DE102019214985A1

DE102019214985A1 - Regelsystem zur Einstellung der Schmieröltemperatur zwecks Minimierung der Reibungsverluste bei Generatoren und Phasenschiebern

Info

Publication number: DE102019214985A1
Application number: DE102019214985.5A
Authority: DE
Inventors: Ullrich Kainka; Matthias Kowalski
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2021-04-01

Abstract

Es wird ein Regelsystem zur Verringerung von Reibungsverlusten bei Generatoren, insbesondere Phasenschiebern, vorgeschlagen, wobei dem Lager der Welle Öl mit einer Temperatur zugeführt wird, die nahe an der maximal zulässigen Temperatur liegt. Es hat sich gezeigt, dass bei einer Anhebung der Zulauftemperatur um 10°C eine Reduzierung der Verluste um 10% zu erwarten ist. Diese Einsparung ist von besonderer Bedeutung bei Phasenschiebern oder sonstigen netzstabilisierenden rotierenden Maschinen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelsystem zur Verringerung von Reibungsverlusten bei Generatoren, insbesondere Phasenschiebern.
Im Lager 6 von Generatoren beziehungsweise großen rotierenden Synchronmaschinen wird Schmieröl eingesetzt, um eine möglichst verlustarme Rotation der drehenden Komponenten zu ermöglichen. Das Lagerschmieröl wird durch ein Drei-Wege-Mischventil 1 zum Lager hin gefördert. In dieses Mischventil strömt ein Schmieröl aus dem Ölkühler 3 und Schmieröl aus einem Bypass zu diesem Ölkühler. Diesem Mischventil kommt die Funktion zu, im Normalbetrieb eine Regeltemperatur von beispielsweise 46°C zu erreichen. Dies geschieht mit der Zielstellung, im Lager selbst stets Festkörpertemperaturen 7 von zum Beispiel 100°C zu unterschreiten, da sich ansonsten die Weißmetallauskleidung der Lagerschale verflüssigen würde. Für Lager ohne eine solche Schicht läge die Temperaturgrenze 7 bei beispielsweise 120°C, da ab diesem Wert ein chemischer Zerfall des Schmieröls zu beginnen droht. Dennoch liegt man sowohl bei Lagertemperatur 7 als auch bei Öltemperatur, je nach Anlagenkonfiguration, Aufstellungsort, Wetterlage (et cetera) unterhalb dieser Grenzwerte. Das Öl strömt entsprechend kühl mit zum Beispiel 46°C in die Lagerstelle 6 ein.
Die Lagerreibungsverluste sind je nach Generator verschieden und liegen, zum Beispiel im Falle eines im Einsatz befindlichen Phasenschiebers bei 480kW. Ebenfalls fallen diese Verluste bei sogenannten Schwungmassen zur Netzstabilisierung, sogenannten „Fly-Wheels“ an. Im Phasenschiebergeschäft werden Verlustleistungen mit einem kalkulierten finanziellen Nachteil von 5500 €/kW beziffert.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Verlustleistung einer rotierenden elektrischen Maschine zu reduzieren.
Das Problem wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Gemäß der Erfindung wird dem Lager der Welle Öl mit einer Temperatur zugeführt, die nahe an der maximal zulässigen Temperatur liegt, was die maximal zulässige Temperatur und einen Temperaturbereich von 10°C unterhalb dieser Temperatur umfasst.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass durch die ungeregelte Absenkung der Temperatur des Lageröls die Lagerreibungsverluste entsprechend hoch sind, was auf die vergleichsweise hohe Viskosität (vergleiche 1) zurückgeführt wird, da mit sinkenden Temperaturen die Zähigkeit des Fluids zunimmt.
Die Erfindung sieht vor, eine aktive Regelung einzusetzen, welche die Lageröltemperatur mit Hilfe des Ventils im Bypass derart einstellt, dass die gemessene Lagertemperatur stets bei knapp unter 100°C liegt. Die Lagertemperatur wird gemessen. Die Daten werden ausgewertet und anhand eines Algorithmus wird die optimale Stellung der Ventile zur Verlustminimierung berechnet. Diese Temperatur wird nun mit Hilfe eines Stellventils (Bypass) und dem Ölkühler eingestellt. Durch diesen Regelkreis kann sichergestellt werden, dass sowohl die mechanische Integrität des Lagers, sowie die chemische Stabilität des Schmieröls nicht gefährdet sind, mit dem Vorteil, dass die Lagerreibungsverluste reduziert werden.
Es hat sich gezeigt, dass bei einer Anhebung der Zulauftemperatur um 10°C (die in sehr vielen Fällen möglich ist) eine Reduzierung der Verluste um 10% zu erwarten ist. Aus den Gesamtlagerverlusten von zum Beispiel 480kW resultiert folglich eine Verlustminderung um circa 48kW. Bei dem eingangs erwähnten Bewertungskriterien für Phasenschieber (und sonstige netzstabilisierende rotierende Maschinen) von 5500€/kW ergibt sich somit ein finanzieller Vorteil von 264000€.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1 die Temperaturabhängigkeit der dynamischen Viskosität etha für typische Viskositätsklassen
2 einen die Erfindung realisierenden Temperaturgeregelten Schmierölkreislauf.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
1 zeigt eine graphische Darstellung der dynamischen Viskositätsgleichung nach Rost für die Viskositätsklassen ISOVG 32 (untere Linie) und ISOVG 46 (obere Linie).
Der in 2 dargestellte Ölkreislauf umfasst ein Lager 6 einen Lageröltank 4, eine Pumpe 5, einen Ölkühler 3, einen ein Ventil 2 aufweisenden Bypass zu dem Ölkühler und ein Mischventil 1, das den Ausgang des Ölkühlers und den Bypass zusammenführt. Die Temperatur des Lagers 6, das als Wärmequelle wirkt, wird mittels eines Temperatursensors 7 gemessen.
Die Temperatur 8 des dem Lager 6 zugeführten Öls wird mit Hilfe des Ventils 2 einstellt.
Durch eine Regelung der Lagerschmierölzufuhrtemperatur im Normalbetrieb wird erreicht, dass die Lagerreibungsverluste reduziert werden, ohne die mechanische und chemische Integrität des Lagers, beziehungsweise des Lageröls zu gefährden. Die Anwendung trägt in konventionellen Generatoranlagen zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Stranges bei.
Der Hauptvorteil zeigt sich bei Phasenschieberanlagen, da, wie im aufgezeigten Beispiel, durch das Hinzufügen des vorgeschlagenen Algorithmus (Reglers) pro Phasenschieber ein geldwerter Vorteil von beispielsweise 264000€ erwirkt werden kann.
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.
Bezugszeichenliste

