DE102010033942A1

DE102010033942A1 - Verfahren zum Kühlen eines Generators

Info

Publication number: DE102010033942A1
Application number: DE102010033942A
Authority: DE
Inventors: Jose Claudio Mazzoleni; Thomas Hildinger
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2011-12-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines Generators, welcher
– von einem gasförmigen Kühlmedium durchströmt wird, und welcher
– wenigstens zwei Kühlwärmetauscher umfasst, in denen das gasförmige Kühlmedium mittels eines flüssigen Kühlmediums abgekühlt wird.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass
– der Volumenstrom des flüssigen Kühlmediums und/oder die Anzahl der von dem flüssigen Kühlmedium durchströmten Kühlwärmetauscher variiert wird, wobei
– die Variation in Abhängigkeit wenigstens einer der nachfolgenden Größen erfolgt:
– Leistung des Generators;
– Temperatur des flüssigen Kühlmediums;
– Temperatur des gasförmigen Kühlmediums;
– Temperatur der Wicklungen des Generators;
– Temperatur der Bleckpakete des Generators;
– Spannung des Generators;
– Strom des Generators;
– Drehzahl des Generators.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines Generators nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Generatoren sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Derartige Maschinen werden häufig in Kraftwerksanlagen eingesetzt und von Turbinen angetrieben. Diese Turbinen können beispielsweise über die Entspannung von Heißdampf oder auch durch eine Strömung von Wasser angetrieben sein. Die mit den Turbinen verbundenen Generatoren erzeugen dann aus der Antriebsleistung der Turbine elektrische Leistung. Oft sind solche Generatoren dabei vergleichsweise groß und weisen hohe Leistungen auf. Durch den unvermeidlichen elektrischen Widerstand in den Wicklungen der Generatoren und zu einem kleineren Anteil auch aufgrund von mechanischer Reibung entsteht in den Generatoren Abwärme, welche über ein geeignetes Kühlmedium abgeführt werden muss. Zur Kühlung der Generatoren wird dazu in den Bereich des Generators ein Kühlmedium eingebracht, welches diese Abwärme aufnimmt und nach außerhalb des Generators abführt.
Aus dem Stand der Technik sind vergleichsweise aufwändige Konstruktionen zur Kühlung des Generators mit einem flüssigen Kühlmittel bekannt. Sehr häufig werden Generatoren über aber auch gasförmige Kühlmedien, beispielsweise Luft, gekühlt. Dabei ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, diese Luft oder ein anderes geeignetes gasförmiges Kühlmedium über Kühlwärmetauscher abzukühlen, bevor das gasförmige Kühlmedium in den Bereich des Generators einströmt und dort deren Stator und Rotor entsprechend kühlt. In derartigen Anlagen werden herkömmliche Kühlsysteme dabei typischerweise immer auf den maximalen Kühlbedarf ausgelegt, sodass die Kühlung des Generators in jedem Fall sichergestellt ist.
Der Nachteil bei diesen konstruktiven Ausführungen liegt dabei im vergleichsweise hohen Bedarf eines Kühlmediums und bei, insbesondere bei einem flüssigen Kühlmedium, dem vergleichsweise hohen Energiebedarf zu seiner Förderung. Allerdings weisen die Aufbauten dabei den Vorteil auf, dass Mittel zur Förderung des gasförmigen Kühlmedienstroms unmittelbar in die Konstruktion des Generators und hier insbesondere des Rotors integriert oder auf der Rotorwelle mit aufgebaut sein können, sodass die Förderung einer ausreichenden Menge an gasförmigem Kühlmedium bei rotierendem Rotor immer sicher und zuverlässig gewährleistet ist.
Diese ständige Förderung des maximal möglichen Kühlmedienstroms verursacht dabei jedoch einen weiteren Nachteil. Der Generator wird in der Praxis typischerweise nicht immer bei der maximal möglichen Leistung betrieben, insbesondere wenn dieser beispielsweise in einer Wasserkraftanlage eingesetzt wird und zu bestimmten Zeitpunkten keine ausreichende Wassermenge beziehungsweise Fallhöhe für das Wasser zur Verfügung steht. Dann wird sich häufig ein Betrieb des Generators im Teillastbereich ergeben. Da in einem solchen Teillastbereich weniger Abwärme entsteht, wird der Generator bei gleichem Kühlluftvolumenstrom also stärker gekühlt, sodass sich insbesondere in einem hinsichtlich der Leistung dynamischen Betrieb eine schwankende Temperatur des Generators ergibt, welche zu einer mechanischen Belastung der unterschiedlichen in dem Generator miteinander verbauten Materialien führt, und welche letztlich die Lebensdauer des Generators einschränkt.
