Überwachungsvorrichtung für eine Stellvorrichtung in der Zu¬ führung des Antriebsmediums einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine

Turbinen weisen Stellvorrichtungen auf, womit die Zuführung des Antriebsmediums der Turbine geregelt wird. Die Stellvor¬ richtungen enthalten in aller Regel ein Stellelement für das Antriebsmedium, insbesondere ein Stellventil, und einen dazu¬ gehörigen Stellungsregelkreis für das Stellelement. Störungen insbesondere im Stellungsregelkreis für das Stellelement müs¬ sen schnell und sicher erkannt werden. Dies trifft insbeson¬ dere für Gasturbinen zu. Da diese vielfach in einem Arbeits- punkt betrieben werden, in dem die Grenzbelastbarkeit der

Turbinenwerkstoffe und die Grenzleistungsfähigkeit des Ver¬ dichters, die sogenannte Pumpgrenze, nahezu erreicht ist, muß eine präzise Regelbarkeit der Turbine über das entsprechende Stellelement jederzeit gewährleistet sein. Störungen am Stellelement oder dem dazugehörigen Stellungsregelkreis müs¬ sen sofort erkannt und gegebenenfalls durch einen u.U. ma¬ nuellen Eingriff in die Regelung ausgeglichen werden. An¬ dernfalls können dauerhafte Beschädigungen an der Turbine auftreten.

Störungen der Stellvorrichtung für das Turbinenantriebsmedium können verschiedene Ursachen haben. Zum einen kann z.B. durch einen Ausfall des Stellungsreglers das für das Stellelement vorgesehene Stellsignal am Ausgang des Stellungsreglers feh- len. Andererseits kann der dem Stellungsregler zugeführte

Stellungsistwert z.B. wegen eines Defekts des Positionsgebers am Stellelement fehlen. Schließlich können auch Störungen im Inneren des Stellelements selbst vorliegen, z.B. mechanische Verklemmungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Überwachungsschaltung anzugeben, womit das Auftreten von

Störungen der Stellvorrichtung schnell und sicher erkannt werden kann.

Die Aufgabe wird gelöst mit einer Überwachungsvorrichtung gemäß dem Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird an Hand von in den nachfolgend kurz ange¬ führten Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher er- läutert. Dabei zeigt

FIG 1: eine prinzipielle Darstellung der Stellvorrichtung für eine Turbine mit Stellungsregler und Stellele¬ ment, und ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung,

FIG 2 : das Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer logischen Auswerteschaltung in der erfindungs¬ gemäßen Überwachungsvorrichtung,

FIG 3: eine weitere, vorteilhafte zweikanalige Ausführung der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung.

Im Übersichtsschaltbild der Figur 1 ist unter dem Bezugs- zeichen 24 beispielhaft eine Prinzipdarstellung einer Gastur¬ bine dargestellt. Diese weist eine Brennkammer 27 auf, die über eine Zuführung 32 mit einem Antriebsmedium versorgt wird, d.h. einem Verbrennungsgas . Der Brennkammer 27 wird von der linken Seite zusätzlich über eine Zuführung 25 und einen Verdichter 26 Verbrennungsluft zugeführt. Auf der rechten

Seite der Brennkammer 27 schließt sich der eigentliche Turbi¬ nenteil 28 an, welcher quasi mit dem Gasaustritt 29 endet. Verdichter 26 und Turbinenteil 28 sind in aller Regel über eine Turbinenwelle 30 mit einem Generator 31 verbunden.

In der Zuführung 32 ist eine Stellvorrichtung 39 für das An¬ triebsmedium der Turbine angeordnet. Diese enthält ein Stell¬ element 33 für das Antriebsmedium, insbesondere ein Hydrau¬ likventil, und einen hydraulischen oder elektrischen Stell- antrieb 35 für das Stellelement 33.

