DE4330038A1

DE4330038A1 - Hydraulische Sicherheitsschaltung

Info

Publication number: DE4330038A1
Application number: DE4330038A
Authority: DE
Inventors: Petar Hrelic
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd
Priority date: 1993-09-06
Filing date: 1993-09-06
Publication date: 1995-03-09
Also published as: JP3592377B2; DE59402992D1; EP0641919A1; EP0641919B1; JPH0797902A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Ma schinenbaus und der Anlagentechnik. Sie betrifft eine hydrau lische Sicherheitsschaltung für eine hydraulisch gesteuerte und/oder geregelte Maschine oder Anlage, insbesondere zum Zwecke der Schnellabschaltung einer Gas- oder Dampfturbine, bei welcher Sicherheitsschaltung mehrere mittels einer Ma gnetspule elektrisch betätigbare und im erregten Zustand der Magnetspule geschlossene Hydraulikventile zwischen einer zur Steuerung bzw. Regelung führenden Druckleitung und einer Druckentlastungsleitung derart angeordnet sind, daß einer seits beim planmäßigen Abfall eines oder mehrerer Ventile eine durchgehende Verbindung zwischen der Druckleitung und der Druckentlastungsleitung hergestellt und andererseits beim Ausfall eines Teils der Ventile die Funktion von den übrigen Ventilen übernommen werden kann.

Eine solche Sicherheitsschaltung ist z. B. aus der Deutschen Patentschrift DE-C2 30 40 367 in Form eines sogenannten 2- von-3-Systems bekannt.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Sicherheitsschaltung.

Stand der Technik

Für Maschinen oder Anlagen, die hydraulisch mittels Servomo toren oder dgl. gesteuert und/oder geregelt werden, sind seit langem Sicherheitsschaltungen bekannt, die im Falle einer Be triebsstörung für einen sofortigen Druckablaß im Hydrau liksystem sorgen. Derartige Sicherheitsschaltungen finden insbesondere Verwendung bei Gas- oder Dampfturbinen, bei de nen im Falle einer Schnellabschaltung (sog. "trip"-Fall) die Brennstoff- bzw. Dampfzufuhr sofort mittels hydraulisch ar beitender Stellglieder unterbrochen werden soll.

Die bekannten Sicherheitsschaltungen enthalten üblicherweise mehrere Hydraulikventile, die an die Druckleitung des Hydrau liksystems angeschlossen sind. Die Hydraulikventile sind meist als über eine Magnetspule elektrisch betätigbare Ven tile ausgebildet, die nach dem Ruhestromprinzip arbeiten, d. h. im erregten Zustand der Magnetspule geschlossen sind. Beim Ansprechen der Sicherheitsschaltung fällt die Spannung an den Magnetspulen ab, die Hydraulikventile öffnen und stel len eine durchgehende Verbindung von der Druckleitung zu ei ner Druckentlastungsleitung her, über die das hydraulische Medium solange in einen Tank oder dgl. abfließen kann, bis sich der Druck im Hydrauliksystem abgebaut hat.

Obgleich grundsätzlich ein einzelnes Hydraulikventil für die beschriebene Druckentlastung ausreichen würde, sind aus Grün den der Redundanz üblicherweise mehrere Ventile vorgesehen, die ein Funktionieren der Schaltung auch dann sicherstellen sollen, wenn eines der Ventile ausfällt. So werden in der EP- B1 0 020 892 für eine Sicherheitsschaltung zu einem doppelt wirkenden Servomotor drei parallelgeschaltete Hydraulikventi le vorgeschlagen, die jeweils für sich genommen die Druckent lastung bewirken können (1-aus-3-System). Die drei Ventile sind zusätzlich noch durch eine Querleitung untereinander verbunden, so daß, wenn beim Eintreffen eines Sicherheitssi gnals eines der Ventile öffnet, die anderen zwei gleichfalls öffnen, auch wenn sie selbst auf das Signal nicht ansprechen. Problematisch ist diese Lösung, weil bei einem fehlerhaften Abfallen bereits eines der Ventile die gesamte Sicherheits schaltung außer Betrieb gesetzt ist. Darüber hinaus ist es nicht möglich, einzelne Ventile während des Betriebes auf ih re Funktionstüchtigkeit hin zu testen.

