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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 [email protected] www.voithturbo.com Voith Crailsheim Deutschland