DE3705310A1 - Abgasturbinen-generatoranlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasturbinen-Generatoranlage nach dem Ober­ begriff von Anspruch 1 und 2.

Es ist eine Abgasturbinen-Generatoranlage für Schiffsdieselmotoren be­ kannt, bei der ein überschüssiger Teil der Dieselmotorabgase, der nicht einem Hochleistungs-Turbolader zugeführt wird, eine zusätzliche Nutz­ turbine antreibt. Die Nutzturbine ist über ein Untersetzungsgetriebe mit einem Asynchrongenerator mechanisch verbunden, der die von ihm erzeugte elektrische Leistung über eine Sammelschiene und einen Netzschalter an das Bordnetz, vorzugsweise ein Inselnetz, liefert. Von Nachteil ist, daß der Asynchrongenerator elektrisch Blindleistung aus dem Bordnetz benötigt, so daß der Leistungsfaktor des Netzes erheblich herabgesetzt wird. Außer­ dem sind nachteiligerweise zusätzliche Bremsmaßnahmen bei einem Kurzschluß- oder Blackoutfall erforderlich, da eine generatorische Abbremsung des Asynchrongenerators nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasturbinen-Generator­ anlage der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine elektrische Ab­ bremsung des Generators bzw. der Nutzturbine bei Auftreten von Störungen ermöglicht und eine weitere Brennstoffeinsparung mit sich bringt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 14 be­ schrieben.

Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Anlage bei betriebswichtigen Inselnetzen, wie z. B. bei Schiffsbordnetzen zur Energieeinsparung einge­ setzt werden kann. Es wird vorteilhafterweise sichergestellt, daß bei Auf­ treten von Störungen ein Durchdrehen der Nutzturbine bzw. des Generators vermieden wird.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 eine Abgasturbinen-Generatoranlage mit einem eine Nutzturbine, ein Untersetzungsgetriebe und einen Synchrongenerator aufweisenden System, und

Fig. 2 einen Ausschnitt des in Fig. 1 dargestellten Systems, das zusätz­ lich eine Wellengeneratoranlage mit Frequenzumrichter aufweist.

In Fig. 1 wird ein Teil der Abgase eines zeichnerisch nicht dargestellten Dieselmotors über eine Rohrleitung 1 einer Nutzturbine 2 zugeführt, deren Schaufelradwelle über ein Untersetzungsgetriebe 3 mit der Welle eines selbst­ erregten Synchrongenerators 4 mechanisch verbunden ist, beispielsweise ein Synchron­ generator mit Permanent-Magnet-Erregung. Die im Betriebsfall erzeugte elek­ trische Leistung gelangt über eine Sammelschiene 5 und einen geschlossenen Netz­ schalter 6 in ein Netz 7, Inselnetz, vorzugsweise Schiffsbordnetz, oder auf einen Synchronwellengenerator (vgl. Fig. 2). An das Netz 7 ist über einen weiteren Netzschalter 8 ein Asynchron-Anwurfmotor 9 angeschlossen, der zum An- und Hochfahren des Sxnchrongenerators 4 und der Nutzturbine 2 gegen die Ventilationsmomente nahe an die Netzfrequenz vorgesehen ist.

Das An- bzw. Hochfahren des Synchrongenerators 4 bzw. der Nutzturbine 2 erfolgt bei einer geschlossenen Abgasklappe 10, die in der Rohrleitung 1 angeordnet ist und von einem Ablaufsteuergerät 11 Stellsignale in Ab­ hängigkeit von der Klappenstellung erhält. Das Ablaufsteuergerät 11 er­ hält von der Sammelschiene 5 Istwerte des Stromes, der Spannung, der Frequenz und des cosϕ und gibt auch Stellsignale an die Netzschalter 6 und 8 in Abhängigkeit von deren Iststellungen weiter. Auch kann es ein Steuersignal zur Schaltung eines Bremswiderstandes 12 auf den Synchron­ generator 4 an eine Antiduktorschaltung mit Thyristoren 13 abgeben. Der Antiduktorschaltung kann alternativ auch ein externes Steuersignal zuge­ führt werden.

Ein zusätzliches Sicherheitsgerät 14 erfaßt meßtechnisch eine Überdreh­ zahl an der Nutzturbine 2 oder am Untersetzungsgetriebe 3. Ist eine Über­ drehzahl vorhanden, so löst das Sicherheitsgerät 14 unverzüglich einen Schnellschluß einer Schnellschlußklappe 15 aus, die ebenso wie die Ab­ gasklappe 10 in der Rohrleitung 1 angeordnet ist. Beide Klappen 10 und 15 weisen lediglich zwei Betriebsstellungen auf, nämlich die Betriebsstellungen "geöffnet" oder "geschlossen".