In der eingangs genannten Druckschrift wird demgegenüber ein mit drei Ventilen arbeitendes 2-aus-3-System vorgeschlagen. Hierbei sind die drei Ventile durch spezielle Stellmechanis men so untereinander verschaltet, daß eine Druckentlastung nur stattfindet, wenn wenigstens 2 der 3 Ventile auf das Si cherheitssignal ansprechen und abfallen. Diese Schaltung hat den Vorteil, daß der fehlerhafte Abfall eines Ventils die Entlastung noch nicht auslösen kann, und daß beim Ausfall eines der Ventile weiterhin die Schaltung funktionstüchtig bleibt. Nachteilig ist hier allerdings, daß sich nach dem Ausfall eines Ventils die Zuverlässigkeit drastisch ändert: Während ohne vorherigen Ausfall nur 2 von 3 Ventilen korrekt funktionieren müssen (2-aus-3), müssen nach einem Ausfall die verbleibenden 2 Ventile unbedingt funktionieren (2-aus-2), damit die Sicherheitsschaltung ihre Aufgabe erfüllen kann. Darüber hinaus ist für die Verschaltung der Ventile unterein ander eine relativ komplizierte hydraulische Schaltung not wendig, die ein zusätzliches Sicherheitsrisiko darstellt, insbesondere, wenn anstelle von Stellventilen mit Ventilsit zen mit Leckagen behaftete Schieber eingesetzt werden.

Darstellung der Erfindung

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine hydraulische Sicher heitsschaltung zu schaffen, die auch nach Ausfall eines Ven tils eine gleichbleibende Zuverlässigkeit aufweist, sowie ein Verfahren zu deren Betrieb anzugeben.

Die Aufgabe wird bei einer Sicherheitsschaltung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß wenigstens vier Hydraulik ventile vorhanden sind, von denen jeweils zwei in einem Ven til-Paar parallelgeschaltet sind, und daß die parallelge schalteten Ventil-Paare zwischen der Druckleitung und der Druckentlastungsleitung in Serie geschaltet sind.

Der Kern der Erfindung besteht darin, hintereinandergeschal tet zwei gleichartige Teilsysteme mit einem parallelen Ven til-Paar vorzusehen, von denen eines in der Sicherheitsschal tung als 1-aus-2-System aktiv ist und das andere als Reserve- Paar dienen kann. Beim Ausfall eines Ventils in dem aktiven Paar kann auf das Reserve-Paar umgeschaltet werden, so daß wegen der identischen Konfiguration der Paare wieder dieselbe Zuverlässigkeit (1-aus-2) erreicht wird.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die Hy draulikventile jeweils mit nur einem Durchgangskanal ausge stattet und als Stellventile mit einem Ventilsitz ausgebildet sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der Sicherheits schaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß im normalen Be triebszustand die Hydraulikventile eines ersten Ventil-Paares durch Erregung der entsprechenden Magnetspulen geschlossen gehalten werden, während die Hydraulikventile des zweiten Ventil-Paares offen sind, und daß zum Herstellen einer durchgehenden Verbindung zwischen der Druckleitung und der Druckentlastungsleitung im Abschaltfall wenigstens eines der beiden Hydraulikventile des ersten Ventil-Paares geöffnet wird.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß bei einem Ausfall eines der Hydraulikventile des ersten Ventil-Paares die bei den Hydraulikventile des zweiten Ventil-Paares geschlossen werden, daß das andere Hydraulikventil des ersten Ventil- Paares geöffnet wird, und daß im Abschaltfall zum Herstellen einer durchgehenden Verbindung zwischen der Druckleitung und der Druckentlastungsleitung wenigstens eines der beiden Hy draulikventile des zweiten Ventil-Paares geöffnet wird.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen An sprüchen.

Kurze Erläuterung der Figuren

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine bekannte 2-aus-3-Sicherheitsschaltung;

Fig. 2 ein als Schieber ausgebildetes, elektrisch betätigtes Hydraulikventil, wie es in der Schaltung nach Fig. 1 bevorzugt eingesetzt wird, in der geschlossenen (a) und in der geöffneten (b) Stellung; und

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für eine Sicherheitsschaltung nach der Erfindung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In den Fig. 1 und 2 ist eine bekannte Art einer hydraulischen Sicherheitsschaltung 1 nach dem 2-aus-3-System dargestellt. Eine Druckleitung 8, die über einen Zugang 6 mit einem unter Druck stehenden Hydraulikmedium, z. B. Öl, beaufschlagt wird, führt über einen Abgang 7 zu einem Servomotor oder einem ver gleichbaren hydraulisch betätigten Stellglied, welches in ei nem Störungsfall die betroffenen Maschine oder Anlage ab schaltet. Neben der Druckleitung 8 verläuft eine Druckentla stungsleitung 17, über die der in der Druckleitung 8 vorhan dene Druck abgebaut werden kann, wenn eine durchgehende Ver bindung zwischen beiden Leitungen geschaltet wird. Die Druckentlastungsleitung 17 kann beispielsweise in einem Tank 14 für das Hydraulikmedium enden.

