Schneilschlussklappe

Die Erfindung betrifft eine Schnellschlussklappe nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruches 1.

Schnellschlussklappen dienen als Sicherheitseinrichtung in vielen technischen Anlagen. Häufig ist der Einsatz von

Schnellschlussklappen in sicherheitsrelevanten Anlagen vorgeschrieben .

Schnellschlussklappen sind so ausgebildet, dass sie in einer ersten Position einen Strömungsquerschnitt innerhalb einer Rohrleitung im Wesentlichen vollständig freigeben und in einer zweiten Position den Strömungsquerschnitt innerhalb der Rohrleitung im Wesentlichen vollständige verschließen. Im Normalbetrieb befindet sich die Schnellschlussklappe in Ab ^¬ hängigkeit vom Anwendungsfall in einer Position, in der Strö ^¬ mungsquerschnitt entweder vollständig freigegeben oder voll ^¬ ständig verschlossen ist. Kommt es zu einem sicherheitsrele ^¬ vanten Zwischenfall im Betrieb, kann die Schnellschlussklappe innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne aus der einen Position in die andere Position verfahren werden. Hierdurch wird der Strömungsquerschnitt entweder verschlossen oder geöffnet. Schnellschlussklappen werden beispielsweise bei Dampfturbinen z.B. für die Entnahmedruckregelung sowie für die Zudampfrege- lung verwendet. Auch bei Turbineneinlassarmaturen kommen Schnellschlussklappen zum Einsatz.

Da die Schnellschlussklappen nur die beiden Schaltstellungen offen/geschlossen einnehmen können, eignen sich Schnellschlussklappen nicht zur Volumen- bzw. Massenstromregelung . Für die Volumen- bzw. Massenstromregelung sind deshalb zusätzliche Regeleinrichtungen vorzusehen. Aufgrund von Kostenvorteilen gegenüber herkömmlichen Regelventilen wird ver- sucht, die Regeleinrichtungen als Stellklappe auszubilden. Die Stellklappen weisen wie die Schnellschlussklappen eine Klappe auf. Ihre Funktionsweise unterscheidet sich jedoch von der der Schnellschlussklappe. So ist ein schnelles Verfahren der Klappen im Störfall nicht gegeben.

Beim Einsatz von Stellklappen in Dampfturbinen wird versucht, die Stellklappen bei höheren Parametern und geringen Massenströmen einzusetzen. Allerdings stoßen Stellklappen hier an ihre Grenzen. Bei überkritischer Entspannung über die Stellklappe kommt es nämlich zu einem deutlich erhöhten Verschleiß an der Stellklappe. Die Regelgüte der Stellklappe wird von den Herstellern teilweise als unzureichend eingestuft. Der Einsatz von Stellklappen im überkritischen Druckbereich ist daher im Allgemeinen nicht zugelassen. Es gibt zwar Hersteller, die hier Ausnahmen zulassen, jedoch ist bei der Verwendung im überkritischen Bereich trotzdem mit entsprechenden Auswirkungen, insbesondere einem erhöhten Verschleiß zu rechnen .

Aus den oben genannten Gründen wird versucht, die Stellklappe nicht im kritischen Bereich zu betreiben. Der Zustand der kritischen Entspannung (Wechsel zwischen über- und unterkritischer Entspannung) ist abhängig von den Parametern vor und nach der Stellklappe, sowie von klappenspezifischer Eigenschaften und kann mittels der Dampfparametern und den c _v ^_ und x _T -Werten berechnet werden. Diese c _v ^_ und x _T -Werte sind klap ^¬ penspezifisch und können üblicherweise den einzelnen Herstellerdokumentationen entnommen werden. Untersuchungen haben dabei ergeben, dass bei ähnlichen Klappen (Druckstufe und Nennweite) die theoretischen Sperrbereiche aller Klappenanbieter im gleichen Bereich liegen. Der Sperrbereich bezeichnet dabei den Bereich, in dem die Stellklappen nicht verwendet werden können . Ein ungeregeltes Durchfahren des Sperrbereiches wird von den Herstellern allerdings zugelassen.

Für den jeweiligen Einsatzfall und den gegebenen Dampfparametern muss deshalb der Sperrbereich individuell berechnet bzw. mit dem Klappenlieferanten vereinbart werden. Dieser Sperrbereich führt bei den Dampfturbinen zu Einschränkungen bzw. zu Zusatzaufwendungen. Diese Einschränkung bzw. Zusatzaufwendungen werden nachfolgend für die allgemein üblichen Schaltungen bei Dampfturbinen erläutert.

