Das VTUR Turbine Specific Primary Trip-System ist eine zentrale Schutzkomponente des Mark VI-Gas- und Dampfturbinen-Steuerungssystems und dient als erste Verteidigungslinie zur Gewährleistung des sicheren Betriebs von Turbineneinheiten. Die IS200VTURH1B ist eine wichtige Anschlussplatine in diesem System und fungiert als Schnittstellen-Hub zwischen der Haupt-VTUR-Steuerplatine und Feldsensoren/-aktoren. Es ist für die Zusammenfassung kritischer Signale wie Geschwindigkeit, Spannung und Flammenstatus sowie für die Ausführung von Auslöse- und Synchronisierungsbefehlen der Steuerung verantwortlich. Dieses System ist für seine hohe Zuverlässigkeit, schnelle Reaktion und umfassende Diagnose bekannt und wird häufig in der Energie- und Industriebranche eingesetzt, wo höchste Sicherheitsstandards erforderlich sind.
2. Kernfunktionen und detaillierte Prinzipien
Die IS200VTURH1B-Klemmenplatine arbeitet mit der VTUR-Hauptplatine zusammen, um ein mehrschichtiges, redundantes Schutz- und Steuerungssystem für Turbinen zu implementieren.
2.1 Primärer Übergeschwindigkeitsschutz und Geschwindigkeitsmessung
Dies ist die kritischste Schutzfunktion des VTUR-Systems. Sie soll verhindern, dass die Turbinengeschwindigkeit die mechanischen Konstruktionsgrenzen überschreitet und einen katastrophalen Ausfall verhindert.
Technisches Prinzip:
Signalerfassung: Das System wird über die IS200VTURH1B-Klemmenplatine mit vier unabhängigen passiven magnetischen Geschwindigkeitsaufnehmern verbunden. Diese Sensoren sind neben einem Drehzahlrad mit 60 Zähnen montiert, das sich mit der Turbinenwelle dreht. Der Wechsel von Zahn und Lücke verändert den magnetischen Fluss und erzeugt ein Wechselspannungssignal mit einer Frequenz proportional zur Geschwindigkeit. Dieses Design ist vorteilhaft, da es keine externe Stromversorgung benötigt, robust ist und eine hohe Störfestigkeit aufweist.
Signalverarbeitung: Die schwachen Sinussignale der Sensoren werden über abgeschirmte Kabel an den IS200VTURH1B und dann an die VTUR-Hauptplatine übertragen. Der VTUR enthält Impulsfrequenz für digitale Schaltkreise, die zunächst das Signal filtern (Hochfrequenzrauschen entfernen), es klemmen (die Spannungsamplitude begrenzen, um nachfolgende Schaltkreise zu schützen) und eine Wechselstromkopplung anwenden (Gleichstromversatz entfernen). Ein Schmitt-Trigger wandelt dann die Sinuswelle in eine Rechteckimpulsfolge um, wobei jeder Impuls den Durchgang eines Zahns darstellt.
Geschwindigkeitsberechnung und Abstimmung: Der Controller (VCMI) berechnet die Echtzeitgeschwindigkeit (RPM) durch Messung der Pulsfrequenz. In einem TMR-System (Triple Modular Redundant) berechnen drei Controller-Module die Geschwindigkeit unabhängig voneinander, und es wird eine Mittelwertauswahl durchgeführt – der Mittelwert der drei Messwerte wird als endgültige gültige Geschwindigkeit für Steuerung und Schutz verwendet. Dieser Mechanismus kann einen Ausfall eines einzelnen Moduls oder Sensors tolerieren und so die Systemzuverlässigkeit erheblich verbessern.
Logik für Übergeschwindigkeitsauslösung: Die primäre Berechnung der Übergeschwindigkeitsauslösung wird hauptsächlich in der Steuerung durchgeführt. Der Controller vergleicht die gewählte mittlere Geschwindigkeit mit einem voreingestellten Übergeschwindigkeits-Auslösesollwert. Sobald die Geschwindigkeit den Sollwert überschreitet, generiert die Steuerung sofort ein Auslösesignal. Dieses Signal wird an die VTUR-Platine gesendet, die dann die primären Auslöserelais auf der TRPx-Auslöseklemmenplatine ansteuert. Diese Relais steuern den Stromkreis der Notauslösemagnetventile (ETDs). Die Abschaltung des Relais führt dazu, dass das Magnetventil Druck ablässt, wodurch das mechanische Hydrauliksystem veranlasst wird, die Kraftstoff- oder Dampfventile der Turbine schnell zu schließen und so eine Abschaltung zu bewirken.
2.2 Schnelle Übergeschwindigkeitsauslösung
Bei Anwendungen wie Gasturbinen, die eine extrem schnelle Reaktion erfordern, ist der standardmäßige primäre Übergeschwindigkeitsschutz möglicherweise nicht schnell genug. Daher verfügt VTUR über einen Fast Overspeed Trip-Algorithmus, der direkt auf der VTUR-Hardware läuft, den Controller umgeht und die Auslösereaktionszeit auf 30 Millisekunden oder weniger reduziert.
