DE2200887A1 - Elektrisches regelsystem fuer dampfoder gasturbinen - Google Patents

Description

YEB Bergmann-Borsig /
Görlitzer Maschinenbau

Λ 106 Berlin-wilhelmsruh
Kurze Straße

Elektrisches Regelsystem für Dampfoder Gasturbinen

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Regelsystem für Dampf- oder Gasturbinen·

Die bisher für die Regelung von Dampf- oder Gasturbinen verwendeten Systeme weisen zur Betätigung der den Zu- oder Abfluß des Arbeitsmediums steuernden Regelventile Stellmotoren auf, bei denen als Hilfsenergie eine Flüssigkeit hohen Druokes benutzt wird·

Das gilt auch für sogenannte elektr o-hydraul is ohe Regelsysteme, bei denen die Regelung aus elektrischen oder elektronischen Baugruppen besteht, die Regelventile jedoch hydraulisch betätigt werden· Hierbei hat jedes einzelne Regelventil die Aufgabe, in seinem Arbeitsbereich die volle Regelgüte zu gewährleisten· So sind bei mehreren Regelventilen für einen gegebenen Lastpunkt gewöhnlich einige Ventile voll geöffnet, nehmen also nicht am Regelprozeß teil; ein Ventil ist teilweise geöffnet und überträgt duroh die Steuerung seines Teilstromes allein die Regel-

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ORiGtNAL INJECTED

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signale auf den Dampf strom der Turbine· Weitere Ventile sind geschlossen· Je nach Belastung der Anlage wird in einer vorgegebenen Reihenfolge jeweils dem einen oder dem anderen Ventil die Steuerung des Durchflusses übertragen.

Die Notwendigkeit der Verwendung hydraulischer Stellglieder ist darin begründet, daß saa. den meist mehrfach vorhandenen Regelventilen einerseits sehr große Kräfte wirken, andererseits gleichzeitig außerordentlich hohe Stellgeschwindigkeiten zur Gewährleistung der Regelgüte erforderlich sind· Diese Forderungen können bisher von üblichen elektrischen Antrieben für Ventile nicht gleichzeitig erfüllt werden, so daß nicht die Möglichkeit bestand, rein elektrische Regelungen für Dampf- und Gasturbinen auszuführen· Die bisherigen Anlagen besitzen somit stets eine komplizierte hydraulische Versorgung mit Hoohdruckflüssigkeit, die bei Verwendung von öl auch mit erhöhter Brandgefahr verbunden ist.

Die Erfindung hat den Zweck, die genannten Schwierigkeiten zu beseitigen·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Regelsystem für Dampf- oder Gasturbinen zu schaffen, bei dem unter Gewährleistung einer ausreichend hohen Regelgeschwindigkeit die Regelventile ausschließlich elektrisch betätigt werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das elektrische Regelsystem unterteilt wird in Ventile zur Einstellung des Hauptanteils des Arbeitsmittelstromes nachstehend Sollwert ventile genannt — und in ein für alle Sollwert ventile gemeinsames Ventil zur Ausregelung momentaner Störungen - nachstehend Störwert ventil genannt -, von denen die Sollwertventile mit je einem relativ langsam arbeitenden elektrischen Antrieb versehen sind und das Störwertventil mittels eines schnellen elektrischen Antriebes das Arbeitsmedium um den jeweils vorgegebenen

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Sollwert in bestimmten Grenzen und mit einem wesentlich kleineren Strom als die Sollwert ventile steuert» Um im Pail eines Vollastabwurfes den Regelventilen eine maximal hohe Schließgesohwindigkeit zu geben, ist jedes Ventil neben seinem elektrischen Antrieb mit einer an sich bekannten elektromagnetischen oder elektrisch auslösbaren mechanischen Kupplung verbunden, die bei ihrer Auslösung die in Offenstellung befindlichen unter Federdruck stehenden Ventile schnell schließen läßt.

Während bisher jedes Einzelventil in festgelegter Öffnungs,-folge in dem ihm zugeordneten Lastbereich allein die Signale der Regelung auf den Dampfstrom der lurbine übertragen hat, erfolgt nach dem Regelsystem gemäß, der Erfindung die Ausregelung von kleinen, durch äußere Störungen verursachten Abweichungen vom vorgegebenen Sollwert stets nur über ein gesondertes Störwertventil. Da diese momentanen äußeren Störungen nur kleine Abweichungen von wenigen Prozent des Maximalwertes verursachen, brauoht dieses Störwertventil nur eine geringe Menge des Arbeitsmediums zu steuern, es muß dies jedoch mit der erforderlichen hohen Geschwindigkeit tun·

Das St örwert ventil benötigt infolge seiner kleinen Abmessungen nur noch geringe Kräfte, so daß hohe Stellgeschwindigkeiten mit einem elektrischen Antrieb, z· B. mit einem elektromechanischen Antrieb (Motorgetriebe) oder einem elektromagnetischen Antrieb - wie Steuerspule - bei gleichzeitiger Einhaltung der erforderliohen Regelgüte erreichbar sind.