Aus der US 2009/0195091 A1 ist ein Aufbau bekannt, welcher den Volumenstrom des gasförmigen Kühlmediums, hier der Luft, entsprechend anpasst, um eine gezielte Kühlung des Generators zu ermöglichen. Ein vergleichbarer Aufbau für einen wasserstoffgekühlten Generator ist aus der DE 32 25 276 A1 bekannt. In beiden Schriften ist dabei eine Beeinflussung des Volumenstroms des gasförmigen Kühlmediums angedacht, sodass in die Gasversorgung beziehungsweise die Fördermittel zur Förderung des gasförmigen Kühlmedienstroms eingegriffen werden muss. Sofern diese im Bereich des Rotors angeordnet sind, ist dies vergleichsweise aufwändig und schwierig, sodass letztlich nur über eine Drosselung oder ein Abblasen eines Teils der Kühlluft reagiert werden kann. Damit lässt sich der oben genannte Nachteil des zusätzlichen Energieaufwands jedoch nicht umgehen.
Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Kühlen eines Generators anzugeben, welcher von einem gasförmigen Kühlmedium durchströmt wird, wobei dieses gasförmige Kühlmedium über wenigstens zwei Kühlwärmetauscher mittels eines flüssigen Kühlmediums abgekühlt wird, welches die oben genannten Nachteile vermeidet, einen energieoptimierten Betrieb der Kühlung ermöglicht und eine lange Lebensdauer des Generators gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich außerdem aus den restlichen hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass der Volumenstrom des flüssigen Kühlmediums und/oder die Anzahl der von dem flüssigen Kühlmedium durchströmten Kühlwärmetauscher variiert wird. Die erfindungsgemäße Lösung sieht ferner vor, dass diese Variation in Abhängigkeit wenigstens einer der nachfolgenden Größen erfolgt:

– Leistung des Generators;
– Temperatur des flüssigen Kühlmediums;
– Temperatur des gasförmigen Kühlmediums;
– Temperatur der Wicklungen des Generators;
– Temperatur der Bleckpakete des Generators;
– Spannung des Generators;
– Strom des Generators;
– Drehzahl des Generators.

Das Verfahren gemäß der Erfindung greift also nicht in die Durchströmung des Generators mit dem gasförmigen Kühlmedium ein, sondern belässt diese in der bekannten und bewährten Art, wie bei herkömmlichen Maschinen so, dass diese auf die maximale Kühlleistung ausgelegt ist. Lediglich die Abkühlung des gasförmigen Kühlmediums wird gemäß der Erfindung variiert. Hierfür werden entweder der Volumenstrom des flüssigen Kühlmediums durch die Kühlwärmetauscher beeinflusst und/oder die Anzahl der von dem flüssigen Kühlmedium durchströmten Kühlwärmetauscher. Diese Variation erfolgt dabei in Abhängigkeit wenigstens einer der oben aufgelisteten Größen.
Letztlich beeinflusst das erfindungsgemäße Verfahren also die Abkühlung des gasförmigen Kühlmediums, welches den Generator kühlt. Je nachdem, wie stark dieses abgekühlt wird, wird sich auch bei einem bei entsprechender Drehzahl immer gleichem Volumenstrom des gasförmigen Kühlmediums dennoch eine unterschiedliche Abkühlung einstellen, da durch die Variation der Abkühlung in den Kühlwärmetauschern das gasförmige Kühlmedium mit unterschiedlichen Temperaturen zur Verfügung steht. Im Teillastbetrieb des Generators sorgt das erfindungsgemäße Verfahren dafür, dass durch den reduzierten Volumenstrom und/oder die reduzierte Anzahl an Kühlwärmetauschern eine verringerte Abkühlung des gasförmigen Kühlmediums erfolgt und die Druckverluste und typischerweise der Wasserverbrauch in der Strömung des flüssigen Kühlmediums verringert werden. Wenn das flüssige Kühlmedium über eine Fördereinrichtung gefördert wird, kann die Antriebsleistung der Fördereinrichtung entsprechend abgesenkt werden, sodass weniger Antriebsleistung benötigt wird und sich der Wirkungsgrad des Gesamtsystems verbessert. Beim bevorzugten Einsatzfall in einer Wasserkraftanlage kann Wasser eingespart werden, welches typischerweise aus dem Oberwasser oder einer Druckleitung der Wasserkraftanlage entnommen wird. Da diese eingesparte Wasser dann zur „Verstromung” durch die Turbine der Wasserkraftanlage genutzt werden kann, stelle die Einsparung im Kühlsystem auch einen erheblichen wirtschaftlichen Vorteil bei solchen Anlagen dar.
