EP1529333A1 - Dynamoelectric generator - Google Patents
Dynamoelectric generatorInfo
- Publication number
- EP1529333A1 EP1529333A1 EP03787560A EP03787560A EP1529333A1 EP 1529333 A1 EP1529333 A1 EP 1529333A1 EP 03787560 A EP03787560 A EP 03787560A EP 03787560 A EP03787560 A EP 03787560A EP 1529333 A1 EP1529333 A1 EP 1529333A1
- Authority
- EP
- European Patent Office
- Prior art keywords
- generator
- cooling water
- cooling
- water circuit
- circuit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
- H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
Definitions
- the present invention relates to the field of power plant technology. It relates to a dynamoelectric generator according to the preamble of claim 1.
- Such a generator is e.g. known from US-A-5,883,448.
- the power output of dynamoelectric generators depends on the permissible internal heating of the components. So-called insulation classes limit the absolute value of temperatures. Utilization according to class B or F is usual, which corresponds to a permissible component temperature of 130 or 155 ° C. Exceeding the permissible component temperatures results in accelerated component aging and thus reduced availability and loss of service life.
- an air-cooled generator for example, can suck in ambient air (so-called open ventilation, OV), force through its components, and release it to the environment when heated.
- OV open ventilation
- the Generator follow such a gas turbine power, which also increases with lower ambient air.
- a closed air circuit inside the generator is often chosen and the power loss is transferred to a separate cooling water circuit via an air-water heat exchanger (generator cooler) (Totally Enclosed Water-Air Cooling, TEWAC).
- TEWAC totally Enclosed Water-Air Cooling
- curves A show the dependence of the cooling air inlet temperature on the cold water Input temperature
- curves B represent the dependency of the generator output power on the cooling air input temperature
- the relationship between the generator output power and the cold water input temperature can be determined in an exemplary manner on the path marked with two arrows.
- the cooling water can e.g. in turn can be cooled back in a closed circuit with cooling towers.
- the object is achieved by the entirety of the features of claim 1.
- the essence of the invention is to provide in the cooling water circuit in front of the input of the generator cooler a refrigeration-generating refrigeration unit which extracts heat from the cooling water before entering the generator cooler.
- the cooling water temperature is thus reduced by the upstream cooling unit.
- Retrofitting in existing systems to adapt to increased turbine output is done by simply inserting the cooling unit or a corresponding heat exchanger before the water enters the generator cooler. No intervention is necessary on the generator itself.
- Generators for new systems with a standard stem of the refrigeration unit can be made more cost-effective overall. There are advantages in terms of size and mechanical short-circuit torque on the shaft with a slightly lower efficiency.
- an inexpensive type of cooling of the generator can be pulled up to higher outputs, which has a positive effect on the generator price.
- the cooling can be carried out by refrigeration systems of various functions, for example absorption or adsorption refrigeration systems and compression refrigeration systems. Surprisingly, when using electrically driven compression refrigeration systems, the additional electrical power required is several times smaller than the additional output achieved the generator terminals.
- a preferred embodiment of the generator according to the invention which is characterized by particular simplicity, is characterized in that the cooling unit has a cooling generator operated with electrical energy, that the generator is part of a power plant, and that the electrical energy required for the operation of the cooling generator is taken from a power plant's own demand network.
- a bypass water circuit is provided for the dissipation of the waste heat from the cooling unit, which branches off from the cooling water circuit after the recooling device and flows back into the cooling water circuit behind the cooling water outlet from the generator coolers. This further simplifies the construction of the additional cooling.
- the arrangement according to the invention becomes particularly compact if, according to another embodiment, a heat exchanger for absorbing the waste heat of the refrigeration unit is arranged in the bypass water circuit, and if the bypass water circuit is structurally integrated with the heat exchanger in the refrigeration unit.
- the refrigeration unit is connected to a controller which only switches the refrigeration unit on when a predetermined threshold value is exceeded, the generator output being a criterion, a Generator component temperature or the ambient temperature or the cold water temperature can be provided.
- cooling unit is inserted into the cooling water circuit in such a way that failure of the cooling unit does not hinder the cooling water circuit. In this way, a revision can be carried out on the refrigeration unit, the generator continuing to run with the “capability” that can be achieved without a refrigeration unit.
- an anti-freeze in particular glycol
- the cooling water temperature at the outlet of the cooling unit can in principle be driven in the negative temperature range, which can significantly expand the operating range if necessary.