Die Grundleistung des vorgegebenen Sollwertes der Maschinenbelastung wird wie bisher von den übrigen Ventilen großer Abmessungen übernommen, die dazu jedoch nur relativ geringe Stellgeschwindigkeiten aufzuweisen brauchen und daher mit einem rein elektrischen Antrieb versehen sein können.

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Die relativ geringe Stellgeschwindigkeit der großen Sollwertventile bedeutet keinen Nachteil, da sie noch innerhalb der zulässigen Laständerungsgeschwindigkeit der Turbine liegt, so daß di-e Üblichen Belastungs— und Entlastungsvorgänge während des Betriebes unverändert gewährleistet bleiben«

Bei dem Regelungssystem gemäß der Erfindung wird also der vorgegebene Sollwert des Durchsatzes durch den gemeinsamen Durchsatz der Sollwertventile und den Solldurchsatz des Störwertventils erzielt. Dieser Solldurchsatz des Störwertventils wird zweckmäßig so gewählt, daß.er dem halben Maximaldurohsatz des St ör wert vent ils entspricht, sofern die konkreten Regelanforderungen an die Maschine keine andere Aufteilung als zweckmäßig erscheinen lassen.

Die dem Störwertventil zugeführten Regelsignale werden durch das Regelsystem über zwei getrennte Kanäle bereitgestellt,

Der erste Kanal ist nur für sich langsam ändernde Signale bestimmt und übermittelt das verarbeitete SollwertSignal für die Stellung des oder der Sollwertventile» Eine Folgesteuerung in bezug auf die Stellung der Sollwertventile gewährleistet bei beliebigen Belastungen der Maschine im gesamten Sollwertbereich die vorgenannte Mittelstellung des Störwertventils·

Der zweite Kanal übermittelt nur sich schnell ändernde, durch äußere Störungen hervorgerufene Regelsignale und gewährleistet damit über das Stör wert ventil die Momentanregelung der Maschine nach beiden Seiten des vorgegebenen Sollwertes im Bereich des Durchsatzes des Störwertventils·

Gremäß einem weiteren Merkmal der Erfindung empfiehlt es sioh, für die Momentanregelung der Masohine nach beiden Seiten des vorgegebenen Sollwertes im Bereich des Durchsatzes des Störwertventils und zur Rückführung desselben

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in den Ausgangszustand naoh Verschwinden der Störung das Ausgangs signal des Reglers durch ein Verzögerungsglied verzögert auf die Steuerung des oder der Sollwertventile zu geben, so daß diese bei kurzzeitigen kleinen Störungen nicht am Regelprozeß teilnehmen»

Dieses verzögerte Signal wird vom Ausgangssignal des Reglers subtrahiert und bildet auf diese Weise das Differenzsignal für die Steuerung des Störwertventils, das dieses bei Vollendung der Regeleinstellung des Sollwertventils in seine Ausgangsstellung bewegt, d.h., das Störwert ventil gelangt so in die Mittelstellung»

Ist mit Störungen zu rechnen, die zu einem Überschreiten des Sig— naleingangsbereiohes des Störwertventils führen können, so ist es zur Verbesserung des Regelprozesses zweckmäßig, einen Schwellwertschalter vorzusehen, der bei Überschreiten des vorstehend genannten Bereiches das volle Signal unverzögert auch auf die Steuerung des Sollwertventils gibt»

Wie bereits vorstehend gesagt wurde, nimmt das Störwert ventil im statischen Zustand eine Mittelstellung ein, wodurch die durch das St or wert ventil strömende Dampfmenge etwas gedrosselt wird, was einen Leistungsverlust zur Folge hat» Außerdem ist bei gegebenen Kräftegrenzen — und damit Durohsatzgrenzen — des Störwert— ventils sein Regelbereich nach beiden Seiten des Sollwertes nur halb so groß wie seine maximale Durohflußmenge»

Um diesen Leistungsverlust zu vermeiden und bei gegebenen Kräftegrenzen des Ventilantriebs die Grenzen der Ausregelung von Störungen zu verdoppeln, wird erfindungsgemäß weiterhin vorgeschlagen, an Stelle eines Störwertventiles zwei je auf eine gesonderte Düsengruppe arbeitende Störwertventile zu verwenden, von denen im statischen Zustand das eine geschlossen und das andere voll geöffnet ist· Zu bewirkende Momentanabweichungen des Meng en ströme s von "bisherigen Sollwert werden in Richtung einer Vergrößerung vom erstgenannten Störwertventil und in Richtung einer Verringerung vom zweiten Störwertventil geregelt, wobei jeweils das andere nichtregelnde Störwertventil seine geöffnete bzw. geschlossene Stellung beibehält*

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Auch bei der Verwendung von zwei Störwertventilen wird das vorgenannte, durch Verwendung des Verzögerungsgliedes erhaltene Differenzsignal für die Steuerung beider Störwertventile benutzt, so daß bei Vollendung der Hegeleinstellung des oder der Sollwertventile das jeweils regelnde Störwertventil in seine geschlossene bzw* voll geöffnete Stellung zurliokgeiührt wird.

