la segunda boquilla de restricción. Sin embargo, en cuanto se abre una válvula de selección de velocidad, un volumen adicional de fluido se alimentará al interior de la línea hidráulica a través de la segunda boquilla de restricción, que tiene un orificio más grande, dando como resultado una velocidad de flujo más rápida para el fluido en la línea hidráulica. Una ventaja del método inventivo es que proporciona una manera sencilla y económica de garantizar una regulación de paso segura de las palas en respuesta a cualquier tipo de evento de parada, determinando la naturaleza del evento de parada y luego controlando la velocidad con la que pasa fluido hidráulico desde los acumuladores hidráulicos a presión hasta los pistones hidráulicos que accionan el movimiento de paso de pala.
Se facilitan realizaciones y características particularmente ventajosas de la invención mediante las reivindicaciones dependientes, tal como se describe en la siguiente descripción. Pueden combinarse características de categorías de reivindicaciones diferentes según sea apropiado para facilitar realizaciones adicionales no descritas en el presente documento. El alcance de protección está definido por las reivindicaciones adjuntas.
A continuación, sin restringir la invención de ninguna manera, puede suponerse que la turbina eólica tiene tres palas montadas en su buje, y un sistema de paso de pala hidráulico para cada pala de rotor. Se entenderá que el paso de las palas de rotor se regula generalmente de una manera sincrónica. Los términos “disposición de válvulas de detención de seguridad” y “disposición de detención de seguridad” pueden usarse de manera intercambiable a continuación. La entrada de detención de seguridad y la entrada de aceleración de rotor pueden denominarse de manera conjunta las entradas de detención de emergencia a continuación.
Puede suponerse que una válvula de la disposición de detención de seguridad inventiva es una válvula de solenoide de dos aberturas, es decir una válvula accionada electromecánicamente que está controlada por una corriente eléctrica a través de un solenoide. El flujo de fluido a través de una válvula de solenoide de este tipo puede “encenderse” o “apagarse” aplicando una corriente eléctrica apropiada para abrir o cerrar la válvula.
Por tanto, una válvula de seguridad o una válvula de selección de velocidad de la disposición de detención de seguridad inventiva se acciona aplicando una corriente eléctrica adecuada a la bobina de solenoide apropiada. La señal de accionamiento de bobina (es decir, la corriente eléctrica) para una válvula se origina a partir de un relé correspondiente. Se hace que la válvula se mueva de una posición a otra en respuesta a la señal de accionamiento. Si la válvula está “abierta” o “cerrada” en respuesta a una señal de accionamiento de bobina dependerá de su construcción. Las válvulas que están cerradas en ausencia de una señal se denominan “normalmente cerradas”. Las válvulas que están abiertas en ausencia de una señal se denominan “normalmente abiertas”. Cada válvula está preferiblemente cargada por resorte, con un resorte mecánico que fuerza la válvula a su posición “normal” en ausencia de alimentación.
Las válvulas de seguridad redundantes están diseñadas para estar “normalmente abiertas” por motivos de seguridad de modo que una pérdida de alimentación conducirá siempre a la activación de un movimiento de regulación de paso sin funcionamiento. Dicho de otro modo, las válvulas de seguridad requieren alimentación para permanecer cerradas.
Durante un funcionamiento de turbina eólica correcto, no se requiere la función de detención de seguridad, y una señal aplicada de manera continua garantiza que estas válvulas permanezcan cerradas de modo que no puede fluir fluido a través de la línea hidráulica. En caso de un fallo de alimentación y una pérdida de señal resultante, las válvulas de seguridad redundantes se abrirán, iniciando de ese modo una detención de seguridad. De esta manera, el conjunto de detención de seguridad inventivo garantiza que pueda iniciarse automáticamente una secuencia de paso de seguridad en caso de una pérdida de alimentación. De igual manera, una secuencia de paso de seguridad puede iniciarse intencionadamente retirando deliberadamente la alimentación de las válvulas de seguridad, por ejemplo, durante la detección de un evento tal como un fallo del controlador de turbina eólica, o en respuesta a una secuencia de parada de seguridad activada por el usuario, etc. Cualquiera de estos eventos da como resultado una ralentización del rotor aerodinámico. La disposición de detención de seguridad inventiva garantiza que cualquier evento de este tipo iniciará una secuencia de detención de seguridad, porque las válvulas de seguridad volverán a su posición “normalmente abierta” en cuanto se retire la alimentación de las bobinas de solenoide.
