WO2016096221A1 - Stellantrieb für ein regelventil, insbesondere dampfturbinenregelventil und verfahren zum betreiben desselben - Google Patents

Stellantrieb für ein regelventil, insbesondere dampfturbinenregelventil und verfahren zum betreiben desselben Download PDF

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Hubert Schaber
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    • F15B2211/85—Control during special operating conditions
    • F15B2211/851—Control during special operating conditions during starting

Definitions

  • the present invention relates to an actuator for a control valve, in particular for a steam turbine control valve, according to the preamble of claim 1 and a method for operating the same.
  • the steam generated by means of a steam generator is supplied to the steam turbine via at least one, usually two to four steam turbine control valves, in which it is expanded to produce mechanical work and subsequently supplied to a condenser for condensation.
  • the steam turbine control valves are positioned in parallel steam supply lines of the steam turbine in order to be able to distribute the enormous steam volume flows to the various steam turbine control valves.
  • the vapor flow rates per valve are still so large that the valves usually weigh several tons and corresponding to the valve body has a high weight, which must be moved by a correspondingly strong actuator.
  • the piston defines at least one pressure chamber into which a pressurized working medium, either a hydraulic working medium, for example oil, or a pneumatic working fluid, such as air, may be introduced to displace the piston against the force of a spring.
  • a pressurized working medium either a hydraulic working medium, for example oil, or a pneumatic working fluid, such as air
  • the pressure of the working medium is established via a working medium pump in the external working medium circuit to which the working cylinder is connected with at least one corresponding pressure port of the pressure chamber.
  • the external working medium circuit is generally designed as a closed circuit, this usually also has a tank line in addition to a pressure line, via which the pressurized working fluid from the working medium pump is introduced into the first pressure chamber , the working fluid via a second pressure port of a second pressure chamber from the second pressure chamber, which is positioned on the side facing away from the first pressure chamber side of the piston and separated from the first pressure chamber via the piston, and for example, the suction side of the working medium pump supplies.
  • a double-acting cylinder for extending and retracting the piston can be created.
  • EP 0 055 351 A1 describes a corresponding electrohydraulic actuator, with a two-sided working cylinder connected to an external working medium circuit, wherein in the external working medium circuit a working medium pump delivers working fluid from a working fluid reservoir via a check valve into either a first pressure chamber or a second pressure chamber of the working cylinder Extend piston rod with the same effect as the force of a compression spring or retract against the force of the compression spring. About the position of the piston or the piston rod, the degree of opening of a turbine control valve is determined.
  • a binary flow switch is provided as a four-way slide valve with three switch positions, the two control lines are connected to the pressure chambers on both sides of the piston in the cylinder and further via a pressure line to the pressure side of the pump and a Tank line is connected to the working medium supply.
  • an electro-hydraulic converter in the form of a pilot-operated servo valve is provided.
  • a disadvantage of the actuator according to EP 0 055 351 A1 is that the efficiency is limited by the throttle losses at the control edges of the throttling directional control valves, which are designed as a continuous valves. Furthermore, high demands are placed on a constant supply pressure in order to be able to precisely regulate the position of the piston in the working cylinder.
  • DE 40 30 107 A1 describes a corresponding actuator in which throttle losses are largely avoided by continuous valves.
  • this actuator which also has a cylinder with two pressure chambers, which are connected to an external working medium circuit with a working medium pump is working with the working medium pump, which is designed as a fixed displacement pump and is driven by a variable speed motor, working fluid via an open in the direction of flow check valve pumped a first pressure chamber of the working cylinder, so that the piston with the piston rod against the force of a compression spring retracts.
  • the disadvantage is that the extension of the piston rod is effected solely by the force of the compression spring, whereby the dynamic control behavior is determined asymmetrically and in the direction of the spring force by only the hydraulic-mechanical design of the flow resistance and can not be affected by electrical control signals.
  • the working medium pump must be able to approach across all speed ranges against the pressure prevailing in the pressure chamber of the working cylinder pressure.
  • the working medium pump must be able to apply a holding pressure against the spring, with which the piston is pressurized, in the stationary state of the piston.
  • the torque required for the holding pressure at low speed is a thermally unfavorable operating case for the motor of the working medium pump.
  • the working medium pump tends to overheat at high pressures and low flow rate, which is required for fine positioning of the piston.
  • the present invention has for its object to provide an actuator for a control valve, in particular steam turbine control valve of the type described above, and a method for operating such an actuator, with which throttling losses in the external working medium circuit are advantageously avoided, the actuator has low manufacturing costs and advantageous Avoiding thermally unfavorable operating conditions of the working medium pump and a motor driving this works.
  • An actuator according to the invention for a control valve in particular a steam turbine control valve, has a working cylinder with an external working medium circuit connected thereto.
  • the working cylinder comprises a piston with a piston rod connected thereto, which forms an actuator for the control valve.
  • the piston rod is accordingly extendable from the working cylinder and retractable in this, thereby determining the opening cross section of the control valve, for example by direct or indirect connection of the piston rod to a valve body of the control valve, so that the valve body a flow cross-section of the control valve in dependence on the position of the piston rod more or less opens.
  • the piston of the working cylinder limits at least a first pressure chamber of the working cylinder and the first pressure chamber has a first pressure port for introducing a pressurized working medium in the first pressure chamber to the piston with the piston rod against a force of a spring, in particular compression spring which is associated with the working cylinder to move by pressurization.
  • a spring in particular compression spring which is associated with the working cylinder to move by pressurization.
  • the piston rod moves increasingly with increasing pressure in the first pressure chamber in the working cylinder and with decreasing pressure in the first pressure chamber from the working cylinder.
  • a second pressure chamber provided on the side of the piston remote from the first pressure chamber is increasingly exposed to working medium pressure at the same time as a decreasing pressurization in the first pressure chamber, as will be explained below.
  • pressurized working fluid can be pumped into the first pressure chamber. Furthermore, the working medium can be discharged from the first pressure chamber via the external working medium circuit.
  • the working medium pump is for this purpose with a connected to a pressure side of the working medium pump pressure line to the first Pressure connection of the first pressure chamber connected, wherein in the pressure line in the direction of the first pressure port and thus the first pressure chamber opening check valve or a shut-off valve is provided.
  • a short circuit line which connects the pressure line, bypassing the working cylinder with a suction side of the working medium pump, wherein in the Shorting a short-circuit valve is arranged, by means of which the short-circuit line is optionally shut off.
  • Shut-off here means any state of the short-circuit valve which prevents a flow of the working medium from the pressure line via the short-circuit line to the suction side of the working medium pump.
  • a working fluid supply also called tank
  • the working fluid pump pumps working fluid and / or used to compensate for volume fluctuations in the external working fluid circuit, for example due to the displacement of the piston in the working cylinder.
  • the short-circuit valve is designed as an uncontrolled open-close valve having only two switching positions, namely a first switching position in which it blocks a flow cross-section of the short-circuit line, and a second switching position in which it the flow direction of the short-circuit line releases or opens.
