DD234545A5 - METHOD FOR REGULATING THE RELIABILITY OF QUICK-SEALED, AIR-COOLED TURBO-GENERATORS AND DEVICE FOR CARRYING OUT THIS METHOD - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regulierung der Belastbarkeit von schnellaufenden, luftgekuehlten Turbogeneratoren mit intensiver direkter Leiterkuehlung der Rotorwicklung. Erfindungsgemaess wird bei einem Anstieg der Belastung der Druck der Kuehlluft auf einen absoluten Druckwert von maximal 2 bar erhoeht bzw. bei einem Absinken der Belastung zwischen dem atmosphaerischem Druck und dem angegebenen Maximalwert so eingestellt, dass die Temperatur der Rotorwicklung konstant bleibt. Bei der zur Durchfuehrung des erfindungsgemaessen Verfahrens dienenden Einrichtung hat der Turbogenerator einen dicht abgeschlossenen inneren Raum, einen sich an diesen anschliessendes Kreisluftkuehlsystem und eine ueber Kompressoren und einen Luftbehaelter verfuegende Luftdosiervorrichtung. Erfindungsgemaess enthaelt die Einrichtung im inneren Raum ein den Druck zwischen 1.01 und 2 bar stufenlos regulierendes Organ. Fig. 3The invention relates to a method for regulating the load capacity of high-speed, air-cooled turbo-generators with intensive direct Leiterkuehlung the rotor winding. According to the invention, when the load increases, the pressure of the cooling air is increased to an absolute pressure value of not more than 2 bar or, when the load between the atmospheric pressure and the specified maximum value falls, is set so that the temperature of the rotor winding remains constant. In the device used to carry out the method according to the invention, the turbogenerator has a tightly sealed inner space, an adjoining thereto Kreisluftkuehlsystem and an over compressors and a Luftbehaelter verfuegende Luftdosiervorrichtung. According to the invention contains the device in the inner space a pressure between 1.01 and 2 bar continuously regulating organ. Fig. 3
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Regulierung der Belastbarkeit von schnellaufenden, luftgekühlten Turbogeneratoren.The invention relates to a method and a device for regulating the load capacity of high-speed, air-cooled turbo-generators.
Es ist bekannt, daß die Belastbarkeit von schnellaufenden, luftgekühlten Turbogeneratoren, d. h. von mit synchroner Drehzahl laufenden 2- oder 4poligen elektrische Generatoren weitestgehend von der Erwärmung der von Gleichstrom durchflossenen Wicklungen des Rotors abhängt. Bei der sog. indirekten Kühlung fließt die Verlustwärme aus den in Isoliermaterial eingebetteten Wicklungen über die Isolierungen und das umgebende Eisenmaterial durch die Wirkung von Temperatursprüngen in Richtung der wärmeabgebenden Oberfläche, in diesem Falle in Richtung des Rotormantels, wo sie um den Preiseines Temperatursprunges an der Kühlfläche an die im Luftspalt der Maschine strömende Kühlluft abgegeben wird. Die Temperatursprünge bestimmen zusammen mit der Erwärmung der das Kühlmittel bildenden Luft die Übertemperatur der Wicklung.It is known that the load capacity of high-speed, air-cooled turbogenerators, d. H. depends on synchronous speed running 2- or 4-pole electric generators as far as possible from the heating of the DC-powered windings of the rotor. In the so-called indirect cooling, the heat loss from the windings embedded in insulating material flows through the insulation and the surrounding iron material through the action of temperature jumps towards the exothermic surface, in this case towards the rotor shell where it is at the cost of a temperature jump on the cooling surface is delivered to the cooling air flowing in the air gap of the machine. The temperature jumps, together with the heating of the air forming the coolant, determine the overtemperature of the winding.
Ein bekanntes Mittel zur Erhöhung der Kühlungsintensität ist die direkte Leiterkühlung, bei der die in das Innere des Rotors geführte Kühlluft unmittelbar mit dem zu kühlenden Wicklungsmaterial in Berührung kommt. Die meisten der zum Übergeben der Verlustwärme an das Kühlmedium erforderlichen Temperatursprünge fallen dabei weg, die Übertemperatur des Leiters wird außer von der Erwärmung des Kühlmitteis nur noch vom Temperatursprung an der Oberfläche bestimmt. Auf diese Weise ist — die durch die Isoliermaterialien vorgegebene Grenztemperatur bleibt unverändert — eine größere Verlustenergie zulässig, d.h. die Maschine ist für eine größere Belastung geeignet.A known means for increasing the cooling intensity is the direct conductor cooling, in which the guided into the interior of the rotor cooling air comes into direct contact with the winding material to be cooled. Most of the temperature jumps required for transferring the heat loss to the cooling medium fall away, the overtemperature of the conductor is determined only by the temperature jump at the surface except for the heating of the coolant. In this way - the limit temperature set by the insulating materials remains unchanged - a greater energy loss is allowed, i. The machine is suitable for a larger load.