Stellklappen für die Endnahmedruckregelung

Das Anfahren der Turbinen erfolgt im Allgemeinen mit vollständig geöffneter Stellklappe. Mit Inbetriebnahme der Ent- nahmedruckregelung wird durch Schließen der Stellklappe der

Massenstrom angedrosselt (Druckregelung) . Ein Durchfahren der Stellklappe durch den Sperrbereich ist somit nicht erforderlich. Der Sperrbereich der Stellklappe begrenzt aber den Regelbereich der Entnahmedruckregelung.

Stellklappen für die Zudampfregelung

Mit Inbetriebnahme der Zudampfregelung wird die Stellklappe ungeregelt durch den Sperrbereich gefahren. Die dadurch ent- stehende Massenstromzunahme muss durch die übergeordnete Tur ^¬ binenregelung ausgeglichen werden.

Stellklappen für Turbineneinlassarmaturen Für das Regeln des Dampfmassenstroms beim Anfahren der Turbi ^¬ nen ist eine relativ gute Regelgüte erforderlich (geringe Massenströme zum Regeln der Aufwärmdrehzahl und zum Synchronisieren) . Es wird daher zusätzlich ein Anfahrventil eingesetzt. Der durch Massenstrom erzeugte Druck vor der Turbine (= Druck nach Stellklappe) wird ebenfalls zur Überwindung des Sperrbereiches genutzt. Die Größe des Anfahrventils muss da ^¬ her entsprechend des Sperrbereichs ausgelegt werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Schnellschlussventil mit verbesserten Eigenschaften bereitzustellen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein

Schnellschlussventil bereitzustellen, welches die oben be ^¬ schriebenen Probleme bei Einsatz in Dampfturbinen veringert oder vermeidet.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Schnellschlussklappe, die in einer ers- ten Position einen Strömungsquerschnitt innerhalb einer Rohr ^¬ leitung im Wesentlichen vollständig freigibt und in einer zweiten Position den Strömungsquerschnitt innerhalb der Rohr ^¬ leitung im Wesentlichen vollständig verschließt, zeichnet sich dadurch aus, dass die Schnellschlussklappe wenigstens eine weitere Position einnehmen kann, die sich zwischen der ersten und der zweiten Position befindet.

Durch die Möglichkeit, die Schnellschlussklappe in wenigstens einer weiteren Position zwischen der ersten und der zweiten Position zu fahren, kann das Schnellschlussventil eine Regel- funktion übernehmen, wobei die Zwischenposition, d.h. die Position zwischen der ersten und zweiten Position je nach Stellung der Klappe eine geringere oder stärkere Drosselung her ^¬ vorruft. Durch die Regelfunktion kann auf eine zusätzliche Stellklappe unter Umständen vollständig verzichtet werden Bei Verwendung einer zusätzlichen Stellklappe in der Rohrleitung kann aber auf alle Fälle eine Reduzierung des Sperrbereiches erfolgen. Die Stellklappen kann dadurch preiswerter ausgebildet werden und es ergibt sich darüber hinaus auch eine deut- lieh erhöhte Regelgüte.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Stellklappe in Reihe mit der Schnellschlussklappe ge ^¬ schaltet ist. Befindet sich die Schnellschlussklappe in der Zwischenposition, in der der Strömungsquerschnitt zum einen gewissen Teil freigegeben ist, so lässt sich mittels dieser Zwischenposition insbesondere im unteren Lastfall (Sperrbe ^¬ reich) eine zweistufige Entspannung realisieren. Die Zwischenposition der Schnellschlussklappe und der Sperrbereich der Stellklappe werden dabei so ausgelegt, dass sich bei der zweistufigen Entspannung beide Klappen an der Grenze des Sperrbereiches befinden. Anschließend wird zur berechneten Zwischenposition der Schnellschlussklappe ein Offset addiert. Über diesem Offset kann beim Schließvorgang eine Schalthyste- rese realisiert werden.

Berechnungen haben ergeben, dass sich durch die zweistufige Entspannung eine Minderung des Sperrbereiches um ca. 45 % re ^¬ alisieren lässt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schnellschlussklappe mit einer Steuer- und/oder Regeleinheit in Wirkverbindung steht, die einen Regelantrieb für die Schnellschlussklappe ansteuert. Die Schnellschluss- klappe kann mit nur geringem Mehraufwand mit einem Regelantrieb ausgerüstet werden und so zu einer Stellklappe mit we ^¬ nigstens drei Stellung/ Position umgerüstet werden. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schnellschlussklappe als Stellklappe für die Entnahmedruckregelung einer Dampfturbine ausgebildet ist. Hierdurch ergibt sich ein deutlich höherer Regelbereich mit einer verbesserten Regelgüte (mögliche Androsselung) .

