DE3518805A1 - METHOD FOR REGULATING THE LOADABILITY OF HIGH SPEED, AIR-COOLED TURBOGENERATORS AND DEVICE FOR CARRYING OUT THIS METHOD - Google Patents
METHOD FOR REGULATING THE LOADABILITY OF HIGH SPEED, AIR-COOLED TURBOGENERATORS AND DEVICE FOR CARRYING OUT THIS METHODInfo
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Description
23. 523.5
. ,&18805. , & 18805
GANZ VILLAMOSSAGI MÜVEK
Lövöhäz utca 39.
Budapest II /UngarnWHOLE VILLAMOSSAGI MÜVEK
Lövöhäz utca 39.
Budapest II / Hungary
VERFAHREN ZUR REGULIERUNG DER BELASTBARKEIT VON SCHNELLAUFENDEN, LUFTGEHÜHLTEN TURBOGENERATOREN UND EINRICHTUNG ZUR DURCHFÜHRUNG DIESES VERFAHRENSPROCESS FOR REGULATING THE LOAD CAPACITY OF HIGH-SPEED, AIR-COOLED TURBOGENERATORS AND DEPARTMENT FOR CARRYING OUT THIS PROCEDURE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regulierung der Belastbarkeit von schnei laufenden, luftgekühlten Turbogeneratoren und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for regulating the load capacity of snow-covered, air-cooled turbo generators and a device for Implementation of this procedure.
sehne I lauf enden, luftgekühlten Turbogeneratoren, d.h. von mit Synchrondrehzahl laufenden 2- oder 4-poligen elektrische Generatoren grundlegend von der Erwärmung der von Gleichstrom durchf lossenen Wicklungen des Rotors bestimmt wird. Bei der sog. indirekten Kühlung fließt die Verlustwärme aus den in Isoliermaterial eingebetteten Wicklungen über die Isolierungen und das umgebende Eisenmaterial durch die Wirkung von Temperatursprungen in Richtung der wärmeabgebenden Oberfläche, in diesem Falle in Richtung des Rotormantels, wo sie um den Preis eines Temperatursprunges an der Kühlfläche an die im Luftspalt der Maschine strömende Kühlluft abgegeben wird. Die Temperatursprungen bestimmen zusammen mit der Erwärmung der das Kühlmittel bildenden Luft die Temperatur der Wicklung.tend I running, air-cooled turbo-generators, i.e. of 2- or 4-pole running at synchronous speed electrical generators fundamentally from the heating of the windings of the rotor through which direct current flows is determined. With so-called indirect cooling, the heat loss flows out of those embedded in the insulating material Windings over the insulation and the surrounding iron material due to the effect of temperature jumps in Direction of the heat-emitting surface, in this case in the direction of the rotor shell, where it is at the cost of a temperature jump is released on the cooling surface to the cooling air flowing in the air gap of the machine. The temperature jumps together with the heating of the air forming the coolant, determine the temperature of the winding.
intensität ist die direkte Leiterkühlung, bei der die in das Innere des Rotors geführte Kühlluft unmittelbar mit dem zu kühlenden Wi cklungstnaterial in Berührung kommt. Die meisten der zum übergeben der Verlustwärme an das Kühlmedium erforderlichen Temperatursprungen fallen dabei weg/ die Temperatur des Leiters wird außer von der Erwärmung des Kühlmittels nur noch vom Temperatursprung an der Oberfläche bestimmt. Auf diese Weise ist - die durch die Isoliermaterialen vorgegebene Grenztemperatur bleibt unverändert eine größere Verlustenergie zulässig/ d.h. die Maschine ist für eine größere Belastung geeignet.intensity is the direct conductor cooling, in which the in the inside of the rotor guided cooling air comes into direct contact with the material to be cooled. the Most of the heat loss is transferred to the cooling medium The necessary temperature jumps are eliminated / the temperature of the conductor is determined not only by the heating of the coolant but also by the temperature jump on the surface. In this way - the limit temperature specified by the insulating materials remains unchanged greater energy loss is permissible / i.e. the machine is suitable for a larger load.