  • a first switching position in which it blocks a flow cross-section of the short-circuit line
  • a second switching position in which it the flow direction of the short-circuit line releases or opens.
  • the piston of the working cylinder separates the first pressure chamber from the second pressure chamber.
  • a reversing line is provided in the external working medium circuit, via which the first pressure port of the first pressure chamber with the second pressure port of the second pressure chamber is connected working medium, wherein in the reversing a reversing valve is provided by means of which the reversing is optionally shut off.
  • pressurized working fluid from the first pressure chamber via the reversing line can be passed into the second pressure chamber to move the piston with the piston rod with reduction of the first pressure chamber and enlargement of the second pressure chamber, for example, extend.
  • the reversing valve is advantageously designed as an uncontrolled open-close valve, which has only two switching positions, namely a first switching position in which it blocks the flow cross section of the reversing line, and a second switching position in which it releases or opens the flow cross section of the reversing line. Again, the same applies to the previous shut-off analog.
  • a throttle is also provided in the reversing line, which either has a constant cross section or limits a variable flow cross section in the case of a variably adjustable throttle.
  • the stroke speed of the piston can be set or adjusted variably.
  • a quick-closing line is provided in parallel to the reversing line in the external working medium circuit, in which a quick-acting valve is arranged.
  • the quick-closing line connects the first pressure port of the first pressure chamber working medium conducting with the second pressure port of the second pressure chamber, when the quick-closing valve is opened.
  • the quick-acting valve is advantageously designed as an uncontrolled open-close valve, which has only two switching positions, namely a first switching position in which it blocks the flow cross-section of the quick-closing line, and a second switching position in which it opens or opens the flow cross-section of the quick-closing line.
  • a tank line may be connected, which is connected working medium conducting with the suction side of the working medium pump, in particular free of an intermediate valve or a throttle device.
  • the tank line is referred to herein as a tank line due to their connection to the suction side of the working medium pump, which does not necessarily mean that a separate working medium tank or working fluid supply is provided.
  • the working fluid supply is connected to this tank line, so that the working medium pump can promote working fluid from the working fluid supply.
  • the working medium supply can also serve exclusively to compensate for volume fluctuations in the external working medium circuit and does not have to be designed as a throughflow of working medium.
  • the reversing line and / or the quick-closing line advantageously branches in the flow direction of the working medium behind the check valve or shut-off valve, again seen in the flow direction of the working medium of the Hämediunnpunnpe to the first pressure port or the first pressure chamber, from the pressure line and opens into the tank line.
  • a pressure relief line with a pressure relief valve from the pressure line and flows into the tank line.
  • the pressure relief valve may be designed as uncontrolled open-close valve, that is, only two switching positions, namely a first switching position in which it blocks the flow cross-section of the pressure relief line, and a second switching position in which it releases the flow cross section of the pressure relief line.
  • the embodiment of the invention makes it possible that the motor, with which the working medium pump is driven, is designed as an electric asynchronous motor, which need not be able to run up against the working medium pressure in the first pressure chamber. Rather, the switched off especially in the stationary state of the working valve working medium pump, usually when the engine is de-energized when now the piston of the working valve can be moved with the piston rod, are first raised without pressure, without the engine a significant load torque must be absorbed.
  • An inventive method for operating an actuator therefore provides that for moving the piston and thus the piston rod to actuate the control valve, first the working medium pump is open with open short-circuit valve and closed check valve or shut-off valve with the engine at nominal speed and only then the Short-circuit valve is closed and working fluid with the working medium pump through the open check valve, which then automatically due to the pressure build-up after closing the short-circuit valve opens, or the shut-off valve, which can be opened in particular actively activated, is pumped into the first pressure chamber to move the piston rod against the force of the spring, for example, to retract into the working cylinder.
  • the invention has the advantage that an electric asynchronous motor is much cheaper than a servomotor, which can ramp up lastmomentbeetzwegt. Furthermore, simple (unregulated) switching valves instead of control valves can be used, which avoids throttle losses. It is also possible to control the actuator with digital signals, that is, on-off signals, instead of control signals. Thus, for example, by clocked switching the short-circuit valve, the position of the piston in the working cylinder and thus the position of the piston rod can be adjusted. When the desired position has been reached, the engine can continue running with low energy consumption when the short-circuit valve is open, because it operates almost without load, or it can be switched off.
  • the spring force of the working cylinder can be used to change the position of the piston and thus the piston rod by pressure is discharged from the first pressure chamber, in the second pressure chamber and / or the working medium supply.
  • a variable throttle is provided in series with the reversing valve in the reversing line, the stroke speed of the working cylinder can be adjusted while reducing the volume of the first pressure chamber, despite the use of an open-close valve as a reversing valve.
  • the actuator can also drive other Control valves are used for example by gas turbines or other aggregates.
  • the actuator controls, for example, the position of the valve body 100 relative to a valve seat 101 of a steam turbine control valve 102 shown here only schematically in the steam supply 103 of a steam turbine 104.
  • the actuator has a working cylinder 1 with a piston 2 and a piston rod 3 connected thereto, the piston rod 3 representing the actuator for the steam turbine control valve 102.
  • the piston 2 is biased by a spring 4 in the sense of closing the control valve, here steam turbine control valve 102.
  • the piston rod 3 moves in the embodiment shown from the working cylinder 2, wherein in another embodiment, a retraction of the piston rod 3 could cause a closing of the control valve and correspondingly the piston would have to be biased in the other direction by the spring force.
  • the spring causes an opening of the control valve.
  • the working cylinder 1 has a first pressure chamber 5 with a first pressure port 6.
  • first pressure chamber 5 With a first pressure port 6.
  • the piston rod 3 By introducing pressurized working fluid into the first pressure chamber 5 and increasing the volume of the first pressure chamber 5, the piston rod 3 is retracted into the working cylinder 1 counter to the force of the spring 4 and the valve body 100 lifted from the valve seat 101, or in general open the control valve.
  • This is a second Pressure chamber 7 on the side facing away from the first pressure chamber 5 of the piston 2 in the working cylinder reduced in volume and the working fluid from the second pressure chamber 7 is displaced via the second pressure port 8 into the tank line 9 of the external working medium circuit 10.
  • the tank line 9 for example, substantially unpressurized and connected to the working medium supply 1 1, which compensates for the difference in volume of the working cylinder 1 between extended and retracted position of the piston rod 3.
  • a driven by a motor 12 working fluid pump 13 which has a suction side 14 and a pressure side 15.
  • the tank line 9 is connected to the pressure side 15, a pressure line 16 is connected.
  • the pressure line 16 is connected at its end facing away from the working medium pump 13 at the first pressure port 6 of the first pressure chamber 5, so that the working medium pump 13 can pump working fluid from the tank line 9 and / or from the working fluid supply 1 1 via the pressure line 16 into the first pressure chamber 5.
  • the working medium pump 13 is designed for example as a fixed displacement pump, which is designed in terms of their delivery volume to a single rated speed.
  • the motor 12 is designed, for example, as an electric asynchronous motor.