Una válvula de selección de velocidad está diseñada para estar “normalmente cerrada”, es decir, se requiere una corriente eléctrica específica para abrir una válvula de selección de velocidad para permitir el flujo de fluido a través de la segunda boquilla de restricción (con el orificio más grande). Esto garantiza que, en caso de una pérdida de señal, no pueda tener lugar un movimiento de regulación de paso rápido no intencionado de las palas. Siempre que las válvulas de selección de velocidad estén cerradas, sólo puede desplazarse fluido hidráulico a través de la línea “lenta”, y se regula el paso de las palas a una velocidad lenta para minimizar los efectos de empuje negativo. Sin embargo, cuando se detecta un evento de sobrevelocidad de rotor (es decir, un valor positivo de aceleración de rotor), también se abren las válvulas de selección de velocidad, permitiendo que fluya una mayor cantidad de fluido hidráulico, de modo que puede regularse el paso de las palas más rápidamente. Una secuencia de seguridad de “paso rápido” de este tipo sólo se inicia en respuesta a una sobrevelocidad de rotor, y la elección de una o más válvulas de solenoide “normalmente cerradas” garantiza que la secuencia de seguridad de “paso rápido” no pueda iniciarse en caso de pérdida de alimentación. Esta característica de seguridad es particularmente ventajosa, dado que podría ser muy peligroso si se regulara el paso de las palas de rotor a esta velocidad “rápida” hasta una posición de detención en respuesta a un evento que requiere una detención de seguridad “lenta”. El riesgo de regular el paso demasiado rápido cuando se requiere un paso lento se considera peor que el riesgo de regular el paso lentamente cuando una regulación de paso más rápida sería más eficaz.
En una realización relativamente sencilla de la invención, se usa una disposición de relés para proporcionar señales de accionamiento de bobina para las válvulas de seguridad según el nivel de una entrada de detención de seguridad. Por ejemplo, una disposición redundante de dos relés conectados en serie puede suministrar alimentación a la bobina de solenoide de una válvula de seguridad. Los relés están cerrados durante un modo de funcionamiento “correcto”, y abiertos cuando se activan por la entrada de detención de seguridad. En una disposición en serie de este tipo, si se abre cualquier relé, la señal de bobina de solenoide pasa de “alta” a “baja”, provocando que la válvula de seguridad (normalmente cerrada) se abra.
En esta realización, las salidas de un primer juego de relés redundante proporcionan de manera efectiva señales de accionamiento de bobina para las válvulas de seguridad redundantes en respuesta a la entrada de detención de seguridad. Siempre que la señal de entrada de detención de seguridad esté presente (es decir, como una tensión distinta de cero), las bobinas de solenoide de las válvulas de seguridad permanecen alimentadas. Los relés se abrirán y retirarán la alimentación de las bobinas de las válvulas de seguridad cuando la señal de entrada de detención de seguridad se retira (es decir, cae a cero como resultado de una interrupción de alimentación, o en respuesta a una parada iniciada por el usuario).
De manera similar, las salidas de un segundo juego de relés redundante proporcionan de manera efectiva señales de accionamiento para las bobinas de solenoide de válvulas de selección de velocidad en respuesta a una entrada de aceleración de rotor. Las posiciones de estos relés dependen de la aceleración de rotor. Por ejemplo, los relés pueden suministrar alimentación a las bobinas de solenoide de las válvulas de selección de velocidad en el caso de una aceleración de rotor positiva, y retirar la alimentación de las bobinas de solenoide de las válvulas de selección de velocidad en el caso de una aceleración de rotor cero o negativa. Naturalmente, es posible cualquier configuración adecuada de niveles de tensión y estados de accionamiento, tal como conocerá el experto en la técnica.
