Wie lineare Wegsensoren den effizienten Betrieb von Gasturbinen gewährleisten

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Präzise Steuerung für optimierte Effizienz

Erfahren Sie, warum die LVDT-Wegsensoren von TE Connectivity (TE) durch ihre Bauweise und Leistung so gut für die rauen Umgebungsbedingungen von Gasturbinen geeignet sind. Karmjit Sidhu, Business Development Director, Sensoren für Öl und Gas

In Gasturbinen findet sich eine Vielzahl von Steuerventilen für unterschiedlichste Aufgaben, z. B. um den Gasstrom zu regeln oder zu unterbinden. Eine präzise Überwachung und Regelung des Stroms in diesen Ventilen ermöglicht einen effizienten Turbinenbetrieb bei minimaler Energieverschwendung. Obwohl die Ventile mit Aktuatoren bewegt werden, übersetzen Rückmeldegeräte die Ventilstellung für die Turbinensteuersysteme und geben an, „ob“ und „wie weit“ ein Ventil geöffnet oder geschlossen ist. Obwohl auch andere Techniken zur Rückmeldung in Betracht gezogen wurden, ist die lineare LVDT-Positionstechnik mittlerweile der Standard in der Energieerzeugungsbranche. LVDT-Wegsensoren sind einfache Geräte, die nur aus einigen wenigen Drahtspulen und einem Eisenkern bestehen. Dadurch können sie starken Stößen und Vibrationen widerstehen. Außerdem arbeiten sie selbst bei erheblicher Verschmutzung noch im Rahmen der Spezifikationen. Laser werden durch Verschmutzung blind, während mit kapazitiven und Wirbelstromsensoren keine langen Wege gemessen werden können. Potenziometer, magnetorestriktive Wegsensoren und Seilzuglängengeber bereiten in Bezug auf Temperatur, Vibrationen und Eigensicherheitsanforderungen Schwierigkeiten.

Grundkonstruktion eines LVDT-Wegsensors.

Abbildung 1: Grundkonstruktion eines LVDT-Wegsensors.

Magnetorestriktive Wegsensoren sind aufgrund der Einschränkungen des Wellenleiters und der integrierten Elektronik hinsichtlich der Temperatur auf +80 °C beschränkt. Zudem kann das Sensorelement für den Betrieb unter rauen Umweltbedingungen nicht von der Elektronik abgeschottet werden. In Umgebungen mit fortwährenden Vibrationen funktionieren die Geräte nicht zufriedenstellend. Potenziometrische Geräte mit Kontakt bieten zudem nicht die Zuverlässigkeit und Hochtemperaturleistung von linearen LVDT-Wegsensoren. Dank ihre Bauweise unterliegen LVDTs nicht den oben genannten Beschränkungen anderer Sensortechnologien. Sie bieten die folgenden Leistungsmerkmale, die sie zur optimalen Messeinrichtung für Gasturbinen machen.

LVDT-Wegsensoren sind einfache Geräte, die nur aus einigen wenigen Drahtspulen und einem Eisenkern bestehen. Dadurch können sie starken Stößen und Vibrationen widerstehen. Außerdem arbeiten sie selbst bei erheblicher Verschmutzung noch im Rahmen der Spezifikationen.

Messbereich

Lineare LVDT-Wegsensoren können Bewegungen von nur einigen wenigen millionstel Zoll messen. Dies ist entscheidend, wenn es darum geht, die Bewegung bestimmter Ventile akribisch zu erfassen. Bei vielen Anwendungen muss nur erfasst werden, ob ein Ventil geöffnet oder geschlossen ist. Manchmal ist aber auch die exakte Position von Bedeutung. Da es sich beispielsweise bei Ablassventilen um Regelventile handelt, müssen sie je nach der Menge der erzeugten Energie in einem bestimmten Ausmaß geöffnet werden. Wenn gewährleistet ist, dass der Öffnungsgrad von Ventilen korrekt ist, arbeiten Werke und Anlagen effizienter. In einem mittelgroßen Werk können durch eine Effizienzsteigerung um 2 % Kraftstoffeinsparungen im Wert von einigen Millionen erzielt werden. 