  • a check valve 17 is provided which opens in the direction of the first pressure port 6 and in the direction of the working medium pump 13 and the pressure side 15 of the same blocks.
  • the check valve 17 could be provided a shut-off valve that is driven, for example, externally, in particular together with the short-circuit valve 19 described below.
  • Upstream of the check valve 17 branches off from the pressure line 16 from a short-circuit line 18, which opens into the tank line 9 and thus on the suction side 14 of the working medium pump 13.
  • a short-circuit valve 19 is provided which connects the pressure side 15 of the working medium pump 13, bypassing the working cylinder 1 with the suction side 14 and the working medium supply 1 1 via the short-circuit line 18 in the de-energized state.
  • the short-circuit valve 19 prevents a flow of working fluid from the pressure side 15 via the short-circuit line 18 to the suction side 14, so that a pressure builds up on the pressure side 15 in the pressure line 16, which opens the check valve 17 against the spring force of the check valve 17 ,
  • the motor 12 can run up without load torque to the rated speed and bring the working fluid pump 13 to its rated speed. After reaching the rated speed can then by operating the short-circuit valve 19, the working medium pump 13 pumping working fluid via the check valve 17 into the first pressure chamber 5 and the piston rod 3 moves, as shown, against the force of the spring 4 in the working cylinder 1 a.
  • the timing of the operation of the short-circuit valve 19 the desired position of the piston 2 and the piston rod 3 and thus of the valve body 100 relative to the valve seat 101 can be achieved.
  • the motor 12 can then continue to run with low energy requirements or it can be switched off completely.
  • the reversing valve 20 is actuated in the reversing line 21, which downstream of the Check valve 17 branches off from the pressure line 16 and opens into the tank line 9, and the spring force of the spring 4, the working fluid from the first pressure chamber 5 via the reversing 21 in the tank line 9 or the working fluid supply 1 1 displace.
  • the adjustable throttle 22 provided here in the reversing line 21, the lifting speed of the working cylinder 1 can be adjusted during extension of the piston rod 3 and at the same time the reversing valve 20 can be designed as an uncontrolled open-close valve.
  • Parallel to the reversing line 21 branches from the pressure line 16 still the quick-closing line 23 and flows into the tank line 9 a.
  • the steam turbine control valve 102 By opening the quick-closing valve 24, the steam turbine control valve 102 can be quickly brought into the fail-safe position, for which the piston rod 3 is extended from the working cylinder 1. Again, the lifting speed can be adjusted by means provided in the quick-closing line 23 throttle 25 and the quick-closing valve 24 can be designed as an uncontrolled open-close valve.
  • the excess pressure line 26 branches off, in which the pressure relief valve 27, also called pressure relief valve, is arranged.
  • the overpressure line 26 also opens into the tank line 9.
  • the pressure relief valve 27 limits the maximum pressure in the pressure line 16.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb für ein Regelventil, insbesondere Dampfturbinenregelventil - mit einem Arbeitszylinder, der einen Kolben und eine daran angeschlossene Kolbenstange aufweist, die einen Aktuator für das Regelventil ausbildet, wobei der Kolben einen ersten Druckraum des Arbeitszylinders begrenzt und der erste Druckraum einen ersten Druckanschluss zum Einleiten eines druckbeaufschlagten Arbeitsmediums aufweist, um den Kolben mit der Kolbenstange entgegen der Kraft einer dem Arbeitszylinder zugeordneten Feder durch Druckbeaufschlagung zu verschieben; - mit einem externen Arbeitsmediumkreislauf, an welchem der Arbeitszylinder angeschlossen ist, um das Arbeitsmedium wahlweise in den ersten Druckraum einzuleiten oder aus diesem auszuleiten; wobei - der externe Arbeitsmediumkreislauf eine über einen Motor angetriebene Arbeitsmediumpumpe aufweist; und - die Arbeitsmediumpumpe mit einer an einer Druckseite der Arbeitsmediumpumpe angeschlossenen Druckleitung an dem ersten Druckanschluss des ersten Druckraumes angeschlossen ist, wobei in der Druckleitung ein in Richtung des ersten Druckanschlusses öffnendes Rückschlagventil oder Absperrventil vorgesehen ist. Der erfindungsgemäße Stellantrieb ist dadurch gekennzeichnet, dass von der Druckleitung in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vor dem Rückschlagventil oder Absperrventil eine Kurzschlussleitung abzweigt, welche die Druckleitung unter Umgehung des Arbeitszylinders mit einer Saugseite der Arbeitsmediumpumpe verbindet, und in der Kurzschlussleitung ein Kurzschlussventil angeordnet ist, mittels welchem die Kurzschlussleitung wahlweise gegen Durchströmung des Arbeitsmediums zur Saugseite absperrbar ist.

Description

Stellantrieb für ein Regelventil, insbesondere Dampfturbinenregelventil
und Verfahren zum Betreiben desselben
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stellantrieb für ein Regelventil, insbesondere für ein Dampfturbinenregelventil, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben desselben.
In Dampfkraftwerken wird der mittels eines Dampferzeugers erzeugte Dampf über wenigstens ein, in der Regel zwei bis vier Dampfturbinenregelventile der Dampfturbine zugeführt, in welcher er unter Erzeugung mechanischer Arbeit expandiert wird und anschließend einem Kondensator zur Kondensation zugeführt wird. Die Dampfturbinenregelventile sind in parallelen Dampfzuleitungen der Dampfturbine positioniert, um die gewaltigen Dampfvolumenströme auf die verschiedenen Dampfturbinenregelventile verteilen zu können. Trotz der Aufteilung sind die Dampfvolumenströme pro Ventil immer noch so groß, dass die Ventile in der Regel mehrere Tonnen wiegen und entsprechend der Ventilkörper ein hohes Gewicht aufweist, das von einem entsprechend starken Stellantrieb bewegt werden muss. Zum Antrieb der Regelventile werden daher in der Regel vorwiegend hydraulische oder gegebenenfalls auch pneumatische Stellantriebe verwendet, die einen Arbeitszylinder mit einer an einem Kolben angeschlossenen Kolbenstange als Aktuator für den Ventilkörper des jeweiligen Regelventils aufweisen, um durch Einfahren der Kolbenstange in den und Ausfahren der Kolbenstange aus dem Arbeitszylinder den Ventilkörper zu betätigen, damit dieser, beispielweise in dem genannten Dampfkraftwerk, den Strömungsquerschnitt des Dampfturbinenregelventils mehr oder minder verschließt.
