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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konstanthaltung der Temperatur der gasgekühlten Rotorwicklung eines Generators durch temperaturabhängige oder lastabhängige Regelung des Kühlgasdruckes.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Reduzierung des Verschleißes der Rotorwicklung von Generatoren durch Regelung (closed loop control) der Rotorwicklungstemperatur.
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Durch den steigenden Anteil der erneuerbaren Energieerzeuger werden die Generatoren der fossilen Energieerzeuger im Verbundnetz immer stärker dynamisch mit wechselnden Leistungen (viele Laständerungen und Start/Stopp Zyklen) beansprucht. Hierbei ändern sich nicht nur die Wirkleistungen sondern auch die Blindleistungen, mit denen die Generatoren beaufschlagt werden. Dies führt zu einer zunehmenden thermo-mechanischen Beanspruchung der Rotorwicklungen der Generatoren, da immer wieder entsprechend der geänderten Leistungsanforderung der Erregerstrom angepasst werden muss. Als Folge stellt sich ein wesentlich höherer Verschleiß bei den Rotorwicklungen ein.
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Bei hohen Beanspruchungen der Rotorwicklung durch stark wechselnde Erregerströme kann der Verschleiß der Rotorwicklung durch Überdimensionierung des Generators reduziert werden. Frühzeitige Erneuerungen der Rotorwicklungen können das Ausfallrisiko durch Verschleiß der Rotorwicklung bei Betrieb mit vielen Laständerungen reduzieren.
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Einem vorzeitigen Verschleiß der Rotorwicklung kann prinzipiell durch verstärkte Kühlung, wie zum Beispiel Wasserkühlung der Rotorwicklung, Senkung der Kaltgastemperatur oder durch zusätzliche Kühleinrichtungen, entgegengewirkt werden. Weitere Maßnahmen sind durch eine Überdimensionierung des Generators oder durch häufige Neuwicklungen des Rotors gegeben.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, für einen gasgekühlten Generator ein Verfahren anzugeben, das dem übermäßigen Verschleiß der Rotorwicklung durch wechselnde Erregerströme entgegenwirkt.
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Das Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Es wird vorgeschlagen, durch Regelung der Rotorwicklung auf eine konstante Temperatur die Häufigkeit von hohen thermo-mechanischen Spannungen zu reduzieren.
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Die Erfindung bringt folgende Vorteile mit sich:
- - Deutlich reduzierte thermo-mechanische Beanspruchung der Rotorwicklung, da die Rotorwicklung weitgehend auf konstanter Temperatur gefahren wird,
- - Durch Regelung der Rotorwicklung auf eine konstante Temperatur wird die Häufigkeit von hohen thermo-mechanischen Spannungen reduziert,
- - Einhaltung der erlaubten Temperaturbereiche entsprechend der spezifizierten Isolierstoffklasse der Rotorwicklung,
- - Verbessertes Schwingungsverhalten des Generatorrotors durch reduzierten thermischen Einfluss,
- - Reduziertes Ausfallrisiko und bessere Verfügbarkeit des Generators,
- - Robuste und aufwandeffiziente Lösung,
- - Gute Eignung für den Einsatz des Generators in Netzstabilitätsanwendungen als rotierender Phasenschieber,
- - Reduzierter Service-Aufwand und somit niedrigere Langzeit-Wartungskosten.
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In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung werden der Erregerstrom und der Erregerspannung gemessen und daraus die aktuelle Rotorwicklungstemperatur über den ohmschen Widerstand der Wicklung sowie die sich über die Zeit theoretisch einstellende Rotorwicklungstemperatur über die elektrische Heizleistung ermittelt. Aus der Ermittlung der sich über die Zeit theoretisch einstellenden Rotorwicklungstemperatur kann der Druck des Kühlgases frühzeitig beeinfusst werden derart, dass die praktische Änderung der Rotorwicklungstemperatur minimiert wird. Hierbei ist eine vorauseilende, prediktive Beeinflussung des Gasdruckes realisiert, wodurch sich die Änderung der Rotorwicklungstemperatur weiter reduziert.
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In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Ständerwicklung direkt mit einer Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser, zu kühlen, was in vorteilhafter Weise eine thermische Entkoppelung der Ständerwicklung von der gasgekühlten Rotorwicklung bewirkt. Diese Maßnahme gestattet in Kombination mit einer gezielten Regelung der Rotorwicklungstemperatur bei erhöhtem Gasdruck und damit verstärkter Kühlung an der Grenze zur maximal zulässigen Rotorwicklungstemperatur eine Leistungssteigerung des Generators. Hierbei sind Einhaltung und optimale Ausnutzung der erlaubten Temperaturbereiche entsprechend der spezifizierten Isolierstoffklasse der Rotorwicklung gegeben.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand einer Figur näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 den minimal nötigen Gasdruck je Betriebspunkt bezogen auf die Rotortemperatur.
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Erfindungsgemäß wird für Generatoren vorgeschlagen, die thermo-mechanischen Belastungen der gasgekühlten Generatorrotorwicklung bei stark schwankenden Erregerströmen durch laufende Variation des Kühlgasdruckes zu reduzieren. Die Rotorwicklung wird auf eine annähernd konstante Temperatur mittels Veränderung des Kühlgasdruckes geregelt, wodurch die Häufigkeit von hohen thermo-mechanischen Spannungen reduziert wird.