El conjunto de detención de seguridad inventivo comprende preferiblemente un sensor de aceleración dispuesto para proporcionar la entrada de aceleración de rotor. El mismo puede ser un sensor giroscópico, por ejemplo, un acelerómetro o un codificador adecuado. Por motivos de redundancia, uno o más de tales sensores pueden estar ubicados en el buje, el generador, y/o en las palas de rotor.
En una realización preferida de la invención, el conjunto de detención de seguridad comprende un dispositivo de detención de seguridad que está adaptado para proporcionar una señal de accionamiento para las válvulas de seguridad redundantes de las disposiciones de válvulas de detención de seguridad en respuesta a una entrada de detención de seguridad, y para proporcionar una señal de accionamiento para las válvulas de selección de velocidad de las disposiciones de válvulas de detención de seguridad en respuesta a una entrada de aceleración de rotor positiva. En una realización particularmente preferida de la invención, el dispositivo de detención de seguridad del conjunto de detención de seguridad está realizado como un controlador lógico programable (PLC) dispuesto en las salidas de relé y realizado para proporcionar una señal de accionamiento para las válvulas de seguridad redundantes y una señal de accionamiento para las válvulas de selección de velocidad. La lógica interna del PLC puede realizarse para abrir más de una válvula de selección de velocidad de un sistema de paso de pala, por ejemplo, con el fin de lograr diversas velocidades de paso de pala diferentes durante una secuencia de detención de seguridad.
La disposición de acumulador puede comprender un único acumulador. En una realización preferida de la invención, la disposición de acumulador comprende varios acumuladores. Por ejemplo, la disposición de acumulador puede comprender un acumulador grande que proporciona un volumen grande de fluido cuando se abren las válvulas de seguridad redundantes, y un acumulador más pequeño que proporciona un volumen más pequeño de fluido cuando se abren las válvulas de seguridad redundantes. El volumen del acumulador más pequeño se elige para limitar la duración del movimiento de “paso rápido” dentro de un intervalo de movimiento seguro para la pala de rotor.
El método inventivo comprende preferiblemente una etapa de deshabilitar una estación de bomba de la disposición de acumulador hidráulico cuando se está llevando a cabo una secuencia de detención de seguridad. Al impedir que se rellene el acumulador, particularmente en el caso del acumulador más pequeño en la realización descrita anteriormente, la velocidad de regulación de paso puede mantenerse por debajo de un límite superior.
Una turbina eólica según la invención puede comprender cualquier realización adecuada de la disposición de detención de seguridad inventiva tal como se describió anteriormente, de modo que puede regularse el paso de las palas de rotor hasta una posición segura de una manera que evita daños por un empuje de rotor excesivo en la torre de turbina eólica.
Otros objetivos y características de la presente invención resultarán evidentes a partir de las siguientes descripciones detalladas consideradas junto con los dibujos adjuntos. Sin embargo, ha de entenderse que los dibujos están diseñados solamente por motivos de ilustración y no como una definición de los límites de la invención.
La figura 1 muestra una realización de la disposición de válvulas de detención de seguridad inventiva en un estado de funcionamiento de turbina eólica normal;
la figura 2 muestra la realización de la figura 1 en una primera secuencia de detención de seguridad; la figura 3 muestra la realización de la figura 1 en una segunda secuencia de detención de seguridad; la figura 4 muestra una primera disposición de acumulador hidráulico de la disposición de válvulas de detención de seguridad inventiva;
la figura 5 muestra una segunda disposición de acumulador hidráulico de la disposición de válvulas de detención de seguridad inventiva;
la figura 6 muestra un desarrollo adicional de la realización de la figura 1;
la figura 7 muestra una primera realización del conjunto de detención de seguridad inventivo;
la figura 8 muestra una segunda realización del conjunto de detención de seguridad inventivo;
la figura 9 muestra una realización alternativa de la disposición de válvulas de detención de seguridad inventiva.
En los diagramas, números iguales se refieren a objetos iguales en su totalidad. Los objetos en los diagramas no están necesariamente dibujados a escala.