Zusätzlich dazu wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine sehr gleichmäßige Kühlung des Generators erreicht. Die Temperatur im Generator kann durch eine geeignete Variation in Abhängigkeit ihrer elektrischen Leistung und/oder der Temperatur des flüssigen Kühlmediums, bevorzugt am Eintritt in das Kühlsystem für das flüssige Kühlmedium, immer in einem vorgegebenen Temperaturfenster gehalten werden, unabhängig davon, ob der Generator unter Volllast oder im Teillastbetrieb läuft. Damit können Temperaturschwankungen verringert werden. Der Generator wird somit weniger stark durch unterschiedliche Temperaturen seiner verschiedenen Baumaterialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizenten beansprucht. Mechanische Spannungen werden so verringert. Dadurch kann eine erheblich längere Lebensdauer des Generators, und hier insbesondere der Wicklungen, erreicht werden, als dies bei Generatoren der Fall ist, welche jeweils unabhängig von ihrer elektrischen Leistung immer eine konstante (maximale) Abkühlung erfahren.
In vorteilhaften Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass die Variation des Volumenstroms durch einen Anpassung des Volumenstroms des flüssigen Kühlmediums, z. B. durch eine variable Drossel, ein Proportionalventil und/oder die Variation der Drehzahl einer Fördereinrichtung, erfolgt.
In einer ergänzenden oder alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ferner vorgesehen, dass einzelne Kühlwärmetauscher oder Gruppen von Kühlwärmetauschern durch Ventileinrichtungen in die oder aus der Strömung des flüssigen Kühlmediums geschaltet werden. Die abgeschalteten Kühlwärmetauscher sind dann weiterhin in der Strömung des gasförmigen Kühlmediums angeordnet, um hier die typischerweise konstruktiv ausgeklügelte Strömung nicht nachteilig zu beeinflussen. Allerdings werden diese Kühlwärmetauscher dann nicht von flüssigem Kühlmedium durchströmt, sodass sich in den Teilströmen des gasförmigen Kühlmediums, welches durch die nicht betriebenen Kühlwärmetauscher strömt, eine höhere Temperatur einstellt, als in den Teilströmen, welche durch betriebene Kühlwärmetauscher strömen. In der Mischung lässt sich dann eine geeignete Temperatur erreichen, um so die Temperatur des Generators im vorgegebenen Temperaturbereich zu halten.
Dadurch, dass einzelne Kühlwärmetauscher oder Gruppen von Kühlwärmetauschern aus der Strömung des flüssigen Kühlmediums herausgeschaltet werden, wenn der Generator beispielsweise in Teillast betrieben wird, ergibt sich der besondere Vorteil, dass die Druckverluste dieser Kühlwärmetauscher nicht überwunden werden müssen, und dass mit einfachen Mitteln, beispielsweise einfachen Magnetventilen, eine Variation der Abkühlung des gasförmigen Kühlmediums möglich wird. Da weiterhin ein entsprechend hoher Volumenstrom des flüssigen Kühlmediums in den betriebenen Kühlwärmetauschern aufrechterhalten werden kann, ist diese Variante von besonderem Vorteil, wenn als flüssiges Kühlmedium Kühlwasser verwendet wird, welches beispielsweise bei einer Wasserkraftanlage unmittelbar aus dem Fluss oder dem Staubecken entnommen wird. Da dieses trotz Filterung häufig noch mit Sedimenten verschmutzt ist, ist ein hoher Volumenstrom des flüssigen Kühlmediums durch die in Betrieb befindlichen Kühlwärmetauscher von besonderem Vorteil, um ein Ablagern von Sedimenten und ein Verschmutzen beziehungsweise Zusetzen der Kühlwärmetauscher effizient zu vermeiden.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die zur Regelung/Steuerung gegebenenfalls genutzte Temperatur des flüssigen Kühlmediums dabei die Temperatur, welche in Strömungsrichtung vor dem ersten Kühlwärmetauscher erfasst wird. Diese Temperatur ist also die Eintrittstemperatur des flüssigen Kühlmediums in das Kühlsystem und gibt somit Aufschluss darüber, wie viel Wärme von dem flüssigen Kühlmedium aufgenommen werden kann. Auch dies hat typischerweise Einfluss auf die Abkühlung des gasförmigen Kühlmediums und damit auf die Kühlung beziehungsweise die Temperatur des Generators. Insbesondere bei einer Wasserkraftanlage kann als flüssiges Kühlmedium Wasser aus dem Bereich des aufgestauten Wassers genutzt werden, welches auch durch die Turbine strömt. Da dieses je nach Jahreszeit/Witterung unterschiedliche Temperaturen aufweisen kann, hat dessen Starttemperatur selbstverständlich Einfluss auf die mögliche Abkühlung des gasförmigen Kühlmediums.