Es sind zahlreiche Typen und Varianten der unmittelbaren Leiterkühlung der Rotorwicklung bekannt. Bei einer dieser Varianten ist die Wicklung des Rotors so aufgebaut, daß sie, was die Strömung der Kühlluft betrifft, als aus untereinander parallelgeschalteten, kurzen Rohrstücken mit stromdurchflossener Wand bestehend angesehen werden kann. Eine Möglichkeit zur Versorgung der Wicklung mit Kühlgas besteht in der Einspeisung vom Luftspalt aus (gap pick-up-System), und eine derartige Lösung ist in der Publikation „Direct Cooling Systems for Turboalternator Rotors in View of the Maximum Rating of Hydrogen Cooling" von Peter Asztalos auf Seite 1936 bei den Erläuterungen zu den Abbildungen 1-3 beschrieben. Das Referat ist in IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-89, Nr. 8 (1935-1945) erschienen. Bei einer anderen Lösung der Versorgung mit Kühlgas wird die Kühlluft von unten durch die Boden nut eingeführt. Diese Einspeisung ist in dem genannten Referat auf S. 1937 an Hand der Abbildungen 4 und 5 erläutert.There are numerous types and variants of the direct conductor cooling of the rotor winding known. In one of these variants, the winding of the rotor is constructed so that, as regards the flow of cooling air, it can be regarded as consisting of mutually parallel, short pieces of pipe with current-carrying wall. One way of supplying the coil with cooling gas is through the air gap (gap pick-up system), and such a solution is disclosed in the publication "Direct Cooling Systems for Turbo Alternator Rotors in View of the Maximum Rating of Hydrogen Cooling" Peter Asztalos described on page 1936 in the notes to Figures 1-3 The abstract has appeared in IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol.PAS-89, No. 8 (1935-1945) with cooling gas, the cooling air is introduced from below through the bottom groove, which is explained in the above-mentioned presentation on page 1937 with reference to FIGS.
Bekannt ist auch eine Kombination des gap pick-up-Systems mit der Lufteinführung durch die Bodennut; die gleichzeitige Anwendung der beiden Lufteinführungen ist zum Beispiel in der GB-PS 1 456068 beschrieben.Also known is a combination of the gap pick-up system with the introduction of air through the bottom groove; the simultaneous application of the two air inlets is described for example in GB-PS 1 456068.
Für die Rotorwicklungen mii den hier aufgeführten Arten der Luftkühlung ist kennzeichnend, daß während des Betriebes in jedem elementaren Rohrstück die Temperatur im wesentlichen konstant ist, und diese Temperatur ist nur um einige Grade höher als die Temperatur der das Rohr verlassenden Kühlluft. Diese Art der Kühlung soll der Einfachkeit halber im folgenden als „intensive direkte Leiterkühlung" bezeichnet werden.It is characteristic of the rotor windings with the types of air cooling listed here that during operation in each elementary pipe section the temperature is substantially constant, and this temperature is only a few degrees higher than the temperature of the cooling air leaving the pipe. For the sake of simplicity, this type of cooling should be referred to below as "intensive direct conductor cooling".
Hinsichtlich des Betriebes von Turbogeneratoren ist bekannt, daß in Abhängigkeit von den Schwankungen der Netzbelastung und je nach dem Typ der Antriebsmaschine und dem Brennstoff des Kraftwerkes die auf den Turbogenerator gelangende jeweilige Belastung schwankt. Die schnellaufenden Turbogeneratoren werden bei der Aufstellung für eine Nennbeiastbarkeit dimensioniert, die der auf dem Anwendungsgebiet vorkommenden größten Belastung entspricht. Diese Spitzenbelastung macht bei vielen Anwendungsgebieten nur einen Bruchteil, zum Beispiel 10 bis 15% der gesamten Betriebszeit aus. Darausfolgt, daß für einen großen Teil der Betriebszeit eine geringer belastbare, d.h. kleinere und weniger kostenaufwendige Maschine ausreichen würde. Wird ein für größere Belastungen dimensionierter luftgekühlter Turbogenerator mit einer geringeren Belastung betrieben, so ist wegen der konstanten Verluste sein Wirkungsgrad schlechter.With regard to the operation of turbogenerators, it is known that, depending on the fluctuations of the network load and depending on the type of prime mover and the fuel of the power plant, the respective load reaching the turbogenerator fluctuates. The high-speed turbogenerators are dimensioned at installation for a rated load capacity corresponding to the highest load occurring in the field of application. This peak load accounts for only a fraction of, for example, 10 to 15% of the total operating time in many applications. It follows that for a large part of the operating time a less resilient, i. smaller and less expensive machine would suffice. If an air-cooled turbogenerator designed for larger loads is operated at a lower load, its efficiency is inferior due to the constant losses.
Jm die in Stromnetzen auftretenden Spitzenbelastungen abzufangen, muß die Belastbarkeit der arbeitenden Maschinen für die jpitzenbelastung dimensioniert werden, oder es ist erforderlich, Reservemaschinen vorzusehen, die für die Zeit der !pitzenbelastung zugeschaltet werden. In beiden Fällen ist demnach ein Maschinenpark erforderlich, dessen Nennbelastbarkeit ler in der Spitzenzeit auftretenden Belastung entspricht.In order to absorb the peak loads occurring in power grids, the load capacity of the operating machines must be dimensioned for peak load, or it is necessary to provide backup machines that are energized for peak load time. In both cases, therefore, a machine park is required whose nominal load capacity corresponds to the load occurring during peak periods.
