Leckagearme Turbinenhydraulik und sicherer Notschluss
Turbinenverstellungen in Wasserkraftanlagen erfolgen meist über Hydraulikzylinder, die von einem Hydraulikaggregat angesteuert werden. Eine besondere Bedeutung hat dabei der Notschluss – das kontrollierte und meist schnellere Schließen der Turbine im Störungsfall. Die dafür notwendige Energie kann beispielsweise durch ein Schließgewicht, das auf den Schließzylinder wirkt, oder durch einen hydraulischen Blasenspeicher bereitgestellt werden.
Im gezeigten Beispiel sind beide Techniken Speicher und Schließgewicht redundant ausgeführt:
Wie erkennt man ein gutes Hydraulikaggregat?
Ein wesentliches Qualitätsmerkmal – die Güte – eines Hydraulikaggregats ist seine Fähigkeit, bei geringer oder fehlender Regelbewegung den Hydraulikdruck möglichst lange zu halten.
Ein gutes Aggregat hält seinen Druck ohne Regelbewegung über viele Stunden, ohne dass die Hydraulikpumpe immer wieder anlaufen und den Blasenspeicher nachladen muss.
Genau hier liegt eine interessante konstruktive Herausforderung.
Es gibt zahlreiche Ausführungen und Lösungsansätze, um eine möglichst hohe Dichtheit des Systems zu erreichen. Eine häufige Ursache für Druckverluste sind dabei Druckminderventile, die überschüssiges Öl beziehungsweise Druck über eine Rückleitung zum Tank ableiten.
In diesem Beitrag zeigen wir Hydraulikschaltungen, die im Prinzip ähnlich aufgebaut sind und mit denen sich eine sehr hohe Druckhaltefähigkeit erreichen lässt. Dabei spielt es grundsätzlich keine Rolle, ob für die Turbinenregelung Schaltventile oder ein Proportionalventil eingesetzt werden.
Beispiel: Hydraulikaggregat einer Kaplan-Turbine
Im folgenden Hydraulikplan ist ein Aggregat für eine Kaplan-Turbine mit Leit- und Laufradverstellung dargestellt.
Das gleiche Grundprinzip könnte beispielsweise auch für die Leitradverstellung von zwei Francis-Turbinen eingesetzt werden.
Die Hydraulikpumpe lädt den Blasenspeicher innerhalb eines Arbeitsbereichs von 150 bis 180 bar. Ein Überdruckventil direkt an der Pumpe begrenzt den maximalen Systemdruck auf 200 bar.
Druckminderventil ohne Rückleitung zum Öltank
Und jetzt wird es interessant. Das Druckminderventil Nr. 180 begrenzt den einstellbaren Druck für die Turbinenverstellung auf 100 bar.
Die Besonderheit: Dieses Druckminderventil besitzt keinen Überdruckabgang zum Öltank.
Bei konventionellen Lösungen ist eine solche Verbindung zum Tank vorhanden – und damit entsteht gleichzeitig eine Stelle für eine geringe permanente Leckage.
Bei der hier gezeigten Lösung wird dagegen der Leitungsdruck im Strang begrenzt, ohne ständig Öl zum Tank abzuleiten.
Das trägt wesentlich dazu bei, dass der Druck im Blasenspeicher über lange Zeit erhalten bleibt.
Notschlussventile
Die Ventile Nr. 190 sind für den Notschluss verantwortlich.
Im normalen Regelbetrieb sind diese Ventile elektrisch angezogen und sperren. Wird die Notabschaltkette ausgelöst, fallen die Ventile ab und der Notschluss wird eingeleitet.
Damit steht die im Blasenspeicher gespeicherte hydraulische Energie unmittelbar für das sichere Schließen der Turbine zur Verfügung.
Sperrventil Nr. 200 – die Ölmenge für den Notschluss sichern
Ein weiteres besonderes Bauteil dieser Schaltung ist das Sperrventil Nr. 200.
Es erfüllt zwei wichtige Aufgaben.
Im normalen Betrieb verhindert es eine mögliche Leckage in Richtung des Schieber- beziehungsweise Proportionalventils Nr. 240, das für die eigentliche Turbinenregelung zuständig ist.
Noch wichtiger wird seine Funktion jedoch beim Notschluss:
Ventil Nr. 200 trennt das Regelventil Nr. 240 von der gespeicherten Ölmenge ab.
Warum ist das wichtig?