Ein zu der Nutzturbine 2 und der Abgas- bzw. Schnellschlußklappe 10 bzw. 15 liegender Bypaß 30 wird mittels eines Eckventils 16 bei allen Klappen­ zusteuerungen geöffnet. Hierdurch wird die Nutzturbine 2 durch Herabsetzung der auf sie einwirkenden Kräfte mechanisch geschont.

Die beschriebene Anlage nutzt die durch den Einsatz von Hochwirkungsgrad- Turboladern erhöht vorhandene Abgasenergie. In der Nutzturbine 2 wird die überschüssige Abgasenergie umgesetzt und über den angeschlossenen Synchron­ generator 4 in das Netz 7 eingespeist. Ein oder zwei Dieselaggregate halten dabei die Frequenz konstant. Der Betriebsablauf erfolgt automatisch über das Turbinensteuergerät 11 auf folgende Weise:

-Starten: Bei geschlossener Abgasklappe 10 wird der Asynchron-Anwurf­ motor 9 angeschaltet. Nach Hochlauf wird der erregte Synchron­ generator 4 zum Netz 7 geschaltet, der Asynchron-Anwurfmotor 9 abgeschaltet und anschließend die Abgasklappe 10 geöffnet. Der Synchrongenerator 4 gibt Wirkleistung und anteilige Blind­ leistung ins Bordnetz 7 ab (z. B. 600-700 KW).
-Absetzen: Sinkt die abgegebene Wirkleistung unter beispielsweise 250 KW, wird die Abgasklappe 10 zugesteuert und der Synchrongenera­ tor 4 abgesetzt.

Bei Auftritt von Systemstörungen wird augenblicklich der Bremswiderstand 12 mittels der Antiduktorschaltung mit Thyristoren 13 über die Sammel­ schiene 5 auf den Synchrongenerator 4 geschaltet, der Netzschalter ge­ öffnet und die Abgasklappe 10 zugesteuert. Bei einem Erregerausfall des Synchrongenerators wird nur die Abgasklappe 10 zugesteuert und dann der Netzschalter 6 geöffnet. Störfälle sind z. B.:
Kurzschluß oder Blackout bzw. Schalterausfall.

Bei größeren Kurzschlüssen (Anstehen des Kurzschlusses länger als ca. 40 ms) und bei Blackout sowie Schalterausfall wird augenblicklich die ge­ nannte Widerstandsbremsung durchgeführt und gleichzeitig der Netzschalter 6 aus- und die Abgasklappe 10 zugemacht. Bei Erregerfehler, d. h., bei Über­ gang von Blindlastabgabe auf Blindlastaufnahme wird wie bereits erwähnt die Abgasklappe 10 zugesteuert und nach ca. 1 Sekunde der Schalter aufge­ macht. Ein langsamer Frequenzanstieg wird überwacht und bei längerer Überfrequenz die Abgasklappe 10 zugesteuert. Bei einer Überdrehzahl von mehr als 15% erfolgt über eine schnelle Drehzahlerfassung mittels des Sicherheitsgerätes 14 die Ansteuerung der Schnellschlußklappe 15 zusätz­ lich zur Widerstandsbremsung. Es ist auch die Sicherheit gegenüber ein Reißen der Kupplung.

Die in Fig. 2 dargestellte Anlage weist neben dem Synchrongenerator 4 einen Synchronwellengenerator 17 auf, wobei beide Generatoren zusammen­ geschaltet sind und gemeinsam zur Netzversorgung in einen Frequenzum­ richter 18 einspeisen. Der Frequenzumrichter 18 ist über einen Netz­ schalter 28 an das Netz 7 angeschlossen. Der Synchronwellengenerator 17 wird von einem Dieselmotor 19 angetrieben, der auch die Abgase für die Nutzturbine 2 bereitstellt. Alternativ zu der üblichen, vollausgezeich­ neten Wellengeneratoranlage kann ein Generator 20 vorgesehen sein, der mit dem Dieselmotor 19 über ein Getriebe 21 mechanisch verbunden ist. Diese Alternativlösung ist gestrichelt dargestellt.

