Anwendung

R. Schilling, Voith Turbo GmbH & Co. KG
Modernisierung der mechanisch / hydraulischen Regelung einer Dampfturbine
durch eine elektronische Regelung mit elektrohydraulischem Stellantrieb
Einleitung
Mit den Turcon® Stell- und Regelkomponenten der Firma Voith regeln Sie
exakt die Dampfmassenströme bei Dampfturbinen. Sie beherrschen die
immensen Kräfte, die zur Verstellung von Frisch- und Entnahmedampfventilen
benötigt werden. Die digitale Turbinenregelung für Dampfturbinen,
Turcon® D, erfüllt alle Anforderungen an eine moderne Turbinenleittechnik:
hoher Bedienkomfort, benutzerorientierte Darstellung und Archivierung von
Daten sowie eine mögliche Ferndiagnose.
Folgende Dampfturbinentypen wurden bereits mit Voith Stell- und
Regelkomponenten modernisiert:
■ AEG, AEG-Kanis
■ BBC, BORSIG
■ CREUSOT-LOIRE
■ MAN
■ SIEMENS
■ MITSUBISHI
Motive für eine Modernisierung der Regeltechnik und Stelltechnik
Vorteile
■ Einfacher Einbau mit Standardindustrieanschlüssen
■ Verwendung von Turbinenöl da schmutzunempfindlich
■ Hohe Dynamik und fast keine Hysterese
■ Auflösung besser als 0,1 %
■ Kein Einfluss auf die Genauigkeit durch Luftspalt, Temperatur oder
Schwankungen der Versorgungsspannung
■ Ausgangsdruckbereich ist einstellbar mittels Potentiometer X0 und X1
■ Verfügbare Ausführungen: Standard und Ex-geschützt
Steuerkolben
Stößel
Anker
Anwendungsbeispiel
Modernisierung einer Siemens – Entnahme /
Gegendruckturbine Bj. 1970,
Generatorleistung ca. 15 MW.
Wegeschieber
Wandlung von 0/4 - 20 mA in proportionalen
Hub an einfach- oder doppeltwirkenden
Hydraulikzylindern.
Voith Wegeschieber (Mengensteller) sind elektrohydraulische Wandler mit integriertem
Positionsregler und unterlagertem Magnetkraftregler.
Regelungstechnik: Gesamte Elektronik zum
Schutz vor Beschädigung und elektromagnetischen Einflüssen im Gehäuse
untergebracht
Anwendung
Elektromagnet bestehend aus
Gehäuse und Spule
Aufbau
Ansteuerung von Stellzylindern für die Regelung von Turbomaschinen.
Ein „Voith-Wegeschieber“ (Mengensteller) ist ein elektrisch steuerbares WegeSchieberventil, bestehend aus kraftgeregeltem Elektromagneten und einer
3/3-Wege Hydraulik-Einheit für einfachwirkende Zylinder oder 4/3-Wege
Hydraulik-Einheit für doppeltwirkende Zylinder.
Ein leistungsfähiges Regelsystem ist nicht nur bei Neuanlagen vorteilhaft.
Eine moderne Automatisierung bringt auch Vorteile bei älteren Maschinen:
■ Vereinfachte, rationellere Bedienbarkeit.
■ Änderung von verschleißbehaftetem Regler in verschleißfreie Regelung.
■ Nicht mehr verfügbare Ersatzteile.
■ Veränderungen in der Personal-(qualifikations-)struktur, z.B. durch
Ausscheiden von Erfahrungsträgern.
■ Zusätzliche Turbinenüberwachungsfunktionen.
■ Schaffung eines Verbundbetriebes mit anderen im Werk befindlichen
Dampfturbinen.
■ Ankopplung der Turbinensteuerung/ -regelung an das betriebseigene
Prozessleitsystem.
■ Verbesserung des Regelverhaltens.
■ Verlängerung der Lebensdauer der Turbine durch temperaturabhängige
Anfahrprogramme.
■ Datengewinnung für die zustandsorientierte Instandhaltung.
Elektrohydraulische Stelltechnik
Druckstellglieder
Wandlung von 0/4 - 20 mA in proportionalen Druck
Voith Druckstellglieder wandeln schnell und genau ein Stromeingangssignal
0/4 - 20 mA in einen proportionalen Ausgangsdruck.
Anwendung
Regelung der Dampfmenge einer Turbine.