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schnellschlussklappe als Stellklappe für die Zudampfregelung einer Dampfturbine ausgebildet ist. Hierdurch kann der Sperrbereich, welcher durch die übergeordnete Turbinenregelung ausgeregelt werden muss, deutlich verringert werden. Dies führt somit zu einer Verbesserung der gesamten Regelgüte. Des Weiteren wird die Regelgüte bei höheren Druckge ^¬ fällen verbessert.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schnellschlussklappe als Stellklappe einer Tur- bineneinlassarmatur einer Dampfturbine ausgebildet ist. Hierdurch kann das Anfahrventil deutlich kleiner dimensioniert werden, wodurch sich eine erhebliche Kosteneinsparung ergibt.

Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung wer ^¬ den im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt: Figur 1: eine erfindungsgemäße Schnellschlussklappe;

Figur 2 : eine Entnahmedruckregelung an einer Dampfturbine mit einer erfindungsgemäßen Schnellschlussklappe; Figur 3: eine Zudampfregelung an einer Dampfturbine mit einer erfindungsgemäßen Schneilschlussklappe ; Figur 4: eine Turbineneinlassregelung mit einer Turbinenein- lassarmatur bei einer Dampfturbine, mit einer erfindungsgemä ^¬ ßen Schnellschlussklappe. Bei den Figuren handelt es sich jeweils um stark vereinfachte Darstellungen, bei denen nur die wesentlichen, zur Beschreibung der Erfindung notwendigen Bauteile gezeigt sind. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind nachfolgend mit den glei ^¬ chen Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt eine Schnellschlussklappe 1, die innerhalb ei ^¬ ner Rohrleitung 6 angeordnet ist. Die Schnellschlussklappe 1 ist gestrichelt dargestellt, um die unterschiedlichen Stel ^¬ lungen bzw. Positionen zu verdeutlichen. In einer ersten Po- sition S± gibt die Schnellschlussklappe 1 den gesamten Strö ^¬ mungsquerschnitt A innerhalb der Rohrleitung 6 frei. Die Strömung kann somit die Schnellschlussklappe 1 weitgehend un ^¬ gehindert passieren. Ein Druckabfall an der Schnellschluss ^¬ klappe 1 wird weitgehend vermieden. In einer zweiten Position S ₂ verschließt die Schnellschlussklappe 1 den Strömungsquer ^¬ schnitt A der Rohrleitung 6 vollständig. In dieser Position kann kein Fluid die Rohrleitung 6 passieren. Je nach Ausbildung der Schnellschlussklappe 1 fährt die Schnellschlussklap ^¬ pe 1 beim Auslösen des Schnellschlusses in die vollständig geöffnete Position S± bzw. in die vollständig geschlossene Position S ₂ . Wird die Schnellschlussklappe 1 beispielsweise bei einer Dampfturbine verwendet, so wird beim Auslösen des Schnellschlusses der Strömungsquerschnitt A innerhalb kürzes ^¬ ter Zeit durch die Schnellschlussklappe 1 verschlossen und somit der Massenstrom zur Dampfturbine unterbrochen. Bei anderen Anwendungen kann aber auch durch Auslösen eines

Schnellschlusses die Schnellschlussklappe 1 vollständig öff ^¬ nen, beispielsweise um einen unzulässigen Druckanstieg innerhalb einer Rohrleitung zu verhindern. Neben der ersten Position Si, die den Strömungsquerschnitt A der Rohrleitung 6 im wesentlichen vollständig freigibt und der zweiten Position S ₂ , die den Strömungsquerschnitt A der Rohrleitung im wesentlichen vollständig verschließt, weist die Schnellschlussklappe 1 wenigstens eine weitere dritte Po ^¬ sition S ₃ auf. Die dritte Position S ₃ befindet sich zwischen der ersten Position Si und der zweiten Position S ₂ . In dieser Position gibt die Schnellschlussklappe 1 einen Teil des Strö- mungsquerschnittes A frei, wodurch der Massenstrom zwar gedrosselt wird, die Schnellschlussklappe 1 aber passieren kann. Hierbei kommt es zu einem Druckabfall an der Schnell ^¬ schlussklappe 1. Die Ansteuerung der Schnellschlussklappe 1 erfolgt über einen Regelantrieb 8, der mit einer Steuer- und/oder Regeleinheit 7 in Wirkverbindung steht. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 7 löst bei einem sicherheitskritischen Verhalten den Schnellschluss aus und sorgt im Normalbetrieb zudem für das Verfahren der Schnellschlussklappe 1 in die dritte Position S ₃ .

