DE102019213866A1 - Regulation of the gas pressure in a generator below atmospheric pressure to increase efficiency - Google Patents
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Abstract
In einer Generatorenanlage wird der Gasdruck im Bereich Unterdruck geregelt zur Effizienzsteigerung. Der Gasdruck wird im Inneren des Generators so weit wie machbar unterhalb Atmosphärendruck abgesenkt mit der Zielstellung, die gasbedingten Verluste entsprechend zu mindern. Die Erfindung realisiert während des Betriebes eine bedarfsgerechte Unterdruckregelung für den Gasdruck im Inneren des Generators/ Phasenschiebers. Der Vorteil der Erfindung liegt in den geringeren gasbedingten Verlusten der elektrischen Maschine bei Unterdruck. Im Ausführungsbeispiel reduzieren sich die Verluste um circa 500kW, was einem verminderten Kühlleistungsaufwand entsprechend einem geldwerten Vorteil von über 3 Mio € im Jahr gleichkommt.In a generator system, the gas pressure is regulated in the negative pressure area to increase efficiency. The gas pressure inside the generator is reduced as much as possible below atmospheric pressure with the aim of reducing the gas-related losses accordingly. The invention implements a needs-based vacuum control for the gas pressure inside the generator / phase shifter during operation. The advantage of the invention lies in the lower gas-related losses of the electrical machine in the case of negative pressure. In the exemplary embodiment, the losses are reduced by around 500kW, which equates to a reduced cooling output corresponding to a monetary benefit of over € 3 million per year.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Generators, speziell als Phasenschieber, mit verringerten Gasreibungsverlusten und damit Kühlleistungsverlusten.The invention relates to a method for operating a generator, specifically as a phase shifter, with reduced gas friction losses and thus cooling performance losses.
In Kraftwerksgeneratoren entstehen Verluste (Eisenverluste, strombedingte Verluste, Gasreibungsverluste durch den Rotorballen), die das Kühlen mittels eines Gasvolumenstroms (zum Beispiel Luft) notwendig machen. Diese Kühlung hingegen trägt zwar unmittelbar zu einer Herabsenkung der Temperaturen bei, tragen jedoch ebenfalls zur verbrauchten Leistung bei. Je höher diese abzuführende Gesamtverlustleistung ist, desto höher sind die durch die Kühlung verursachten Verluste. Nachteilig hierbei gestaltet sich zudem, dass die Kühlung für einen Maximalfall ausgelegt ist (Blattwinkel des Axialventilators, Nutgrundkanal und Radialschlitze im Rotor). Die gasbedingten Verluste (Ventilator, Eigenförderung des Rotors und Ballenreibung) sind von erheblicher Bedeutung. Besonders signifikant ist der Einfluss im Phasenschiebergeschäft, in welchem jedes Kilowatt Verluste einem geldwerten Nachteil von 6000 € im Jahr entspricht. Bei solchen Phasenschieberanwendungen stellen die gasbedingten Verluste einen Großteil der Gesamtverluste des Generators dar.Losses occur in power plant generators (iron losses, electricity-related losses, gas friction losses through the rotor ball), which make cooling by means of a gas volume flow (e.g. air) necessary. This cooling, on the other hand, contributes directly to lowering the temperatures, but also contributes to the power consumed. The higher this total power loss to be dissipated, the higher the losses caused by the cooling. Another disadvantage here is that the cooling is designed for a maximum case (blade angle of the axial fan, groove base channel and radial slots in the rotor). The gas-related losses (fan, internal pumping of the rotor and ball friction) are of considerable importance. The influence in the phase shifter business is particularly significant, in which every kilowatt of loss corresponds to a monetary disadvantage of € 6,000 per year. In such phase shifter applications, the gas-related losses represent a large part of the total losses of the generator.
In der
Eine Reduzierung von Reibungsverlusten konnte herkömmlich erreicht werden durch die Umstellung auf andere Kühlgase, wie zum Beispiel Wasserstoff, wobei hierbei auch eine Leistungsdichtenerhöhung einhergeht.A reduction in friction losses could conventionally be achieved by switching to other cooling gases, such as hydrogen, with an increase in power density associated with this.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, für einen Generator, insbesondere im Phasenschieberbetrieb, die Verluste zu reduzieren bei gleichzeitiger Vermeidung einer unzulässigen Erwärmung der Maschine und Einhaltung Hochspannungstechnischer Randbedingungen, wie zum Beispiel Schlagweiten.The invention is based on the problem of reducing the losses for a generator, in particular in phase shifter operation, while at the same time avoiding inadmissible heating of the machine and maintaining high-voltage boundary conditions, such as, for example, throw distances.