Zur Verschiebung des Kolbens mit der Kolbenstange in dem Arbeitszylinder begrenzt der Kolben wenigstens einen Druckraum, in den ein druckbeaufschlagtes Arbeitsmedium, entweder ein hydraulisches Arbeitsmedium, beispielweise Öl, oder ein pneumatisches Arbeitsmedium, beispielsweise Luft, eingeleitet werden kann, um den Kolben entgegen der Kraft einer Feder zu verschieben. Der Druck des Arbeitsmediums wird über eine Arbeitsmediumpumpe im externen Arbeitsmediumkreislauf aufgebaut, an welchen der Arbeitszylinder mit wenigstens einem entsprechenden Druckanschluss des Druckraumes angeschlossen ist. Da der externe Arbeitsmediumkreislauf, wie bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der Regel als geschlossener Kreislauf ausgeführt ist, weist dieser in der Regel neben einer Druckleitung, über welche das druckbeaufschlagte Arbeitsmedium aus der Arbeitsmediumpumpe in den ersten Druckraum eingeleitet wird, auch eine Tankleitung auf, die Arbeitsmedium über einen zweiten Druckanschluss eines zweiten Druckraumes aus dem zweiten Druckraum, der auf der dem ersten Druckraum abgewandten Seite des Kolbens positioniert und über den Kolben vom ersten Druckraum abgegrenzt ist, ausleitet und beispielsweise der Saugseite der Arbeitsmediumpumpe zuführt. Dadurch kann ein doppeltwirkender Arbeitszylinder zum Ein- und Ausfahren des Kolbens geschaffen werden.
EP 0 055 351 A1 beschreibt einen entsprechenden elektrohydraulischen Stellantrieb, mit einem an einem externen Arbeitsmediumkreislauf angeschlossenen zweiseitig wirkenden Arbeitszylinder, wobei im externen Arbeitsmediumkreislauf eine Arbeitsmediumpumpe Arbeitsmedium aus einem Arbeitsmediumvorrat über ein Rückschlagventil entweder in einen ersten Druckraum oder einen zweiten Druckraum des Arbeitszylinders fördert, um dessen Kolbenstange gleichwirkend mit der Kraft einer Druckfeder auszufahren oder entgegen der Kraft der Druckfeder einzufahren. Über die Stellung des Kolbens beziehungsweise der Kolbenstange wird der Öffnungsgrad eines Turbinenregelventils bestimmt. Zur Grobpositionierung des Kolbens im Arbeitszylinder ist ein binärer Durchflussschalter als Vier-Wege-Schaltschieber mit drei Schaltstellungen vorgesehen, dessen beide Steuerleitungen mit den Druckräumen auf beiden Seiten des Kolbens im Arbeitszylinder verbunden sind und der ferner über eine Druckleitung mit der Druckseite der Pumpe und eine Tankleitung mit dem Arbeitsmediumvorrat verbunden ist. Zur Feinpositionierung des Kolbens ist ein elektrohydraulischer Umformer in Form eines vorgesteuerten Servoventils vorgesehen. Nachteilig an dem Stellantrieb gemäß der EP 0 055 351 A1 ist, dass durch die Drosselverluste an den Steuerkanten der drosselnden Wegeventile, die als Stetigventile ausgebildet sind, der Wirkungsgrad begrenzt ist. Ferner werden hohe Anforderungen an einen konstanten Versorgungsdruck gestellt, um die Position des Kolbens im Arbeitszylinder exakt regeln zu können.
DE 40 30 107 A1 beschreibt einen entsprechenden Stellantrieb, bei welchem Drosselverluste durch Stetigventile weitgehend vermieden werden. Gemäß diesem Stellantrieb, der ebenfalls einen Arbeitszylinder mit zwei Druckräumen aufweist, die an einem externen Arbeitsmediumkreislauf mit einer Arbeitsmediumpumpe angeschlossen sind, wird mit der Arbeitsmediumpumpe, die als Konstantpumpe ausgeführt ist und über einen drehzahlgeregelten Motor angetrieben wird, Arbeitsmedium über ein in Förderrichtung offenes Rückschlagventil in einen ersten Druckraum des Arbeitszylinders gepumpt, sodass der Kolben mit der Kolbenstange entgegen der Kraft einer Druckfeder einfährt. Nachteilig ist, dass das Ausfahren der Kolbenstange allein durch die Kraft der Druckfeder bewirkt wird, wodurch das dynamische Stellverhalten asymmetrisch und in Richtung der Federkraft durch nur die hydraulischmechanische Auslegung des Strömungswiderstandes festgelegt ist und durch elektrische Steuersignale nicht beeinflusst werden kann. Darüber hinaus muss die Arbeitsmediumpumpe in der Lage sein, über alle Drehzahlbereiche hinweg gegen den im Druckraum des Arbeitszylinders herrschenden Druck anfahren zu können.
Auch bei dem Stellantrieb gemäß EP 2 620 655 A1 werden Drosselverluste in Stetigventilen weitgehend vermieden und zudem ist eine von einem Servomotor angetriebene Arbeitsmediumpumpe im externen Arbeitsmediumkreislauf vorgesehen, die drehzahlvariabel ist und Arbeitsmedium aus einem ersten Druckraum des Arbeitszylinders in einen zweiten Druckraum des Arbeitszylinders und umgekehrt pumpen kann, um dadurch rasch die gewünschte Position des Kolbens und damit der Kolbenstange einzustellen. Hierbei ergibt sich jedoch ebenfalls der Nachteil, dass die Arbeitsmediumpumpe in der Lage sein muss, über alle Drehzahlbereiche hinweg gegen den Arbeitsmediumdruck in den beiden Druckräumen des Arbeitszylinders zu arbeiten und für eine dynamische und präzise Steuerung ein vergleichsweise teurer Synchron-Servomotor notwendig ist. Darüber hinaus muss die Arbeitsmediumpumpe in der Lage sein, im stationären Zustand des Kolbens einen Haltedruck gegen die Feder, mit welcher der Kolben druckbeaufschlagt ist, aufzubringen. Das für den Haltedruck erforderliche Drehmoment bei kleiner Drehzahl ist für den Motor der Arbeitsmediumpumpe ein thermisch ungünstiger Betriebsfall. Auch die Arbeitsmediumpumpe neigt bei hohen Drücken und geringem Volumenstrom, welcher zur Feinpositionierung des Kolbens erforderlich ist, zum Überhitzen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stellantrieb für ein Regelventil, insbesondere Dampfturbinenregelventil der eingangs beschriebenen Art, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Stellantriebs anzugeben, mit welchen Drosselverluste im externen Arbeitsmediumkreislauf vorteilhaft vermieden werden, wobei der Stellantrieb geringe Herstellungskosten aufweist und vorteilhaft unter Vermeidung thermisch ungünstiger Betriebszustände der Arbeitsmediumpumpe und eines diese antreibenden Motors arbeitet.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen Stellantrieb und ein Verfahren zum Betreiben desselben gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Ein erfindungsgemäßer Stellantrieb für ein Regelventil, insbesondere Dampfturbinenregelventil, weist einen Arbeitszylinder mit einem daran angeschlossenen externen Arbeitsmediumkreislauf auf. Der Arbeitszylinder umfasst einen Kolben mit einer daran angeschlossen Kolbenstange, die einen Aktuator für das Regelventil ausbildet. Die Kolbenstange ist entsprechend aus dem Arbeitszylinder ausfahrbar und in diesen einfahrbar, um dadurch den Öffnungsquerschnitt des Regelventils zu bestimmen, beispielsweise durch unmittelbaren oder mittelbaren Anschluss der Kolbenstange an einen Ventilkörper des Regelventils, sodass der Ventilkörper einen Strömungsquerschnitt des Regelventils in Abhängigkeit der Stellung der Kolbenstange mehr oder minder öffnet. Der Kolben des Arbeitszylinders begrenzt wenigstens einen ersten Druckraum des Arbeitszylinders und der erste Druckraum weist einen ersten Druckanschluss zum Einleiten eines druckbeaufschlagten Arbeitsmediums in den ersten Druckraum auf, um den Kolben mit der Kolbenstange entgegen einer Kraft einer Feder, insbesondere Druckfeder, welche dem Arbeitszylinder zugeordnet ist, durch Druckbeaufschlagung zu verschieben. Beispielsweise fährt die Kolbenstange mit zunehmender Druckbeaufschlagung im ersten Druckraum zunehmend weiter in den Arbeitszylinder ein und mit nachlassender Druckbeaufschlagung im ersten Druckraum aus dem Arbeitszylinder aus. Vorteilhaft wird zugleich mit einer nachlassenden Druckbeaufschlagung im ersten Druckraum ein zweiter auf der vom ersten Druckraum abgewandten Seite des Kolbens vorgesehener Druckraum zunehmend mit Arbeitsmediumdruck beaufschlagt, wie nachfolgend noch erläutert wird.
