Idee nach Feierabend

Idee nach Feierabend
 
Inhalt

November 2014

 

Um Kunden im Kraftwerksbereich mehr Sicherheit zu bieten, entwickelte ein Team bei Bosch Rexroth eine Hydraulikkomponente, die sich ständig selbst auf Funktion testet. Projektleiter Dirk Bracht berichtet über die ungewöhnliche Entwicklungsgeschichte des patentierten Self-Testing Switching System STSS.

 

Vor vier Jahren stattete unser Team ein Kraftwerk in den Niederlanden mit neuen Hydraulikkomponenten für Hochdruckdampfbypassventile aus. Nach getaner Arbeit trafen wir uns zum Abendessen, aber der „Job“ ließ uns nicht los. Im Laufe des Gesprächs sagte ein Kollege: „Eigentlich braucht unser Kunde eine viel bessere Lösung!“

In Kraftwerken kommen grundsätzlich sogenannte Bypassstationen zum Einsatz. Diese müssen hochdynamisch auf große Lastenänderungen reagieren. Wie im Fall einer Schnellabschaltung, auch „Trip“ genannt: Der Turbinen-Generatorstrang wird in weniger als einer Sekunde leistungsfrei geschaltet und der gesamte Dampfmassestrom muss um die Turbine herumgeleitet werden. Die Turbineneinlassventile müssen dazu schnell schließen und das Bypasssystem öffnen. Dieses besteht aus einem Druckreduzierventil und einer Wassereinspritzung und leitet den Dampf über ein Rohrleitungssystem zurück in den Kessel, wo er die Temperatur der Zwischenüberhitzung begrenzt.

Bisher: jährliche Prüfung

Die Hydraulik, die die Bypasssysteme öffnet, muss daher funktionieren, wenn es darauf ankommt. Solche Low-Demand-Systeme versagen jedoch häufig im Notfall durch Nichtgebrauch in der übrigen Zeit. Ein erstes Problem ist dabei das Verharzen oder Gumming: Da die Systeme in der Nähe des Kessels liegen, ist das Hydrauliköl starker Hitze ausgesetzt, altert und verklebt besonders schnell. Ein weiteres Problem ist das sogenannte Silting: Schieberventile haben immer eine kleine innere Leckage. Der Schmutz im Öl setzt sich dann im Bereich des Ventilkolbens ab, das führt zu einer Spaltmaßverringerung. Mikrone Teilchen verstopfen die verbleibende Lücke und wirken wie Keile, die bei der ersten Kolbenbewegung das Ventil endgültig festsetzen – genau in dem Moment, in dem es am dringendsten gebraucht wird.

Darum verpflichtet die Europäische Union die Kraftwerksbetreiber dazu, die Bypassklappen jährlich zu prüfen. Eine kostspielige und aufwendige Angelegenheit, denn zu den Personal-, Geräte- und Dokumentationskosten kommt die Leistungseinbuße des Kraftwerks. Zudem kann der Prüfende nur feststellen, dass das System in diesem Augenblick funktioniert, Zukunftsaussagen sind nicht möglich.

Die Kernkomponenten des STSS: hydraulische Sicherheitsblöcke und Controller.

Die Kernkomponenten des STSS: hydraulische Sicherheitsblöcke und Controller.

 

Neue Idee: alle 20 Minuten ein Test

Unsere Runde nach Feierabend hatte daher die Idee: Warum bauen wir nicht ein Hydrauliksystem, das sich ständig selbst testet? Wir zeichneten einen groben Schaltplan und weitere Skizzen auf Bierdeckel und den Block des Wirtes. Vier Stunden später gingen wir auseinander, mit diesem Heureka-Gefühl, das man sich als Ingenieur sehnlich wünscht, aber nur selten erlebt.