Das Problem wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The problem is solved by an object having the features of claim 1.
Der erfinderische Schritt liegt darin, eine Regelung für Generatoren/Phasenschieber zu schaffen, welche einen nach Möglichkeit niedrigen Gasdruck (unterhalb des Atmosphärendrucks) anstrebt, ohne eine unzulässige Erwärmung der Maschine in Kauf zu nehmen. Neben thermischen Aspekten berücksichtigt die Logik
Die Erfindung realisiert während des Betriebes eine bedarfsgerechte Unterdruckregelung für den Gasdruck im Inneren des Generators/ Phasenschiebers. Erfindungsgemäß wird der Gasdruck im Inneren des Generators so weit wie machbar unterhalb Atmosphärendruck abgesenkt mit der Zielstellung, die gasbedingten Verluste (welche circa proportional mit der Dichte des Kühlgases einhergehen) entsprechend zu mindern. Hierbei wird der Gasdruck unter Berücksichtigung der reduzierten Kühlleistung derart abgesenkt, ohne die Wärmeklasse der Isolierungen zu verlassen. Ferner werden weitere Umstände (strukturmechanische Stabilität des Gehäuses und Mindestgasdruckanforderung zur Gewährleistung der Spannungsfestigkeit (Durchschlagweiten) und Verhalten des Gaskühlers bei reduziertem Druck berücksichtigt. Basierend auf der Kaltgastemperatur
Der Vorteil der Erfindung liegt in den geringeren gasbedingten Verlusten der elektrischen Maschine bei Unterdruck. Im gezeigten Beispiel reduzieren sich die Verluste um circa 500kW, was einem verminderten Kühlleistungsaufwand entsprechend einem geldwerten Vorteil von über 3 Mio € im Jahr gleichkommt.The advantage of the invention lies in the lower gas-related losses of the electrical machine in the case of negative pressure. In the example shown, the losses are reduced by around 500kW, which equates to a reduced cooling effort corresponding to a monetary benefit of over € 3 million per year.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous further developments of the invention are specified in the subclaims.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 für einen Generator im Phasenschieberbetrieb (nur Blindleistungsregelung), wie hoch der Anteil an gasbedingten Verlusten1 ist im Vergleich zu denen desStändereisens 2 , derErregung 3 , und desStänderstromes 4 ,2 die gasbedingten Verlustkurven zum Einen konventionell 1 und zum Anderen gemäß derErfindung 8 , -
3 die Verlustkurven für einen erfindungsgemäßen Generator und -
4 eine Anordnung eines die Erfindung realisierenden GeneratorsG .
-
1 for a generator in phase shifter operation (only reactive power control), how high the proportion of gas-related losses1 is compared to those of thestand iron 2 , theexcitement 3 , and the stator current4th ,2 the gas-related loss curves on the one hand conventional 1 and on the other hand according to the invention8th , -
3 the loss curves for a generator according to the invention and -
4th an arrangement of a generator realizing the inventionG .
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.In the figures, the same designations denote the same elements.
Anzumerken ist, dass bei der Kurve
In weiten Bereichen konnten die gasbedingten Verluste signifikant reduziert werden (hier: circa 700kW, was einen geldwerten Unterschied von über 4 Mio € im Jahr im Phasenschiebergeschäft gleichkommt)Gas-related losses have been significantly reduced in wide areas (here: around 700kW, which equates to a monetary difference of over € 4 million per year in the phase shifter business)
Ferner lässt sich der Algorithmus dahingehend erweitern, um nach Möglichkeit geringe zeitlich bedingte Temperaturgradienten zu fahren. Im Gegensatz zu bekannten Regelungen, etwa einer Kaltgastemperaturregelung, ergibt sich hier ebenfalls der Vorteil der geringen Verluste bei geringen Gasdrücken.Furthermore, the algorithm can be expanded to run low, temporal temperature gradients, if possible. In contrast to known controls, such as a cold gas temperature control, this also has the advantage of low losses at low gas pressures.
Ein erfindungsgemäßes Unterdrucksystem kann bestehen aus:
- 1. einer Vakuumpumpe
V , die in ihrer Drehzahl zum Beispiel über einen Frequenzumrichter geregelt wird, inklusive einem Sicherheitsventil als Sicherheitseinrichtung für eine untere Druckgrenze, - 2. einer statische Druckerfassungseinrichtung
P , - 3. einem Kaltgastemperatursensor,
- 4. einer Logik
C , welche aus KaltgastemperaturT , WirkleistungW und BlindleistungQ einen Mindestdruck errechnet, - 5. einem Aktuator, welcher entsprechend die Pumpe
V aber auch Ventile ansteuert.