üiel der Erfindungüiel the invention
^iel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Einrichtung, die es ermöglichen, die Belastbarkeit ichnellaufender luftgekühlter Turbogeneratoren zu regulieren und den Schwankungen der Belastung elastisch anzupassen.The object of the invention is to provide a method and a device which make it possible to regulate the load capacity of air-cooled turbogenerators running on the air and to adapt them elastically to the fluctuations of the load.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die die Belastbarkeit entscheidend begrenzende Temperatur der Rotorwicklung von jber einen intensiv direkt luftgekühlten Rotor verfügenden Turbogeneratoren mittels des Druckes der Kühlluft intensiv reguliert werden kann. Das ergibt sich daraus, daß die Erwärmung der Rotorwicklung in diesen Fällen mit der Erwärmung der Kühlluft praktisch identisch ist, und letztere ist eine Funktion der Wärmekapazität der strömenden Kühlluft. Die Wärmekapazität der Luft edoch ist dem Druck direkt proportional.The invention is based on the finding that the temperature of the rotor winding, which decisively restricts the load capacity, can be intensively regulated by means of the intensively direct air-cooled rotor turbogenerators by means of the pressure of the cooling air. This results from the fact that the heating of the rotor winding in these cases is virtually identical to the heating of the cooling air, and the latter is a function of the heat capacity of the flowing cooling air. The heat capacity of the air, however, is directly proportional to the pressure.
:s ist offensichtlich, daß mit einer Erhöhung des Druckes auch die Ventilations- und Luftreibungsverluste des Generators Droportional ansteigen. Die numerisch ausgedrückte wirtschaftliche Wirkung dieses Anstieges ist jedoch — vor allem im Falle /on über einen intensiv direkt leitergekühlten Rotor verfügenden Turbogeneratoren mit kombinierter Kühllufteinspeisung — wesentlich geringer als die sich aus der Regulierbarkeit und Erhöhbarkeit der Belastbarkeit ergebenden wirtschaftlichen /orteile.It is obvious that with an increase in pressure, the ventilation and air friction losses of the generator Droportional also increase. However, the numerically expressed economic effect of this increase is - especially in the case of / on a turbocharger having intensive direct-cooled rotor with combined cooling air supply - much lower than the resulting from the adjustability and resilience of the resulting economic benefits.
jegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Regulierung der Belastbarkeit schnellaufender, luftgekühlter Turbogeneratoren mit intensiver direkter Leiterkühlung der Rotorwicklung. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist cennzeichnend, daß man den Druck der Kühlluft bei einem Anstieg der Belastung auf einen absoluten Druckwert von höchstensjegenstand the invention is therefore a method for regulating the capacity of high-speed, air-cooled turbo generators with intensive direct conductor cooling of the rotor winding. It is characteristic of the method according to the invention that the pressure of the cooling air is increased with an increase in the load to an absolute pressure value of at most
1 bar erhöht. Bei einem Absinken der Belastung wird der Druck sinngemäß vermindert. Die jeweilige Wahl des Druckes der <ühlluft hängt deshalb von der Belastung ab. 1 bar increased. When the load drops, the pressure is reduced accordingly. The respective choice of the pressure of the <ühlluft depends therefore on the load.
3emäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Temperatur der Rotorwickiung gemessen und der Druck sei Einhaltung dieser Temperatur mit einer Genauigkeit von ±5°C eingestellt.According to a preferred embodiment of the method, the temperature of the rotor winding is measured and the pressure is set to maintain this temperature with an accuracy of ± 5 ° C.
Die Temperatur der Rotorwicklung wird durch Messung des durch sie hindurchfließenden Stromes und des Spannungsabfalls Destrrfirnt.The temperature of the rotor winding is determined by measuring the current flowing through it and the voltage drop.
Da die im Rotor auftretenden Verluste entscheidend vom Joule-Verlust gebildet werden und der Widerstand der Wicklung bei Betriebstemperatur bekannt ist, reicht zur Regulierung des Druckes auch die Kenntnis der Spannung oder der Stromstärke aus, das Grundsignal der Regelung ist das Quadrat einer der beiden Größen.Since the losses occurring in the rotor are decisively formed by the Joule loss and the resistance of the winding is known at operating temperature, sufficient to regulate the pressure of the knowledge of the voltage or the current, the basic signal of the control is the square of one of the two sizes.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, auf einem gegebenen Anwendungsgebiet einen Turbogenerator einzusetzen, dessen Nennbelastbarkeit (d. h. die Belastbarkeit bei atmosphärischem Druck) 70 bis 80% der auftretenden Spitzenbelastung sntspricht. Dieser Umstand bedeutet im Vergleich zu den Investitionskosten der bisher für die Spitzenbelastung dimensionierten Maschinen eine wesentliche Einsparung.The method according to the invention makes it possible, in a given field of application, to use a turbogenerator whose nominal load capacity (that is to say the load capacity at atmospheric pressure) corresponds to 70 to 80% of the peak load occurring. This circumstance means a significant saving compared to the investment costs of the previously sized for the peak load machines.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde eine Einrichtung geschaffen, bei der der Turbogenerator einen dichten abgeschlossenen inneren Raum, ein sich an diesen anschließendes Kreisluftkühlungssystem und eine über einen Kompressor und einen Luftbehälter verfügende Luftdosiervorrichtung aufweist. Erfindungsgemäß enthält die Einrichtung im nneren Raum ein den Druck zwischen 1,01 und 2 bar stufenlos regulierendes Organ.To carry out the method according to the invention, a device has been provided in which the turbogenerator has a tightly sealed internal space, an adjoining thereto circular air cooling system and a compressor and an air vessel having Luftdosiervorrichtung. According to the invention, the device in the inner space contains a pressure which is infinitely variable between 1.01 and 2 bar.