1 -: Drei-Wege Mischventil
2 -: Regelventil Kühlerbypass
3 -: Kühler, Ölkühler
4 -: Tank, Lageröltank
5 -: Pumpe, Schmierölpumpe
6 -: Lager, Wärmequelle
7 -: Temperatursensor Lagertemperatur
8 -: Schmierölzufuhrtemperatur

Claims

Regelsystem zur Verringerung von Reibungsverlusten bei Generatoren, insbesondere Phasenschiebern, wobei dem Lager (6) der Welle Öl (8) mit einer Temperatur zugeführt wird, die nahe an der maximal zulässigen Temperatur liegt.
Regelsystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Ölkreislauf gegeben ist umfassend das Lager (6), einen Lageröltank (4), eine Pumpe (5), einen Ölkühler(3), einen ein Ventil (2) aufweisenden Bypass zu dem Ölkühler und ein Mischventil (1), das des Ausgang des Ölkühlers und den Bypass zusammenführt, wobei die Temperatur des dem Lager zugeführten Öls (8) mit Hilfe des Ventils (2) einstellt wird.
Regelsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Lager mit Weißmetallauskleidung Öl (8) mit einer derartigen Temperatur und Menge zugeführt wird, die ein Unterschreiten der Lagertemperatur unter 100°C sicherstellt.
Regelsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Lager ohne Weißmetallauskleidung Öl (8) mit einer derartigen Temperatur und Menge zugeführt wird, die ein Unterschreiten der Lagertemperatur unter 120°C sicherstellt.
Regelsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des dem Lager zugeführten Öls aktiv geregelt wird.