- FIG. 2 shows, in a simplified circuit diagram, a preferred exemplary embodiment for a gas- or air-cooled generator according to the
- FIG. 2 shows a preferred exemplary embodiment for a gas- or air-cooled generator according to the invention within a power plant 10 in a simplified circuit diagram.
- the generator 11 with its generator axis 28 is only indicated as a box.
- Air or another suitable gas e.g., circulates within the closed housing of the generator 11 in one or more gas circuits 12, 12 '. Hydrogen.
- the gas circuits 12, 12 ' usually pass through the rotor and stator of the generator 11.
- the gas heated by the heat loss in the interior of the generator 11 is cooled back in one or more generator coolers 13,..., 16.
- the generator coolers 13, .., 16 are designed as gas-water heat exchangers and are part of an outer cooling water circuit 17a, b. 2, the generator cooler 13, .., 16 are shown lying in parallel.
- other types of interconnection such as a series connection or a mixed series-parallel connection are also conceivable.
- the heated cooling water coming from the generator coolers 13, .., 16 is pumped by a pump 18 through a recooling device 19, for example a cooling tower or the like, where it is recooled and returned to the generator cooler 13, .. , 16 fed.
- a recooling device 19 for example a cooling tower or the like
- a refrigeration-generating refrigeration unit 20 is inserted, which the cooling water before entering the generator cooler 13, .., 16 heat withdraws or cools it down.
- the cooling unit 20 only acts on selected partial flows of the cooling water circuit 1 a, b, which flow through the generator coolers 13,... 16.
- the cooling takes place, for example, via a cooling generator 22 provided in the cooling unit 20, which releases the cooling via a heat exchanger 24 to the cooling water of the cooling water circuit 17b and the heat generated via a further heat exchanger 26 to a bypass water circuit 21, which is provided by the cooling water circuit 17a branches off in front of the cooling unit 20 and from behind the cooling water outlet the generator coolers 13, .., 16 opens again into the cooling water circuit 17b.
- a further refrigeration generator 23 can be provided which, if necessary, releases refrigeration via a further heat exchanger 25 if the one refrigeration generator 22 should fail.
- two refrigerators can work simultaneously if necessary.
- the generator 11 can continue to be operated with its original output if the cooling unit 20 should ever fail because the water flow through the heat exchangers 24, 25 remains undisturbed.
- an open cooling circuit eg river water
- the refrigeration unit 20 is operated by electrical energy 27, which is preferably taken from an in-house supply network of the power plant 10.
- the refrigeration unit 20 is advantageously controlled by a controller 29, which only switches the refrigeration unit 20 on when a predetermined threshold value is exceeded.
- a threshold value of the generator power or a threshold value of the ambient temperature can be provided as the threshold value.
- the cooling unit can advantageously be regulated in such a way that the regulation is adapted to the operating state of the generator 1.
- the use of an ad or absorption refrigeration system is also possible, which is then operated mainly by a coupled heat flow instead of electrical energy. This can originate, for example, from the hot gas part of the generator.
- the cooling water temperature is lowered in the upstream cooling unit 20.
- Retrofitting in existing systems to adapt to increased turbine output is accomplished by simply inserting the refrigeration unit 20 before the water enters the generator coolers 13,... 16. No intervention is necessary on the generator 11 itself.
- Generators 11 for new systems with a standard stem of the refrigeration unit 20 can be carried out more cost-effectively. There are advantages in terms of efficiency and mechanical short-circuit torque on the shaft.
- an inexpensive type of cooling of the generator can be pulled up to higher outputs, which has a positive effect on the generator price.
- the additional electrical power requirement for the refrigeration unit 20 operating as a compression refrigeration machine is surprisingly several times smaller than the additional output achieved at the generator terminals (waste or adsorption refrigeration systems can, on the other hand, be operated very economically by using waste heat).
- the result is a multiplication factor of the order of 50 and larger, by which the achievable additional power of the generator 11 is greater than the required electrical connection power of the refrigeration unit 20.
- recooling device e.g. cooling tower
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Motor Or Generator Cooling System (AREA)
Abstract
The invention relates to a dynamoelectric generator (11), the inside of which is cooled by means of a closed gas circuit, particularly an air circuit (12, 12'), that is connected to an external cooling water circuit (17a, 17b) via generator coolers (13, , 16), said coolers (13, ..., 16) being disposed inside the generator (11). A device (19) for re-cooling the heated cooling water is arranged between the outlet and the inlet of the generator coolers (13, ..., 16) within the cooling water circuit (17a, 17b). The terminal power of such a generator is significantly increased with little effort by placing a cold-generating refrigerating unit (20) between the re-cooling device (19) and the inlet of the generator coolers (13, , 16) inside the cooling water circuit (17 a, b), said refrigerating unit (20) removing additional heat from the cooling water prior to the entry thereof into the generator coolers (13, , 16).