- 1. a vacuum pump
V whose speed is regulated, for example via a frequency converter, including a safety valve as a safety device for a lower pressure limit, - 2. a static pressure detection device
P. , - 3. a cold gas temperature sensor,
- 4. a logic
C. , which from cold gas temperatureT , Real powerW. and reactive powerQ calculates a minimum pressure, - 5. an actuator, which accordingly controls the pump
V but also controls valves.
In der Verbindungsleitung zwischen Vakuumpumpe und Generator kann ein Kugelhahn
Weiterhin ist an der Schnittstelle zwischen Rotor und Gehäuse des Generators ein geeignetes Dichtsystem angeordnet, das verhindert, dass es zu einer Kontamination mit Außenluft kommt. Dies kann erfolgen durch den Einsatz einer zusätzlichen Sperrluftdichtung.Furthermore, a suitable sealing system is arranged at the interface between the rotor and the housing of the generator, which prevents contamination with outside air. This can be done by using an additional sealing air seal.
Die Erfindung ist sowohl im Service mit geringem Aufwand, als auch in der Neuanlage einsetzbar.The invention can be used both in service with little effort and in new systems.
Anstatt der Regelung über einen Frequenzumrichter, der die Drehzahl regelt, kann auch ein Regelventil eine geeignete Regelung / Steuerung darstellen. Die Beschaffenheit der Komponenten, zum Beispiel die der Vakuumpumpe oder die der Ventile ist für die Realisierung Erfindung von untergeordneter Bedeutung.Instead of the regulation via a frequency converter, which regulates the speed, a control valve can also represent a suitable regulation / control. The nature of the components, for example those of the vacuum pump or those of the valves, is of secondary importance for the realization of the invention.
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.For purposes of illustration, the present invention has been explained in detail on the basis of specific exemplary embodiments. Elements of the individual exemplary embodiments can also be combined with one another. The invention is therefore not intended to be restricted to individual exemplary embodiments, but rather only to be restricted by the appended claims.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1 -1 -
- gasbedingte Verluste (herkömmlich)gas-related losses (conventional)
- 2 -2 -
- Verluste des StändereisensStator iron losses
- 3 -3 -
- Verluste der ErregungLoss of excitement
- 4 -4 -
- Verluste des StänderstromesLoss of stator current
- 5 -5 -
- Verluste der Eigenförderung des RotorsLoss of the rotor's own production
- 6 -6 -
- Verluste der Gasreibung am RotorLoss of gas friction on the rotor
- 7 -7 -
- GebläseverlusteFan losses
- 8 -8th -
- gasbedingte Verluste (erfindungsgemäß) gas-related losses (according to the invention)
- C -C -
- Controller, LogikController, logic
- G -G -
- Generatorgenerator
- K -K -
- Kugelhahn zur hydraulischen Trennung des GBall valve for the hydraulic separation of the G
- L -L -
- Verluste (Engl.: loss)Loss
- M -M -
- MindestdruckregelungMinimum pressure regulation
- P -P -
- DruckmessungPressure measurement
- Q -Q -
- BlindleistungReactive power
- T -T -
- Temperatur KaltgasCold gas temperature
- V -V -
- VakuumpumpeVacuum pump
- W -W -
- WirkleistungReal power
Claims (8)
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Citations (3)
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---|---|---|---|---|
DE1178505B (en) * | 1963-06-28 | 1964-09-24 | Licentia Gmbh | Arrangement for generating a vacuum or negative pressure and for avoiding contamination in the housing of an electrical machine equipped with liquid cooling in the rotor and stator |
DE1917872U (en) * | 1965-02-10 | 1965-06-16 | Siemens Schukkertwerke Ag | ELECTRIC MACHINE, THE HOUSING OF WHICH IS UNDER PRESSURE. |
US20160211722A1 (en) * | 2015-01-21 | 2016-07-21 | Siemens Energy, Inc. | Variable performance electric generator |
-
2019
- 2019-09-11 DE DE102019213866.7A patent/DE102019213866A1/en active Pending
Patent Citations (3)
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DE1178505B (en) * | 1963-06-28 | 1964-09-24 | Licentia Gmbh | Arrangement for generating a vacuum or negative pressure and for avoiding contamination in the housing of an electrical machine equipped with liquid cooling in the rotor and stator |
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US20160211722A1 (en) * | 2015-01-21 | 2016-07-21 | Siemens Energy, Inc. | Variable performance electric generator |
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