Über den externen Arbeitsmediumkreislauf, der eine über einen Motor, beispielsweise Elektromotor (E-Motor) angetriebene Arbeitsmediumpumpe aufweist, kann druckbeaufschlagtes Arbeitsmedium in den ersten Druckraum gepumpt werden. Ferner kann über den externen Arbeitsmediumkreislauf das Arbeitsmedium aus dem ersten Druckraum abgelassen werden. Die Arbeitsmediumpumpe ist hierfür mit einer an einer Druckseite der Arbeitsmediumpumpe angeschlossenen Druckleitung mit dem ersten Druckanschluss des ersten Druckraums verbunden, wobei in der Druckleitung ein in Richtung des ersten Druckanschlusses und damit des ersten Druckraumes öffnendes Rückschlagventil oder ein Absperrventil vorgesehen ist. Erfindungsgemäß zweigt von der Druckleitung in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vor dem Rückschlagventil oder Absperrventil, bezogen auf die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums aus der Arbeitsmediumpumpe in den ersten Druckraum, eine Kurzschlussleitung ab, welche die Druckleitung unter Umgehung des Arbeitszylinders mit einer Saugseite der Arbeitsmediumpumpe verbindet, wobei in der Kurzschlussleitung ein Kurzschlussventil angeordnet ist, mittels welchem die Kurzschlussleitung wahlweise absperrbar ist. Unter Absperrung ist hierbei jeder Zustand des Kurzschlussventils gemeint, der eine Strömung des Arbeitsmediums von der Druckleitung über die Kurzschlussleitung zur Saugseite der Arbeitsmediumpumpe verhindert.
Auf der Saugseite der Arbeitsmediumpumpe kann beispielsweise ein Arbeitsmediumvorrat, auch Tank genannt, vorgesehen sein, aus welchem die Arbeitsmediumpumpe Arbeitsmedium pumpt und/oder der zum Ausgleich von Volumenschwankungen im externen Arbeitsmediumkreislauf dient, beispielsweise aufgrund des Verschiebens des Kolbens im Arbeitszylinder.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Kurzschlussventil als ungeregeltes Auf-Zu-Ventil ausgeführt, das ausschließlich zwei Schaltstellungen aufweist, nämlich eine erste Schaltstellung, in welcher es einen Strömungsquerschnitt der Kurzschlussleitung versperrt, und eine zweite Schaltstellung, in welcher es den Strömungsrichtung der Kurzschlussleitung freigibt beziehungsweise öffnet. Zum Versperren gilt das zuvor zur Absperrung Ausgeführte. Besonders vorteilhaft weist der Arbeitszylinder einen zweiten Druckraum mit einem zweiten Druckanschluss auf, wobei unter dem Begriff Druckanschluss nicht zwingend zu verstehen ist, dass der zweite Druckraum mit einem Überdruck von außen beaufschlagt wird.
Der Kolben des Arbeitszylinders trennt den ersten Druckraum vom zweiten Druckraum ab. Vorteilhaft ist im externen Arbeitsmediumkreislauf eine Reversierleitung vorgesehen, über welche der erste Druckanschluss des ersten Druckraumes mit dem zweiten Druckanschluss des zweiten Druckraumes arbeitsmediumleitend verbunden ist, wobei in der Reversierleitung ein Reversierventil vorgesehen ist, mittels welcher die Reversierleitung wahlweise absperrbar ist. Somit kann druckbeaufschlagtes Arbeitsmedium aus dem ersten Druckraum über die Reversierleitung in den zweiten Druckraum geleitet werden, um den Kolben mit der Kolbenstange unter Verkleinerung des ersten Druckraumes und Vergrößerung des zweiten Druckraumes zu verschieben, beispielsweise auszufahren.
Das Reversierventil ist vorteilhaft als ungeregeltes Auf-Zu-Ventil ausgeführt, das ausschließlich zwei Schaltstellungen aufweist, nämlich eine erste Schaltstellung, in welcher es den Strömungsquerschnitt der Reversierleitung versperrt, und eine zweite Schaltstellung, in welcher es den Strömungsquerschnitt der Reversierleitung freigibt beziehungsweise öffnet. Auch hier gilt das zuvor zur Absperrung Ausgeführte analog.
Gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist in der Reversierleitung ferner eine Drossel vorgesehen, die entweder einen konstanten Querschnitt aufweist oder im Falle einer variabel einstellbaren Drossel einen variablen Strömungsquerschnitt begrenzt. Damit kann die Hubgeschwindigkeit des Kolbens festgelegt oder variabel eingestellt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist parallel zur Reversierleitung im externen Arbeitsmediumkreislauf eine Schnellschlussleitung vorgesehen, in der ein Schnellschlussventil angeordnet ist. Die Schnellschlussleitung verbindet den ersten Druckanschluss des ersten Druckraumes arbeitsmediumleitend mit dem zweiten Druckanschluss des zweiten Druckraumes, wenn das Schnellschlussventil geöffnet ist. Hiermit ist es möglich, zum schnellen Erreichen einer Fail-Safe- Stellung den Kolben beziehungsweise die Kolbenstange in die geeignete Position zu fahren, beispielsweise in den Arbeitszylinder durch die Kraft der Feder eingefahren oder aus dem Arbeitszylinder durch die Kraft der Feder ausgefahren.
Auch das Schnellschlussventil ist vorteilhaft als ungeregeltes Auf-Zu-Ventil ausgeführt, das ausschließlich zwei Schaltstellungen aufweist, nämlich eine erste Schaltstellung, in welcher es den Strömungsquerschnitt der Schnellschlussleitung versperrt, und eine zweite Schaltstellung, in welcher es den Strömungsquerschnitt der Schnellschlussleitung freigibt beziehungsweise öffnet.