Description
BESCHREIBUNG DESCRIPTION
DYNAMOELEKTRISCHER GENERATORDYNAMOELECTRIC GENERATOR
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Kraftwerkstechnik. Sie betrifft einen dynamoelektrischen Generator gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to the field of power plant technology. It relates to a dynamoelectric generator according to the preamble of claim 1.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Ein solcher Generator ist z.B. aus der US-A-5,883,448 bekannt.Such a generator is e.g. known from US-A-5,883,448.
Die Leistungsabgabe von dynamoelektrischen Generatoren ist abhängig von der zulässigen inneren Erwärmung der Komponenten. Sogenannte Isolationsklassen begrenzen den Absolutwert von Temperaturen. Üblich ist eine Ausnützung nach Klasse B oder F, was einer zulässigen Komponententemperatur von 130 bzw. 155 °C entspricht. Eine Überschreitung der zulässigen Komponententemperaturen resultiert in einer beschleunigten Komponentenalterung und damit reduzierter Verfügbarkeit und Lebensdauerverlust. Zur Kühlung kann z.B. ein luftgekühlter Generator Umgebungsluft ansaugen (sog. Open Ventilation, OV), forciert durch seine Komponenten durchpressen und erwärmt wieder an die Umgebung abgeben. Bei kälterer Umgebungsluft ergibt sich die Möglichkeit, über die Vergrösserung des Temperaturhubs zwischen der Kühlluft und der zulässigen Komponententemperatur mehr elektrische Leistung aus der Maschine herauszuholen, ohne die zulässigen Komponententemperaturen zu überschreiten. In erwünschter Weise kann der
Generator so einer Gasturbinenleistung folgen, welche ebenfalls mit tieferer Umgebungsluft zunimmt.The power output of dynamoelectric generators depends on the permissible internal heating of the components. So-called insulation classes limit the absolute value of temperatures. Utilization according to class B or F is usual, which corresponds to a permissible component temperature of 130 or 155 ° C. Exceeding the permissible component temperatures results in accelerated component aging and thus reduced availability and loss of service life. For cooling, an air-cooled generator, for example, can suck in ambient air (so-called open ventilation, OV), force through its components, and release it to the environment when heated. In the case of colder ambient air, there is the possibility of getting more electrical power out of the machine by increasing the temperature swing between the cooling air and the permissible component temperature without exceeding the permissible component temperatures. Desirably, the Generator follow such a gas turbine power, which also increases with lower ambient air.
Um Verschmutzung im Generatorinneren sowie Verstopfung von Luftfiltern und dadurch eine Verfügbarkeitseinschränkung zu vermeiden, wird häufig ein geschlossener Luftkreislauf im Generatorinnem gewählt, und die Verlustleistung über einen Luft-Wasser- Wärmetauscher (Generatorkühler) an einen separaten Kühlwasserkreis abgegeben (Totally Enclosed Water-Air Cooling, TEWAC). Die sich ergebende Temperaturabhängigkeit der Klemmenleistung (P) von der Kühlwasser- temperatur (Tcw) wird in sog. Capability-Kurven dargestellt (siehe Fig. 1 ), bei denen die Kurven A (Kühler) die Abhängigkeit der Kühlluft-Eingangstemperatur von der Kaltwasser-Eingangstemperatur und die Kurven B die Abhängigkeit der Generator-Ausgangsleistung von der Kühlluft-Eingangstemperatur darstellen, und bei denen auf dem mit zwei Pfeilen markierten Weg der Zusammenhang zwischen Generator-Ausgangsleistung und der Kaltwasser-Eingangstemperatur beispielhaft bestimmt werden kann. Das Kühlwasser kann z.B. seinerseits in einem geschlossenen Kreislauf mit Kühltürmen zurückgekühlt werden.In order to avoid contamination inside the generator as well as clogging of air filters and thus an availability restriction, a closed air circuit inside the generator is often chosen and the power loss is transferred to a separate cooling water circuit via an air-water heat exchanger (generator cooler) (Totally Enclosed Water-Air Cooling, TEWAC). The resulting temperature dependence of the terminal power (P) on the cooling water temperature (Tcw) is shown in so-called capability curves (see Fig. 1), in which curves A (cooler) show the dependence of the cooling air inlet temperature on the cold water Input temperature and curves B represent the dependency of the generator output power on the cooling air input temperature, and in which the relationship between the generator output power and the cold water input temperature can be determined in an exemplary manner on the path marked with two arrows. The cooling water can e.g. in turn can be cooled back in a closed circuit with cooling towers.