La figura 1 muestra parte de una realización de la disposición 1 de detención de seguridad inventiva en un estado de funcionamiento de turbina normal o “correcto”. El diagrama muestra las válvulas V1, V2 de una disposición de detención de seguridad para uno de los sistemas de paso de pala de una turbina eólica, e indica sus señales C1, C2 de accionador de bobina de solenoide. Pueden generarse señales C1, C2 de control para bobinas de solenoide de las válvulas V1, V2 tal como se explicará en las figuras 7 y 8. El diagrama muestra además una disposición 15 de acumulador hidráulico que comprende uno o más acumuladores para contener fluido hidráulico a presión.
En este estado “normal” de funcionamiento de turbina, se aplica una señal a las bobinas de solenoide de las válvulas V1 de seguridad “normalmente abiertas” para mantenerlas activamente cerradas tal como se indica mediante el resorte comprimido. Las válvulas V2 de selección de velocidad “normalmente cerradas” están en su posición cerrada, tal como se indica mediante el resorte extendido. Durante el funcionamiento de turbina normal, el paso de la pala se regula de la manera habitual mediante su unidad 20 de paso, indicada mediante el bloque a la derecha del diagrama. El experto en la técnica estará familiarizado con la construcción o la realización de una unidad de paso de pala, y no es necesario profundizar en esto adicionalmente.
Las válvulas V1 de seguridad redundantes pueden abrirse mediante la señal C1 de accionamiento de bobina o por una pérdida de alimentación. Estas situaciones se describen con la ayuda de las figuras 2 y 3. Cuando una válvula V1 de seguridad está abierta, se forzará fluido hidráulico a través de la línea 14 de fluido, a través de la válvula V1 de seguridad abierta y al interior del sistema 2 de paso de pala. Cuando también se abre una válvula V2 de selección de velocidad, se forzará un volumen de fluido adicional a través de la línea 14 de fluido, a través de la válvula V1 de seguridad abierta y al interior del sistema 2 de paso de pala. La válvula V2 de selección de velocidad puede abrirse mediante la señal C2 de accionamiento de bobina tal como se explicará a continuación.
Una primera boquilla N1 de restricción determina la velocidad de flujo de fluido desde la disposición 15 de acumulador hasta el pistón del sistema de paso de pala cuando las válvulas V1 de seguridad están abiertas. Una segunda boquilla N2 de restricción más grande permite una velocidad de flujo de fluido más rápida desde la disposición 15 de acumulador hasta el pistón del sistema de paso de pala cuando también se abre una válvula V2 de selección de velocidad. Cuando una válvula V2 de selección de velocidad está abierta, la velocidad de flujo de fluido está determinada por la más grande de las dos boquillas de restricción, es decir, por la segunda boquilla N2 de restricción.
La figura 2 muestra la misma realización de la figura 1 en respuesta a una activación de una detención de seguridad. En este caso, las válvulas V1 de seguridad redundantes se abren al retirarse la señal C1 de accionamiento de bobina. En el caso de una aceleración de rotor cero o negativa (es decir, no hay sobrevelocidad de rotor), la válvula V2 de selección de velocidad permanece cerrada. En este estado, se fuerza fluido hidráulico a través de la línea 14 de fluido, a través de la válvula V1 de seguridad y al interior del sistema 2 de paso de pala. Puesto que el volumen de fluido hidráulico está limitado por la boquilla N1 de restricción más pequeña, resulta un movimiento de paso “lento”. Esto puede dar como resultado una respuesta favorable a una pérdida de alimentación, una parada iniciada por el usuario, etc. para evitar daños resultantes de un empuje de rotor negativo.
La figura 3 muestra la misma realización de la figura 1 en respuesta a una entrada de aceleración de rotor positiva. De nuevo, las válvulas V1 de seguridad redundantes se abren al retirarse la señal C1 de accionamiento de bobina. En este caso, una aceleración de rotor positiva da como resultado una señal C2 de accionamiento de bobina activa (tal como se explicará con la ayuda de las figuras 7 y 8), de modo que la válvula V2 de selección de velocidad también se abre. En este estado, una cantidad adicional de fluido hidráulico se fuerza a través de la línea 14 de fluido. La boquilla N2 de restricción más grande da como resultado una mayor velocidad de flujo de fluido, logrando un movimiento de paso “rápido”. Esto puede dar como resultado una respuesta favorable a la sobrevelocidad de rotor en la que el rotor acelera como resultado de un fallo de control, de modo que pueden evitarse daños por un empuje de rotor positivo excesivo.