In das Netz 7 speisen über Netzshalter 26 und 27 zwei weitere Generatoren 22 und 23, die von Dieselmotoren 24 und 25 angetrieben werden, elektrische Leistung ein. Die Nennleistung dieser Generatoren kann z. B. doppelt so groß sein wie diejenige des Synchrongenerators 4 und des Synchronwellen­ generators 17. Die Wellengeneratoranlage ist mindestens in der Leistungs­ größe des Synchrongenerators 4 dimensioniert. Der Frequenzumrichter 17 ist in der Leistungsgröße dimensioniert, die leistungsmäßig für einen Bord­ netz-Seebetrieb ausreicht. Weiterhin weisen der Synchrongenerator 4 und der Wellengenerator 17 eine U/f = Konstant-Regelung und eine niedrigere Nennfrequenz als das Bordnetz auf. Die Frequenzregelung und unterlagerte Leistungsregelung des Frequenzumrichters 18 kann durch einen gestellten Gleichrichter erfolgen, der zwischen den Generatoren 4 bzw. 17 und dem Wechselrichter des Frequenzumrichters 18 angeordnet ist. Bei einer System­ störung der obenbeschriebenen Art oder einem sonstigen Lastabfall wird der gestellte Gleichrichter dicht gefahren.

Claims (14)

1. Abgasturbinen-Generatoranlage für Dieselmotoren, insbesondere für Schiffs­ dieselmotoren mit oder ohne Wellengenerator sowie für kombinierte Systeme von Wellengenerator-Motor und Generatorbetrieb über frequenzentkoppelte Umrichter, wobei ein überschüssiger, vorzugsweise einem Hochleistungs- Turbolader nicht zugeführter Teil der Dieselmotorabgase einer Nutzturbine zugeführt wird, die über ein Untersetzungsgetriebe einen Generator antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Energiewandlung ein selbsterregter Synchron­ generator (4) vorgesehen ist, der über eine Sammelschiene (5) mit Netz­ schalter (6) elektrische Leistung in ein Netz (7), Inselnetz und/oder auf einen Synchronwellengenerator (17) eines Dieselmotors (19) speist, daß ein Asynchron-Anwurfmotor (8) zum An- und Hochfahren des Synchrongenera­ tors (4) und der Nutzturbine (2) gegen die Ventilationsmomente nahe an die Netzfrequenz bei geschlossener Abgasklappe (10) der Nutzturbine (2) derart vorgesehen ist, daß bei Erreichen des Nennschlupfes des Asynchron- Anwurfmotors (9) der erregte Synchrongenerator (4) zum Netz (7), Insel­ netz und/oder Synchronwellengenerator (17) zusynchronisiert, der Asynchron- Anwurfmotor (9) abgeschaltet und die Abgasklappe (10) der Netzturbine (2) zwecks Abgabe von elektrischer Wirk- und anteiliger Blindleistung vom Synchrongenerator (4) an das Netz (7), Inselnetz und/oder an den Synchronwellengenerator (17) geöffnet wird, daß bei Auftritt von System­ störungen augenblicklich ein Bremswiderstand (12) mittels einer Anti­ dukterschaltung mit Thyristoren (13) über die Sammelschiene (5) auf den Synchrongenerator (4) geschaltet, der Netzschalter (6) geöffnet und die Abgasklappe (10) der Netzturbine (2) zugesteuert wird und daß bei einem Erregerausfall des Synchrongenerators (4) nur die Abgas­ klappe (10) der Netzturbine (2) zugesteuert und danach der Netzschalter (6) geöffnet wird.

2. Abgasturbinen-Generatoranlage für Dieselmotoren, insbesondere für Schiffsdieselmotoren mit oder ohne Wellengenerator sowie für kombinierte Systeme von Wellengenerator-Motor und Generatorbetrieb über frequenz­ entkoppelte Umrichter, wobei ein überschüssiger, vorzugsweise einem Hoch­ leistungs-Turbolader nicht zugeführter Teil der Dieselmotorabgase einer Nutzturbine zugeführt wird, die über ein Untersetzungsgetriebe einen Generator antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Energiewandlung ein Synchrongenerator (4) mit Permanent-Magnet-Erregung vorgesehen ist, der über eine Sammelschiene (5) mit Netzschalter (6) elektrische Leistung in ein Netz (7), Inselnetz und/oder auf einen Synchronwellengenerator (17) eines Dieselmotors (19) speist, daß ein Asynchron-Anwurfmotor (8) zum An- und Hochfahren des Synchrongenerators (64) und der Netzturbine (2) gegen die Ventilationsmomente nahe an die Netzfrequenz bei ge­ schlossener Abgasklappe (10) der Nutzturbine (2) derart vorgesehen ist, daß bei Erreichen des Nennschlupfes des Asynchron-Anwurfmotors (9) der erregte Synchrongenerator (4) zum Netz (7), Inselnetz und/oder an den Syn­ chronwellengenerator (17) zusynchronisiert, der Asynchron-Anwurfmotor (9) abgeschaltet und die Abgasklappe (10) der Nutzturbine (2) zwecks Abgabe von elektrischer Wirk- und anteiliger Blindleistung vom Synchron­ generator (4) an das Netz (7), Inselnetz und/oder an den Synchron­ wellengenerator (17) geöffnet wird und daß bei Auftritt von System­ störungen augenblicklich ein Bremswiderstand (12) mittels einer Anti­ duktorschaltung mit Thyristoren (13) über die Sammelschiene (5) auf den Synchrongenerator (4) geschaltet, der Netzschalter (6) geöffnet und die Abgasklappe (10) der Nutzturbine (2) zugesteuert wird.