Perner wird auoh bei der Verwendung von zwei Störwertven— tllen der Schwellwertschalter benutzt»

In der Zeiohnung sind zur näheren Erläuterung der Erfindung zwei Diagramme und ein Beispiel für die Schaltung einer Regelung dargestellt»

Es zeigen:

Pig» 1: ein Regeldiagramm einer Turbine mit mehreren Sollwert vent ilen

Mg» 2: den Regelprozeß einer Turbine

Pig, 3: die Prinzipsohaltung einer Regelung mit zwei Störwertventilen»

Bei dem Diagramm nach Pig» 1 sind auf der Abszisse χ die Regelimpulse und auf der Ordinate y die Hübe der Sollwertventile I, H, III bzw» die Leistungen oder Durchsätze der Maschine aufgetragen» Auf der Diagrammlinie a befindet sich bei b ein Sollwert der Öffnung des Sollwertventils II» Dieser Sollwert entspricht dem geschlossenen Zustand des Störwertventilsβ Störungen (Momentanabweichungen) bis zur

y werden duroh das Störwertventil ausgeregelt· stellt dabei den Maximaldurohsatz des Störwertventils dar. Der Diagrammpunkt e ist der Maschinensoll wert, der duroh entsprechende Einstellung des Hubes d des Störwertventils erreicht wird»

Im Diagramm nach Pig» 2 sind auf der Abszisse χ die Zeit und auf der Ordinate y die Ventilhübe aufgetragen»

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Es stellen dar:

Kurve A die Bewegung des regelnden Ventils einer Regelung ttblioher Bauart;

Kurve B die Bewegung des Sollwert vent ils eines Regelungssystems gemäß der Erfindung;

Kurve C den Sollwert des St Or wert vent ils; Abstand D den momentanen Hub des Störwertventils.

Wenn zum Zeitpunkt t^ eine Verringerung des Sollwertes der Maschinenleistung beginnt, dann erfolgt eine langsame Verringerung des Hubes der Sollwertventile (Kurve B), dem parallel der Sollwert des Störwert vent ils folgt. (Kurve C)· Diesem Sollwert sind die vom Störwert ventil auszuregelnden Momentanabweichungen überlagert (Abstand D)·

Die maximale Geschwindigkeit der Ventile wird bei einem Vollastabwurf gefordert» Um diesen Betriebszustand abzusichern, werden die Spindeln der Sollwertventile und des Störventils mit ihrem Antrieb durch eine elektromagnetische Kupplung oder durch eine elektrisch auslösbare mechanische Kupplung verbunden, die auf ein entsprechendes Signal hin die Verbindung trennt und das jeweilige Ventil durch Federkraft mit hoher Geschwindigkeit schließen läßt» Der elektrische Antrieb läuft dann dem Ventil nach und bringt es naoh automatischer Wiedereinkupplung in die Stellung, die durch das Regelsystem nach dem Lastabwurf vorgegeben ist«

Bei der in Figur 3 dargestellten Schaltung, die z.B. zum Konstanthalten der Drehzahl einer Dampfturbine benutzt werden kann, 1st ein Störwert vent 11 1 (nachstehend Störwert Öffnungsventil genannt) und ein Störwertventil 2 (nachstehend mit Störwertschließventil bezeichnet) vorgesehen. Im Beharrungszustand, Störwert^χ « O, halten der Stellmotor 3 das StörwertÖffnungsventil 1 geschlossen, der Stellmotor 4 das'Störwertschließventil 2 voll geöffnet und der Stellmotor 5 das Sollwertvent11 6 in der zum Sollwert χ und zum Istwert der Regelgröße gehörenden Stellung·

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Bei Eintreten einer negativen Störung^ χ <Ό löst ein vom Regler 7, z· B, Drehzahlregler, gegebenes Signal unverzüglich über den Steuerverstärker 8 eine Betätigung des Stellmotors und damit einen entsprechenden schnellen Hub des Störwertöffnungsventiles 1 aus.