Technisches Prinzip:
PR_Single (Pulse Rate – Single): Dieser Algorithmus teilt zwei redundante Geschwindigkeitssensorsignale auf zwei redundante VTUR-Karten auf. Jede Platine nutzt ihr einzelnes Sensorsignal, um eine unabhängige Entscheidung über die Übergeschwindigkeit zu treffen. Das System bleibt nur dann betriebsbereit, wenn keine der beiden Platinen eine Auslösung auslöst. Dies sorgt für Redundanz sowohl auf Sensor- als auch auf VTUR-Platinenebene und ist der bevorzugte Algorithmus für Gasturbinen der LM-Serie.
PR_Max (Pulsrate – Maximum): Dieser Algorithmus verbindet zwei redundante Geschwindigkeitssensorsignale mit einer einzigen VTUR-Karte. Das Board vergleicht kontinuierlich die Geschwindigkeitswerte und verwendet zur Beurteilung der Übergeschwindigkeit immer die höhere der beiden Geschwindigkeiten. Diese Methode schützt effektiv vor Auslösefehlern im Falle eines „Wellenbruchs“ oder einer starken Verzögerung, bei der ein Sensorsignal ausfällt oder fälschlicherweise abfällt, und vermeidet gleichzeitig störende Auslösungen aufgrund eines einzelnen Sensorfehlers.
Algorithmusoptionen: VTUR bietet zwei Schnellauslösealgorithmen.
Hardware-Verriegelung: Das Schnellauslösesignal wird über dedizierte Ausgänge (PTR1 bis PTR6) auf der VTUR-Platine ausgegeben und über eine ODER-Gatter-Logik mit dem primären Auslöserelaiskreis verbunden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Auslöserelais unabhängig davon aktiviert werden, ob die Standard-Primärauslösung ODER die Schnellauslösung ausgelöst wird.
2.3 Überwachung der Wellenspannung und des Wellenstroms
Diese Funktion schützt die Lager des Turbinengenerators vor Schäden durch elektrische Erosion, die durch Wellenströme verursacht werden.
Technisches Prinzip:
AC-Test: Wird vom R-Controller initiiert und speist ein 1-kHz-Testsignal in den Wellenspannungsmesskreis ein. Die fehlerfreien S- und T-Controller sollten diesen spezifischen Frequenzversatz erkennen. Dieser Test überprüft die Integrität des gesamten Stromkreises vom VTUR bis zum Messpunkt.
DC-Test: Wird ebenfalls vom R-Controller initiiert, legt er eine 5-V-DC-Spannung an die externe Welle-Erde-Schleife an und misst den resultierenden DC-Strom. Durch die Berechnung des Schleifenwiderstands kann das System feststellen, ob der Bürstenkontaktwiderstand ( Brush Limit ) und die Shunt-Schleife ( Shunt Limit ) im normalen Bereich liegen. Ein zu hoher Widerstand weist typischerweise auf Bürstenverschleiß, schlechten Kontakt oder einen offenen Stromkreis hin.
Phänomen und Gefahr: Während des Turbinenbetriebs kann sich an der Rotorwelle aufgrund von Dampfaufladung (Auftreffen von Wassertropfen auf die Schaufeln), Welligkeit des Generatorfelds oder Asymmetrie des Magnetkreises eine Spannung gegenüber der Erde aufbauen. Wenn diese Spannung so stark ansteigt, dass der Ölfilm des Lagers zerstört wird, kommt es zu sofortigen Entladungsströmen, die zu elektrischer Erosion an Lagerlaufflächen und -kugeln führen (sogenanntes Frosting), was letztlich zum Ausfall des Lagers führt.
Überwachungssystem: Auf der Welle installierte Kohlebürsten leiten die Wellenspannung zur Klemmenleiste VTURH1B. Das System überwacht sowohl die Welle-Erde-Spannung als auch den durch die Bürsten fließenden Wellenstrom (gemessen über den Spannungsabfall an einem Präzisions-Shunt-Widerstand). VTUR verwendet hochohmige Instrumentierungsschaltkreise, um sicherzustellen, dass das ursprüngliche Wellenerdungssystem nicht beeinträchtigt wird.
Selbstdiagnosetests:
2.4 Flammenerkennung
Bei Gasturbinenanwendungen arbeitet VTUR mit der TRPG-Karte zusammen, um bis zu acht Geiger-Müller-Flammendetektoren zu überwachen.
Technisches Prinzip:
Detektorbetrieb: Wenn keine Flamme vorhanden ist, lädt sich der interne Kondensator des Detektors auf die Versorgungsspannung von 335 V DC auf. Wenn ultraviolette Strahlung vorhanden ist, ionisiert das Gas im Detektor, wodurch sich der Kondensator schnell über die TRPG-Platine entlädt.