Es sind zahlreiche Typen und Varianten der unmittelbaren Leiterkühlung der Rotorwicklung bekannt. Bei einer dieser Varianten ist die Wicklung des Rotors so aufgebaut/ daß sie/ was die Strömung der Kühlluft anbetrifft/ als aus untereinander parallelgeschalteten/ kurzen Rohrstücken mit stromdurchflossener Wand bestehend betrachtet werden kann. Eine Möglichkeit zur Versorgung der Wicklung mit Kühlgas ist die Einspeisung vom Luftspalt aus (gap pick-up System)/ und eine derartige Lösung ist in der Publikation "Direct Cooling Systems for Turboalternator Rotors in View of the Maximum Rating of Hydrogen Cooling" von Peter Asztalos auf Seite 1936 bei den Erläuterungen zu den Abbildungen 1-3 beschrieben. Das Referat ist in IEEE Transactions on Power Apparatus and Systerns, VOL. PAS-89/ Nr. 8 (S. 1935-1945) erschienen. Bei einer anderen Lösung der Versorgung mit Kühlgas wird die Kühlluft von unten/ durch die Grundnut eingeführt. Diese Einspeisung ist in dem genannten Referat auf S. 1937 an Hand der Abbildungen 4 und 5 erläutert.Numerous types and variants of direct conductor cooling of the rotor winding are known. At a of these variants, the winding of the rotor is constructed in such a way / that it / as far as the flow of cooling air is concerned / as from short pipe sections connected in parallel with one another wall through which current flows can be considered. One way of supplying the winding with cooling gas is to feed it from the air gap (gap pick-up system) / and such a solution is in the publication "Direct Cooling Systems for Turbo Alternator Rotors in View of the Maximum Rating of Hydrogen Cooling "by Peter Asztalos on page 1936 in the explanations to Figures 1-3. The The presentation is in IEEE Transactions on Power Apparatus and Systerns, VOL. PAS-89 / No. 8 (pp. 1935-1945) published. At a Another solution for supplying cooling gas is to introduce the cooling air from below / through the base groove. This feed is explained in the above-mentioned report on p. 1937 on the basis of Figures 4 and 5.
Systems mit der Lufteinführung durch die Grundnut; die gleichzeitige Anwendung der beiden Lufteinführungen ist zum Beispiel in der britischen Patentschrift Nr. 1 456 068 beschrieben.System with air inlet through the base groove; the simultaneous Application of the two air inlets is for example in British Patent No. 1,456,068.
Betriebes in jedem elementaren Rohrstück die Temperatur im wesentlichen konstant ist, und diese Temperatur ist nur um einige Grade höher als die Temperatur der das Rohr verlassenden Kühlluft. Diese Art der Kühlung soll der Einfachkeit halber im folgenden als "intensive direkte Leiterkühlung" bezeichnet werden.In operation in every elementary piece of pipe the temperature is essentially constant, and this temperature is only around several degrees higher than the temperature of the cooling air leaving the pipe. This type of cooling is intended for simplicity for the sake of following as "intensive direct conductor cooling" are designated.
Hinsichtlich des Betriebes von Turbogeneratoren ist bekannt/ daß abhängend von den Schwankungen der Metzbelastung, abhängend vom Typ der Antriebsmaschine und dem Brennstoff des Kraftwerkes die auf den Turbogenerator gelangende jeweilige Belastung schwankt. Die Schnellaufenden Turbogeneratoren werden bei der Investition für eine Nennbelastbarkeit dimensioniert, die der auf dem Anwendungsgebiet vorkommenden größten Belastung entspricht. DieseWith regard to the operation of turbo generators it is known / that depending on the fluctuations in the Metz load, depending on the type of prime mover and the Fuel of the power plant the respective load reaching the turbo generator fluctuates. The fast ones Turbo generators are used when investing for a nominal load capacity dimensioned that corresponds to the greatest load occurring in the area of application. These
einen Bruchteil, zum Beispiel 10-15% der gesamten Betriebszeit ausu Daraus folgt, daß für einen großen Teil der Betriebszeit eine geringer belastbare, d.h. kleinere und weniger kostenaufwendige Maschine ausreichen würde. Wird-ein für größere Belastungen dimensionierter, luftgekühlter Turbogenerator mit einer geringeren Belastung betrieben,so ist wegen der konstanten Verluste sein Wirkungsgrad schlechter. Um die in Stromnetzen auftretenden Spitzenbelastungen abzufangen, muß die Belastbarkeit der arbeitenden Maschinen für die Spitzenbelastung dimensioniert werden, oder es ist erforderlich, in Reservemaschinen zu investieren, die für die Zeit der Spitzenbelastung zugeschlatet werden. In beiden Fällen ist demnach ein Maschinenpark erforderlich, dessen Nennbelastbarkeit der in der Spitzenzeit auftretenden Belastung entspricht.a fraction, for example 10-15% of the total operating time from u It follows that a less resilient, ie smaller and less expensive, machine would be sufficient for a large part of the operating time. If an air-cooled turbo generator dimensioned for greater loads is operated with a lower load, then its efficiency is poorer because of the constant losses. In order to cope with the peak loads occurring in power grids, the load capacity of the working machines must be dimensioned for the peak load, or it is necessary to invest in reserve machines that are added for the time of the peak load. In both cases, a machine park is required whose nominal load capacity corresponds to the load that occurs during the peak period.