Das vom Hegler 7 gegebene Signal bewirkt weiterhin, allerdings verzögert durch das Verzögerungsglied 9, über den Steuerverstärker 10 durch Einschalten des Stellmotors 5 einen Öffnungshub des sich wesentlich langsamer als das StörwertÖffnungsventil 1 bewegenden Sollwertventiles 6. Gleichzeitig erfolgt durch dieses Signal eine rUckfUhrende Beeinflussung des am Steuerverstärker 8 anstehenden Signals, Hierdurch wird das St örwert Öffnungsventil 1 langsam wieder völlig geschlossen und parallel laufend das Sollwertventil 6 so weit geöffnet, bis es die durch die Störung zunächst beim St örwert öffnung svent il 1 hervorgerufene Durchflußänderung übernommen hat.

Tritt ein Störwert^ χ auf, der größer ist als der durch das Störwertöffnungsventil 1 regelbare Bereich, so wird über den Schwellwertschalter 11 sofort der Verstärker 10 des Sο11wertventils 6 mit dem unverzögerten Signal angesteuert.

Tritt dagegen eine positive Störung ein,Z^ x^>0, so erfolgt ein analoger Funktionsablauf mit entgegengesetzten Hubbewegungen unter Einbeziehung des Störwertschiießventiles 2 mit Stellmotor 4 und Verstärker 12 an Stelle des Störwertöffnungsven tiles 1 mit Stellmotor 2 und Verstärker 8.

Mir den Pail eines Vollastabwurfes, z. B. einer Dampfturbine, bzw» bei Ausfall der Stromversorgung für das oder die Störwertventile erfolgt die Absperrung der Dampfzuführung durch Ausklinken der elektrischen Kupplungen 13 und Schließen der Ventile durch Feder druck. Die Vent i !antriebe laufen dann

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den Ventilen nach, um sich automatisch wieder anzukuppeln und sich auf die durch das Regelsystem nach dem Lastabwurf vorgegebene Stellung einzuregeln.

Bei Verwendung nur eines Störwertventil©s ist die dargestellte Schaltung entsprechend afoguänd@rn₉ Bs entfallen das St or wert ventil 2, der Stellmotor 4 und der Verstärker 12c

Die dargestellte und erläuterte Schaltung hat den Vorzug, daß für die einzelnen Schaltungselement© vorwiegend Stas«- dardbaugruppen der Regelungs- und Automat!sierungst@chnik verwendet werden können.

Die Erfindung ist nicht an dia vorstehend erläuterte Schaltung gebunden, so kann z» B₀ zur Bereitstellung d@r St©uär— signale für die Verstärker des oder der St örw art ventil© und des oder der Sollwertventile an Stell© dos Verzögerungsgliedes und des Schw@llw@rtschalt©rs ©ine Kombination anderer elektrischer Baugruppen verwendet w@rd©n_s di© an ihrem Ausgang eine Trennung d@s statischen und des dynamisch©*! Regel signals gewährleistato

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Claims (1)

1. Pat entansprttohe

   vTT^Elektrisohes Regelsystem für Dampf- oder Gasturbinen, ^-^ gekennzeichnet duroh ein oder mehrere die Grund einst ellung von Regelungspunkten bewirkende, je einen relativ langsamen elektrischen Antrieb aufweisende Soll wert ventile und ein für alle Sollwert ventile gemeinsames, das Arbeitsmedium um den jeweils vorgegebenen Sollwert in bestimmten Grenzen und mit einem wesentlich kleineren Strom als die SoIlwertventlle steuerndes, mit einem schnellen elektrischen Antrieb versehenes Störwertventil und durch eine jedes Ventil mit seinem elektrischen Antrieb verbindende an sich bekannte elektromagnetisch oder elektrisch auslösbare mechanische Kupplung, die bei ihrer Auslösung die in Offenstellung befindlichenj unter Pederdruok stehenden Ventile schnell schließen läßt.

   2« Elektrisches Regelsystem nach Anspruch.1, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle ein.es Störwertventiles zwei je auf eine gesonderte Düsengruppe arbeitende Störwertventile (1 j 2) Verwendung finden, von denen im statischen Zustand das eine geschlossen und das andere voll geöffnet ist und zu bewirkende Momentanabweiohungen des Mengenstromes vom bisherigen Sollwert in Richtung einer Vergrößerung vom erstgenannten Störwertventil (1) und in Riohtung einer Verringerung vom zweiten Störwert vent Il (2) geregelt wer-» den, wobei jeweils das andere niohtregelnde Störwertventil seine geöffnete bzw» geschlossene Stellung beibehält.

   3· Elektrisches Regelsystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet duroh ein das oder die Störwertventile rückführendes und das oder die Sollwertventile (6) steuerndes Verzögerungsglied (9)·

   4» Elektrisches Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet duroh einen Schwellwertschalter (11), der bei großen über den Regelbereich des oder der Störwertventile (1; 2) hinausgehenden Störungen das oder die Sollwertventile (6) steuert·

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