Aufbau
Ein „Voith Druckstellglied“ ist ein elektrisch steuerbares Druckregelventil,
bestehend aus kraftgeregeltem Elektromagneten und Hydraulik-Einheit.
Funktion
Ein 24-Volt Gleichstrom erregt den Elektromagneten, der wiederum Kraft
auf den Anker mit Stößel erzeugt. Die Kraftvorgabe erfolgt durch ein
Eingangssignal von 0/4 - 20 mA. Jede Änderung des 0/4 - 20 mA Eingangssignals beeinflusst die vom Elektromagnet auf den Stößel ausgeübte Kraft.
Diese Kraft ist im Gleichgewicht mit einer hydraulischen Kraft, die sich aus
Ausgangsdruck und Stirnfläche des Steuerkolbens ergibt (Druckwaage).
Die interne Regelungstechnik von Voith steuert durch Flussänderungen
genau die Ausgangskraft des Elektromagneten. Als Ergebnis dieser genauen
Steuertechnik erhält die Ausgangsleitung des Druckstellgliedes immer den
genauen erforderlichen Druck zur Positionierung des Dampfventils.
Funktion
Abhängig von der Regelabweichung (Sollwert w - Istwert x) und der eingestellten
Regelverstärkung KPU, ergibt sich eine Führungsgröße UMAG für den
Magnetkraftregler. Die im Magnetsystem erzeugte Magnetkraft FMAG wird
indirekt durch die Messung des Magnetflusses UHall erfasst. FMAG wirkt
über den Stößel auf den Steuerkolben des Wegeventils. Dieser wird gegen
die Steuerfeder ausgelenkt, bis die wegabhängige Federkraft FF mit der Kraft
FMAG ins Gleichgewicht kommt. Dadurch ergibt sich ein in Richtung und
Größe veränderbarer Volumenstrom, der einen extern angebrachten
Hydraulikzylinder verstellt. Wird die Istposition erfasst und dem im Wegeschieber
integrierten Positionsregler zugeführt, dann erfolgt die Verstellung des
Hydraulikzylinders positionsgeregelt.
Anwendungsbeispiele
Servomotoren
Modernisierung einer 3 gehäusigen
AEG - Kanis Doppelentnahmeturbine
G32 + GE50K, Generatorleistung ca. 8 MW.
Elektrohydraulischer Servomotor zum Stellen von Ventilen oder Ventilgruppen
Anwendungen
Ansteuerungen von Regelventilen an Turbomaschinen wie Gasturbinen,
Dampfturbinen und Kompressoren.
Modernisierung einer AEG Kanis –
Entnahme/Gegendruckturbine Bj. 1970,
Generatorleistung ca. 18 MW.
Aufbau
Ein “Voith Servomotor” ist die intelligente und kompakte elektrohydraulische
Funktionseinheit aus Voith Regelmagnet - VRM, mit integriertem
Positionsregler, hydraulischem Mengensteller und einem Hydraulikzylinder.
Druckstellmodule
■
Verstellung von Dampfregelventilen in
verfügbarkeitskritischen Applikationen.
■
■
Anforderung
■
Sehr hohe Verfügbarkeit bei akzeptablem
Preis.
■
Lösung
■
Redundante Ausführung des Druckstellgliedes als verlängerter Arm eines
redundanten Reglers zur hochverfügbaren Verstellung von Dampfregelventilen.
■
Pilotventilverstellung
Modernisierung einer MANGegendruckturbine Bj. 1955,
Generatorleistung ca. 20 MW.
Der Servomotor übernimmt
die Drehwinkellageregelung
der Ventilsteuerwelle.
Präzise, dynamische und praktisch hysteresefreie Stellung der Regelventile
Verminderte Reibungsempfindlichkeit des Steuerkolbensdurch
geregelte, große Magnetkraft
Schmutzunempfindliches, temperaturunabhängiges Design
Komplette, geprüfte und werkseitig eingestellte Stelleinheit mit klaren
Schnittstellen,die eine Inbetriebnahme ohne Regleranpassung ermöglicht
Störungsunempfindlicher und robuster Aufbau sorgen für eine hohe
Verfügbarkeit
Schnellschlussfunktion: sicheres und schnelles Schließen der Ventile im
Tripfall
Explosionsgeschützte Ausführung möglich
■
Ventilgruppenverstellung
Modernisierung einer CREUSOT-LOIRE Turbine zum Antrieb eines
Kompressors, Baujahr 1975, Turbinenleistung ca. 13 MW.