Unser Self-Testing Switching System STSS verfolgt diesen völlig neuen Ansatz. Die Kombination von Hydraulik, Sensorik, Elektronik und Software überwacht sich kontinuierlich selbst und dokumentiert das auch. Der Betreiber kann so jederzeit kontrollieren, ob seine Sicherheitseinrichtungen einwandfrei funktionieren. Da das STSS nur noch Sitzventile und keine Schieberventile mehr nutzt, gibt es keinen Leckagestrom und Silting ist ausgeschlossen. Um Gumming vollständig zu verhindern, sitzen zwei Ventile in einer Reihe im selben Ölpfad. Um eine Bewegung zu vermeiden, öffnet das System in einem gewünschten Prüfintervall immer nur ein Ventil. Die aktiv schaltende Logik entnimmt dem Zylinder dabei eine kleine Menge Öl von der Hochdruckseite, dieselbe Menge Öl fließt auf die Niederdruckseite zurück. Bei einem Intervall von 20 Minuten wird so das Öl im Laufe von vier bis acht Wochen komplett ausgetauscht.

Auf die Verschlusssicherheit des Dampfventils wirkt sich das nicht negativ aus. Das System wird vor der Prüfung vollständig gegenüber dem Versorgungsdruck abgesperrt. Die entnommene Ölmenge aus dem Kompressionsvolumen des Systems ist so gering, dass sie sich nicht auf die Schließkraft auswirkt. Unmittelbar nach dem Test wird das dafür benötigte Öl wieder ersetzt. Zudem ist es flexibel an beliebige Zylinder-Dampfventilkombinationen anpassbar und das Verbrauchsvolumen lässt sich in vier Stufen beeinflussen. Dadurch kann das STSS immer mit zwei Drittel mehr Verschlussdruck arbeiten, als für ein dichtes Schließen nötig ist. Es gibt also mehr als genug Spielraum.

Versuchsanlage des STSS: Näherungssensoren erfassen die Position des Steuerkolbens im Cartridge-Ventil, aufgebaut auf einem Zylinder.

Versuchsanlage des STSS: Näherungssensoren erfassen die Position des Steuerkolbens im Cartridge-Ventil, aufgebaut auf einem Zylinder.

 

Das System ist so aufgebaut, dass es fehlertolerant arbeitet. Sollten die Tests einmal ergeben, dass es nicht optimal funktioniert, zum Beispiel aufgrund einer ausgefallenen Spule, meldet dies das System. Das STSS lässt sich zudem während des laufenden Betriebs warten, ohne das Sicherheitslevel des Gesamtsystems zu beeinträchtigen. Dafür sorgt eine separate Sicherheits-SPS, die den Strom im Störungsfall sicher abschaltet – und das Dampfventil sicher öffnet.

Da das STSS redundant ist und sich kontinuierlich selbst testet, kann es in Sicherheitskreisen bis SIL 3 eingesetzt werden. Dadurch bleibt die SIL-3-Fähigkeit für bis zu sechs Jahre erhalten. Für ein solches System fallen keine Zusatzkosten an und die eingesparten Prüfkosten amortisieren es sogar vollständig innerhalb des ersten Prüfintervalls.

Sicherheit ist überall ein gefragtes Gut

Kurze Zeit nach unserem Treffen machte ich mich an die Recherche, ob bereits jemand dieselbe Idee hatte. Irgendwann kam der Moment der Gewissheit: Wir sind die Ersten! Nach drei Jahren Entwicklung, auch in Partnerschaft mit anderen Firmen, wurde das STSS offiziell zur Power-Gen 2014 in Köln vorgestellt. Ursprünglich für Bypassventile in Kraftwerken entwickelt, hat sich das mögliche Einsatzspektrum enorm erweitert: Überall dort, wo Sicherheit und sichere Funktion eine herausragende Rolle spielen, kann das STSS seinen Beitrag dazu leisten.

 
 

Autore

Dirk Bracht

Vertrieb Branche Energietechnik
Bosch Rexroth AG
Lohr am Main, Deutschland