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Erfindungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Dämpfen einer Torsionsschwingung, insbesondere in einem langen Antriebsstrang, wie zum Beispiel bei LNG-Anwendungen.
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Stand der Technik
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LNG-(engl. Liquefied Natural Gas bzw. Flüssigerdgas) Stränge dienen zum Antrieb von einem primären Bewegungselement zu einem oder mehreren Kompressoren über eine lange Welle. Der Prozess der Energieübertragung umfasst eine Drehmoment/Geschwindigkeits-Übertragung und gewöhnlich umfasst das primäre Bewegungselement eine Gasturbine und einen elektrischen Hilfs/Startermotor oder einen elektrischen Hauptmotor und einen zusätzlichen Hilfsmotor.
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Torsionsschwingungen können insbesondere auftreten, wenn die Masse der Bewegungselemente groß und verteilt ist, oder, mit anderen Worten, wenn die Welle lang ist und die an der Welle angebrachten Komponenten große Massenträgheitsmomente aufweisen, die mit einer geringen Dämpfung kombiniert sind. Aufgrund der geringen Dämpfung ist eine relativ kleine Energiemenge notwendig, um eine resonante Torsionsschwingung zu stimulieren. Diese Stimulierung bzw. Anregung kann durch mechanische oder elektrische Mittel bereitgestellt werden. Auf der mechanischen Seite kann die Anregung durch plötzliche Veränderungen der mechanischen Last über einen breit angeregten Frequenzbereich verursacht werden. Auf der elektrischen Seite gibt es vielfache Gründe für Torsionsschwingungen, zum Beispiel können die Anfangstransienten eine Anregung erzeugen, und die Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter (in LCI-Systemen) kann ein zusätzlicher Grund sein, um nur zwei zu nennen.
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Torsionsschwingungen können einen signifikanten Schaden an dem Antriebsstrang oder Teilen davon verursachen. Sollte der Antriebsstrang ausfallen, d. h., wenn aufgrund der Torsionsschwingung ein Bruch auftreten würde, aufgrund des hohen Pegels an mechanischer Energie der rotierenden Komponenten des Antriebsstrangs, kann dies zur Zerstörung von Teilen führen, die mit dem Antriebsstrang verbunden sind. Selbst wenn die Schäden frühzeitig bemerkt werden, sind Reparaturen komplex und insbesondere aufgrund der Stilllegung während der Reparaturperiode sehr kostenaufwendig (plötzliche Ausfallzeitkosten). Da ein einfaches Ausschalten der Maschinen möglich ist, wenn diese Torsionsschwingungen auftreten, dies aber ebenso ökonomisch nachteilig ist, wurden eine Vielzahl von Systemen (zum Beispiel präventive Wartungssysteme) entwickelt, um derartige Ereignisse zu verhindern.
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Der Stand der Technik und dessen Vorteile sind weitgehend im Hintergrundteil der
US 7,518,344 (Shiler „Method and damping device for damping a torsional vibration in a rotating drivetrain”) beschrieben. Shiler stellt ein neues Verfahren bereit, das vorgibt, die Nachteile der früheren Verfahren zu überwinden, jedoch weist das Shiler-Verfahren selbst einige Beschränkungen auf. Die hauptsächlichen Nachteile sind:
Das Verfahren gemäß Shiler erfordert das Messen von einem oder mehreren Signalen (siehe Anspruch 5). Bei einigen Anwendungen sind derartige direkte Messungen nicht trivial (zum Beispiel empfindliche Sensorinstallation in gefährlichen Gebieten). Das Verfahren basiert auf einem „Current Source Inverter” (Stromquellenumrichter) (wobei Energie in einer Spule gespeichert wird (siehe Anspruch 11 und
3)) mit einer inhärent begrenzenden BW. Das Dämpfen von Hochfrequenzsignalen kann problematisch sein.
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Shiler beansprucht, dass die Energie in einem Kondensator gespeichert werden kann, und in 6 wird ein solches System dargestellt. Nach unserer Meinung ist das System weit davon entfernt, für LNG-Anwendungen anwendbar zu sein, aufgrund von Beschränkungen für die Komponenten.
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Die vorliegende Erfindung verwendet zwei wohlbekannte Technologien; Variable Speed Drive System (VSDS) und Direct Torque Control (DTC) – diese Systeme/Technologien werden detailliert in der ABB-Veröffentlichung „Technical Guide No.1/Direct Torque Control – The World's Most Advanced AC Drive Technology” beschrieben, die unter dem folgenden Link verfügbar ist:
http://www.abbdrives.com/StdDrives/RestrictedPages/Marketing/Documentation/files/PRoducts/DTCTechGuidel.pdf
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren und ein System zum Reduzieren einer Koppleralterung und einer Störung in langen Antriebssystemen, d. h. einer vergrößerten MTBF – insbesondere für einen LNG-Strang.