Umbau des Regelventilantriebs auf Komplettservomotor von Voith
Funktion
Technische Merkmale
Hysterese: < 0,01 bar
Umgebungstemperatur: -20 bis 85°C
Ölqualität: ISO 4406, Kl. 16/13
P1
T1
MT1
Druckstellglied 1
Versorgungsspannung
F
Sollwert w
Sicherheit
PA1
Funktion
■
Vorteile
Anwendung
Jedes Druckstellglied enthält eine elektronische Überwachungsschaltung, die sicherstellt, dass im Fall einer Störung das Druckstellglied in Richtung Minimalausgangsdruck
absteuert. Der Ausgangsdruck des korrekt
arbeitenden Druckstellgliedes wird durchgeschaltet. Der Prozess läuft stoßfrei weiter.
Das defekte Gerät kann während des
Betriebes ausgetauscht werden.
Anwendungsbeispiele
Überwachung
P
MA1
A
I
MAX-Modul
PA
OK - Signal
4..20 mA ~ PA1
Nach Maßgabe eines Positionssollwertes wird dem Magnetkraftregler des
VRM ein Sollwert vorgegeben. Die erzeugte Magnetkraft verändert gegen
die Federkraft der Steuerfeder die Position des Steuerkolbens so, dass
Kraftöl dosiert dem Hydraulikzylinder zugeführt wird. Durch Messung des
Magnetflusses wird dem Magnetkraftregler die Magnetkraft zurückgeführt.
Die Resultierende aus Rückstellfederkraft, äußerer Belastung und der
hydraulischen Kraft bewegt die Kolbenspindel so, dass der Positionsistwert,
gemessen mittels eines Weggebers, dem Wert des Positionssollwertes folgt.
Manometer
MA2
MA
P
I
Überwachung
4..20 mA ~ PA2
OK - Signal
PA2
F
T2
neu
Sollwert w
VersorgungsDruckstellglied 2 spannung
P2
alt
MT2
Die beiden elektrischen Stellsignale (4-20mA) eines redundanten Reglers
werden unabhängig durch jeweils ein bewährtes Voith Druckstellglied in
einen proportionalen hydraulischen Druck gewandelt. Beide Drücke wirken
auf eine hydraulische Maximalauswahl. Der höhere Druck wird
durchgeschaltet.
■
Einzelventilantrieb
Modernisierung einer AEG - Kondensationsturbine für
Kesselspeisepumpenantrieb.
Die 5 Frischdampfregelventile werden durch 5 direkt angekuppelte
Voith - Servomotoren positioniert.
Anwendungsbeispiel
Modernisierung einer AEG - Kanis V40
Kondensationsturbine mit zusätzlicher
Entnahme, Baujahr 1975, Turbinenleistung
ca. 18 MW. Redundantes Steuerungs- und
Regelungskonzept TURCON® R2 mit zwei
parallellaufenden Einheiten, redundantes
Druckstellmodul DSM® R2.
alt
neu
Turbinenregelsystem TURCON® D
■
TURCON® D ist ein modulares elektronisches Regelsystem und
Visualisierungssystem für Dampfturbinen und Verdichter, geeignet für
einfache und komplexe Anwendungen.
Die Konfiguration erfolgt entsprechend den Bedürfnissen des Kunden.
Standardfunktionen
■
■
■
■
■
Drehzahlregelung
Automatischer Hochlauf; vom Starten der Anfahrautomatik bis zur
Synchrondrehzahl mit temperaturbeeinflussten Rampen. Konfigurierbar
sind Haltepunkte und schneller Durchlauf von Resonanzbereichen.
Leistungsstellung
Automatischer Start der Belastungsrampe von der vorgewählten Grundlast
bis zur vorgewählten Endlast nach Schließen des Generatorschalters.
Entnahmedruckregelung
Für bis zu zwei getrennte stoßfrei zu- und abschaltbare
Entnahmedruckregelungen. Wahlweise mit Temperaturkontrolle.
Vor- bzw. Gegendruckregelung
Stoßfrei zu- und abschaltbare Druckregelungen, die auch durch externe
Signale (z.B. Generatorschalter, Inselbetrieb, u.a.) automatisierbar sind.