Ziel der Erfindung war die Schaffung eines Verfahrens und einer Einrichtung, die es ermöglichen, die Belastbarkeit schnei laufender luftgekühlter Turbogeneratoren zu regulieren und den Schwankungen der Belastung elastisch anzupassen.The aim of the invention was to create a method and a device that enable the Resilience of snow-running air-cooled turbo generators to regulate and to adapt elastically to fluctuations in the load.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die die Belastbarkeit entscheidend begrenzende Temperatur der RotorwickLung von über einen intensiv direkt Luftgekühlten Rotor verfügenden Turbogeneratoren mittels des Druckes der Kühlluft intensiv reguliert werden kann. Das ergibt sich daraus, daß die Erwärmung der Rotorwicklung in diesen Fällen mit der Erwärmung der Kühlluft praktisch identisch ist, und letztere ist eine Funktion der Wärmekapazität der strömenden Kühlluft. Die Wärmekapazität der Luft jedoch ist dem Druck direkt proportional.The invention is based on the knowledge that the critical temperature limiting the load capacity Rotor winding from an intensely direct air-cooled Turbogenerators equipped with a rotor can be intensively regulated by means of the pressure of the cooling air. That arises from the fact that the heating of the rotor winding in these cases is practically identical to the heating of the cooling air, and the latter is a function of the heat capacity of the flowing cooling air. The heat capacity of the air, however, is the pressure directly proportional.
Es ist offensichtlich, daß mit einer Erhöhung des Druckes auch die VentiILations- und LuftreibungsverLuste des Generators proportional ansteigen. Die numerisch ausgedrückte wirtschaftliche Wirkung dieses Anstieges ist jedoch - vor allem im Falle von über einen intensiv direkt LeitergekühLten Rotor verfügenden Turbogeneratoren mit kombinierter Kühllufteinspeisung - wesentlich geringer als die sich aus der Regulierbarkeit und Erhöhbarkeit der Belastbarkeit ergebenden wirtschaftlichen Vorteile.It is evident that as the Pressure also reduces the ventilation and air friction losses of the Generator increase proportionally. However, the numerically expressed economic effect of this increase is - before especially in the case of an intensively direct conductor-cooled Turbogenerators with a rotor with combined cooling air supply - much less than that resulting from the controllability and the ability to increase the load capacity yielding economic advantages.
zu Regulierung der Belastbarkeit sehne I Laufender, Luftgekühlter Turbogeneratoren mit intensiver direkter Leiterkühlung der Rotorwicklung. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist kennzeichnend, daß man den Druck der Kühlluft bei Anstieg der Belastung auf einen absoluten Druckwert von höchstens 2 bar erhöht. Bei einem Absinken der Belastung wird der Druck sinngemäß vermindert. Die jeweilige Wahl des Druckes der Kühlluft längt deshalb von der Belastung ab.to regulate the resilience tendon I running, air-cooled Turbo generators with intensive direct conductor cooling of the Rotor winding. The method according to the invention is characterized by that the pressure of the cooling air when the load increases to an absolute pressure value of at most 2 bar elevated. If the load drops, the pressure is reduced accordingly. The respective choice of the pressure of the cooling air therefore depends on the load.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Temperatur der Rotorwicklung gemessen und der Druck bei Einhaltung dieser Temperatur mit einer Genauigkeit von + 5 0C eingestellt.According to a preferred embodiment of the method, the temperature of the rotor winding is measured and the pressure is set with an accuracy of + 5 ° C. while maintaining this temperature.
Die Temperatur der Rotorwicklung wird durch Messung des durch sie hindurchfließenden Stromes und des Spannungsabfalls best i mmt.The temperature of the rotor winding is determined by measurement the current flowing through them and the voltage drop certainly.
vom JouLe-Verlust gebildet werden und der Widerstand der Wicklung bei Betriebstemperatur bekannt ist, reicht zur Regulierung des Druckes auch die Kenntnis der Spannung oder der Stromstärke aus, das Grundsignal der Regelung ist das Quadrat einer der beiden Größen.are formed by the JouLe loss and the resistance of the Winding is known at operating temperature is sufficient for Regulating the pressure also knowing the tension or the current intensity, the basic signal of the regulation is the square of one of the two quantities.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, auf einem gegebenen Anwendungsgebiet einen Turbogenerator einzusetzen, dessen Nennbelastbarkeit (d.h. die Belastbarkeit bei atmosphärischem Druck) 70-80% der auftretenden Spitzenbelastung entspricht. Dieser Umstand bedeutet im Vergleich zu den Investitionskosten der bisher für die Spitzenbelastung dimensionierten Maschinen eine wesentliche Einsparung.The inventive method makes it possible to To use a turbo generator in a given area of application, its nominal load capacity (i.e. the load capacity at atmospheric pressure) 70-80% of the occurring peak load is equivalent to. In comparison to the investment costs, this means the previous one for the peak load dimensioned machines mean a substantial saving.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde eine Einrichtung geschaffen, bei der der Turbogenerator einen gedichtet abgeschlossenen inneren Raum, ein sich an diesen anschließendes Kreis luftküh lungssystem und eine über einen Kompressor und einen Luftbehälter verfügende Luftdosiervorrichtung hat. Erfindungsgemäß enthält die Einrichtung im inneren Raum ein den Druck zwischen 1.01 und 2 bar stufenlos regulierendes Organ.To carry out the method according to the invention A facility was created in which the turbo generator forms a sealed, closed inner space this subsequent circuit air cooling system and one over an air metering device comprising a compressor and an air reservoir Has. According to the invention, the device contains in the inner space an organ that regulates the pressure continuously between 1.01 and 2 bar.