Ein Stellungsregelkreis erzeugt ein Stellsignal 13, welches auf den Stellantrieb 35 der Stellvorrichtung 39 einwirkt. Der Stellungsregelkreis enthält einen Stellungsregler 34, dem die Abweichung eines am Ventil 33 für die Gaszufuhr 32 der Gas¬ turbine 24 abgegriffenen Stellungsistwertes 1 und eines Stel¬ lungssollwertes 36 zugeführt wird. Am Ausgang des Stellungs¬ reglers 34 wird schließlich ein Stellsignal 13 für das Stell¬ ventil 33 gebildet.

Die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung 37 für die aus dem Stellungsregelkreis und dem Stellelement 39 bestehende Stellvorrichtung weist einen Signalumformer 2 auf, welcher über ein zumindest differenzierendes Übertragungsverhalten verfügt, d.h. zumindest ein sogenanntes DTl-Verhalten. Dem Signalumformer 2 wird der Stellungsistwert 1 am Ausgang des Stellelementes 35 als Eingangsgröße zugeführt. Die erfin¬ dungsgemäße Überwachungsvorrichtung 37 enthält weiterhin eine logische Auswerteschaltung 38. Dieser werden zumindest das Signal 6 am Ausgang des Signalumformers 2 und das für das

Stellelement 35 in der Stellvorrichtung 39 bestimmte Stell¬ signal 13 zugeführt. Die logische Auswerteschaltung 38 er¬ zeugt erfindungsgemäß durch einen Vergleich der beiden Ein¬ gangssignale 1 und 13 zumindest dann ein Storungsmeldesignal 18 am Ausgang, wenn trotz Vorliegen eines Stellsignales 13 das Signal 6 am Ausgang des Signalumformers 2 keinen merk¬ lichen Betrag aufweist. Auf diese Weise kann eine Divergenz zwischen Stellsignal 13 und Stellungsistwert 2 schnell und sicher erkannt werden.

Wird von der Überwachungsvorrichtung 37 z.B. das Auftreten eines Stellsignals 13 ohne eine entsprechende Änderung des Stellungsistwertes 1, detektiert durch ein Ausgangssignal 6 am Signalumformer 2, erkannt, so wird ein Storungsmeldesignal 18 abgegeben.

Bei einer weiteren, in der Figur 2 dargestellten Ausführung der Erfindung weist die logische Auswerteschaltung 38 als weitere Elemente einen ersten und eine zweiten Minimalwert- detektor 7 und 14 auf. Dabei wird dem ersten Minimalwert¬ detektor 7 das Signal 6 am Ausgang des Signalumformers 2 zu¬ geführt. Der Minimalwertdetektor 7 gibt am Ausgang mindestens ein aktives erstes binäres Signal 8 aus, wenn das zugeführte Signal 6 einen Betrag aufweist, der größer als ein erster Mi- nimalwert ist. In der Praxis kann als erster Minimalwert vor¬ teilhaft eine Schwelle in der Größe von ca. 5% des Meßbe¬ reiches vorgegeben werden. Dem zweiten Minimalwertdetektor 14 wird das für die Stelleinrichtung 39 bzw. dessen Stellantrieb 35 bestimmte Stellsignal 13 zugeführt. Der Minimalwertde- tektor 8 gibt am Ausgang mindestens ein aktives zweites bi¬ näres Signal 9 aus, wenn das zugeführte Stellsignal 13 einen Betrag aufweist, der größer als ein zweiter Minimalwert ist. In der Praxis kann als zweiter Minimalwert vorteilhaft eine Schwelle in der Größe von ca. 25% des Meßbereiches vorgegeben werden. Eine auf die beiden Minimalwertdetektoren 7 und 8 folgende logische Vergleichsschaltung 17, erzeugt zumindest dann ein Storungsmeldesignal 18, wenn das erste binäre Signal 8 inaktiv und das zweite binäre Signal 9 aktiv ist.

Im Beispiel der Figur 2 enthält die logische Vergleichsschal¬ tung 17 zumindest ein logisches UND-Gatter, dem das erste bi¬ näre Signal 8 am Ausgang des ersten Minimalwertdetektors 7 in invertiert Form und das zweite binäre Signal 9 am Ausgang des zweiten Minimalwertdetektors 8 in unveränderter Form zuge- führt werden.