Begrenzungsstufe
Prioritätsgesteuerte Begrenzungsstufe zur Überwachung von z.B. minimalem
Vordruck, maximaler Leistung.
Software:
– Echtzeit-Multitasking-Betriebssystem:
● Feste Zykluszeiten
– leistungsfähiges SPS-Betriebssystem:
● Programmierung der Anwendungen mit SPS-Oberfläche
● einfache Integration von kundenspezifischen Funktionen
● Kommunikationsstark:
– Unterstützung vieler Schnittstellen bzw. Protokolle zum
Datenaustausch mit Leitsystemen
TURCON® D Weiterentwicklung
■
Modulare Hardware und Software:
– Für einfache und komplexe Anwendungen
– Gleiche Hardware und Basissoftware für:
● Turbinenregelsysteme
● Verdichterregelsysteme.
– Konfiguration entsprechend den Bedürfnissen der Kunden:
● Turcon® D bzw.
● redundante Version Turcon® R2
Ausführung nach Kundenwunsch:
Servicefreundlichkeit
■
■
Minimierte Servicekosten durch Fernwartung und Optimierung via Modem
Programmänderungen sind bei laufender Maschine möglich
■
Hardware für Rechnereinheit:
– Verbreitete Rechnerplattform: Industrie-PC
● Partizipieren am technischen Fortschritt
● Hohe Verfügbarkeit, da keine beweglichen/rotierenden Teile:
– Programm- und Konfigurationsspeicher als Flash-Memory
– lüfterloser Betrieb
Ein-/Ausgabemodule:
– Standard-Feldbussysteme:
● Flexible Konfiguration der Ein-/ Ausgänge
● Große Auswahl an Modulen
– Minimierter Verkabelungsaufwand durch dezentrale Erfassung
der Signale möglich
Visualisierung
Kunde
Ethernet-LAN
Bediengerät
19“-Version
Teile zur Montage im
Schaltschrank des Kunden
Schaltschrank
Redundantes Regelsystem TURCON® R2
Insbesondere in der chemischen und petrochemischen Industrie mit ihren
komplexen Prozessen kann eine kurze Störung erhebliche Stillstandsund Wiederinbetriebnahmekosten bedeuten.
Für diese Kunden mit hohen Ansprüchen an Zuverlässigkeit eignen
sich redundante Regelsysteme, wie z.B. TURCON® R2.
■ Rechnerredundanz, Leitungsredundanz, Ein-/Ausgaberedundanz
■ Stoßfreie Umschaltung aller Regelungs- und Begrenzungsfunktionen bei
einer Störung im prozessführenden System auf das parallel arbeitende
System
Systemmerkmale
■
Visualisierung mit TURCON® D-32
Parametrierung
Zusatzfunktionen
Neben den ursprünglichen Drehzahl- und Druckregelungen an einer
Dampfturbine übernimmt das Turbinenregelsystem TURCON® D zunehmend
eine Reihe weiterer Funktionen, wie z.B.
■ Integration maschinennaher Verknüpfungen:
Steuerung der Antriebe für Pumpen und Ventile
■ Integration von Begrenzungs- und Überwachungseinrichtungen
■ Datengewinnung für die zustandsorientierte Instandhaltung
■ Mengenregelung für das Speisewasser und die
Kondensatordruckbegrenzung
■ Drehwinkellageregelung für Ventilsteuerwellen
■ Zusätzliche Logik zum Regeln einer Dampfumleitstation
■ Pumpgrenzregelung, Pumpschutz und Enddruckregler für Kompressoren
■ Integrierte Visualisierung
August 2003:
Inbetriebnahme der ersten digitalen Turbinenregelung TURCON® D-32:
■ 32-Bit Echtzeit-Betriebssystem
■ SPS-Betriebssystem CoDeSys
■ verbesserte Diagnose durch integrierte Visualisierungsfunktionen
Turcon® D-32
Web-Visualisierung
LAN-Modem
Diagnose
Redundantes Turbinenregelsystem
TURCON® R2 eingebaut
im Schaltschrank
Programmierung
Voith Turbo GmbH & Co. KG
Elektrische Leit- und Antriebstechnik
Postfach 1555
Tel (0 79 51) 32-0
Fax (0 79 51) 32-605
turcon@voith.com
www.voithturbo.com
Voith Crailsheim
Deutschland