Prinzipiell sind dabei verschiedene gasförmige Kühlmedien denkbar, welche entweder durch den Generator hindurchgeführt werden und dann abströmen, beispielsweise über eine Ableitung oder bei der Verwendung von Luft einfach in die Maschinenhalle. Da die ebenso denkbare Verwendung von technischen Gasen hier vergleichsweise aufwändig ist und einen hohen apparativen Aufwand und einen hohen Aufwand hinsichtlich der Abdichtung mit sich bringt, ist die Verwendung von Luft als gasförmiges Kühlmedium die bevorzugte Lösung. Diese kann dann beispielsweise aus dem Bereich der Maschinenhalle angesaugt und nach dem Durchströmen des Generators wieder in die Maschinenhalle abgegeben werden. Auch bei steigender Temperatur in der Maschinenhalle ist die Kühlung dabei weiterhin sichergestellt, da die Luft dann vor dem Einströmen in dem Generator die Kühlwärmetauscher durchströmt und durch das flüssige Kühlmedium in geeigneter Art abgekühlt wird. Ein alternativer und sehr verbreiteter Aufbau bei der Kühlung mit Luft sieht einen Kapselung oder Abdeckung des Generators vor, beispielsweise in einem eigens um den Generator gebauten Raum oder dergleichen. Dies dient einerseits zur Abschirmung des Generators vor Schmutz und Staub und sorget andererseits für eine Kreislaufströmung der Kühlluft, so dass deren Abkühlung über die Kühlwärmetauscher sehr leicht und effizient beeinflusst werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden aus dem Ausführungsbeispiel deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
Dabei zeigen:
1 den beispielhaften Aufbau eines Generators in einer Wasserkraftanlage; und
2 eine mögliche Ausführungsform eines Kühlsystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
3 eine weitere mögliche Ausführungsform eines Kühlsystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Inder Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Ausschnitt als einer Wasserkraftanlage 1 zu erkennen. Den Kern dieses Ausschnitts der Wasserkraftanlage 1 bildet eine Turbine 2, welche von Wasser aus einer Druckleitung 3, welche mit dem sogenannten Oberwasser in Verbindung steht, durchströmt wird. Nach dem Durchströmen der Turbine 2 strömt dieses Wasser über einen Diffusor in das sogenannte Unterwasser 4 ab. Die Turbine 2 treibt über eine Welle 5 einen Rotor 6 eines Generators 7 an. Neben dem angetriebenen Rotor 6 weist der Generator 7 außerdem einen Stator 8 auf, welcher hier prinzipmäßig angedeutet ist. Typischerweise besteht der Stator 8 aus vielen Blechen, welche sich mit ihrer größten Ausdehnung jeweils in radialer Richtung erstrecken und in axialer Richtung zu einem Blechpaket 9 gestapelt sind. In diesem Bleckpaket 9 des Stators 8 sind elektrische Leiter, die sogenannten Wicklungen 10 angeordnet, welche in Nuten des Bleckpakets 9 in axialer Richtung verlaufen. In den Wicklungen 10 wird in an sich bekannter Art und Weise elektrische Leistung induziert, welche dann für ein Energieversorgungsnetz oder ähnliches verwendet werden kann.