3. Abgasturbine-Generatoranlage nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Überdrehzahl von mehr als etwa 15%, einen Blackout, einen länger als ca. 40 ms anstehenden Kurzschluß oder einen Ausfall des Netz­ schalters (6) als Systemlösung.

4. Abgasturbinen-Generatoranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Asynchron-Anwurfmotor (9) über einen Netzschalter (8) an das Netz (7) oder Inselnetz angeschlossen ist.

5. Abgasturbinen-Generatoranlage nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für einen automatischen Betriebsablauf ein Turbinen­ steuergerät (11) vorgesehen ist, das von der Sammelschiene (5) Istwerte des Stromes, der Spannung, der Frequenz und des cos ϕ erhält und das Stellsignale an die Netzschalter (6 bzw. 8) und die Abgasklappe (10) der Nutzturbine (2) in Abhängigkeit von ihren Iststellungen abgibt.

6. Abgasturbinen-Generatoranlage nach Anspruch 1, 2 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Turbinensteuergerät (11) ein Steuersignal zur Schaltung des Bremswiderstandes (12) auf den Synchrongenerator (4) an die Antiduktorschaltung mit Thyristoren (13) abgibt.

7. Abgasturbinen-Generatoranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein externes Steuersignal zur Schaltung des Brems­ widerstandes (12) auf den Synchrongenerator (4) herangezogen wird.

8. Abgasturbinen-Generatoranlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein zusätzliches Sicherheitsgerät (14) vorgesehen ist, welches eine Überdrehzahl an der Nutzturbine (2) oder am Untersetzungs­ getriebe (3) meßtechnisch erfaßt und unverzüglich einen Schnellschluß einer, mit der Abgasklappe (10) in Reihe liegenden Schnellschlußklappe (15) auslöst.

9. Abgasturbinen-Generatoranlage nach Anspruch 1, 2, 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer einen vorgegebenen Minimalwert unter­ schreitenden Abgasleitung eine Schließung der Abgasklappe (10) der Nutzturbine (2) und eine Abschaltung des Synchrongenerators (4) erfolgt.

10. Abgasturbinen-Generatoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, vor­ zugsweise zur Verwendung auf einem Schiff, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein eines Synchronwellengenerators (17) ein Frequenzum­ richter (18) zur Speisung in das Netz (7) oder Inselnetz vorgesehen ist und daß der Synchron- und der Synchronwellengenerator (4 bzw. 17) zusammen geschaltet sind und gemeinsam zur Netzversorgung in den Frequenzumrichter einspeisen.

11. Abgasturbinen-Generatoranlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellengeneratoranlage mindestens in der Leistungsgröße des Synchron­ generators (4) dimensioniert ist und daß der Frequenzumrichter (18) in der Leistungsgröße dimensioniert ist, die leistungsmäßig für einen Bord­ netz-Seebetrieb ausreicht.

12. Abgasturbinen-Generatoranlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Synchrongenerator (4) und der Wellengenerator (17) eine U/f = Konstant-Regelung und eine niedrigere Nennfrequenz als das Bordnetz auf­ weisen.

13. Abgasturbinen-Generatoranlage nach Anspruch 10 oder 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Frequenzregelung und unterlagerte Leistungsregelung des Frequenzumrichters (18) durch einen gestellten Gleichrichter erfolgt, der zwischen den Generatoren (4 bzw. 17) und dem Wechselrichter des Frequenzumrichters (18) angeordnet ist.

14. Abgasturbinen-Generatoranlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Systemstörung nach Anspruch 3 oder einem sonstigen Last­ abfall der gestellte Gleichrichter dicht gefahren wird.