La figura 4 muestra una realización posible de una disposición 15 de acumulador hidráulico. En este caso, una serie o un conjunto de acumuladores 150 alimentan todos la misma línea 14 hidráulica. Cuando se inicia una detención de seguridad tal como se describió en la figura 2, fluye fluido a través de la(s) válvula(s) de seguridad abierta(s) y al interior del sistema de paso de pala, a una velocidad determinada por la boquilla N1 de restricción. Cuando se responde a una entrada de aceleración de rotor positiva tal como se describió en la figura 3, un volumen adicional de fluido fluye a través de la válvula de selección de velocidad abierta, a una velocidad más rápida determinada por la boquilla N2 de restricción más grande.
La figura 5 muestra una realización posible adicional de una disposición 15 de acumulador hidráulico. En esta realización, cuando se inicia una detención de seguridad tal como se describió en la figura 2, fluye fluido desde un acumulador 151 hidráulico grande a través de una o ambas de las válvulas de seguridad abiertas y al interior del sistema de paso de pala. Cuando se responde a una entrada de aceleración de rotor positiva tal como se describió en la figura 3, fluye fluido desde un acumulador 152 hidráulico más pequeño a través de la válvula V2 de selección de velocidad (a una velocidad más rápida determinada por la boquilla N2 de restricción más grande), así como a través de la(s) válvula(s) de seguridad abierta(s) y al interior del sistema de paso de pala. Como medida de seguridad adicional, el volumen de fluido en el acumulador 152 hidráulico más pequeño es menor que un volumen de fluido requerido para regular el paso de la pala a través de su intervalo máximo.
La figura 6 muestra una realización adicional basada en cualquiera de las figuras 1-3. En lugar de una única válvula V2 de selección de velocidad, es posible usar dos válvulas V2 de selección de velocidad tal como se muestra en este caso. Esto permite que se logren diversas velocidades para una secuencia de paso de pala, dependiendo de la naturaleza de la detención de emergencia. Cuando sólo se abren las válvulas V1 de seguridad redundantes, la velocidad de paso de pala es la más lenta, y está determinada por la boquilla N1 de restricción relativamente pequeña. Cuando además se abre una de las válvulas V2 de selección de velocidad, la velocidad de paso de pala es más rápida, dado que la velocidad de flujo se aumenta ahora mediante una boquilla N2A de restricción más grande. Cuando se abren ambas válvulas V2 de selección de velocidad, la velocidad de paso de pala se aumenta adicionalmente, dado que la velocidad de flujo se ha aumentado mediante la boquilla N2B de restricción adicional. En esta realización, pueden suministrarse dos señales C21, C22 de accionamiento de bobina independientes, por ejemplo, desde el PLC 10 de seguridad mostrado en la figura 7.
De esta manera, pueden lograrse diversas velocidades de regulación de paso. Aunque ambas de las boquillas de restricción más grandes tengan el mismo tamaño de orificio, es posible lograr tres velocidades de regulación de paso distintas: lenta (la velocidad de flujo está determinada por la boquilla N1 de orificio pequeño); media (la velocidad de flujo está determinada por la boquilla N1 de orificio pequeño y cualquiera de las dos boquillas N2A, N2B más grandes) y rápida (la velocidad de flujo está determinada por la boquilla N1 de orificio pequeño y ambas de las dos boquillas N2A, N2B más grandes). Alternativamente, si las boquillas de restricción de orificio grande tienen tamaños de orificio diferentes, es posible lograr cuatro velocidades de regulación de paso distintas: lenta (la velocidad de flujo está determinada por la boquilla N1 de orificio pequeño); media (la velocidad de flujo está determinada por la boquilla N1 de orificio pequeño y la “más pequeña” de las dos boquillas N2A, N2B de orificio grande); rápida (la velocidad de flujo está determinada por la boquilla N1 de orificio pequeño y la “más grande” de las dos boquillas N2A, N2B de orificio grande); y muy rápida (la velocidad de flujo está determinada por la boquilla N1 de orificio pequeño y ambas de las dos boquillas N2A, N2B de orificio grande).