Am zweiten Druckanschluss des zweiten Druckraumes kann eine Tankleitung angeschlossen sein, die arbeitsmediumleitend mit der Saugseite der Arbeitsmediumpumpe verbunden ist, insbesondere frei von einem zwischengeschalteten Ventil oder einer Drosseleinrichtung. Die Tankleitung wird vorliegend aufgrund ihres Anschlusses an der Saugseite der Arbeitsmediumpumpe als Tankleitung bezeichnet, was nicht zwingend bedeutet, dass ein gesonderter Arbeitsmediumtank oder Arbeitsmediumvorrat vorgesehen ist. Vorteilhaft ist jedoch an dieser Tankleitung der Arbeitsmediumvorrat angeschlossen, sodass die Arbeitsmediumpumpe Arbeitsmedium aus dem Arbeitsmediumvorrat fördern kann. Dabei kann der Arbeitsmediumvorrat jedoch auch ausschließlich zum Ausgleich von Volumenschwankungen im externen Arbeitsmediumkreislauf dienen und muss nicht als durchflossener Arbeitsmediumvorrat ausgeführt sein.
Die Reversierleitung und/oder die Schnellschlussleitung zweigt vorteilhaft in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hinter dem Rückschlagventil oder Absperrventil, wiederum gesehen in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums von der Arbeitsmediunnpunnpe zu dem ersten Druckanschluss beziehungsweise dem ersten Druckraum, von der Druckleitung ab und mündet in der Tankleitung.
Gemäß einer Ausführungsform zweigt in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vor dem Rückschlagventil oder Absperrventil eine Überdruckleitung mit einem Überdruckventil von der Druckleitung ab und mündet in der Tankleitung ein. Auch das Überdruckventil kann als ungeregeltes Auf-Zu-Ventil ausgeführt sein, das heißt ausschließlich zwei Schaltstellungen aufweisen, nämlich eine erste Schaltstellung, in welcher es den Strömungsquerschnitt der Überdruckleitung versperrt, und eine zweite Schaltstellung, in welcher es den Strömungsquerschnitt der Überdruckleitung freigibt. Mit der Überdruckleitung und dem Überdruckventil können unerwünschte Überdrücke in der Druckleitung beziehungsweise auf der Druckseite der Pumpe vermieden werden. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht es, dass der Motor, mit welchem die Arbeitsmediumpumpe angetrieben wird, als elektrischer Asynchronmotor ausgeführt ist, der nicht in der Lage sein muss, gegen den Arbeitsmediumdruck im ersten Druckraum hoch zu laufen. Vielmehr kann die insbesondere im stationären Zustand des Arbeitsventils ausgeschaltete Arbeitsmediumpumpe, in der Regel bei stromlosem Motor, wenn nun der Kolben des Arbeitsventils mit der Kolbenstange verschoben werden kann, zunächst drucklos hochgefahren werden, ohne dass vom Motor ein nennenswertes Lastmoment aufgenommen werden muss.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Stellantriebs sieht daher vor, dass zum Verschieben des Kolbens und damit der Kolbenstange, um das Regelventil zu betätigen, zunächst die Arbeitsmediumpumpe bei geöffnetem Kurzschlussventil und geschlossenem Rückschlagventil oder Absperrventil mit dem Motor drucklos auf Nenndrehzahl hochfahren wird und erst anschließend das Kurzschlussventil geschlossen wird und Arbeitsmedium mit der Arbeitsmediumpumpe über das geöffnete Rückschlagventil, das sich dann aufgrund des Druckaufbaus nach Schließen des Kurzschlussventils selbsttätig öffnet, oder das Absperrventil, das insbesondere aktiv angesteuert geöffnet werden kann, in den ersten Druckraum gepumpt wird, um die Kolbenstange entgegen der Kraft der Feder zu verschieben, beispielsweise in den Arbeitszylinder einzufahren.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass ein elektrischer Asynchronmotor wesentlich günstiger als ein Servomotor ist, der lastmomentbeaufschlagt hochfahren kann. Ferner können einfache (ungeregelte) Schaltventile anstatt von Regelventilen zum Einsatz kommen, was Drosselverluste vermeidet. Auch ist es möglich, den Stellantrieb mit digitalen Signalen, das heißt Auf-Zu-Signalen zu steuern, anstelle von Regelsignalen. So kann beispielsweise durch getaktetes Schalten des Kurzschlussventils die Position des Kolbens im Arbeitszylinder und damit die Position der Kolbenstange eingestellt werden. Wenn die gewünschte Stellung erreicht ist, kann der Motor mit geringem Energiebedarf bei geöffnetem Kurzschlussventil weiterlaufen, weil er nahezu lastfrei arbeitet, oder er kann abgeschaltet werden.
Durch Öffnen des Reversierventils kann die Federkraft des Arbeitszylinders genutzt werden, um die Position des Kolbens und damit der Kolbenstange zu verändern, indem Druck aus dem ersten Druckraum abgelassen wird, in den zweiten Druckraum und/oder den Arbeitsmediumvorrat. Wenn in Reihe zu dem Reversierventil in der Reversierleitung eine variable Drossel vorgesehen ist, kann trotz Verwendung eines Auf-Zu-Ventils als Reversierventil die Hubgeschwindigkeit des Arbeitszylinders beim Verringern des Volumens des ersten Druckraumes eingestellt werden.
Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, die Hubgeschwindigkeit in dem genannten Fall durch getaktetes Ansteuern des Reversierventils einzustellen. Obwohl ein bevorzugter Anwendungsbereich des Stellantriebs der Antrieb eines Dampfturbinenregelventils ist, kann der Stellantrieb auch zum Antrieb anderer Regelventile beispielsweise von Gasturbinen oder auch anderer Aggregate verwendet werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figur exemplarisch beschrieben werden.
In der Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäß ausgeführten Stellantrieb dargestellt. Der Stellantrieb regelt beispielsweise die Position des Ventilkörpers 100 gegenüber einem Ventilsitz 101 eines hier nur schematisch dargestellten Dampfturbinenregelventils 102 in der Dampfzufuhr 103 einer Dampfturbine 104.
Der Stellantrieb weist einen Arbeitszylinder 1 mit einem Kolben 2 und einer daran angeschlossenen Kolbenstange 3 auf, wobei die Kolbenstange 3 den Aktuator für das Dampfturbinenregelventil 102 darstellt.
Der Kolben 2 ist durch eine Feder 4 im Sinne eines Schließens des Regelventils, hier Dampfturbinenregelventils 102 vorbelastet. In Richtung der Federkraft fährt die Kolbenstange 3 im gezeigten Ausführungsbeispiel aus dem Arbeitszylinder 2 aus, wobei in einem anderen Ausführungsbeispiel auch ein Einfahren der Kolbenstange 3 ein Schließen des Regelventils bewirken könnte und entsprechend der Kolben in die andere Richtung durch die Federkraft vorbelastet sein müsste. Selbstverständlich sind auch Anwendungsfälle denkbar, in dem die Feder ein Öffnen des Regelventils bewirkt.