Ein Stellsignal 13 mit einer über einem Grundrauschen liegen¬ den, ausreichenden Größe wird durch ein aktives zweites binä¬ res Signal detektiert. Am Ausgang des logischen UND-Gatters 17 der logischen Vergleichsschaltung erscheint somit dann ein aktives Storungsmeldesignal 18, wenn in einem solchen Fall die Detektion des Ausbleibens einer Änderung des Stellungs¬ istwertes 1 einen inaktiven Zustand des ersten binären Sig¬ nals 8 verursacht.

Weitere, vorteilhafte Ergänzungen der erfindungsgemäßen Über¬ wachungsvorrichtung werden nachfolgend an Hand der in Figur 3 dargestellten Schaltung näher erläutert.

Bei einer vorteilhaften, weiteren Ausführung der Erfindung weist die logische Auswerteschaltung 38 der Überwachungsvor¬ richtung zwei getrennte Überwachungskanäle für eine getrennte Überwachung der Stellvorrichtung 39 bei einer positiven Stellbewegung in Richtung auf den geöffneten bzw. einer nega¬ tiven Stellbewegung in Richtung auf den geschlossenen Zustand auf. Im Beispiel der Figur 3 ist eine derartige Ausführung bereits dargestellt, wobei der Signalkanal für positive Stellbewegungen mit dem Bezugszeichen 40 bzw. der Signalkanal für negative Stellbewegungen mit dem Bezugszeichen 42 verse¬ hen ist. Am Ausgang der logischen Vergleichsschaltung 17 wer- den dann aus diesen Signalkanälen ein erstes logisches Melde¬ signal 41 bei Vorliegen einer positiven Stellbewegung des Stellelements und ein zweites logisches Meldesignal 43 bei Vorliegen einer negativen Stellbewegung des Stellelements er¬ zeugt. Die beiden logischen Meldesignale 41,43 am Ausgang der Überwachungskanäle 40,42 werden schließlich über ein logi¬ sches Gatter, insbesondere ein logisches ODER-Gatter 21, zur Bildung des Störungsmeldesignales 18 zusammengefaßt.

Es ist vorteilhaft, wenn bei dieser Ausführung der Erfindung beide Minimalwertdetektoren 7 bzw. 14 jeweils einen zweika- naligen, je ein Paar von binären Signalen 81,82 bzw. 91,92 bereitstellenden Ausgang aufweisen. So sind die binären Sig-

nale 81 bzw. 91 am Ausgang des Minimalwertdetektors 7 bzw. 14 aktiv, wenn durch Überschreitung eines positiven Schwellwer¬ tes von z.B. > 5% eine positive Änderung 6 des Stellungsist¬ wertes und durch Überschreitung eines positiven Schwellwertes von z.B. > 25% eine positive Änderung des Stellsignales 13 für den Stellantrieb detektiert wird. Andererseits sind die binären Signale 82 bzw. 92 am Ausgang des Minimalwertdetek¬ tors 7 bzw. 14 aktiv, wenn durch Unterschreitung eines nega¬ tiven Schwellwertes von z.B. > -5% eine negative Änderung 6 des Stellungsistwertes und durch Unterschreitung eines nega¬ tiven Schwellwertes von z.B. > -25% eine negative Änderung des Stellsignales 13 für den Stellantrieb detektiert wird.