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Die laufende Variation des Kühlgasdruckes ermöglicht eine Regelung und Begrenzung der Rotorwicklungstemperatur auf einen vorgebbaren Sollwert. Der Sollwert der Temperatur für die Regelung wird anlagenspezifisch, je nach Betriebsart (Grundlast, Spitzenlast, Phasenschieber et cetera) festgelegt. Mit steigender Belastung des Generators wird der Kühlgasdruck am Generator-Rotor erhöht und die Rotorwicklungstemperatur durch gesteigertes Wärmeabfuhrvermögen des Kühlgases nach Möglichkeit konstant gehalten oder die Temperaturänderung minimiert.
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Die aktuelle mittlere Rotorwicklungstemperatur wird in einer Variante indirekt aus der Messung des Erregerstromes und der Erregerspannung der Rotorwicklung ermittelt. Die aktuelle Rotorwicklungstemperatur wird mit dem Temperatur-Sollwert verglichen. Der Temperatur- Sollwert ist die oben genannte vorgebbare Temperatur.
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Liegt die aktuelle mittlere Rotorwicklungstemperatur unter dem Temperatur- Sollwert, so wird der Generatorüberdruck durch Ablassen des im Generatorgehäuse befindlichen Gases auf einen Minimaldruck, wie zum Beispiel 0 bar oder 0,03 bar, abgesenkt, beziehungsweise gehalten. Das Ablassen des im Generatorgehäuse befindlichen Gases kann kontrolliert über geeignete Ventile und Leitungen, über Dach oder unkontrolliert über Undichtigkeiten am Durchtritt der Generatorwelle durch das Generatorgehäuse und des Generatorgehäuses selbst realisiert werden.
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Ist die aktuelle mittlere Rotorwicklungstemperatur größer als der Temperatur- Sollwert, wird der Überdruck des Kühlgases im Generator gesteigert, gegebenenfalls auf einen Maximaldruck, wie zum Beispiel 1 bar bei Luft oder 4 bar bei Wasserstoff, beziehungsweise gehalten. Dies kann zum Beispiel durch das Zuschalten eines Kompressors oder durch die Entnahme des Kühlgases aus einem Tank mit höherem Druck realisiert werden.
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Bei Generatoren mit Schleifringerregung handelt es sich um Synchrongeneratoren, bei denen der Erregerstrom über Schleifringe von außen zugeführt wird. Die Zuführung des Erregerstromes über Schleifringe erlaubt die einfache Messung des Erregerstromes und der Erregerspannung an einer feststehenden Stelle des Generators.
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Die hier beschriebene Erfindung ist auch anwendbar auf Generatoren, bei denen der Erregerstrom und die Erregerspannung nicht direkt auf einfache Weise gemessen werden können. Hier können ersatzweise von der Rotorwicklung, etwa durch Funk oder Infrarot, nach außen übertragene Messwerte des Erregerstromes und der Erregerspannung oder der Rotorwicklungstemperaturen an verschieden Stellen, einzeln oder verknüpft, als Kenngrößen für die aktuelle mittlere Temperatur der Rotorwicklung genutzt werden.
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1 zeigt in einem Druckdiagramm (pressurization pattern) den minimal nötigen Gasdruck in bar je Betriebspunkt bezogen auf die Rotortemperatur, wobei die Linie Lim die Begrenzung des Leistungsdiagramms angibt, innerhalb derer der Generator zulässig betrieben werden darf. Dies ist in der Steuerung über eine Logik realisiert. Die Zuodnung zwischen Betriebspunkt des Generators einerseits und erforderlicher Druck des Kühlgases andererseits für eine konstante Rotorwicklungstemperatur ist in einem Kennfeld der Leittechnik für den Generator abgespeichert und wird für die Regelung herangezogen.
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Unter gasgekühlten Rotorwicklungen sollen hier Rotorwicklungen verstanden werden, die mit Luft, Wasserstoff oder Stickstoff gekühlt werden.
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Als Kühlmedium des Generatorrotors können verschiedene Gase wie Luft, Wasserstoff oder ein Gemisch, zumindest bestehend aus Helium oder Stickstoff, eingesetzt werden.
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Die Erfindung ist auch gegeben durch ein Verfahren zur Regelung der gasgekühlten Rotorwicklung eines, insbesondere schleifringerregten, Generators auf eine konstante Temperatur durch temperaturabhängige oder lastabhängige Steuerung des Kühlgasdruckes.
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Die vorliegende Erfindung wurde zu Illustrationszwecken anhand von konkreten Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Dabei können Elemente der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden. Die Erfindung soll daher nicht auf einzelne Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich eine Beschränkung durch die angehängten Ansprüche erfahren.
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Bezugszeichenliste
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- Incr -
- Erhöhung des Gasdrucks zur Regelung der Rotorwicklungstemperatur
- Lim -
- Begrenzung des Leistungsdiagramms
- P -
- Wirkleistung, active power
- Q -
- Blindleistung, reactive power
- TCG -
- Kaltgastemperatur, temperature cold gas