Dadurch, dass die Schnellschlussklappe 1 neben den beiden

Endpositionen S± und S ₂ wenigstens eine weitere Position ein ^¬ nehmen kann, kann die Schnellschlussklappe 1 neben der Si ^¬ cherheitsfunktion auch eine Regelfunktion übernehmen. Das Ausrüsten der Schnellschlussklappe 1 mit einem Regelantrieb 8 ist ohne größeren Aufwand auch nachträglich und an bereits bestehenden Anlagen möglich. Die Nachrüstung ist dabei äußerst preiswert. Ist aus anlagenspezifischen Gründen der Einsatz von Schnellschlussklappen (als Sicherheitsarmatur) erforderlich, reicht es unter Umständen aus, lediglich die Schnellschlussklappe als zusätzliche Stellklappe auszubilden, so dass auf zusätzliche Stellklappen verzichtet werden kann.

Beim Einsatz zusätzlicher Stellklappen kann mittels der Zwischenposition der Schnellschlussklappe im unteren Lastfall (Sperrbereich) eine zweistufige Entspannung realisiert werden. Bei der zweistufigen Entspannung kommt es sowohl zu einem Druckabfall an der Schnellschlussklappe als auch an der Stellklappe. Die Zwischenposition der Schnellschlussklappe und der Sperrbereich der zusätzlich zu der Schnellschlussklappe angeordneten Stellklappe sind dabei so ausgelegt, dass sich bei der zweistufigen Entspannung beide Klappen an der Grenze des Sperrbereiches befinden. Anschließend wird zur be ^¬ rechneten Zwischenposition der Schnellschlussklappe ein Off- set addiert. Über diesem Offset kann beim Schließvorgang eine Schalthysterese realisiert werden.

Berechnungen haben gezeigt, dass durch eine zweistufige Ent ^¬ spannung eine Minderung des Sperrbereichs um ca. 45 % reali- sierbar ist. Durch die Reduzierung des Sperrbereiches ergibt sich eine Erhöhung der Produktqualität bei bisher im Sperrbe ^¬ trieb betriebenen Klappen durch Verminderung des Verschleißes . Figur 2 zeigt eine Entnahmedruckregelung bei einer zweistufigen Dampfturbine. Die Dampfturbine besteht aus einem Turbi ^¬ nenteil 3 und einem Turbinenteil 4. Im Anschluss an den Tur ^¬ binenteil 3 erfolgt eine Dampfentnähme, bei der ein Massen ^¬ strom ϊΐΐ ED entnommen wird. Die Entnahme erfolgt mittels einer Entnahmedruckregelung. Hierzu ist in der Zuleitung zum Turbinenteil 4 eine Schnellschlussklappe 1 und eine zu dieser in Reihe geschaltete Stellklappe 2 angeordnet. Die Schnell ^¬ schlussklappe 1 ist mit einem Regelantrieb 8 ausgebildet, welcher in Wirkverbindung mit einer Steuer- und/oder Regel- einheit 7 steht. Durch den Regelantrieb 8 kann die Schnell ^¬ schlussklappe 1 in eine Position S3 bewegt werden, die zwi ^¬ schen der vollständig geschlossenen und der vollständig ge ^¬ öffneten Stellung der Schnellschlussklappe 1 liegt. Hierdurch kann die Schnellschlussklappe 1 als Stellklappe verwendet werden. Durch die Verwendung der Schnellschlussklappe 1 als Stellklappe kann eine zweistufige Entspannung bzw. Druckrege ^¬ lung realisiert werden. Dabei kommt es zunächst an der

Schnellschlussklappe 1 zu einem ersten Druckabfall und an der danach folgenden Stellklappe 2 zu einem weiteren Druckabfall. Durch die Verwendung der Schnellschlussklappe 1 als zusätzli ^¬ che Stellklappe ergibt sich ein deutlich höherer Regelbereich mit einer verbesserten Regelgüte (mögliche Androsselung) . Figur 3 zeigt eine Zudampfregelung einer Dampfturbine. Die