Die beiden Minimalwertdetektoren 7,14 erzeugen somit jeweils ein Paar von ersten und zweiten binären Signalen 81,82 bzw. 91,92, wobei jeweils ein Signal eines jeden Paares, im Bei¬ spiel der Figur 3 die Signale 81 und 91, bei einer Bewegung des Stellelementes 39 in Richtung auf den geöffneten Zustand und jeweils die anderen Signale der Paare, im Beispiel der Figur 3 die Signale 82 und 92 bei einer Bewegung des Stell¬ elementes 39 in Richtung auf den geschlossenen Zustand aktiv sind. Vorteilhaft werden die bei einer Bewegung des Stellele¬ mentes 39 in Richtung auf den geöffneten Zustand aktiven Sig¬ nale 81 und 91 ersten logischen Vergleichsmitteln 44 zuge- führt, welche im ersten Überwachungskanal 40 in der logischen

Vergleichsschaltung 17 angeordnet sind. Diese schalten die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung bei positiver Stell¬ richtung für die Erzeugung eines Störungsmeldesignales 18 frei. Ferner werden in der vorteilhaften Schaltung der Figur 3 die bei einer Bewegung des Stellelementes 39 in Richtung auf den geschlossenen Zustand aktiven Signale 82 und 92 zwei¬ ten logischen Vergleichsmitteln 45 zugeführt, welche im zwei¬ ten Überwachungskanal 42 in der logischen Vergleichsschaltung angeordnet sind. Diese schalten die erfindungsgemäße Über- wachungsvorrichtung bei negativer Stellrichtung für die Er¬ zeugung eines Störungsmeldesignales 18 frei.

Gemäß einer weiteren, im Beispiel der Figur 3 ebenfalls be¬ reits dargestellten Ausführung enthält die erfindungsgemäße ÜberwachungsVorrichtung Mittel 10 zur Detektion des Er- reichens einer Endstellungen des Stellelementes 39 im geöff- neten und geschlossenen Zustand. Im Beispiel der Figur 3 wird hierzu der Stellungsistwert 1 des Stellelements 33 von den Mitteln 10 ausgewertet. Die Mittel 10 sperren die ersten lo¬ gischen Vergleichsmittel 44 für die Erzeugung eines Störungs¬ meldesignales 18, wenn die Endstellung des Stellelementes 33 im geöffneten Zustand erreicht ist, d.h. das Stellelement voll geöffnet am positiven Anschlag ist. Die Mittel 10 weisen hierzu einen Komparator 101 auf, der ein die ersten logischen Vergleichsmittel 44 sperrendes inaktives Signal abgibt, wenn der Stellungsistwert 1 des Stellelements 33 einen Wert von z.B. 98 % des Stellbereiches überschritten hat. Ferner sper¬ ren die Mittel 10 die zweiten logischen Vergleichsmittel 45 für die Erzeugung eines Störungsmeldesignales 18, wenn die Endstellung des Stellelementes 33 im geschlossenen Zustand erreicht ist, d.h. das Stellelement voll geschlossen am nega- tiven Anschlag ist. Die Mittel 10 weisen hierzu einen weite¬ ren Komparator 102 auf, der ein die zweiten logischen Ver¬ gleichsmittel 45 sperrendes inaktives Signal abgibt, wenn der Stellungsistwert 1 des Stellelements 33 einen Wert von z.B. 2% des Stellbereiches unterschritten hat.

Vorteilhaft weist die logische Vergleichsschaltung 17 Verzö¬ gerungsmittel auf, welche ein Storungsmeldesignal 18 erst nach Ablauf einer vorgegebenen Verzögerungszeit freigeben, und andernfalls ein Storungsmeldesignal 18 am Ausgang der Überwachungsvorrichtung 37 unterdrücken, wenn dieses vor Ab¬ lauf der Verzögerungszeit inaktiv geworden ist. Im Beispiel der Figur 3 enthalten die Verzögerungsmittel einstellbare binäre Zeitelemente 22,23, von denen je eines in den ersten logischen Vergleichsmitteln 44 des ersten Signalkanals 40 und eines in den zweiten logischen Vergleichsmitteln 45 des zwei¬ ten Signalkanals 42 angeordnet ist. Im Beispiel der Figur 3

enthalten die logischen Vergleichsmittel 44 bzw. 45 an den Eingängen jeweils ein logisches UND-Glied 19 bzw. 20, womit die binären Signale 81,91 bzw. 82,92 von den Minimalwertde¬ tektoren 7 bzw. 14 zusammengefaßt werden.