Ausführungsbeispieleembodiments
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen ausführlicher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:. Fig. 1: skizzenhaft im Querschnitt die Nut der Rotorwicklung eines bekannten, intensiv direkt leitergekühlten Turbogenerators, Fig. 2: ein Elementarteil der in Fig. 1 dargestellten Wicklung in perspektivischer Ansicht gezeigt, zusammen mit einemThe invention will now be explained in more detail by way of examples. In the accompanying drawings show: 1: a sketch of the groove of the rotor winding of a known, intensively direct-conductor-cooled turbo-generator, in the form of a cross-section, FIG. 2: an elementary part of the winding shown in FIG. 1, shown in perspective view, together with a
Temperaturverteilungsdiagramm, wie dies über der Länge des Kanals auftritt, Fig.3: das Schema der erfindungsgemäßen Einrichtung, Fig.4: ein Diagramm, dessen Kurvenscharen die Änderung der Temperatur der Rotorwicklung als Funktion der in der Wicklung auftretenden Verlustleistung zeigen,4 shows a diagram whose curves show the change in the temperature of the rotor winding as a function of the power loss occurring in the winding, FIG.
Fig. 5; ein sich an Fig.4 anschließendes Diagramm der Änderung des Wirkungsgrades als Funktion der Belastung. Zum Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es zweckmäßig, zunächst die Verhältnisse der Wärmeübergabe zwischen dem die Rotorwicklung bildenden Teil und der dieses kühlenden Luft zu analysieren. Zu diesem Zweck ist in Fig. 1 der durch eine Nut geführte schematische Schnitt einer über kurze Kühlkanäle verfügenden, direkt gekühlten Rotorwicklung mit der aus der GB-PS 1 456068 bekannten kombinierten Lufteinspeisung dargestellt. Die einzelnen Gänge der aus Kupfer gefertigten Wicklung sind durch Isolierungen voneinander getrennt, und in jedem Gang befinden sich ein oder mehrere Kühlkanäle 1. Die Kühlkanäle 1 sind, was die Strömung der Luft betrifft, parallel geschaltet, ihre Einströmseite steht mit einem linksseitigen KanalFig. 5; a diagram of the change in the efficiency as a function of the load, following on from FIG. To understand the method according to the invention, it is expedient first to analyze the conditions of heat transfer between the part forming the rotor winding and the air cooling this. For this purpose, shown in Fig. 1 of the guided through a groove schematic section of a short cooling channels, directly cooled rotor winding with the known from GB-PS 1 456068 combined air feed is shown. The individual passages of the copper-made winding are separated by insulation, and in each passage are one or more cooling channels 1. The cooling channels 1 are, as far as the flow of air, connected in parallel, their inflow side is with a left-side channel
2 der Nut in Verbindung. Die Einführung der Kühlluft in den Kanal 2 erfolgt\s©n oben, aus der Richtung.· !es Luftspaltes 3, und von unteft, aus der Bodennut 4. Die Ausströmseiten der Kühlkanäle 1 kommunizieren mit einem rechtsseitigen Kanal 5 der Nut, von wo aus die erwärmte Luft in Richtung des Luftspaltes austritt. Die Strömung der Kühlluft ist in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet. Im Fall des erwähnten pick-up-Systems der Kühlung fehlt die Einspeisung von unten, bei der Kühlung aus der Belüftungsnut fehlt die Einspeisung von oben.2 of the groove in connection. The introduction of the cooling air into the channel 2 takes place at the top, from the direction of the air gap 3, and from the bottom groove 4. The outflow sides of the cooling channels 1 communicate with a right-hand channel 5 of the groove, from where from the heated air escapes in the direction of the air gap. The flow of the cooling air is indicated in Fig. 1 by arrows. In the case of the mentioned pick-up system of the cooling is missing the feed from below, the cooling from the ventilation groove is missing the feed from above.
Fig. 2 zeigt eine Einzelheit der Wicklung. Die gestrichelte Linie bezeichnet einen ausgewählten Kühlkanal 1, der mit durchgehender Linie gezeichnete Quader bedeutet das Teilvolumen, dessen Kühlung durch den ausgewählten Kühlkanal 1 gewährleistet wird. Unmittelbar über dem Kühlkanal 1 ist die Änderung Δ tg beziehungsweise Δ tr der Temperatur der Kühlluft und der Temperatur des Kupfers entlang des Kühlkanals 1 angegeben.Fig. 2 shows a detail of the winding. The dashed line indicates a selected cooling channel 1, the cuboid drawn with a solid line indicates the partial volume whose cooling is ensured by the selected cooling channel 1. Immediately above the cooling channel 1, the change Δ t g or Δ t r of the temperature of the cooling air and the temperature of the copper along the cooling channel 1 is indicated.