Dampfturbine kann wieder als mehrstufige Dampfturbine ausge ^¬ bildet sein. In der Figur ist jedoch nur ein erster Turbinenteil 3 dargestellt. Dem Turbinenteil 3 wird über getrennte Zuleitungen Frischdampf rh _FD und Zudampf rh _Z D zugeführt. Der Zudampf rh _Z D wird über eine Zudampfregelung geregelt. Die Zu ^¬ dampfregelung erfolgt über eine Stellklappe 2. Aus anlagenspezifischen Gründen ist der Einsatz einer Schnellschlussklappe 1 als Sicherheitsarmatur erforderlich. Diese ist der Stellklappe 2 vorangeordnet. Die Schnellschlussklappe 1 ist dabei mit einem Regelantrieb 8 verbunden, welcher es ermög ^¬ licht, die Schnellschlussklappe 1 in einer Zwischenposition S3 zwischen der vollkommen geschlossenen Position und der vollständig geöffneten Position zu halten. Durch die Zwischenposition kann in besonders vorteilhafter Weise eine Zu- dampfregelung mittels zweistufiger Entspannung erfolgen.

Durch die zweistufige Entspannung wird der Sperrbereich, welcher durch eine übergeordnete Turbinenregelung ausgeregelt werden muss, deutlich verringert. Dies führt zu einer deutli ^¬ chen Verbesserung der gesamten Regelgüte. Des Weiteren wird die Regelgüte bei höheren Druckgefällen verbessert.

Figur 4 zeigt eine Turbineneinlassarmatur für eine Dampfturbine. Die Dampfturbine kann wiederum als mehrstufige Dampf ^¬ turbine ausgebildet sein, wobei in der Figur nur ein erster Turbinenteil 3 dargestellt ist. Durch die Turbineneinlassar- matur wird der Frischdampf m _FD geregelt. Die Turbinenein- lassarmatur umfasst zwei parallel zueinander angeordnete Zweige, wobei in jedem Zweig jeweils eine Schnellschlussklap- pe 1 sowie eine Stellklappe 2 in Reihe angeordnet sind. Für das Regeln des Dampfmassenstroms des Frischdampfes m _FD beim Anfahren der Turbine ist eine relativ gute Regelgüte gefor ^¬ dert (geringe Massenströme zum Regeln der Anwärmdrehzahl und zum Synchronisieren) . Es wird daher zusätzlich ein Anfahrven- til 5 verwendet, welches zwischen den parallelen Zufuhrlei ^¬ tungzweigen angeordnet ist. Der über das Anfahrventil 5 strö ^¬ mende Massenstrom erzeugt einen Druck vor der Turbine (= Druck nach der Regeklappe) , welcher ebenfalls zur Überwindung des Sperrbereiches genutzt wird. Die Größe des Anfahrventils muss entsprechend des Sperrbereichs ausgelegt werden. Durch die Verwendung von Schnellschlussklappen, die als Stellklappen verwendet werden können, kann das Anfahrventil deutlich kleiner dimensioniert werden, wodurch sich eine erhebliche Kostenersparnis ergibt.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass durch die erfin ^¬ dungsgemäße Schnellschlussklappe, welche neben den Klappen ^¬ stellungen, komplett verschlossen und komplett geöffnet, we ^¬ nigstens eine weitere Position zulässt, die zwischen der ers- ten Position und der zweiten Position liegt, eine einfache Regelung des Massenstroms möglich ist. Hierdurch kann teilweise vollständig auf den Einsatz zusätzlicher Stellklappen verzichtet werden. Beim Einsatz zusätzlicher Stellklappen ermöglicht das regelbare Schnellschlussventil eine mehrstufige Entspannung, wodurch der Sperrbereich der Stellklappen vermindert werden kann. Erste Berechnungen zeigen, dass eine Minderung des Sperrbereichs um bis zu 45 % möglich ist. Die Ausführung der Schnellschlussklappe als regelbare Schnell ^¬ schlussklappe ist besonders dann vorteilhaft, wenn aus Si- cherheitsgründen der Einbau von Schnellschlussklappen gefordert ist. In diesem Fall kann durch die regelbaren Schnell ^¬ schlussklappen eine einfache und preiswerte zweistufige Ent ^¬ spannung realisiert werden. Das Nachrüsten der Schnell- schlussventile mit einem Verstellantrieb ist sehr einfach und preiswert .