Umgebungsbeständigkeit

Während lineare LVDT-Wegsensoren früher nur mit einem Gehäuse aus Edelstahl erhältlich waren, können mittlerweile moderne Materialien wie Legierung 400, Legierung C276 und Titan eingesetzt werden, um den häufig extremen Temperaturen und äußerst unbeständigen Umgebungen von Gasturbinen zu widerstehen. Bei LVDTs, für die vergleichbare Technologien nicht geeignet sind, können exotische Legierungen wie Kobalt und Nickel die Leistung sogar noch weiter steigern. 

Zertifizierungen und Genehmigungen

Da in Gasturbinen gasförmige Dämpfe auftreten, müssen die dort installierten LVDTs die Eigensicherheitsparameter erfüllen und von Zertifizierungsstellen wie z. B. UL, FM, CSA und ATEX zugelassen sein. Selbst wenn ein Sensor für den Betrieb unter gefährlichen Bedingungen ausgelegt ist, kann sich der Endbenutzer dank der Zertifizierung sicher sein, dass die Geräte für den Einsatz in den vielen Gefahrenumgebungen von Gasturbinen genehmigt sind. 

Betriebstemperaturbereich

In den Umgebungen, in denen die Sensoren den Turbinenzustand überwachen oder Ventile regeln, können die Temperaturen mehr als 250 °C erreichen. Einer der Hauptgründe dafür, dass diese Sensoren in Kraftwerken so zuverlässig arbeiten, besteht darin, dass die im Turbinensteuerungssystem befindliche LVDT-Elektronik von den LVDT-Spulen getrennt werden kann. Die Signalaufbereitungselektronik kann bis zu 100 m von den linearen LVDT-Wegsensoren entfernt sein. Bei einer dezentral installierten Elektronik kann ein LVDT mit Wechselstrombetrieb den hohen Temperaturen von 175 °C bis 232 °C an der Turbine widerstehen. Sensoren mit integrierter Elektronik hingegen müssten (unter erheblichen Kosten) speziell konfiguriert werden, damit ihre elektrischen Komponenten einer solchen Hitze Stand halten. 

LVDT-Wegsensor
LVDT-Hochtemperaturwegsensor
LVDT-Signalumformer
LVDT-Signalumformer für die DIN-Schienenmontage

Kompakte Bauweise für den langen Weg

Die Wege herkömmlicher linearer LVDT-Wegsensoren waren für Anwendungen mit beschränktem Platz zu lang. Neue computerbasierte Wicklungstechniken und kleinere eingebettete Mikroprozessoren haben die Gehäuselänge linearer Wegsensoren im Verhältnis zur Länge des messbaren Wegs erheblich verringert. Moderne LVDTs sind unabhängig vom Weg um bis zu 80 % kompakter. Mit einem Sweetspot zwischen 1,27 und 30 cm bieten die LVDT-Wegsensoren hohe Genauigkeit und Langlebigkeit.

Dank ihrer zuverlässigen Leistung, Wiederholbarkeit, Genauigkeit und Wirtschaftlichkeit spielen die linearen LVDT-Wegsensoren sowohl beim Turbinenbetrieb als auch bei Anlagensanierungsprojekten zur Optimierung der Effizienz eine wichtige Rolle. Bei der Auswahl eines LVDT für den Gasturbinenbetrieb sollten Sie Folgendes beachten:

  • Betriebsumgebung einschließlich Temperatur, Vibration und Stöße
  • Optimale Betriebsfrequenz für die Genauigkeit sowie die Kabellänge zwischen LVDT und Signalaufbereitung
  • Schaltkreise gegen Rauschunterdrückung
  • Platzbedarf des LVDT bei schwierigen Montagebedingungen
  • Bequeme Verbindungen zur Elektronik

Verfasst von:

Karmjit Sidhu, Business Development Director, Sensoren für Öl und Gas