Die Erfindung wird im folgenden mit Hilfe der Zeichnungen an Hand von Beispielen ausführlicher erläutert.The invention is explained in more detail below with the aid of the drawings using examples.
der Rotorwicklung eines bekannten, intensiv direkt leitergekühlten Turbogenerators dar,the rotor winding of a familiar, intense direct conductor-cooled turbo generator,
inin
Fig. 2 ist ein Elementarteil der in Fig. 1 dargestellten Wicklung in perspektivischer Ansicht gezeigt, zusammen mit einem Temperaturverteilungsdiag ram entlang des Kanals.FIG. 2 is an elementary part of that shown in FIG. 1 Winding in perspective view shown, together with a temperature distribution diagram ram along the canal.
ri chtung,
Fig. 4 ist ein Diagramm, dessen Kurvenscharen die Änderung der Temperatur der Rotorwicklung
als Funktion der in der Wicklung auftretendendirection,
Fig. 4 is a diagram whose family of curves shows the change in temperature of the rotor winding as a function of that occurring in the winding
Verlustleistung zeigen/ und in Fig. 5 zeigt ein sich an Fig. 4 anschließendes Diagramm die Änderung des Wirkungsgrades als Funktion der Belastung.Show power dissipation / and in FIG. 5 shows a diagram following FIG. 4, showing the change in the degree of efficiency as a function of the load.
ist es zweckmäßig/ zunächst die Verhältnisse der Wärmeübergabe zwischen dem die Rotorwicklung bildenden Teil und der dieses kühlenden Luft zu analysieren. Zu diesem Zweck ist in Fig. 1 der durch eine Nut geführte schematische Schnitt einer über kurze Kühlkanäle verfügenden, direkt gekühlten Rotorwicklung mit der aus dem britischen Patent Nr. 1 456 068 bekannten kombinierten Lufteinspeisung gezeigt. Die einzelnen Gänge der aus Kupfer gefertigten Wicklung sind durch Isolierungen voneinander getrennt, und in jedem Gang befinden sich ein oder mehrere Kühlkanäle 1. Die Kühlkanäle 1 sind, was die Strömung der Luft betrifft, parallel geschaltet, ihre Einströmseite steht mit einem linksseitigen Kanal 2 der Nut in Verbindung. Die Einführung der Kühlluft in den Kanal 2 erfolgt von oben, aus der Richtung des Luftspaltes 3, und von unten, aus der Grundnut 4. Die Ausströmseiten der Kühlkanäle 1 kommunizieren mit einem rechtsseitigen Kanal 5 der Nut, von wo aus die erwärmte Luft in Richtung des Luftspaltes austritt. Die Strömung der Kühlluft ist in Fig. 1 durch Pfeile veranschaulicht. is it appropriate / first of all the conditions of the heat transfer between the part forming the rotor winding and the analyze this cooling air. For this purpose, the schematic section guided through a groove is shown in FIG. 1 a directly cooled rotor winding with short cooling channels with the one from British Patent No. 1,456,068 known combined air supply shown. The single ones Gears of the winding made of copper are separated from one another by insulation, and there is one in each corridor or several cooling channels 1. The cooling channels 1 are connected in parallel as far as the flow of air is concerned, their inflow side stands with a channel 2 on the left side of the groove Link. The cooling air is introduced into duct 2 from above, from the direction of air gap 3, and from below, from the basic groove 4. The outflow sides of the cooling channels 1 communicate with a right-hand channel 5 of the groove, from where the heated air exits in the direction of the air gap. the The flow of the cooling air is illustrated in FIG. 1 by arrows.
fehlt die Einspeisung von unten, bei Kühlung aus der Belüftungsnut fehlt die Einspeisung von oben.there is no feed from below, in the case of cooling from the ventilation groove there is no feed from above.
Fig. 2 zeigt eine Einzelheit der Wicklung. Die unterbrochene Linie bezeichnet einen ausgewählten Kühlkanal 1, der mit durchgehender Linie gezeichnete Quader bedeutet das Teilvolumen, dessen Kühlung durch den ausgewählten Kühlkanal 1 gewährleistet wi rd. Unmi tte Lbar über dem KuhLkanal· 1 ist die Änderung &t beziehungsweise dt der Temperatur der KühlluftFig. 2 shows a detail of the winding. The broken line denotes a selected cooling duct 1, the cuboid drawn with a continuous line denotes the partial volume, the cooling of which is ensured by the selected cooling duct 1. Immediately above the cooling duct 1 is the change & t or dt in the temperature of the cooling air
und der Temperatur des Kupfers entlang des Kühlkanals 1 an-and the temperature of the copper along the cooling channel 1
gegeben.given.