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Eine der empfindlichsten Schwingungen ist eine parasitäre Niederfrequenzschwingung (10–100 Hz), die entlang des Antriebssystems auftritt. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein Beobachtungsmittel und Verfahren verwendet, um die Frequenz und Amplitude der parasitären Schwingung zu identifizieren und den schwächsten Kuppler zu identifizieren. Es wird dann die entwickelte Software (Large-Band-Width-Torque-Loop) und das VSDS (engl. Variable Speed Drive System) verwendet, um ein Signal zu übertragen, das proportional zu der beobachteten Schwingung ist, mit der gleichen Frequenz und Amplitude, das sich jedoch in einer Antiphase befindet, entlang des Antriebssystems in den Drehmoment-Loop (engl. Torque Loop). Die störende reale Schwingung wird gedämpft und das Schädigungspotential wird reduziert. Die injizierte Drehmomentharmonische wird berechnet gemäß einer vorhergesagten Transferfunktion zwischen der Hilfsmotorwelle und dem entsprechenden Punkt entlang der langen LNG-Welle.
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Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren und System zum Dämpfen einer Torsionsschwingung in einem rotierenden Antriebsstrang.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform einer Erfindung wird ein Verfahren zum Dämpfen einer Torsionsschwingung in einem langen Antriebsstrang bereitgestellt, der eine primäre Bewegungsmaschine und zumindest ein Kopplungsmittel aufweist, das die folgenden Schritte umfasst: (a) Installieren eines elektrischen Motors als eine Hilfsbewegungseinrichtung, seriell zu der primären Bewegungseinrichtung, oder Verwenden der existierenden Hilfsbewegungseinrichtung, wenn diese Bewegungseinrichtung ein elektrischer Motor ist; (b) Beobachten der Torsionsschwingung des Kopplungsmittels; und (c) Verwenden eines VSDS (engl. Variable Speed Drive System) mit einer hochdynamisch-gesteuerten DTC-(engl. Direct Torque Control) Antriebseinrichtung, zum Anwenden eines dämpfenden Drehmoments über die Hilfsbewegungseinrichtung auf den Antriebsstrang, wobei das dämpfende Drehmoment bei der Frequenz und in einer Antiphase zu einer Winkelgeschwindigkeit der störenden Torsionsschwingung angewendet wird.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird das Dämpfungsverfahren bereitgestellt, wobei die Beobachtung (engl. Observation) gemäß der Transferfunktionsparameter des Strangs berechnet wird, die eindeutig erfasst und von Zeit zu Zeit aktualisiert werden, bevorzugt während vorgesehener Wartungszeitfenster.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird das Dämpfungsverfahren bereitgestellt, wobei anstelle einer Beobachtung der Torsionsschwingung die Torsionsschwingung kontinuierlich erfasst wird (wenn das System derartige Installationen erlaubt) durch zumindest einen Sensor, der verwendet wird als ein Feedback für den DTC-Drehmoment-Loop. Die Steuereinheit wird das Dämpfungsdrehmoment erzeugen.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Dämpfen einer Torsionsschwingung in einem rotierenden Antriebsstrang bereitgestellt, das eine primäre Bewegungsmaschine und zumindest ein Kopplungsmittel aufweist, wobei dieses System umfasst: (a) einen elektrischen Motor, der seriell zu der primären Bewegungseinrichtung als eine Hilfsbewegungseinrichtung installiert wird, wobei eine existierende Hilfsbewegungseinrichtung optional verwendet werden kann, wenn eine derartige Hilfsbewegungseinrichtung in dem System als ein Hilfselement existiert; (b) ein Berechnungsmittel zum Beobachten der Torsionsschwingung des Kopplungsmittels; und (c) ein VSDS (engl. Variable Speed Drive System) mit einer hochdynamisch-gesteuerten DTC-(engl. Direct Torque Control) Antriebseinrichtung, welche die Anwendung eines Dämpfungsdrehmoments über die Hilfsbewegungseinrichtung auf den Antriebsstrang ermöglicht, wobei das Dämpfungsdrehmoment bei der Frequenz und Antiphase zu einer Winkelgeschwindigkeit der störenden Torsionsschwingung angewendet wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Dämpfungssystem bereitgestellt, wobei die Beobachtung gemäß den Transferfunktionsparametern des Strangs berechnet werden, die eindeutig erfasst und von Zeit zu Zeit aktualisiert werden, bevorzugt während geplanter Wartungszeitfenster.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst das Dämpfungssystem ferner einen Sensor zum kontinuierlichen Erfassen der Torsionsschwingung, und wobei die erfasste Torsionsschwingung als ein Feedback in dem DTC-Drehmoment-Loop verwendet wird, der dieses Feedback zur Anwendung des Dämpfungsdrehmoments verwendet.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird hier nur beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Mit spezifischer Referenz auf die detaillierten Zeichnungen wird betont, dass die gezeigten Details nur exemplarisch sind und zum Zweck der darstellenden Diskussion der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und diese dargestellt werden zur Bereitstellung einer Beschreibung der Prinzipien und konzeptionellen Aspekte der Erfindung, die besonders nützlich und leicht verständlich erscheint. Diesbezüglich wird kein Versuch unternommen, strukturelle Details der Erfindung für ein fundamentales Verständnis der Erfindung in einem größeren Detail als notwendig zu zeigen, wobei die Beschreibung mit den Zeichnungen es dem Durchschnittsfachmann ersichtlich erscheinen lässt, wie die verschiedenen Formen der Erfindung in der Praxis ausgeführt werden können.