Die Wasserkraftanlage 1 kann beispielsweise als Wasserkraftanlage 1 mit einem aufgestauten Oberwasser ausgebildet sein. Auch ein Pumpspeicherkraftwerk, in dem der Generator 7 je nach Bedarf motorisch oder generatorisch betrieben wird, ist möglich. Typische Generatoren 7 in Wasserkraftanlagen 1, welche im allgemeinen über mehrere solche Generatoren 7 verfügen, weisen einen Durchmesser von 5 bis 20 m und eine Nennleistung von 20 bis 1000 MW auf.
Im Bereich des Generators 7 entsteht unter anderem durch den elektrischen Widerstand des in den Wicklungen 10 fließenden Stroms Abwärme, welche abgeführt werden muss, um ein Überhitzen des Generators 7 zu vermeiden. Bei einem typischen Wirkungsgrad von 98–99% und einer Nennleistung von z. B. 800 MW beträgt dieser Teil der Abwärme alleine ca. 8 bis 16 MW. Um diese Abwärme abzuführen, wird der Generator 7 von einem gasförmigen Kühlmedium durchströmt, welches hier durch die mit 11 bezeichneten Pfeile angedeutet ist. Dieses gasförmige Kühlmedium 11, beispielsweise Kühlluft, welche aus der Umgebung des Generators 7 angesaugt wird, durchströmt dann den Rotor 6 und den Bereich des Stators 8 des Generators 7. Hiefür sind typischerweise Fördermittel (nicht dargestellt) vorgesehen, welche im Bereich des Rotors 6 angeordnet sind, durch eine geeignete konstruktive Ausgestaltung des Rotors 6 erreicht werden und/oder von der Welle 5 zumindest mittelbar mit angetrieben werden. Dadurch ist sichergestellt, dass immer ein ausreichender Volumenstrom des gasförmigen Kühlmediums 11 strömt, wenn der Rotor 6 des Generators 7 sich dreht und in Betrieb ist. Um das gasförmige Kühlmedium 11, welches z. B. in einem um den Generator 7 angeordneten Raum im Kreislauf strömt, abzukühlen, sind außerdem Kühlwärmetauscher 12 vorgesehen, welche von dem gasförmigen Kühlmedium 11 einerseits und einem flüssigen Kühlmedium, hier insbesondere Kühlwasser, andererseits durchströmt werden. Typischerweise weist der Generator 7 dabei mehrere derartige Kühlwärmetauscher 12 auf, welche um den Umfang des Generators 7 verteilt sind, und welche im Bereich der Ansaugöffnungen oder insbesondere der Abströmöffnungen für das gasförmige Kühlmedium 11 angeordnet sind. Bei den oben genannten Baugrößen des Generators 7 sind in jedem Fall zwei, typischerweise 14 bis 20 oder ggf. auch mehr derartige Kühlwärmetauscher 12 üblich. Diese werden von dem gasförmigen Kühlmedium 11 ebenso wie von dem flüssigen Kühlmedium zumeist parallel zueinander durchströmt. Detaillierte Varianten möglicher Ausführungsformen für ein Kühlsystem 13 ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den nachfolgenden Figuren.
In der Darstellung der 1 ist eine erste mögliche Ausführungsform des Kühlsystems 13 prinzipmäßig angedeutet. Dieses besteht in der hier dargestellten Ausführungsvariante aus einer Zuleitung 14, welche aus der Druckleitung 3 der Wasserkraftanlage 1 abzweigt und damit den zum Durchströmen der Kühlwärmetauscher 12 und des Kühlsystems 13 benötigten Wasserdruck ohne zusätzliche Fördereinrichtung bereitstellt. Das Wasser durchströmt zuerst einen Filter 15, bevor es in der hier dargestellten Ausführungsvariante in die zwei parallel verschalteten Kühlwärmetauscher 12 strömt. Nachdem Durchströmen der Kühlwärmetauscher 12 strömt das Kühlwasser über eine variable Drossel 16 in den Bereich des Unterwassers 4, hier beispielhaft angedeutet in den Bereich des Diffusors 4 ab. Das Kühlsystem 13 in der hier dargestellten Ausführungsvariante erlaubt es nun, über eine mit 17 bezeichnete beispielhaft angedeutete Steuerung durch die variable Drossel 16 den Volumenstrom des Kühlwassers entsprechend einzustellen und so eine gezielte Abkühlung des gasförmigen Kühlmediums 11 in den Kühlwärmetauschern 12 zu erreichen.