Oa das Kupfer ein sehr guter Wärmeleiter ist, kann seine Temperatur entlang des kurzen Kanals infolge der konduktiven Wärmeströmung als konstant oder fast konstant betrachtet werden. Die eintretende Kühlluft erwärmt sich in dem Kühlkanal 1, und ihre Austrittstemperatur unterscheidet sich kaum von der des Kupfers. Die Temperatur der Luft ist am Ende des Kanals um den Betrag At angestiegen, und die Temperatur des Kupfers ist um den Betrag At = at höher als dieOa the copper is a very good heat conductor, its temperature along the short channel can be due to the conductive Heat flow can be considered constant or almost constant. The incoming cooling air heats up in the cooling channel 1, and their outlet temperature is different hardly differs from that of copper. The temperature of the air has risen by the amount At at the end of the duct, and so has the temperature of copper is higher than that by the amount At = at
Obwohl die Kühlung des Kupfers auch auf andere Weise als hier beschrieben gelöst werden kann, setzt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Kühlsystem voraus, bei dem die Temperatur des Kupfers über die gesamte Länge der einzelnen Kühlkanäle im wesentlichen konstant ist, d.h. innerhalb der Grenzen von etwa£5 C konstant ist und diese Temperatur im wesentlichen identisch mit der der austretenden Luft oder doch höchstens um etwa 10 °C höher ist als diese. Derartige Kühlungen werden als intensive direkte LeiterkühLungen betrachtet. 0er Rotor intensiv direkt leitergekühlter Turbogeneratoren weist im Interesse der Verringerung von Reibungsverlusten im allgemeinen eine größere Länge und einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser auf, das Verhältnis zwischen Länge und Durchmesser liegt im allgemeinen zwischen 3 und 5.Although the cooling of the copper can also be achieved in other ways than described here, the application continues of the method according to the invention precedes a cooling system where the temperature of the copper is essentially constant over the entire length of the individual cooling channels, i.e. within the limits of about £ 5 C is constant and this temperature is essentially identical to that of the exiting air or at least is at most about 10 ° C higher than this. Such cooling is regarded as intensive direct conductor cooling. 0s Rotor intensively direct conductor-cooled turbo generators has in the interest of reducing frictional losses in general a greater length and a relatively short one Diameter, the ratio between length and diameter is generally between 3 and 5.
erfindungsgemäßen Verfahrens dienende Einrichtung. Der mit einem intensiv direkt leitergekühlten Rotor versehene, luftgekühlte Turbogenerator 10 verfügt über von Wasser durchströmte Wärmeaustauscher 11 und 12, deren Ein- und Ausflußstutzen über Anschlüsse 13 und 14 mit einem Kühlwasserzirkulationssystem in Verbindung stehen. Die aus dem Gehäuse herausstehenden Wellenenden des Rotors des Turbogenerators 10 sind mit Dichtungen 15, 16 versehen, die zum Beispiel die für wasserstoffgeküh Ite Turbogeneratoren üblicherweise verwendeten ölgeschmierten Wellenverschlüsse oder mit engem Spalt arbeitendeDevice serving the method according to the invention. The one with an air-cooled turbo generator 10, which is provided with an intensively direct conductor-cooled rotor, has water flowing through it Heat exchangers 11 and 12, their inflow and outflow nozzles via connections 13 and 14 with a cooling water circulation system stay in contact. The shaft ends of the rotor of the turbo generator 10 protruding from the housing are provided with seals 15, 16, which, for example, are commonly used for hydrogen-cooled turbo generators oil-lubricated shaft locks or those working with narrow gaps
trockene/ zum Beispiel KohleringverschLüsse sein können.dry / for example carbon ring closures.
An das Kühlsystem ist eine Leitung 17 angesch lossen,, die über Druckregulierungsventile 18 und 19 mit einem Luftbehälter 20 in Verbindung steht. Aus dem freien Luftraum kann Luft durch ein Filter 21, zwei parallel betreibbare Kompressoren 22/ 23 und einen Trockner 24 in den Luftbehälter 20 gelangen .A line 17 is connected to the cooling system, the pressure regulating valves 18 and 19 with an air tank 20 communicates. From the free air space, air can pass through a filter 21 and two compressors that can be operated in parallel 22/23 and a dryer 24 get into the air tank 20 .
In dem Luftbehälter 20 herrscht ein Druck von etwa 10 bar/ der durch einen Druckmesser 25 angezeigt wird. Der in der Leitung 17 und damit auch im Inneren des Turbogenerators 10 herrschende Druck wird von einem Druckmesser 26 gemessen. Das Druckregulierungsventil 18 kann mittels eines Magnetventils 27 umgangen werden. Mit Hilfe der Druckregulierungsventile 18 und 19 kann der im Turbogenerator 10 herrschende Druck zwischen etwa 1.01 und 2 bar stufenlos geregelt werden. Die Regelung kann von Hand erfolgen/ sie ist jedoch auch automati si erbar.A pressure of approximately 10 bar / which is indicated by a pressure gauge 25 prevails in the air tank 20. The in the pressure in the line 17 and thus also in the interior of the turbo generator 10 is measured by a pressure gauge 26. The pressure regulating valve 18 can by means of a solenoid valve 27 can be bypassed. With the help of the pressure regulating valves 18 and 19, the pressure prevailing in the turbo generator 10 can be continuously regulated between approximately 1.01 and 2 bar. The regulation can be done by hand / it is also automatically controllable.