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1 stellt einen LNG-Strang mit dem bereitgestellten Dämpfungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren und System zum Dämpfen einer Torsionsschwingung in einem rotierenden Antriebsstrang.
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Die Prinzipien und der Betrieb des Dämpfungsverfahrens und Systems gemäß der vorliegenden Erfindung können mit Bezug auf die Figur und die begleitende Beschreibung besser verstanden werden.
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1 stellt einen typischen LNG-Strang mit dem bereitgestellten Dämpfungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Der LNG-Strang 10 umfasst typischerweise einen Transformer 11, der – über ein Variable Speed Drive System (VSDS) 12 – die primäre Bewegungseinrichtung 13 antreibt, bei der es sich normalerweise um einen Hochleistungsmotor handelt, zum Beispiel 50 MVA, und ein Synchronmotor sein kann. Die primäre Bewegungseinrichtung 13 rotiert eine Reihe von Kompressoren 15, während alle diese Komponenten durch einen Koppler 14a, 14b, 14c und 14d gekoppelt sind. Diese Koppler 14 sind die schwachen Punkte des LNG-Strangs 10 und können durch eine parasitäre Niederfrequenzschwingung (10–100 Hz), d. h. eine Torsionsschwingung, beschädigt werden, die entlang des Antriebssystems auftritt, und diese Schwingung ist eine, die den größten Schaden anrichten kann.
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Um diese Torsionsschwingung zu dämpfen, wird dem LNG-Strang 10 ein zweiter Motor 16, der durch ein zweites VSDS 17 angetrieben wird, und ein zweiter Transformer 18 hinzugefügt. Die Leistung des zweiten Motors 16 ist geringer als die des Hauptmotors 13, zum Beispiel 5 MVA, und es ist ein Asynchronmotor, der auch als ein Starter oder als eine Hilfsbewegungseinrichtung verwendet werden kann. Das zweite VSDS 17 wird durch ein großes BW-Steuerschema oder bevorzugt durch eine Direct-Torque-Steuereinheit (DTC) 19 gesteuert.
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Die Torsionsschwingung kann beobachtet oder gemessen werden. Eine Beobachtungseinheit 20 verwendet die Systemdaten 21, um die Torsionsschwingung an der hauptsächlich beanspruchten Kopplung (d. h. Koppler 14a, b, c oder d) zu beobachten. Die Information wird von der Beobachtungseinheit 20 an die DTC-Steuereinheit 19 geliefert, die das zweite VSDS 17 verwaltet, um entlang des Strangs ein AC-Drehmomentsignal in Antiphase mit der Torsionsschwingung zu erzeugen und einzuspeisen. Das dämpfende Drehmoment wird bei der Frequenz und Antiphase zu einer Winkelgeschwindigkeit der störenden Torsionsschwingung angewendet.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform gibt es zumindest einen Sensor in dem LNG-Strang 10 zum kontinuierlichen Erfassen der Torsionsschwingung. Die Messungen 20 werden an die DTC-Steuereinheit 19 geliefert, die das zweite VSDS 17 verwaltet, um entlang des Strangs ein AC-Drehmomentsignal in Antiphase mit der Torsionsschwingung zu erzeugen und einzuspeisen. Das dämpfende Drehmoment wird bei der Frequenz und Antiphase zu einer Winkelgeschwindigkeit der störenden Torsionsschwingung angewendet.
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Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit spezifischen Ausführungsformen davon beschrieben wurde, ist es ersichtlich, dass dem Durchschnittsfachmann viele Alternativen, Modifikationen und Variationen ersichtlich sind, und entsprechend beabsichtigt ist, alle derartigen Alternativen, Modifikationen und Variationen, die in den breiten Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen, zu umfassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.abbdrives.com/StdDrives/RestrictedPages/Marketing/Documentation/files/PRoducts/DTCTechGuidel.pdf [0007]