Wie in der Darstellung der 1 beispielhaft angedeutet, kann die Steuerung 17 zum Einstellen des Volumenstroms durch die variable Drossel 16 verschiedene Eingangsgrößen nutzen. Von diesen Eingangsgrößen können jeweils eine oder mehrere verwendet werden, um eine gesteuerte und/oder geregelte Kühlung des Generators 7 zu gewährleisten, sodass dieser in einem vorgegebenen Temperaturfenster von beispielsweise ±10 K, oder insbesondere ±8 K gehalten werden kann. Die Eingangsgrößen können beispielsweise die aktuelle elektrische Leistung P des Generators 7 oder der Strom I oder die Spannung U oder die Drehzahl n sein. Außerdem kann die Eintrittstemperatur des Kühlwassers über einen prinzipmäßig angedeuteten Kühlwassersensor 18 mit genutzt werden. Auch eine Berücksichtigung der Temperatur des gasförmigen Kühlmediums 11 entweder vor dem Kühlwärmetauscher 12, wie durch den Sensor 19 angedeutet, oder nach dem Kühlwärmetauscher 12, wie durch den Sensor 20 angedeutet, ist denkbar. Insbesondere kann eine Steuerung oder Regelung der Temperatur auch direkt auf die Temperatur der Wicklungen 10 oder des Blechpakets 9 erfolgen, wie es durch die Temperatursensoren 21, 22 angedeutet ist. In der Steuerung 17 werden zumindest einer dieser Werte dann entsprechend ausgewertet und durch eine Beeinflussung des Volumenstroms des Kühlwassers durch die variable Drossel 16 kann eine Steuerung oder Regelung der Kühlung erfolgen.
Neben dem besonderen Vorteil, dass der Generator 7 in einem konstanten Temperaturfenster gehalten werden kann, entsteht außerdem der Vorteil, dass der Bedarf an Kühlwasser entsprechend reduziert wird. Da dieses bei Wasserkraftanlagen 1 typischerweise aus dem Bereich des Oberwassers oder der Druckleitung 3 abgezweigt wird, kann nicht benötigtes Kühlwasser durch die Turbine 2 strömen und dient so der Erzeugung von elektrischer Energie. Auch hierdurch entsteht neben der Verlängerung der Lebensdauer des Generators 7 über die Laufzeit des Generators ein erheblicher wirtschaftlicher Vorteil.
Da eine möglichst exakte Regelung der Temperatur idealerweise bei Verwendung eines der Temperatursensoren 21 oder 22 gewährleistet ist, stellt dies die ideale Voraussetzung zur Beeinflussung des Kühlsystems 13, also zur Variation des Volumenstroms und/oder zur später noch erläuterten Abschaltung einzelner Kühlwärmetauscher 13 dar. Andere Größen wie beispielsweise die aktuelle elektrische Leistung, welche gegebenenfalls leichter zu erfassen sind oder im Bereich des Generators 7 ohnehin gemessen werden, können selbstverständlich ebenso genutzt werden. Dabei ist zu beachten, dass die elektrische Leistung nur teilweise für die entstehende Abwärme verantwortlich ist, da auch durch die Reibung des gasförmigen Kühlmediums 11 sowie elektrische Verluste in der Erregerwicklung sowie Magnetisierungsverluste ein entsprechender Kühlbedarf entsteht. Idealerweise kann für eine Variation des Kühlsystems 13 in Abhängigkeit der elektrischen Leistung beispielsweise ein geeignetes Kennfeld herangezogen werden.
In der Darstellung der 2 ist eine weitere Ausführungsform für ein Kühlsystem 13 beispielhaft dargestellt. Im Kühlsystem 13 sind dabei mehrere der Kühlwärmetauscher 12 zu erkennen, wobei hier lediglich drei explizit dargestellt sind. Die Kühlwärmetauscher 12 sind dabei parallel zueinander verschaltet und werden sowohl von dem Kühlwasser als auch von dem gasförmigen Kühlmedium 11 parallel durchströmt, um eine gezielte und beeinflussbare Abkühlung des gasförmigen Kühlmediums 11 und damit einen vorgegebenen Temperaturbereich im Generator 7 zu gewährleisten. Das Kühlwasser soll bei dem in 2 dargestellten Kühlsystem 13 über eine Fördereinrichtung 23, beispielsweise eine Konstantpumpe, gefördert werden. Eine solche Förderung von Kühlwasser über eine Pumpe erfolgt dabei typischerweise aus dem Bereich des Unterwassers.