Signalverarbeitung: VTUR und TRPG wandeln jedes Entladungsereignis in einen Spannungsimpuls um. Eine höhere Flammenintensität führt zu einer höheren Entladungsfrequenz mit einem Impulsfrequenzbereich von 0 bis 1000 Impulsen pro Sekunde. VTUR zählt die Impulse über ein 40-Millisekunden-Fenster und vergleicht die Impulsrate mit einem Sollwert, um das Vorhandensein und die Intensität der Flamme zu bestimmen. Die Spannungsimpulse werden auf alle drei Reglermodule (R, S, T) aufgefächert, wodurch ein redundanter Schutz gewährleistet ist.
2.5 Automatische Synchronisierung
Diese Funktion passt den Zustand des Generators automatisch an das Stromnetz an, um eine reibungslose, stoßfreie Verbindung (Schließen des Hauptleistungsschalters) zu gewährleisten.
Technisches Prinzip:
K25P (Synchronizing Sequence Permissive): Von VTUR aus wird geprüft, ob der Turbinen-eigene Sequenzstatus eine Synchronisierung zulässt.
K25 (Auto-Sync-Relais): Von VTUR verwendet es Nullspannungsdurchgangstechniken und gleicht die Schließzeit des Leistungsschalters aus. Es sagt den genauen Zeitpunkt zum Schließen des Leistungsschalters voraus, sodass die Kontakte schließen, wenn die Phasendifferenz nahe Null ist, und berücksichtigt so die mechanische Verzögerung.
K25A (Sync Check Relay): Von der VPRO-Schutzplatine aus fungiert es als unabhängiges Backup. Es prüft anhand eines festen Synchronisationsfensters (typischerweise ±10° Phasendifferenz, ±0,27 Hz Frequenzdifferenz). Seine Kontakte schließen nur, wenn alle Parameter innerhalb dieses Fensters liegen.
Signaleingang: Generator- und Busspannungen werden über zwei Sätze einphasiger Potenzialtransformatoren (PTs) eingespeist und zur Messung auf der VTURH1B-Platine auf ca. 115 V AC-Signale heruntertransformiert.
Synchronisierungsprozess:
Triple Permissive & Breaker Shutdown: Die Ausgabe des automatischen Schließbefehls erfordert die gleichzeitige Erlaubnis von drei unabhängigen Funktionen:
Schließung und Rückmeldung: Wenn alle drei Freigaben erfüllt sind, gibt VTUR den Schließbefehl an den Hauptgeneratorschalter aus. Ein 52G/a-Hilfskontakt vom Leistungsschalter selbst (kein Zwischenrelais) gibt die tatsächliche Schließzeit an das System zurück und dient zur Optimierung zukünftiger Schließvorhersagen.
Frequenzanpassung (Geschwindigkeitsanpassung): VTUR vergleicht Generator- und Busfrequenzen und generiert Geschwindigkeitsbefehle zum „Erhöhen“ oder „Verringern“, die über die Steuerung an das Reglersystem gesendet werden, um die Generatorgeschwindigkeit synchron mit dem Netz anzupassen.
Spannungsanpassung (Erregungsanpassung): VTUR vergleicht Generator- und Busspannungen und sendet Befehle über das UDH-Netzwerk an das EX2000-Erregungssystem, um den Generatorfeldstrom anzupassen und die Spannung an das Netz anzupassen.
Phasensynchronisation: VTUR erfasst präzise die Nulldurchgangspunkte der Generator- und Busspannungswellenformen und berechnet in Echtzeit die Phasendifferenz zwischen ihnen.
3. Hardwareschnittstelle und Installation
4. Diagnose und Wartung
Das VTUR-System verfügt über eine umfassende Online-Diagnose.
LED-Anzeige auf der Vorderseite: RUN (Betrieb – blinkt grün), FAIL (Fehler – leuchtet rot), STATUS (Normal – aus, Diagnosealarm – leuchtet orange).
Wichtige Diagnoseelemente:
Nichtübereinstimmung zwischen Relaistreiber und Rückmeldung: Vergleicht das Befehlssignal des Auslöserelais mit seinem tatsächlichen Rückmeldungszustand.
Magnetstrom fehlt: Überwacht den Strom des Auslösekreises auf der TRPx-Platine.
Spannung des Flammenmelders abnormal: Überwacht, ob die 335-V-Gleichstromversorgung innerhalb der Toleranz liegt (314,9 V – 355,1 V).
Synchronisierungsrelais langsam oder blockiert: Überwacht den Betätigungszeitpunkt der Relais K25, K25A und K25P.
Identifizierung der Klemmenplatine: Liest den ID-Chip auf Klemmenplatinen (z. B. TTURH1B), um die Hardwarekompatibilität und den korrekten Anschluss zu überprüfen und so Fehlkonfigurationen zu verhindern.
Fehlerbehandlung: Alle Diagnoseinformationen lösen einen zusammengesetzten L3DIAG_VTUR-Alarm aus. Spezifische Fehlercodes und mögliche Ursachen können auf dem HMI angezeigt werden, sodass das Wartungspersonal das Problem schnell lokalisieren kann.