Die die Betriebsparameter des Turbogenerators 10 messenden und anzeigenden Geräte sind in Fig. 3 der Einfachkeit halber nicht dargestellt.The operating parameters of the turbo generator 10 measuring and indicating devices are not shown in FIG. 3 for the sake of simplicity.
Die Neuartigkeit der in Fig. 3 angebildeten Einrichtung besteht darin/ daß der Druck der Kühlluft im Innenraum des Turbogenerators 10 von atmosphärischem Druck bis zu etwa 2 bar stufenlos erhöht werden und auf einem konstanten Wert gehalten werden kann.The novelty of the device shown in Fig. 3 is / that the pressure of the cooling air in the interior of the turbo generator 10 can be increased continuously from atmospheric pressure up to about 2 bar and at a constant value can be held.
Wie erwähnt/ sind die Luftreibungsver luste des Turbogenerators 10 infolge des geringen Rotordurchmessers verhältnismäßig niedrig. Dieser Umstand sowie die infolge der intensiven direkten Leiterkühlung gleichmäßige und beherrschbare Kupfertemperatur machten es zweckmäßig/ den Betriebsdruck im Interesse einer Erhöhung der Belastbarkeit zu erhöhen. Im folgenden wird auf Grund von Messungen der Verlauf der Hauptparameter des Turbogenerators 10 bei Anwendung unterschiedlicher Küh I Luftdrücke gezeigt.As mentioned / are the air friction losses of the turbo generator 10 relatively low due to the small rotor diameter. This circumstance as well as the result of the intense direct conductor cooling uniform and manageable Copper temperature made it expedient / the operating pressure in the Interest in increasing resilience. in the The following is based on measurements, the course of the main parameters of the turbo generator 10 when using different Cool I air pressures shown.
generator-10 der NennLeistung von 75 MVA und zum VergLeich an drei weiteren, wasserstoffgekühLten Turbogeneratoren vorgenommen, deren NennLeistung 80 MW betrug und deren innerer Aufbau und Maße denen des ersten Turbogenerators entsprachen. ALs KühLmitteL wurde statt Wasserstoff Luft verwendet. Der Druck wurde im Bereich von 1-2,2 bar in etwa 50 Meßpunkten gemessen. Die ausführLiche AnaLyse der Meßergebnisse zeigte, daß zwischen den an den einzlenen Maschinen gemessenen übertemperaturen eine gute Übereinstimmung bestand. Aus den Werten konnten auch Zusammenhänge alLgemeinerer Gültigkeit gewonnen werden.generator-10 of the nominal power of 75 MVA and for comparison three further, hydrogen-cooled turbo-generators were carried out, the nominal output of which was 80 MW and the internal one Structure and dimensions corresponded to those of the first turbo generator. Instead of hydrogen, air was used as the coolant. Of the Pressure was in the range of 1-2.2 bar in about 50 measuring points measured. The detailed analysis of the measurement results showed that between the excess temperatures measured on the individual machines there was a good match. From the values connections of more general validity could also be obtained.
Es wurde gefunden, daß im FaLLe von LuftkühLung die BeLastbarkeit der Maschine entscheidend von der Übertemperatur der RotorwickLung begrenzt wird.It has been found that in the case of air cooling, the load capacity of the machine depends on the excess temperature the rotor winding is limited.
Für die Übertemperatur des Rotors ergab sich foL-gender Zusammenhang:The following was found for the excess temperature of the rotor Connection:
won nwon n
-ti--ti-
ρ - der absoLute Luftdruck (bar) Ppe - der EisenverLust (kW)ρ - the absolute air pressure (bar) P pe - the iron loss (kW)
P - der KurzschLußverLust (kW)P - the short-circuit loss (kW)
P - der Kupferver Lust des Rotors (kW)P - the copper consumption of the rotor (kW)
sind.are.
Die Kurvenscharen des Diagramms in Fig. 4 zeigen den Temperaturanstieg in der RotorwickLung aLs Funktion der in ihr entstehenden VerLust Leistung bei unterschiedlichen MaschinenbeLastungen und Luftdrücken, konstantem Eisenverlust und unter Vernachlässigung der Änderung der sich mit der BeLastung ändernden KurzschLußverLüste. In der Figur sind zu den einzelnen charakteristischen Punkten gehörendenThe families of curves in the diagram in FIG. 4 show the temperature rise in the rotor winding as a function of the in their resulting loss of performance with different Machine loads and air pressures, constant iron loss and neglecting the change in the short-circuit losses, which change with the load. In the figure are belonging to the individual characteristic points
Leistungen agngegeben. Zum Vergleich ist.auch die Übertemperatur der Rotorwicklung einer wasserstoffgekühlten Maschine eingezeichnet (durch schräge Schraffur bezeichneter Bereich).Services specified. For comparison, there is also the overtemperature the rotor winding of a hydrogen-cooled machine (area indicated by oblique hatching).