Die Sicherheitsschaltung 1 selbst umfaßt drei Hydraulikven tile 2a-c, deren beispielhafter innerer Aufbau aus der Fig. 2 ersichtlich ist. Jedes der Hydraulikventile 2 bzw. 2a-c weist zur Betätigung eine Magnetspule 3 bzw. 3a-c auf, die bei Er regung das Ventil gegen den Druck einer Feder 5 bzw. 5a-c schließt. Fällt die Spannung an der Magnetspule 3, 3a-c bei Eintreffen eines Sicherheitssignals ab, öffnet das jeweilige Ventil durch den Druck der Feder 5, 5a-c. Die Stellung des Ventils kann mittels eines eingebauten Grenzwertgebers (10 in Fig. 2) überwacht werden, der die Information über geeignete Signalwandler 4a-c an die (nicht dargestellte) Steuerung ab gibt.

Jedes der Hydraulikventile 2a-c hat zwei Durchgangskanäle, die mit den Anschlüssen P und A bzw. T und B bezeichnet sind (P deutet auf den Druckeingang, T auf den Tankausgang hin). Die Ventile sind zyklisch so verschaltet, daß jeder Ausgang A mit dem Eingang B des nächsten Ventils verbunden ist. Alle Eingänge P sind mit der Druckleitung 8 und alle Ausgänge T mit der Druckentlastungsleitung 17 verbunden. Auf diese Weise ist eine durchgehende Verbindung zwischen der Druckleitung 8 und der Druckentlastungsleitung 17 nur möglich, wenn wenig stens zwei Ventile öffnen, d. h. abfallen. Der beispielhafte innere Aufbau eines der Hydraulikventile 2a-c ist in Fig. 2 wiedergegeben. Das Hydraulikventil 2 ist dabei in Fig. 2a in der geschlossenen, in Fig. 2b dagegen in der geöffneten Stel lung gezeigt. Die Verbindung der Anschlüsse P und A bzw. B und T erfolgt über einen in einem Ventilgehäuse 9 unterge brachten Schieber 12, der von der Magnetspule 3 über einen Kolben 11 bewegt wird.

Wie bereits eingangs erwähnt worden ist, hat eine solche 2- aus-3-Sicherheitsschaltung den Nachteil, daß beim Ausfall eines Ventils die Zuverlässigkeit erheblich reduziert ist, weil dann die beiden übrigen Ventile sicher arbeiten müssen und eine Redundanz nicht mehr vorhanden ist. Weiterhin erfor dert die zyklische Verschaltung der Ventile einen erheblichen Aufwand. Werden darüber hinaus auch noch Ventile mit Schie bern eingesetzt, ergeben sich zusätzliche unerwünschte Dich tigkeitsprobleme.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der er findungsgemäßen Sicherheitsschaltung treten derartige Pro bleme nicht auf. Bei dieser Schaltung sind wenigstens vier Hydraulikventile 15a,b und 16a,b vorhanden, von denen jeweils zwei, nämlich 15a,b bzw. 16a,b in einem Ventil-Paar mittels einer Verbindungsleitung 13 parallelgeschaltet sind. Die pa rallelgeschalteten Ventil-Paare 15a,b und 16a,b ihrerseits sind zwischen der Druckleitung 8 und der Druckentlastungslei tung 17 in Serie geschaltet. Jedes der Hydraulikventile 15a- 16b weist nur einen Durchgangskanal 22a-23b auf, der durch Erregung einer Magnetspule 18a-19b gegen eine Feder geöffnet werden kann. Die Hydraulikventile 15a-16b sind aus Gründen der Dichtigkeit vorzugsweise als Stellventile mit einem Ven tilsitz ausgebildet, was wegen des einen Durchgangskanals be sonders einfach ist. Die Stellung der Hydraulikventile 15a,b des oberen Ventil-Paares wird über Signalwandler 20a,b als Information an eine Überwachungsschaltung 24 abgegeben, die ihrerseits mit einer Ansteuerschaltung 25 für die Magnetspu len 18a-19b verbunden ist.