Da das Kupfer ein sehr guter Wärmeleiter ist, kann seine Temperatur entlang des kurzen Kanals infolge der konduktiven Wärmeströmung als konstant oder fast konstant angesehen werden. Die eintretende Kühlluft erwärmtsLch in dem Kühlkanal 1, und ihre Austrittstemperatur unterscheidet sich kaum von der des Kupfers. Die Temperatur der Luft ist am Ende des Kanals um den Betrag Δ tgm angestiegen, und die Temperatur des Kupfers ist um den Betrag Atr = Δ trm höher als die Temperatur der einströmenden Kühlluft.Since the copper is a very good conductor of heat, its temperature along the short channel can be considered constant or nearly constant due to the conductive heat flow. The incoming cooling air is heated in the cooling passage 1, and its exit temperature hardly differs from that of the copper. The temperature of the air at the end of the duct has increased by the amount Δt gm , and the temperature of the copper is higher than the temperature of the incoming cooling air by the amount At r = Δt rm .
Obwohl die Kühlung des Kupfers auch auf andere Weise als hier beschrieben gelöst werden kann, setzt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Kühlsystem voraus, bei dem die Temperatur des Kupfers über die gesamte Länge der einzelnen Kühlkanäle im wesentlichen konstant ist, d.h. innerhalb der Grenzen von etwa ± 5'C konstant ist, wobei diese Temperatur im wesentlichen identisch mit der der austretenden Luft oder höchstens etwa 10°C höher als diese ist. Derartige Kühlungen werden als intensive direkte Leiterkühlungen bezeichnet. Der Rotor intensiv direkt leitergekühlter Turbogeneratoren weist im Interesse der Verringerung von Reibungsverlusten im allgemeinen eine größere Länge und einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser auf, das Verhältnis zwischen Länge und Durchmesser liegt im allgemeinen zwischen 3 und 5. Fig. 3 zeigt schematisch die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienende Einrichtung. Der mit einem intensiv direkt leitergekühlten Rotor versehene, luftgekühlte Turbogenerator 10 verfügt über von Wasser durchströmte Wärmeaustauscher 11 und 12, deren Ein- und Ausflußstutzen über Anschlüsse 13 und 14 mit einem Kühlwasserzirkulationssystem in Verbindung stehen. Die aus dem Gehäuse herausragenden Wellenenden des Rotors des Turbogenerators 10 sind mit Dichtungen 15; 16 versehen, die zum Beispiel die für wasserstoffgekühlte Turbogeneratoren üblicherweise verwendeten ölgeschmierten Wellenverschlüsse oder mit engem Spalt arbeitende trockene, zum Beispiel Kohleringverschlüsse sein können.Although the cooling of the copper can be solved in other ways than described here, the application of the method according to the invention requires a cooling system in which the temperature of the copper over the entire length of the individual cooling channels is substantially constant, ie within the limits of about ± 5'C is constant, this temperature is substantially identical to that of the exiting air or at most about 10 ° C higher than this. Such cooling is referred to as intensive direct conductor cooling. The rotor of intensively direct-conductor-cooled turbo-generators generally has a greater length and a relatively small diameter in the interest of reducing friction losses, the ratio between length and diameter being generally between 3 and 5. FIG. 3 shows schematically the procedure for implementing the method according to the invention serving facility. The air-cooled turbogenerator 10, which is provided with an intensive direct-conductor-cooled rotor, has heat exchangers 11 and 12 through which water flows, the inlet and outlet connections of which are connected via connections 13 and 14 to a cooling water circulation system. The protruding from the housing shaft ends of the rotor of the turbogenerator 10 are sealed with seals 15; 16 is provided, for example, the oil-lubricated shaft seals or conventionally used for hydrogen-cooled turbo-generators operating with a narrow gap dry, for example Kohleringvers s e ections in can.
An das Kühlsystem ist eine Leitung 17 angeschlossen, die über Druckregulierungsventile 18 und 19 mit einem Luftbehälter 20 in Verbindung steht. Aus dem freien Luftraum kann Luft durch ein Filter 21, zwei parallel betreibbare Kompressoren 22; 23 und einen Trockner 24 in den Luftbehälter 20 gelangen.To the cooling system, a line 17 is connected, which is connected via pressure regulating valves 18 and 19 with an air tank 20. From the free air space can air through a filter 21, two compressors 22 operable in parallel; 23 and a dryer 24 get into the air tank 20.