Bei 75 MVA Belastung und cos ιί = 0.85 war der Verlust des Rotors, abhängend von der Temperatur der kalten Kühlluft und deren Druck, 230-250 kW. Wurde der innere Luftdruck um 25% erhöht, so stieg der Verlust des Rotors ebenfalls um etwa 25% (bei gleicher Rotortemperatur). Dem 25%igen Anstieg des Verlustes stehen jedoch eine etwa 12Ziger Anstieg des Erregerstromes und ein etwa 20 %iger Anstieg der abgegebenen Leistung gegenüber, d.h. die Maschine mit einer Nennleistung von 75 MVA kann mit einer Leistung von annähernd 90 MVA belastet werden (wobei der Temperaturanstieg im Rotor gleichbleibt). Wie aus Fig. 4 ersichtlich, kann die Belastbarkeit der Maschine durch weitere Erhöhung des Druckes noch weiter gesteigert werden (bis zu einem Wert von 100 MVA bei 1.5 bar Druck). Die Wicklung des Stators läßt diese Steigerung noch zu. Bei Betrieb im Bereich nahe COS(^ = 1 wird jedoch die in den Enden des Eisenkörpers des Stators auftretende Erwärmung von Anstieg des Luftdruckes nicht im gleichen Maße beeinflußt. Die proportional mit dem Luftdruck ansteigenden Luftreibungsverluste führen zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades, und dadurch sind einer weiteren Erhöhung des inneren Druckes praktsiche Grenzen gesetzt.With a load of 75 MVA and cos ιί = 0.85 the loss was of the rotor, depending on the temperature of the cold cooling air and its pressure, 230-250 kW. Has the internal air pressure been reduced by 25% increased, the loss of the rotor also increased by about 25% (at the same rotor temperature). However, the 25% increase in the loss is accompanied by an approximately 12% increase in the excitation current and an approximately 20% increase in the output compared to that, i.e. the machine with a nominal output of 75 MVA can with a power of approximately 90 MVA (whereby the temperature rise in the rotor remains the same). As can be seen from Fig. 4, can increase the load capacity of the machine by further Increasing the pressure can be increased even further (up to a value of 100 MVA at 1.5 bar pressure). The winding of the stator still allows this increase. When operating in the area near COS (^ = 1 will however be those in the ends of the iron body of the stator the rise in air pressure does not affect the rise in temperature to the same extent. Which is proportional to the air pressure increasing air friction losses lead to a deterioration the efficiency, and thereby are a further increase the internal pressure set practical limits.
Kurve a zeigt den Wirkungsgrad der untersuchten Maschine bei einem Druck von 1 bar, die Kurve b den Wirkungsgrad bei 1.25 bar und die Kurve c den Wirkungsgrad bei 1.5 bar Druck. Wegen der an den Enden des Eisenkernes auftretenden Effekte beträgt die durch den Rotor bestimmte Belastbarkeit - 90 MVA bei 1.25 bar beziehungsweise 100 MVA bei 1.5 bar Druck - in Wirklichkeit jedoch nur 88 beziehungsweise 95 MVA.Curve a shows the efficiency of the examined machine at one Pressure of 1 bar, curve b the efficiency at 1.25 bar and curve c the efficiency at 1.5 bar pressure. Because of the the effects occurring at the ends of the iron core is due to load capacity determined by the rotor - 90 MVA at 1.25 bar or 100 MVA at 1.5 bar pressure - in reality, however only 88 or 95 MVA.
Der Wirkungsgrad als Funktion des ständig ansteigenden Druckes im Turbogenerator wird durch die in Strichpunkt linie gezeichnete Kurve d für Belastungen von über 75 MVA veranschau licht.The efficiency as a function of the constantly increasing pressure in the turbo generator is indicated by the dash-dot line Graph d shown for loads of more than 75 MVA.