Dabei ist es vorgesehen, dass über Ventileinrichtungen 24 jeweils einzelne der Kühlwärmetauscher 12 in oder aus der Strömung des Kühlwassers geschaltet werden. Dieses Hinein- oder Herausschalten von einzelnen Kühlwärmetauschern 12, insbesondere bei einer sehr einfachen Konstantpumpe als Fördereinrichtung 23, ermöglicht auf sehr einfache und effiziente Art, eine Beeinflussung der Temperatur des gasförmigen Kühlmediums 11 in seiner Mischung, da nur noch einzelne Volumenströme abgekühlt und andere mit höherer Temperatur verwendet werden. Im Kühlsystem 13 hat dies den Vorteil, dass, wenn weniger Kühlwärmetauscher 12 durchströmt werden, weniger Wasser benötigt wird, weniger Druckverluste auftreten und damit der Energiebedarf reduziert wird. Dabei hat ein konstant hoher Volumenstrom des Kühlwassers durch die betriebenen Kühlwärmetauscher 12 den Vorteil, dass eventuelle Verschmutzungen, welche den Filter 12 passiert haben, sich nicht so leicht im Bereich der Kühlwärmetauscher 12 absetzen, da diese immer mit einem entsprechend hohen Volumenstrom durchströmt und so gleichzeitig durchgespült werden. Der Aufbau kann dabei sehr einfach und effizient durch das Schalten einzelner Magnetventile 24 eine gezielte Abkühlung des Generators 7 erreichen.
Das Kühlwasser durchströmt dabei je nach Stellung einzelner jedem Kühlwärmetauscher 12 zugeordneter Ventileinrichtungen 24 alle oder nur einige der Kühlwärmetauscher 12. Das Kühlwasser kann dann beispielsweise über eine Drosselstelle 25 wieder in den Bereich des Unterwassers beziehungsweise den Diffusor 4 abgeführt werden. Anstelle der Magnetventile als Ventileinrichtungen 24 könnten auch Proportionalventile verwendet werden. Diese Proportionalventile könnten dann alternativ oder ergänzend zu den Ventileinrichtungen 24 vorhanden sein, um beispielsweise analog der in 1 beschriebenen variablen Drossel 16 den Volumenstrom durch die Kühlwärmetauscher 12 ergänzend oder alternativ zu deren Zu- oder Abschaltung zu steuern beziehungsweise zu regeln.
In der Darstellung der 3 ist eine weitere mögliche Ausführungsform des Kühlsystems 13 zu erkennen. Die Fördereinrichtung 23 ist hier, wie es durch den Pfeil angedeutet ist, regelbar ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass diese hinsichtlich ihres Volumenstroms, beispielsweise durch eine Drehzahlregelung, variierbar ist. Sie kann dann so eingestellt werden, dass in den einzelnen Kühlwärmetauschern 12, beispielsweise wenn auf die Ventileinrichtungen 24 verzichtet wird, oder wen alle oder einige der Ventileinrichtungen 24 geöffnet sind, sich ein durch die Steuerung 17 vorgegebener Volumenstrom des Kühlwassers einstellt, welcher eine Abkühlung des gasförmigen Kühlmediums 11 in der Art ermöglicht, dass die im Generator 7 anfallende Abwärme in der gewünschten Menge gezielt abgeführt werden kann. In der Darstellung der 3 ist als weitere Ausführungsvariante des Kühlsystems 13 zu erkennen, dass hier die einzelnen Kühlwärmetauscher 12 nicht wie bei der in 2 dargestellten Variante alle parallel zueinander geschaltet sind, sondern dass diese in Gruppen, von hier beispielsweise zwei Kühlwärmetauschern 12, parallel zueinander geschaltet sind, wobei jede der Gruppen über eine Ventileinrichtung 24 in die Strömung des Kühlwassers oder aus der Strömung des Kühlwassers heraus geschaltet werden kann. Die Ventileinrichtungen 24 können dabei als einfache und sehr effiziente Magnetventile aufgebaut sein, wie dies bei der Ausführungsform gemäß 2 beschrieben wurde.