In dem Luftbehälter 20 herrscht ein Druck von etwa 10 bar, der durch einen Durchmesser 25 angezeigt wird. Der in der Leitung 17 und damit auch im Innern des Turbogenerators 10 herrschende Druck wird von einem Druckmesser 26 gemessen. Das Druckregulierungsventil 18 kann mittels eines Magnetventils 27 umgangen werden. Mit Hilfe der Druckregulierungsventile 18 und 19 kann der im Turbogenerator 10 herrschende Druck zwischen etwa 1,01 und 2 bar stufenlos geregelt werden. Die Regelung kann von Hand erfolgen, sie ist jedoch auch automatisierbar.In the air tank 20 there is a pressure of about 10 bar, which is indicated by a diameter 25. The pressure prevailing in the line 17 and thus also in the interior of the turbogenerator 10 is measured by a pressure gauge 26. The pressure regulating valve 18 can be bypassed by means of a solenoid valve 27. With the help of the pressure regulating valves 18 and 19, the pressure prevailing in the turbogenerator 10 pressure between about 1.01 and 2 bar can be controlled continuously. The regulation can be done manually, but it is also automatable.
Die die Betriebsparameter des Turbogenerators 10 messenden und anzeigenden Geräte sind in Fig. 3 der Einfachkeit halber nicht dargestellt.The devices measuring and displaying the operating parameters of the turbogenerator 10 are not shown in FIG. 3 for the sake of simplicity.
Das Neue der in Fig. 3 dargestellten Einrichtung besteht darin, daß der Druck der Kühlluft im Innenraum des Turbogenerators 10 vom atmosphärischem Druck bis zu etwa 2 bar stufenlos erhöht werden und auf einem konstanten Wert gehalten werden kann.The novelty of the device shown in Fig. 3 is that the pressure of the cooling air in the interior of the turbogenerator 10 from the atmospheric pressure to about 2 bar are continuously increased and can be maintained at a constant value.
Wie erwähnt, sind die Luftreibungsverluste des Turbogenerators 10 infolge des geringen Rotordurchmessers verhältnismäßig niedrig. Dieser Umstand sowie die infolge der intensiven direkten Leiterkühlung gleichmäßige und beherrschbare Kupfertemperatur machten es zweckmäßig, den Betriebsdruck im Interesse einer Erhöhung der Belastbarkeit zu erhöhen. Im folgenden wird auf Grund von Messungen der Verlauf der Hauptparameter des Turbogenerators 10 bei Anwendung unterschiedlicher Kühlluftdrücke erläutert.As mentioned, the air friction losses of the turbogenerator 10 are relatively low due to the small rotor diameter. This circumstance and the uniform and controllable copper temperature due to the intensive direct cooling of the conductors made it expedient to increase the operating pressure in the interest of increasing the load capacity. In the following, the course of the main parameters of the turbogenerator 10 is explained on the basis of measurements when different cooling air pressures are used.
Die Messungen wurden an einem luftgekühlten Turbogenerator 10 mit einer Nennleistung von 75MVA und zum Vergleich an drei weiteren, wasserstoffgekühlten Turbogeneratoren vorgenommen, deren Nennleistung 80 MW betrug und deren innerer Aufbau und Abmessungen denen des ersten Turbogenerators entsprachen. Als Kühlmittel wurde statt Wasserstoff Luft verwendet. Der Druck wurde im Bereich von 1 bis 2,2 bar in etwa 50 Meßpunkten gemessen. Die ausführliche Analyse der Meßergebnisse zeigte, daß zwischen den an den einzelnen Maschinen gemessenen Übertemperaturen eine gute Übereinstimmung bestand. Aus den Werten konnten auch Zusammenhänge allgemeiner Gültigkeit gewonnen werden.The measurements were carried out on an air-cooled turbogenerator 10 with a rated power of 75 MVA and, for comparison, on three further hydrogen-cooled turbogenerators whose rated power was 80 MW and whose internal structure and dimensions corresponded to those of the first turbo-generator. The coolant used was air instead of hydrogen. The pressure was measured in the range of 1 to 2.2 bar in about 50 measuring points. The detailed analysis of the measurement results showed that there was a good match between the excess temperatures measured on the individual machines. From the values also connections of general validity could be won.
Es wurde gefunden, daß im Fall von Luftkühlung die Belastbarkeit der Maschine entscheidend von der Übertemperatur der Rotorwicklung begrenzt wird.It has been found that in the case of air cooling, the load capacity of the machine is critically limited by the excess temperature of the rotor winding.
Für die Übertemperatur des Rotors ergab sich folgender Zusammenhang:The overtemperature of the rotor resulted in the following relationship:
. 6, 6
ρ . P 0,92ρ. P 0.92
ρ der absolute Luftdruck (bar),ρ the absolute air pressure (bar),
PFe der Eisenverlust (kW),P Fe is the iron loss (kW),
Pz der Kurzschlußverlust (kW) undP z the short circuit loss (kW) and
Pr der Kupferverlust des Rotors (kW)P r copper loss of the rotor (kW)
bedeuten.mean.