Der Arbeitszylinder 1 weist einen ersten Druckraum 5 mit einem ersten Druckanschluss 6 auf. Durch Einbringen von druckbeaufschlagtem Arbeitsmedium in den ersten Druckraum 5 und Volumenvergrößerung des ersten Druckraumes 5 wird die Kolbenstange 3 in den Arbeitszylinder 1 entgegen der Kraft der Feder 4 eingefahren und der Ventilkörper 100 vom Ventilsitz 101 abgehoben, beziehungsweise im Allgemeinen das Regelventil geöffnet. Dabei wird ein zweiter Druckraum 7 auf der dem ersten Druckraum 5 abgewandten Seite des Kolbens 2 im Arbeitszylinder in seinem Volumen verkleinert und das Arbeitsmedium aus dem zweiten Druckraum 7 wird über den zweiten Druckanschluss 8 in die Tankleitung 9 des externen Arbeitsmediumkreislaufes 10 verdrängt. Die Tankleitung 9 ist beispielsweise im Wesentlichen drucklos und am Arbeitsmediumvorrat 1 1 angeschlossen, welcher das Differenzvolumen des Arbeitszylinders 1 zwischen ausgefahrener und eingefahrener Stellung der Kolbenstange 3 ausgleicht. Es kommen jedoch auch externe Arbeitsmediumkreisläufe 10 mit druckbeaufschlagter Tankleitung 9 in Betracht.
Im externen Arbeitsmediumkreislauf 10 ist eine mittels eines Motors 12 angetriebene Arbeitsmediumpumpe 13 vorgesehen, die eine Saugseite 14 und eine Druckseite 15 aufweist. An der Saugseite 14 ist die Tankleitung 9 angeschlossen, an der Druckseite 15 ist eine Druckleitung 16 angeschlossen.
Die Druckleitung 16 ist mit ihrem der Arbeitsmediumpumpe 13 abgewandten Ende am ersten Druckanschluss 6 des ersten Druckraumes 5 angeschlossen, sodass die Arbeitsmediumpumpe 13 Arbeitsmedium aus der Tankleitung 9 und/oder aus dem Arbeitsmediumvorrat 1 1 über die Druckleitung 16 in den ersten Druckraum 5 pumpen kann.
Die Arbeitsmediumpumpe 13 ist beispielsweise als Konstantpumpe ausgeführt, die hinsichtlich ihres Fördervolumens auf eine einzige Nenndrehzahl ausgelegt ist. Der Motor 12 ist beispielsweise als elektrischer Asynchronmotor ausgeführt.
In der Druckleitung 16 ist ein Rückschlagventil 17 vorgesehen, das in Richtung des ersten Druckanschlusses 6 öffnet und in Richtung der Arbeitsmediumpumpe 13 beziehungsweise der Druckseite 15 derselben sperrt. Wenn somit im druckbeaufschlagten Zustand des ersten Druckraumes 5 die Arbeitsmediumpumpe 13 ausgeschaltet wird, so wird das Arbeitsmedium bei geschlossenem Rückschlagventil 17 im ersten Druckraum 5 gehalten. Anstelle des Rückschlagventils 17 könnte ein Absperrventil vorgesehen sein, dass beispielsweise von extern, insbesondere zusammen mit dem nachfolgend noch beschriebenen Kurzschlussventil 19 angesteuert wird. Stromaufwärts des Rückschlagventils 17 zweigt von der Druckleitung 16 eine Kurzschlussleitung 18 ab, die in der Tankleitung 9 und damit auf der Saugseite 14 der Arbeitsmediumpumpe 13 mündet. In der Kurzschlussleitung 18 ist ein Kurzschlussventil 19 vorgesehen, das im stromlosen Zustand die Druckseite 15 der Arbeitsmediumpumpe 13 unter Umgehung des Arbeitszylinders 1 mit der Saugseite 14 beziehungsweise dem Arbeitsmediumvorrat 1 1 über die Kurzschlussleitung 18 verbindet. Im angesteuerten Zustand hingegen verhindert das Kurzschlussventil 19 eine Strömung von Arbeitsmedium von der Druckseite 15 über die Kurzschlussleitung 18 auf die Saugseite 14, sodass sich auf der Druckseite 15 in der Druckleitung 16 ein Druck aufbaut, der das Rückschlagventil 17 entgegen der Federkraft des Rückschlagventils 17 öffnet.
Solange die Kurzschlussleitung 18 zum Verbinden der Druckseite 15 mit der Saugseite 14 geöffnet ist, kann der Motor 12 ohne Lastmoment auf die Nenndrehzahl hochlaufen und die Arbeitsmediumpumpe 13 auf ihre Nenndrehzahl bringen. Nach Erreichen der Nenndrehzahl kann durch Betätigen des Kurzschlussventils 19 dann die Arbeitsmediumpumpe 13 Arbeitsmedium über das Rückschlagventil 17 in den ersten Druckraum 5 pumpen und die Kolbenstange 3 fährt, wie dargestellt, gegen die Kraft der Feder 4 in den Arbeitszylinder 1 ein. Durch die zeitliche Steuerung der Betätigung des Kurzschlussventils 19 kann die gewünschte Stellung des Kolbens 2 beziehungsweise der Kolbenstange 3 und damit des Ventilkörpers 100 relativ zum Ventilsitz 101 erreicht werden. Der Motor 12 kann danach mit geringem Energiebedarf weiterlaufen oder er kann ganz abgeschaltet werden. Soll die Kolbenstange 3 hingegen ausgefahren werden, so wird das Reversierventil 20 in der Reversierleitung 21 betätigt, welche stromabwärts des Rückschlagventils 17 von der Druckleitung 16 abzweigt und in der Tankleitung 9 einmündet, und die Federkraft der Feder 4 kann das Arbeitsmedium aus dem ersten Druckraum 5 über die Reversierleitung 21 in die Tankleitung 9 beziehungsweise den Arbeitsmediumvorrat 1 1 verdrängen. Mit der hier in der Reversierleitung 21 vorgesehenen einstellbaren Drossel 22 kann die Hubgeschwindigkeit des Arbeitszylinders 1 beim Ausfahren der Kolbenstange 3 eingestellt werden und gleichzeitig das Reversierventil 20 als ungeregeltes Auf- Zu-Ventil ausgeführt werden. Parallel zur Reversierleitung 21 zweigt von der Druckleitung 16 noch die Schnellschlussleitung 23 ab und mündet in der Tankleitung 9 ein. Durch Öffnen des Schnellschlussventils 24 kann das Dampfturbinenregelventil 102 schnell in die Fail-Safe-Stellung verbracht werden, wofür die Kolbenstange 3 aus dem Arbeitszylinder 1 ausgefahren wird. Auch hier kann die Hubgeschwindigkeit mittels einer in der Schnellschlussleitung 23 vorgesehenen Drossel 25 eingestellt werden und das Schnellschlussventil 24 kann als ungeregeltes Auf-Zu-Ventil ausgeführt sein.