Die Ventileinrichtungen 24 können dabei in idealer Art und Weise so ausgebildet werden, dass diese, wenn sie nicht bestromt werden, im geöffneten Zustand verharren. Sollte die Steuerung 17 aus irgendwelchen Gründen ausfallen, so würde automatisch die maximal mögliche Kühlung des Generators 7 erfolgen, und ein Überhitzen des Generators 7 wäre auch für den Fall, dass die Steuerung 17 oder die zur Ermittlung der Variation genutzten Sensoren ausfallen, in jedem Fall gewährleistet. Solche Ventile beziehungsweise Magnetventile 24 werden auch als „normally open” bezeichnet. Vergleichbares gilt für die variable Drossel 16. Auch diese kann so ausgebildet sein, dass im unbestromten Zustand der gesamte verfügbare Strömungsquerschnitt zur Verfügung steht, sodass bei einem Ausfall der Steuerung 17 auch bei dieser Ausführungsvariante die maximale Kühlung erfolgt.
Das bevorzugte Ziel des Kühlsystems 13 mit geregelter oder gesteuerter Kühlung des gasförmigen Kühlmediums 11 das Kühlwasser besteht darin, die Temperatur in dem Generator 7 in einem konstanten Temperaturbereich zu halten, um so eine möglichst gleichmäßige Temperatur des Generators 7 während seiner Lebensdauer zu ermöglichen und thermisch induzierte Materialspannungen weitestgehend zu vermeiden. Damit lässt sich eine sehr hohe Lebensdauer des Generators 7 erreichen.
Alternativ zu dem beschriebenen Aufbau könnte selbstverständlich auch ein geschlossener Kühlkreislauf für das Kühlsystem 13 verwendet werden, welcher dann über einen oder mehrere weitere Kühlwärmetauscher beispielsweise von Flusswasser, über einen Kühlturm oder ähnliches gekühlt werden würde.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0195091 A1 [0006]
DE 3225276 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Kühlen eines Generators (7), welcher 1.1. von einem gasförmigen Kühlmedium (11) durchströmt wird, und welcher 1.2 wenigstens zwei Kühlwärmetauscher (12) umfasst, in denen das gasförmige Kühlmedium (11) mittels eines flüssigen Kühlmediums abgekühlt wird; dadurch gekennzeichnet, dass 1.3 der Volumenstrom des flüssigen Kühlmediums und/oder die Anzahl der von dem flüssigen Kühlmedium durchströmten Kühlwärmetauscher (12) variiert wird, wobei 1.4 die Variation in Abhängigkeit wenigstens einer der nachfolgenden Größen erfolgt: 1.4.1 Leistung (P) des Generators (7); 1.4.2 Temperatur des flüssigen Kühlmediums; 1.4.3 Temperatur des gasförmigen Kühlmediums; 1.4.4 Temperatur der Wicklungen (10) des Generators (7); 1.4.5 Temperatur der Bleckpakete (9) des Generators (7); 1.4.6 Spannung (U) des Generators (7); 1.4.7 Strom (I) des Generators (7); 1.4.8 Drehzahl (n) des Generators (7)
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Volumenstroms durch eine variable Drossel (16) oder wenigstens ein Proportionalventil in der Strömung des flüssigen Kühlmediums erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Volumenstroms durch eine Variation der Drehzahl einer Fördereinrichtung (23) für das flüssige Kühlmedium erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Kühlwärmetauscher (12) und/oder Gruppen von Kühlwärmetauschern (12) durch Ventileinrichtungen (24) in die oder aus der Strömung des flüssigen Kühlmediums geschaltet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Kühlwärmetauscher (12) und/oder Gruppen von Kühlwärmetauschern (12) parallel zueinander von dem flüssigen Kühlmedium und/oder parallel zueinander von dem gasförmigen Kühlmedium (11) durchströmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des flüssigen Kühlmediums in Strömungsrichtung vor dem ersten Kühlwärmetauscher (12) erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Volumenstroms und/oder der Anzahl der vom flüssigen Kühlmedium durchströmten Kühlwärmetauscher (12) so erfolgt, dass der Generator (7) innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als flüssiges Kühlmedium Kühlwasser verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (7) in einer Wasserkraftanlage (1) von einer durch Wasserkraft betriebenen Turbine (2) angetrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als gasförmiges Kühlmedium Luft genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Drossel und/oder die Ventileinrichtung (24) so ausgebildet werden, dass diese im nicht angesteuerten Zustand geöffnet sind.