Die Kurvenscharen des Diagramms in Fig.4 zeigen den Temperaturanstieg in der Rotorwicklung als Funktion der in ihr entstehenden Verlustleistung bei unterschiedlichen Maschinenbelastungen und Luftdrücken, konstantem Eisenverlust und unter Vernachlässigung der Änderung der sich mit der Belastung ändernden Kurzschlußverluste. In der Fig. sind die zu den einzelnen charakteristischen Punkten gehörenden Leistungen angegeben. Zum Vergleich ist auch die Übertemperatur der Rotorw.cklung einer wasserstoffgekühlten Maschine eingezeichnet (durch schräge Schraffur bezeichneter Bereich). Bei eher Belastung von 75 MVA und einem cos φ = 0,85±>etrug der Verlust des Rotors, in Abhängigkeit von derTemperatur der kalten Kühlluft und deren Druck, 230 bis 250kW. Wurde der innere Luftdruck um 25% erhöht, stieg der Verlust des Rotors ebenfalls um etwa 25% (bej gleicher Rotortemperatur) an. Dem 25%igen Anstieg des Verlustes stehen jedoch ein etwa 12%iger Anstieg des Erregerstromes und ein etwa 20%iger Anstieg der abgegebenen Leistung gegenüber, d.h. die Maschine mit einer Nennleistung von 75 MVA kann mit einer Leistung von annähernd 90 MVA belastet werden (wobei der Temperaturanstieg im Rotor gleich bleibt). Wie aus Fig.4 ersichtlich, kann die Belastbarkeit der Maschine durch eine weitere Erhöhung des Druckes noch weiter gesteigert werden (bis zu einem Wert von 100 MVA bei einem Druck von 1,5 bar). Die Wicklung des Stators läßt diese Steigerung noch zu. Bei einem Betrieb im Bereich nahe einem Wert des cos φ von 1 wird jedoch die in den Enden des Eisenkörpers des Stators auftretende Erwärmung vom Anstieg des Luftdruckes nicht im gleichen Maße beeinflußt. Die proportional mit dem Luftdruck ansteigenden Luftreibungsverluste führen zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades, und dadurch sind einer weiteren Erhöhung des inneren Druckes praktisch Grenzen gesetzt-Diese Erscheinungen sind in Fig. 5 dargestellt. Die Kurve a zeigt den Wirkungsgrad der untersuchten Maschine bei einem Druck von 1 bar, die Kurve b den Wirkungsgrad bei 1,25 bar und die Kurve c den Wirkungsgrad bei 1,5 bar. Wegen der an den Enden des Eisenkernes auftretenden Effekte beträgt die durch den Rotor bestimmte Belastbarkeit 90 MVA bei einem Druck von 1,25 bar, beziehungsweise 100 MVA bei einem Druck von 1,5 bar — in Wirklichkeit jedoch nur 88 beziehungsweise 95 MVA.The family of curves of the diagram in Figure 4 show the temperature rise in the rotor winding as a function of the resulting power loss at different machine loads and air pressures, constant iron loss and neglecting the change in the load-changing short circuit losses. In the figure, the services belonging to the individual characteristic points are indicated. For comparison, the overtemperature of the Rotorw.cklung a hydrogen-cooled machine is drawn (designated by oblique hatching area). In more load of 75 MVA and a cos φ ± = 0.85> loss of the rotor 230 etrug, depending on the T emperature the cold cooling air and its pressure, to 250kW. When the internal air pressure was increased by 25%, the loss of the rotor also increased by about 25% (at the same rotor temperature). However, the 25% increase in loss is offset by an approximately 12% increase in the excitation current and an approximately 20% increase in delivered power, meaning that the machine rated at 75 MVA can be loaded with approximately 90 MVA the temperature rise in the rotor remains the same). As can be seen from Figure 4, the load capacity of the machine can be further increased by a further increase in pressure (up to a value of 100 MVA at a pressure of 1.5 bar). The winding of the stator still allows this increase. When operating in the region close to a value of cos φ of 1, however, the heating occurring in the ends of the iron body of the stator is not influenced to the same extent by the increase of the air pressure. The air friction losses which increase proportionally with the air pressure lead to a deterioration of the efficiency, and as a result, a further increase in the internal pressure is practically limited. These phenomena are shown in FIG. The curve a shows the efficiency of the machine under test at a pressure of 1 bar, the curve b the efficiency at 1.25 bar and the curve c the efficiency at 1.5 bar. Because of the effects occurring at the ends of the iron core, the load capacity determined by the rotor is 90 MVA at a pressure of 1.25 bar, or 100 MVA at a pressure of 1.5 bar - but in reality only 88 or 95 MVA.
Der Wirkungsgrad als Funktion der Belastung bei ständig ansteigenden Drucken im Turbogenerator wird-durch die strichpunktierte Kurve d für Belastungen von über 75MVA veranschaulicht.The efficiency as a function of the load with constantly increasing pressures in the turbogenerator is illustrated by the dot-dashed curve d for loads of over 75MVA.
Die Kurvene und fin Fig. 5 bezeichnen die Wirkungsgrad-Kennlinien von zwei unterschiedlichen, jedoch gleichermaßen für eine Nennbelastung von 95 MVA dimensionierten Turbogeneratoren bei atmosphärischem Druck. Der Rotor des die Kurve e iefernden Turbogenerators hatte den selben Durchmesserund größere Länge, im Fall der Kurve f war die Länge des Rotors deiner und sein Durchmesser größer.The curves and FIG. 5 indicate the efficiency curves of two different but equally rated turbine generators for a rated load of 95 MVA at atmospheric pressure. The rotor of the turbo-generator supplying the curve had the same diameter and greater length, in the case of curve f the length of the rotor was greater and its diameter greater.