Aus der Praxis kennen wir den Fall, dass bei einem Notschluss zwar die Notschlussventile korrekt abfallen, das eigentliche Regelventil jedoch beispielsweise durch Verschmutzung oder Verklebung in einer ungünstigen Stellung verbleibt. Das Regelventil könnte dann gegenläufig zum Notschluss arbeiten und zusätzlich Öl aus dem Blasenspeicher verbrauchen.
Im ungünstigsten Fall sinkt dadurch die gespeicherte Ölmenge beziehungsweise der verfügbare Druck so weit ab, dass die Reserve für einen gesicherten vollständigen Notschluss grenzwertig wird. Das Sperrventil Nr. 200 verhindert genau diesen Fall: Beim Notschluss steht die gespeicherte Ölmenge gezielt für die Schließfunktion zur Verfügung.
Redundante Druckmessung am Blasenspeicher
Ist kein zusätzliches Schließgewicht vorhanden und beruht die Energie für den Notschluss vollständig auf dem Blasenspeicher, bekommt die Überwachung des Speicherdrucks eine besondere Bedeutung. Deshalb führen wir die Druckmessung redundant mit zwei Drucksensoren Nr. 360 aus.
Zum Einsatz kommen beispielsweise IFM-Drucksensoren der Serie PN mit einem 4–20-mA-Messsignal und zusätzlichem Schaltausgang.
Zwei Drucksensoren für die Notschlusskette
Die Schaltausgänge beider Drucksensoren werden auf den definierten Mindestdruck eingestellt, bei dem die gespeicherte hydraulische Energie noch ausreicht, um die Turbine bei einem Notschluss sicher zu schließen.
Die Besonderheit liegt auch hier im Fehlerfall:
Wird ein Drucksensor defekt oder fällt seine 24-V-Versorgung aus, fällt auch der entsprechende Schaltausgang ab und die Notabschaltkette öffnet.
Damit wird nicht nur ein tatsächlich zu niedriger Speicherdruck erkannt. Auch der Ausfall der für die Sicherheitsfunktion notwendigen Drucküberwachung führt in einen definierten sicheren Zustand.
Analoge Ölstands- und Öltemperaturüberwachung
Ein weiterer wichtiger Bestandteil unserer Hydraulikaggregate ist die kontinuierliche Überwachung von Ölstand und Öltemperatur. Hierfür setzen wir Parker-Sensoren SCLSD mit 4–20-mA-Ausgang ein.
Besonders wichtig ist uns dabei, den Ölstand nicht nur über einen einfachen Minimum-Schaltkontakt zu überwachen. Stattdessen wird der tatsächliche Ölstand analog von 0 bis 100 % erfasst und steht damit kontinuierlich in der Anlagensteuerung zur Verfügung.
Das bietet einen entscheidenden Vorteil: Bereits kleine, schleichende Ölverluste können frühzeitig erkannt werden.
Bei einem klassischen Grenzwertschalter wird eine Meldung erst ausgelöst, wenn der Ölstand einen festgelegten Minimalwert unterschreitet. Mit der analogen Messung lässt sich dagegen die Entwicklung des Ölstands beobachten und auswerten.
Verliert die Anlage beispielsweise aufgrund eines defekten Hydraulikschlauchs, einer undichten Verschraubung oder einer anderen Leckage langsam Öl, wird die Veränderung des Ölstands sichtbar, lange bevor ein kritischer Minimalölstand erreicht ist.
Das Prinzip hinter der Schaltung
Die einzelnen Komponenten sind Standardbauteile. Entscheidend ist ihre Verschaltung.
Das Ziel ist, drei Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen:
- Hohe Dichtheit: Der Blasenspeicher soll seinen Druck ohne Regelbewegung über viele Stunden halten
- Gesicherte Ölreserve: Beim Notschluss darf das Regelventil die für das Schließen benötigte Ölmenge nicht verbrauchen.
- Redundante Überwachung: Der für den Notschluss erforderliche Speicherdruck wird unabhängig überwacht.
- Frühzeitige Leckageerkennung: Durch die analoge Ölstandsmessung von 0 bis 100 % können auch kleinere Ölverluste erkannt werden, bevor ein kritischer Zustand entsteht.
So entsteht eine Hydraulik, die im normalen Regelbetrieb effizient arbeitet, ihren eigenen Zustand kontinuierlich überwacht und gleichzeitig dafür sorgt, dass die gespeicherte hydraulische Energie im entscheidenden Moment dort zur Verfügung steht, wo sie benötigt wird: für einen sicheren Notschluss der Turbine.
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