Der untersuchte Turbogenerator hatte einen Rotor von 930 mm Durchmesser und 2850 mm Länge. Die Kurven e und f in Fig. 5 bezeichnen die Wirkungsgrad-Kennlinien von zwei unterschiedlichen, jedoch gleichermaßen für 95 MVA Nennbelastung dimensionierten Turbogeneratoren bei atmosphärischemThe turbo generator examined had a rotor 930 mm in diameter and 2850 mm in length. The curves e and f in Fig. 5 denote the efficiency characteristics of two different, but equally for 95 MVA nominal load dimensioned turbo-generators at atmospheric
3700 mm lang und hatte einen Durchmesser von 930 mm, im Falle der Kurve f betrug die Länge des Rotors 3250, sein Durchmesser 1000 mm.3700 mm long and 930 mm in diameter, in the case of curve f, the length of the rotor was 3250, its diameter 1000 mm.
wirkungsgrades aus den zu identischen Belastungen gehörenden Wirkungsgraden, d.h. durch Vergleich der Kurven a, d und e ist von entscheidender Bedeutung, mit welcher Belastung die Maschine über welche Zeitabschnitte hinweg betrieben wird. Beträgt innerhalb einer bestimmten Zeit (zum Beispiel innerhalb eines Jahres) die Belastung in der meisten Zeit <z.B. 90 % der Gesamtzeit) 75 MVA, und die Spitzenbelastung von 95 MVA kommt nur selten vor, so ist auch der resultierende Wirkungsgrad der unter erhöhtem Druck arbeitenden Maschine günstiger. Der Wirkungsgrad der Maschine mit kürzerem Rotor größeren Durchmessers (Kurve f) ist bis zu einer Belastung von 95 MVA ausgesprochen schlechter als der der Maschine mit 75 MVA Nennleistung. efficiency from the identical loads Efficiencies, i.e. by comparing curves a, d and e is Of decisive importance is the load with which the machine is operated over which time periods. Amounts to within a certain time (for example within a year) most of the time <e.g. 90% of the total time) 75 MVA, and the peak load of 95 MVA comes seldom before, so is the resulting efficiency the machine working under increased pressure cheaper. The efficiency of the machine with a shorter rotor with a larger diameter (Curve f) is markedly worse up to a load of 95 MVA than that of the machine with 75 MVA rated power.
daß die Investitionskosten der für 95 MVA Belastung dimensionierten Maschine wesentlich höher sind als die der Maschine mit 75 MVA Leistung.that the investment costs dimensioned for 95 MVA load Machine are much higher than that of the machine with 75 MVA power.
Erfindungsgemäß ist demnach die Belastbarkeit einer für eine bestimmte Nennleistung dimensionierten Maschine durchAccording to the invention is therefore the load capacity machine dimensioned for a certain nominal power
diese Nennleistung hinaus erhöhbar, und auf diese Weise können die zeitweise auftretenden Spitzenbelastungen ohne Anschaffung weiterer Maschinen beziehungsweise ohne Aufstellung einer für die Spitzenbelastung dimension!erten kostenaufwendigeren Maschine aufgefangen werden.this nominal power can be increased, and in this way the intermittent peak loads can be avoided without purchase further machines or without setting up one for the peak load dimension! ized more expensive machine be caught.
Im Lichte der Erfindung scheint es zweckmäßig, unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens Turbogeneratoren zu betreiben, deren Nennbelastung 70-80 % der auftretenden Spitzenbelastung beträgt.In the light of the invention it seems appropriate using the method according to the invention turbo-generators to operate with a nominal load of 70-80% of the peak load that occurs.
Turbogeneratoren ergeben sich bedeutende weitere Vorteile daraus, daß die Temperatur des Rotors unabhängig von der Belastung konstant ist, wodurch die aus der sich ändernden Wärmeausdehnung des Eisens und des Kupfers resultierenden Probleme praktisch verschwinden. Vorteilhaft ist auch das geschlossene Luftkühlungssystem, weil dadurch der Feuchtegehalt der Luft beherrschbar ist. Ein zu großer Feuchtegehalt der Luft verringert Lebensdauer und Betriebssicherheit der Turbogeneratoren.Turbogenerators have significant other advantages from the fact that the temperature of the rotor is independent of the load is constant, which makes the problems resulting from the changing thermal expansion of iron and copper practical disappear. The closed air cooling system is also advantageous because it allows the moisture content of the air to be controlled is. Too high a moisture content in the air reduces the service life and operational safety of the turbo generators.
0er Druck der Kühlluft wird in der erfindungsgemaßen Einrichtung am zweckmäßigsten auf Grund der Messung des Widerstandes des Rotors oder an Hand der Rotorcharakteristik auf Grund der Messung des Rotorverlustes reguliert. Aus dem Widerstand des Rotors wird die Temperatur der Wicklung bestimmt, und bei Ansteigen beziehungsweise Absinken der Belastung wird der Druck unter Beibehaltung der Rotortemperatur geregelt. Der Rotorverlust kann aus der Spannung oder der Stromstärke des Rotors bestimmt werden.0er pressure of the cooling air is in the invention Set up most appropriate based on the measurement of the resistance of the rotor or on the basis of the rotor characteristics on the basis of the measurement of the rotor loss. From the resistance of the rotor, the temperature of the winding is determined, and when the load rises or falls, it becomes the pressure is regulated while maintaining the rotor temperature. The rotor loss can result from the voltage or the current of the Rotor can be determined.
Die Regelung kann von Hand erfolgen, ist jedoch auf Grund der hier beschriebenen Anforderungen auch leicht automatisierbar. The regulation can be done manually, but can also be easily automated due to the requirements described here.
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