Der Betrieb der in Fig. 3 gezeigten Schaltung läuft wie folgt ab: Im normalen Betriebszustand werden die Hydraulikventile 15a,b des oberen (ersten) Ventil-Paares durch Erregung der entsprechenden Magnetspulen 18a,b geschlossen gehalten. Die Hydraulikventile 16a,b des unteren (zweiten) Ventil-Paares sind offen und spielen damit für den normalen Betriebsablauf keine Rolle. Kommt nun ein Sicherheitssignal (Abschaltfall), wird zum Herstellen einer durchgehenden Verbindung zwischen der Druckleitung 8 und der Druckentlastungsleitung 17 wenig stens eines der beiden Hydraulikventile 15a,b des ersten Ven til-Paares geöffnet. Dies entspricht einem 1-aus-2-System.

Bei einem Ausfall eines der Hydraulikventile 15a,b des ersten Ventil-Paares, z. B. des Ventils 15a, der in der Überwa chungsschaltung 24 registriert wird, werden über die Ansteu erschaltung 25 die beiden Hydraulikventile 16a,b des zweiten Ventil-Paares geschlossen und das andere, funktionstüchtige Hydraulikventil 15b des ersten Ventil-Paares geöffnet. Damit ist innerhalb des zweiten Ventil-Paares wieder eine 1-aus-2- Situation geschaffen; im Abschaltfall wird dann zum Herstel len einer durchgehenden Verbindung zwischen der Druckleitung 8 und der Druckentlastungsleitung 17 wenigstens eines der beiden Hydraulikventile 16a,b des zweiten Ventil-Paares ge öffnet. Das System weist damit nach Ausfall eines der Ventile immer noch dieselbe Zuverlässigkeit (1-aus-2) auf wie im Nor malzustand und ist damit dem herkömmlichen 2-aus-3-System deutlich überlegen. Selbstverständlich können die Rollen des ersten und zweiten Ventil-Paares auch vertauscht werden, in dem das erste Ventil-Paar 15a,b die Rolle des Reserve-Paares übernimmt. In diesem Falle werden die Stellungen der Hydrau likventile 16a,b des zweiten Ventil-Paares über entsprechende Signalwandler 21a,b an die Überwachungsschaltung 24 weiter gemeldet.

Besonders vorteilhaft ist bei einer Schaltung gemäß Fig. 3 die Möglichkeit einer routinemäßigen Funktionsprüfung aller Hydraulikventile 15a-16b während des normalen Betriebes. Der Ablauf einer solchen vollständigen Funktionsprüfung läuft wie folgt ab: In einem ersten Schritt werden die Hydraulikventile 15a,b des ersten Ventil-Paares geschlossen gehalten und die Hydraulikventile 16a,b des zweiten Ventil-Paares erst ge schlossen, dann geöffnet und anschließend wieder geschlos sen. Damit ist die Überprüfung dieser Ventile abgeschlossen. In einem zweiten Schritt werden die Hydraulikventile 16a,b des zweiten Ventil-Paares geschlossen gehalten und die Hy draulikventile 15a,b des ersten Ventil-Paares erst geöffnet und anschließend wieder geschlossen. Damit ist die Überprü fung auch dieser Ventile abgeschlossen. Zum Schluß werden in einem dritten Schritt die Hydraulikventile 16a,b des zweiten Ventil-Paares wieder geöffnet, so daß der ursprüngliche Be triebszustand der Schaltung wiederhergestellt ist.

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine Sicherheits schaltung, die auch bei Ausfall eines Ventils ihre Zuverläs sigkeit beibehält, besonders einfach aufgebaut ist und einen routinemäßigen Funktionstest aller Ventile während des Nor malbetriebs ermöglicht.

Bezugszeichenliste

1 Sicherheitsschaltung (hydraulisch)
2a-c Hydraulikventil
3, 3a-c Magnetspule
4a-c Signalwandler
5a-c Feder
6 Zugang (Druckleitung)
7 Abgang (Druckleitung)
8 Druckleitung
9 Ventilgehäuse
10 Grenzwertgeber
11 Kolben
12 Schieber
13 Verbindungsleitung
14 Tank (Hydraulikmedium)
15a,b Hydraulikventil
16a,b Hydraulikventil
17 Druckentlastungsleitung
18a,b Magnetspule
19a,b Magnetspule
20a,b Signalwandler
21a,b Signalwandler
22a,b Durchgangskanal
23a,b Durchgangskanal
24 Überwachungsschaltung
25 Ansteuerschaltung
A, B, P, T Anschluß (Ventil)