La figura 7 muestra una representación simplificada de una primera realización de un conjunto 3 de detención de seguridad de una turbina eólica, realizada para generar señales C1, C2 de accionamiento de bobina para las válvulas V1 de seguridad y las válvulas V2 de selección de velocidad de las disposiciones de detención de seguridad de tres sistemas 2 de paso de pala hidráulicos, representados por las letras A, B, C. Cada sistema 2 de paso de pala está representado por un bloque sencillo, e incorpora una unidad 2 de regulación de paso hidráulica, así como una disposición 1 de detención de seguridad tal como se describió en cualquiera de las figuras 1 a 6 anteriores, con dos válvulas de seguridad “normalmente abiertas” (para garantizar la redundancia) y al menos una válvula de selección de velocidad “normalmente cerrada”. El diagrama no es un diagrama de circuito propiamente dicho y no muestra la conexión eléctrica completa entre las bobinas de solenoide y los relés R1, R2.
El diagrama muestra un primer juego redundante de relés R1 dispuesto para controlar juegos redundantes de válvulas de seguridad en respuesta a una entrada STP1 de detención de seguridad. Durante el funcionamiento de turbina “correcto”, dos señales STP1A, STP1B de salida procedentes del relé R1 redundante son altas. La entrada STP1 de detención de seguridad se retira en caso de una pérdida de alimentación, una secuencia de parada iniciada por el usuario, condiciones ambientales extremas, un fallo del sistema de control de turbina eólica, etc.
Un segundo juego redundante de relés R2 está dispuesto para controlar las válvulas de selección de velocidad en respuesta a una entrada STP2 de aceleración de rotor. La aceleración de rotor se mide o determina mediante un dispositivo 11 de medición o sensor adecuado, por ejemplo, un sensor giroscópico, un acelerómetro, un codificador, etc. Siempre que la entrada STP2 de aceleración de rotor sea cero o negativa, al menos una de dos señales STP2A, STP2B de salida procedentes del relé R2 redundante es baja. La entrada STP2 de aceleración de rotor está presente o activa cuando la aceleración de rotor es positiva, es decir, cuando el rotor aerodinámico está acelerando. Esto puede producirse como resultado de un fallo de funcionamiento en el sistema de control de turbina eólica que permite que la velocidad de rotor de generador aumente de manera incontrolada.
Esta realización a modo de ejemplo hace uso de un PLC 10 de seguridad para generar una señal C1 de accionamiento de bobina para las bobinas de solenoide de las válvulas de seguridad, y una señal C2 de accionamiento de bobina para las bobinas de solenoide de las válvulas de selección de velocidad. El PLC 10, que consiste en canales de entrada y canales de salida sencillos, puede programarse de manera muy sencilla, con una definición estricta con relación a cada combinación posible de señales de entrada con respecto a las señales de salida apropiadas. En esta realización, las entradas al PLC 10 son el par de señales STP1A, STP1B paralelas procedentes del relé R1 redundante y el par de señales STP2A, STP2B paralelas procedentes del relé R2 redundante.
Siempre que ambas señales STP1A, STP1B procedentes del relé R1 redundante sean altas (lo que indica funcionamiento de turbina “correcto”), la salida C1 permanece alta. Sin embargo, si cualquiera de las señales STP1A, STP1B procedentes del relé R1 redundante pasa a ser baja (lo que indica una situación de detención de emergencia), la salida C1 también pasará a ser baja y permanecerá baja, abriendo de ese modo las válvulas de seguridad.
Los niveles de las señales STP2A, STP2B procedentes del relé R2 redundante se vuelven relevantes durante una situación de detención de emergencia. Siempre que cualquier señal STP2A o STP2B procedente del relé R2 redundante sea baja (lo que indica una aceleración de rotor no positiva), la salida C2 permanece baja. Sin embargo, si ambas de las señales STP2A, STP2B procedentes del relé R2 redundante pasan a ser altas, la salida C2 también pasará a ser alta, abriendo de ese modo la(s) válvula(s) de selección de velocidad(es).