3ei der Ermittlung des resultierenden Betriebswirkungsgrades aus den zu identischen Belastungen gehörenden Λ/irkungsgraden, d.h. durch Vergleich der Kurven a, d und e ist von entscheidender Bedeutung, mit welcher Belastung die Maschine über welche Zeitabschnitte hinweg betrieben wird. Beträgt innerhalb einer bestimmten Zeit (zum Beispiel innerhalb sines Jahres) die Belastung in der meisten Zeit (z. B. 90% der Gesamtzeit) 75 MVA, und tritt dieSpitzenbelastung von 95 MVA nur selten auf, so ist auch der resultierende Wirkungsgrad der unter erhöhtem Druck arbeitenden Maschine günstiger. Der Wirkungsgrad der Maschine mit kürzerem Rotor größeren Durchmessers (Kurve f) ist bis zu einer Belastung von 95 MVA ausgesprochen schlechter als der der Maschine mit75MVA Nennleistung.In the determination of the resulting efficiency of operation from the degrees of action belonging to identical loads, i. By comparing the curves a, d and e is of crucial importance, with which load the machine is operated over which time periods. If, within a certain time (for example, within one year), the load is 75 MVA most of the time (eg, 90% of the total time), and the peak load of 95 MVA is rare, the resulting efficiency will be under increased Pressure working machine cheaper. The efficiency of the machine with a shorter rotor of larger diameter (curve f) is up to a load of 95 MVA significantly worse than that of the machine with 75MVA rated power.
In diesem Vergleich ist noch nicht berücksichtigt, daß die Investitionskosten der für eine Belastung von 95 MVA dimensionierten Maschine wesentlich höher sind als die der Maschine mit 75 MVA Leistung.This comparison does not take into account that the investment costs of the machine rated for a load of 95 MVA are significantly higher than those of the machine with 75 MVA power.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist demnach die Belastbarkeit einer für eine bestimmte Nennleistung dimensionierten Maschine durch Steigerung des im Generator herrschenden Luftdruckes über diese Nennleistung hinaus erhöhbar, und auf diese Weise können die ze'itweise auftretenden Spitzenbelastungen ohne Einsatz weiterer Maschinen beziehungsweise ohne Aufstellung einer für die Spitzenbelastung dimensionierten kostenaufwendigeren Maschine aufgefangen werden.In the method according to the invention, therefore, the load capacity of a machine dimensioned for a specific rated power can be increased beyond this rated power by increasing the air pressure prevailing in the generator, and in this way the peak loads occurring without the use of further machines or without setting up one for the peak load dimensioned more costly machine.
Es ist zweckmäßig, bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens Turbogeneratoren zu betreiben, deren Nennbelastung 70 bis 80% der auftretenden Spitzenbelastung beträgt.It is expedient to operate in the application of the method according to the invention turbo generators whose rated load is 70 to 80% of the peak load occurring.
Im Vergleich zu den herkömmlichen luftgekühlten Turbogeneratoren ergeben sich bedeutende weitere Vorteile daraus, daß die Temperatur des Rotors unabhängig von der Belastung konstant ist, wodurch die aus der sich ändernden Wärmeausdehnung des Eisens und des Kupfers resultierenden Probleme praktisch entfallen. Vorteilhaft ist auch das geschlossene Luftkühlungssystem, weil dadurch der Feuchtegehalt der Luft beherrschbar ist. Ein zu großer Fechtegehalt der Luft verringert ja bekanntlich die Lebensdauer und die Betriebssicherheit der Turbogeneratoren.Compared to the conventional air-cooled turbo-generators, there are significant further advantages in that the temperature of the rotor is constant, regardless of the load, thereby practically eliminating the problems resulting from the changing thermal expansion of the iron and copper. Another advantage is the closed air cooling system, because thereby the moisture content of the air is manageable. Too much fencing content in the air is known to reduce the life and reliability of turbo generators.
Der Druck der Kühlluft wird in der erfindungsgemäßen Einrichtung am zweckmäßigsten auf Grund der Messung des Widerstandes des Rotors oder an Hand der Rotorcharakteristik auf Grund der Messung des Rotorverlustes reguliert. Aus dem Widerstand des Rotors wird die Temperatur der Wicklung bestimmt, und bei einem Ansteigen beziehungsweise einem Absinken der Belastung wird der Druck unter Beibehaltung der Rotortemperatur geregelt. Der Rotorverlust kann aus der Spannung oder der Stromstärke des Rotors bestimmt werden.The pressure of the cooling air is most suitably regulated in the device according to the invention on the basis of the measurement of the resistance of the rotor or on the basis of the rotor characteristic on the basis of the measurement of the rotor loss. From the resistance of the rotor, the temperature of the winding is determined, and at an increase or a decrease in the load, the pressure is controlled while maintaining the rotor temperature. The rotor loss can be determined from the voltage or current of the rotor.
Die Regelung kann von Hand erfolgen, ist jedoch auf Grund der hier beschriebenen Anforderungen auch leicht automatisierbar.The regulation can be done manually, but is also easily automated due to the requirements described here.
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