Claims

1. Hydraulischen Sicherheitsschaltung für eine hydraulisch ge steuerte und/oder geregelte Maschine oder Anlage, insbeson dere zum Zwecke der Schnellabschaltung einer Gas- oder Dampf turbine, bei welcher Sicherheitsschaltung (1) mehrere mittels einer Magnetspule (3a-c; 18a,b; 19a,b) elektrisch betätigbare und im erregten Zustand der Magnetspule geschlossene Hydrau likventile (2a-c; 15a,b; 16a,b) zwischen einer Druckleitung (8) und einer Druckentlastungsleitung (17) derart angeordnet sind, daß einerseits beim planmäßigen Abfall eines oder mehrerer Ventile eine durchgehende Verbindung zwischen der Druckleitung (8) und der Druckentlastungsleitung (17) herge stellt und andererseits beim Ausfall eines Teils der Ventile die Funktion von den übrigen Ventilen übernommen werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens vier Hydraulikventile (15a,b; 16a,b) vorhanden sind, von denen jeweils zwei (15a,b bzw. 16a,b) in einem Ventil-Paar parallelgeschaltet sind, und daß die parallelgeschalteten Ventil-Paare (15a,b; 16a,b) zwischen der Druckleitung (8) und der Druckentlastungsleitung (17) in Serie geschaltet sind.

2. Sicherheitsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Hydraulikventile (15a,b; 16a,b) jeweils mit nur einem Durchgangskanal (22a,b; 23a,b) ausgestattet sind.

3. Sicherheitsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß die Hydraulikventile (15a,b; 16a,b) als Stellven tile mit einem Ventilsitz ausgebildet sind.

4. Sicherheitsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß für wenigstens eines der parallel geschalteten Ventil-Paare (15a,b bzw. 16a,b) eine Überwa chungsschaltung (24) vorgesehen ist, welche die Funktion bei der Hydraulikventile des Ventil-Paares überwacht und beim Ausfall wenigstens eines der Hydraulikventile ein Ausfallsi gnal abgibt, und daß für das andere Ventil-Paar (16a,b bzw. 15a,b) eine Ansteuerschaltung (25) vorgesehen ist, welche mit der Überwachungsschaltung (24) in Verbindung steht und die beiden Hydraulikventile des Ventil-Paares betätigt, wenn sie von der Überwachungsschaltung (24) ein Ausfallsignal erhält.

5. Verfahren zum Betrieb einer Sicherheitsschaltung nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im normalen Betriebs zustand die Hydraulikventile eines ersten Ventil-Paares (15a,b bzw. 16a,b) durch Erregung der entsprechenden Magnet spulen (18a,b bzw. 19a,b) geschlossen gehalten werden, wäh rend die Hydraulikventile des zweiten Ventil-Paares (16a,b bzw. 15a,b) offen sind, und daß zum Herstellen einer durch gehenden Verbindung zwischen der Druckleitung (8) und der Druckentlastungsleitung (17) im Abschaltfall wenigstens eines der beiden Hydraulikventile des ersten Ventil-Paares (15a,b bzw. 16a,b) geöffnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Ausfall eines der Hydraulikventile des ersten Ven til-Paares (15a,b bzw. 16a,b) die beiden Hydraulikventile des zweiten Ventil-Paares (16a,b bzw. 15a,b) geschlossen werden, daß das andere Hydraulikventil des ersten Ventil-Paares (15a,b bzw. 16a,b) geöffnet wird, und daß im Abschaltfall zum Herstellen einer durchgehenden Verbindung zwischen der Druckleitung (8) und der Druckentlastungsleitung (17) wenig stens eines der beiden Hydraulikventile des zweiten Ventil- Paares (16a,b bzw. 15a,b) geöffnet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch ge kennzeichnet, daß zum Testen der Hydraulikventile beider Ventil-Paare (15a,b; 16a,b;) während des Normalbetriebs in einem ersten Schritt die Hydraulikventile des ersten Ventil- Paares (15a,b bzw. 16a,b) geschlossen gehalten und die Hy draulikventile des zweiten Ventil-Paares (16a,b bzw. 15a,b) geschlossen, dann geöffnet und anschließend wieder geschlos sen werden, daß in einem zweiten Schritt die Hydraulikventi le des zweiten Ventil-Paares (16a,b bzw. 15a,b) geschlossen gehalten und die Hydraulikventile des ersten Ventil-Paares (15a,b bzw. 16a,b) geöffnet und anschließend wieder ge schlossen werden, und daß in einem dritten Schritt die Hy draulikventile des zweiten Ventil-Paares (16a,b bzw. 15a,b) wieder geöffnet werden.