La figura 8 muestra una realización alternativa que no usa un PLC. En su lugar, un juego redundante de relés R1 genera una señal C1 de accionamiento de bobina para controlar juegos redundantes de válvulas de seguridad en respuesta a una entrada STP1 de detención de seguridad, y un juego redundante de relés R2 genera una señal C2 de accionamiento de bobina para controlar válvulas de selección de velocidad en respuesta a una entrada STP2 de aceleración de rotor positiva. En esta realización además, las señales C1, C2 de accionamiento de bobina se usan por tres sistemas de paso de pala tal como se indica por las tres letras A, B y C. De la misma manera, tal como se describió en la figura 7 anterior, el primer juego de relés R1 está dispuesto para activar la retirada de la señal C1 de accionamiento de bobina en respuesta a una entrada de detención de seguridad, y el segundo juego de relés R2 está dispuesto para activar la generación de una señal C2 de accionamiento de bobina cuando se detecta un evento de sobrevelocidad de rotor durante una detención de seguridad.
En las realizaciones descritas anteriormente, las boquillas de restricción de flujo y las válvulas de selección de velocidad están dispuestas para restringir el flujo de fluido hidráulico al interior del pistón de paso de una pala de rotor. La figura 9 muestra una realización alternativa, en la que las boquillas N1, N2 de restricción de flujo y las válvulas V2 de selección de velocidad están dispuestas, en cambio, para restringir el flujo de fluido hidráulico fuera del pistón 20 de paso. En esta realización, las válvulas V2 de selección de velocidad y las boquillas N1, N2 de restricción de flujo están dispuestas en líneas de drenaje del circuito hidráulico, que conectan el pistón con un depósito o tanque. La velocidad de movimiento del vástago de pistón dentro del pistón (del sistema de paso de pala) se controla mediante la velocidad a la que se drena la cámara derecha. Cuando sólo está disponible la boquilla N1 de orificio pequeño (está abierta una válvula de seguridad), la cámara se drena lentamente, y el vástago de pistón también se mueve lentamente. Cuando la boquilla de orificio grande también está disponible (la válvula de selección de velocidad también está abierta), la cámara se drena más rápidamente, y el vástago de pistón también se mueve más rápidamente.
Aunque la presente invención se ha dado a conocer en forma de realizaciones preferidas y variaciones de las mismas, se entenderá que pueden realizarse numerosas modificaciones y variaciones adicionales a las mismas sin apartarse del alcance de la invención.
Por motivos de claridad, ha de entenderse que el uso de “un” o “una” a lo largo de toda esta solicitud no excluye una pluralidad, y “que comprende” no excluye otras etapas o elementos.

Claims (15)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Disposición (1) de válvulas de detención de seguridad de un sistema (2) de paso de pala hidráulico de una turbina eólica, que comprende
    - una disposición (15) de acumulador conectada mediante una línea (14) hidráulica a un pistón (20) del sistema (2) de paso de pala hidráulico;
    - un juego redundante de válvulas (V1) de seguridad dispuesto entre la disposición (15) de acumulador y el pistón;
    - una boquilla (N1) de restricción de orificio pequeño dispuesta para determinar una primera velocidad de flujo de fluido hidráulico en respuesta a una entrada (STP1) de detención de seguridad;
    - al menos una válvula (V2) de selección de velocidad; y
    - al menos una boquilla (N2, N2A, N2B) de restricción de orificio grande dispuesta para determinar una segunda velocidad de flujo de fluido hidráulico en respuesta a una entrada (STP2) de aceleración de rotor, en la que la segunda velocidad de flujo de fluido es más rápida que la primera velocidad de flujo de fluido.
  2. 2. Disposición de válvulas de detención de seguridad según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que una válvula (V1) de seguridad está cargada por resorte de tal manera que la válvula (V1) de seguridad está abierta en ausencia de alimentación.
  3. 3. Disposición de válvulas de detención de seguridad según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que una válvula (V2) de selección de velocidad está cargada por resorte de tal manera que la válvula (V2) de selección de velocidad está cerrada en ausencia de alimentación.