Schließlich zweigt von der Druckleitung 16 stromaufwärts des Rückschlagventils 17 noch die Überdruckleitung 26 ab, in der das Überdruckventil 27, auch Druckbegrenzungsventil genannt, angeordnet ist. Die Überdruckleitung 26 mündet ebenfalls in der Tankleitung 9 ein. Das Überdruckventil 27 begrenzt den maximalen Druck in der Druckleitung 16.

Claims

Patentansprüche Stellantrieb für ein Regelventil, insbesondere Dampfturbinenregelventil (102)
mit einem Arbeitszylinder (1 ), der einen Kolben (2) und eine daran angeschlossene Kolbenstange (3) aufweist, die einen Aktuator für das Regelventil ausbildet, wobei der Kolben (2) einen ersten Druckraum (5) des Arbeitszylinders (1 ) begrenzt und der erste Druckraum (5) einen ersten Druckanschluss (6) zum Einleiten eines druckbeaufschlagten Arbeitsmediums aufweist, um den Kolben
(2) mit der Kolbenstange
(3) entgegen der Kraft einer dem Arbeitszylinder (1 ) zugeordneten Feder
(4) durch Druckbeaufschlagung zu verschieben;
mit einem externen Arbeitsmediumkreislauf (10), an welchem der Arbeitszylinder (1 ) angeschlossen ist, um das Arbeitsmedium wahlweise in den ersten Druckraum (5) einzuleiten oder aus diesem auszuleiten; wobei der externe Arbeitsmediumkreislauf (10) eine über einen Motor (12) angetriebene Arbeitsmediumpumpe (13) aufweist; und
die Arbeitsmediumpumpe (13) mit einer an einer Druckseite (15) der Arbeitsmediumpumpe (13) angeschlossenen Druckleitung (16) an dem ersten Druckanschluss (6) des ersten Druckraumes (5) angeschlossen ist, wobei in der Druckleitung (16) ein in Richtung des ersten Druckanschlusses (6) öffnendes Rückschlagventil (17) oder Absperrventil vorgesehen ist;
dadurch gekennzeichnet, dass
von der Druckleitung (16) in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vor dem Rückschlagventil (17) oder Absperrventil eine Kurzschlussleitung (18) abzweigt, welche die Druckleitung (16) unter Umgehung des Arbeitszylinders (1 ) mit einer Saugseite (14) der Arbeitsmediumpumpe (13) verbindet, und in der Kurzschlussleitung (18) ein Kurzschlussventil (19) angeordnet ist, mittels welchem die Kurzschlussleitung (18) wahlweise gegen Durchströmung des Arbeitsmediums zur Saugseite (14) absperrbar ist. Stellantrieb gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzschlussventil (19) als ungeregeltes Auf-Zu-Ventil ausgeführt ist, das ausschließlich zwei Schaltstellungen aufweist, nämlich eine erste Schaltstellung, in welcher es einen Strömungsquerschnitt der Kurzschlussleitung (18) gegen Durchströmung mit Arbeitsmedium zur Saugseite (14) versperrt, und eine zweite Schaltstellung, in welcher es den Strömungsquerschnitt der Kurzschlussleitung (18) freigibt.
Stellantrieb gemäß einem der Ansprühe 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitszylinder (1 ) einen zweiten Druckraum (7) mit einem zweiten Druckanschluss (8) aufweist, wobei der Kolben (2) den ersten Druckraum
(5) vom zweiten Druckraum (7) abtrennt, und im externen Arbeitsmediumkreislauf (10) eine Reversierleitung (21 ) vorgesehen ist, über welche der erste Druckanschluss (6) mit dem zweiten Druckanschluss (8) arbeitsmediumleitend verbunden ist, und in welcher ein Reversierventil (20) vorgesehen ist, mittels welchem die Reversierleitung (21 ) wahlweise absperrbar ist.
Stellantrieb gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Reversierventil (20) als ungeregeltes Auf-Zu-Ventil ausgeführt ist, das ausschließlich zwei Schaltstellungen aufweist, nämlich eine erste Schaltstellung, in welcher es einen Strömungsquerschnitt der Reversierleitung (21 ) versperrt, und eine zweite Schaltstellung, in welcher es den Strömungsquerschnitt der Reversierleitung (21 ) freigibt.
Stellantrieb gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reversierleitung (21 ) eine Drossel (22), insbesondere variabel einstellbare Drossel (22) vorgesehen ist.
6. Stellantrieb gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Reversierleitung (21 ) im externen Arbeitsmediumkreislauf (10) eine Schnellschlussleitung (23) mit einem Schnellschlussventil (24) vorgesehen ist, über welche der erste Druckanschluss (6) arbeitsmediumleitend mit dem zweiten Druckanschluss (8) verbindbar ist, wobei das Schnellschlussventil (24) insbesondere als ungeregeltes Auf-ZuVentil ausgeführt ist, das ausschließlich zwei Schaltstellungen aufweist, nämlich eine erste Schaltstellung, in welcher es einen Strömungsquerschnitt der Schnellschlussleitung (23) versperrt, und eine zweite Schaltstellung, in welcher es den Strömungsquerschnitt der Schnellschlussleitung (23) freigibt.
7. Stellantrieb gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zweiten Druckanschluss (8) eine Tankleitung (9) angeschlossen ist, die arbeitsmediumleitend mit der Saugseite (14) der Arbeitsmediumpumpe (13) verbunden ist, insbesondere frei von einem zwischengeschalteten Ventil oder Drosseleinrichtung, und die Reversierleitung (21 ) in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hinter dem Rückschlagventil (17) oder Absperrventil von der Druckleitung (16) abzweigt und in der Tankleitung (9) einmündet.
8. Stellantrieb gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vor dem Rückschlagventil (17) oder Absperrventil eine Überdruckleitung (26) mit einem Überdruckventil (27) von der Druckleitung (16) abzweigt und in der Tankleitung (9) mündet, wobei das Überdruckventil (27) insbesondere als ungeregeltes Auf-ZuVentil ausgeführt ist, das ausschließlich zwei Schaltstellungen aufweist, nämlich eine erste Schaltstellung, in welcher es einen Strömungsquerschnitt der Überdruckleitung (26) versperrt, und eine zweite Schaltstellung, in welcher es den Strömungsquerschnitt der Überdruckleitung (26) freigibt.
9. Stellantrieb gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (12) als elektrischer Asynchronmotor ausgeführt ist.
10. Verfahren zum Betreiben eines Stellantriebs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verschieben des Kolbens (2) mit der Kolbenstange (3), um das Regelventil zu betätigen, zunächst die Arbeitsmediumpumpe (13) bei geöffnetem Kurzschlussventil (19) und geschlossenem Rückschlagventil (17) oder Absperrventil mit dem Motor (12) drucklos auf Nenndrehzahl hochgefahren wird und anschließend das Kurzschlussventil (19) gegen Durchströmung mit Arbeitsmedium zur Saugseite (14) geschlossen wird und Arbeitsmedium mit der Arbeitsmediumpumpe (13) über das geöffnete Rückschlagventil (17) oder Absperrventil in den ersten Druckraum (5) gepumpt wird, um die Kolbenstange (3) entgegen der Kraft der Feder (4) zu verschieben.
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