  4. 4. Disposición de válvulas de detención de seguridad según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la disposición (15) de acumulador hidráulico comprende un primer acumulador (151) hidráulico dispuesto para forzar fluido hidráulico al interior de la línea (14) hidráulica cuando se abre una válvula (V1) de seguridad, y un segundo acumulador (152) hidráulico dispuesto para forzar fluido hidráulico al interior de la línea (14) hidráulica cuando se abre una válvula (V2) de selección de velocidad.
  5. 5. Disposición de válvulas de detención de seguridad según la reivindicación 4, en la que el volumen de fluido en el segundo acumulador (152) hidráulico es menor que un volumen de fluido requerido para un movimiento de paso completo.
  6. 6. Disposición de válvulas de detención de seguridad según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende dos o más válvulas (V2) de selección de velocidad y un número correspondiente de boquillas (N2A, N2B) de restricción de orificio grande.
  7. 7. Disposición de válvulas de detención de seguridad según la reivindicación 6, en la que las boquillas (N2A, N2B) de restricción de orificio grande tienen orificios de tamaño diferente.
  8. 8. Disposición de válvulas de detención de seguridad según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que una válvula (V1, V2) está realizada como una válvula de solenoide de dos vías.
  9. 9. Conjunto (3) de detención de seguridad de una turbina eólica con sistemas (2) de paso de pala hidráulicos, conjunto (3) de detención de seguridad que comprende
    - una disposición (1) de válvulas de detención de seguridad según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 para cada sistema (2) de paso de pala hidráulico de la turbina eólica;
    - una primera disposición (R1) de relés redundante para el accionamiento de las válvulas (V1) de seguridad en respuesta a una entrada (STP1) de detención de seguridad; y
    - una segunda disposición (R2) de relés redundante para el accionamiento de las válvulas (V2) de selección de velocidad en respuesta a una entrada (STP2) de aceleración de rotor.
  10. 10. Conjunto de detención de seguridad según la reivindicación 9, que comprende un dispositivo (10) de detención de seguridad adaptado para proporcionar una señal (C1) de accionamiento para las válvulas (V1) de seguridad redundantes de las disposiciones (1) de válvulas de detención de seguridad en respuesta a una entrada (STP1) de detención de seguridad; y para proporcionar una señal (C2) de accionamiento para las válvulas (V2) de selección de velocidad de las disposiciones (1) de válvulas de detención de seguridad en respuesta a una entrada (STP2) de aceleración de rotor.
  11. 11. Conjunto de detención de seguridad según la reivindicación 9 o la reivindicación 10, en el que el dispositivo (10) de detención de seguridad está realizado como un PLC (10) de seguridad adaptado para monitorizar las entradas (STP1, STP2) y para proporcionar las señales (C1, C2) de accionamiento partiendo de la base de las entradas (STP1, STP2) monitorizadas.
  12. 12. Conjunto de detención de seguridad según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, que comprende un sensor (11) de aceleración dispuesto para proporcionar la entrada (STP2) de aceleración de rotor.
  13. 13. Método de realización de una secuencia de detención de seguridad para una turbina eólica con sistemas (2) de paso de pala hidráulicos, comprendiendo el método las etapas de
    - proporcionar una disposición (1) de válvulas de detención de seguridad según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 para cada sistema (2) de paso de pala hidráulico de la turbina eólica;
    - proporcionar una entrada (STP1) de detención de seguridad en respuesta a un evento que requiere una parada de emergencia;
    - medir la aceleración de rotor y proporcionar una entrada (STP2) de aceleración de rotor;
    - accionar los juegos redundantes de válvulas (V1) de seguridad en respuesta a la entrada (STP1) de detención de seguridad; y
    - accionar las válvulas (V2) de selección de velocidad en respuesta a la entrada (STP2) de aceleración de rotor.
  14. 14. Método según la reivindicación 13, que comprende una etapa de deshabilitar una estación de bomba de la disposición (15) de acumulador hidráulico en respuesta a una entrada (STP1, STP2).
  15. 15. Turbina eólica que comprende una pluralidad de palas de rotor y un sistema (2) de paso de pala hidráulico para cada pala de rotor, y que comprende además una disposición (1) de válvulas de detención de seguridad según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 para cada sistema (2) de paso de pala hidráulico.
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