Es kommt nicht selten vor, dass bereits bestehende Kraftwerke in ihrer Leistung heraufgesetzt werden, indem die Leistung der Turbinen heraufgesetzt wird (sog. „Uprating"). Ein übliches Uprating von Turbinen zu höherer Leistung sollte vom Generator mitgefahren werden können. Der Aufwand für das Uprating sollte möglichst klein sein. In den allermeisten Fällen steht keine kältere Anschlusstemperatur für die Generatorkühler zur Verfügung. Eine Umrüstung auf eine höhere Tem- peraturklasse erfordert den Austausch von Komponenten und ist kostspielig und zeitraubend, ebenso der Ersatz des ganzen Generators. Das Überdimensionieren des Generators von Anfang an, mit dem Ziel der späteren Leistungsanpassung, ist kostspielig. Hier offenbart sich ein Nachteil für Generatoren der beschriebenen Art.It is not uncommon for existing power plants to increase their output by increasing the output of the turbines (so-called "uprating"). The generator should be able to carry out a normal uprating of turbines to a higher output. The effort for this Uprating should be as small as possible. In most cases there is no colder connection temperature available for the generator cooler. Retrofitting to a higher temperature class requires the replacement of components and is costly and time-consuming, as is the replacement of the entire generator. Oversizing the generator from the outset, with the aim of later adjusting the output, is expensive, which is a disadvantage for generators of the type described.
Bei Neuanlagen kann es sein, dass aufgrund der geforderten Leistungsdaten knapp die Verwendung einer anderen Generatorbauart mit grösserer Komplexität und höheren Sicherheitsanforderungen (z.B. innere Generatorkühlung mit Was-
serstoff) nötig ist. Der Generator verursacht dann einen Kostensprung und beeinträchtigt die gesamte Attraktivität des Kraftwerks.In the case of new systems, it may be that due to the required performance data, the use of another generator type with greater complexity and higher safety requirements (e.g. internal generator cooling with water hydrogen) is necessary. The generator then causes a jump in costs and affects the overall attractiveness of the power plant.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Generator mit einer Kühlung insbesondere nach dem TEWAC-Prinzip zu schaffen, welcher die Nachteile bekannter Lösungen vermeidet und sich insbesondere durch eine erhöhte Leistungsausbeute bei ver- gleichsweise geringem Zusatzaufwand und eine grosse Flexibilität im Einsatz auszeichnet.It is the object of the invention to create a generator with a cooling, in particular according to the TEWAC principle, which avoids the disadvantages of known solutions and is characterized in particular by an increased power yield with comparatively little additional effort and great flexibility in use.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, im Kühlwasserkreis vor dem Eingang der Generatorkühler ein Kälte erzeugendes Kälteaggregat vorzusehen, welches dem Kühlwasser vor Eintritt in die Generatorkühler Wärme entzieht. Die Kühlwassertemperatur wird so durch das vorgeschaltete Kälteaggregat abgesenkt. Eine Umrüstung in bestehenden Anlagen zur Anpassung an gesteigerte Turbinenleistung erfolgt durch simples Einfügen des Kälteaggregats oder eines entsprechenden Wärmetauschers vor den Wassereintritt zu den Generatorkühlern. Am Generator selbst ist kein Eingriff nötig.The object is achieved by the entirety of the features of claim 1. The essence of the invention is to provide in the cooling water circuit in front of the input of the generator cooler a refrigeration-generating refrigeration unit which extracts heat from the cooling water before entering the generator cooler. The cooling water temperature is thus reduced by the upstream cooling unit. Retrofitting in existing systems to adapt to increased turbine output is done by simply inserting the cooling unit or a corresponding heat exchanger before the water enters the generator cooler. No intervention is necessary on the generator itself.
Generatoren für Neuanlagen mit serienmässigem Vorbau des Kälteaggregats können insgesamt kostengünstiger ausgeführt werden. Es ergeben sich Vorteile be- züglich Baugrösse und mechanischem Kurzschlussmoment auf die Welle bei geringfügig kleinerem Wirkungsgrad. Darüber hinaus kann eine kostengünstige Kühlart des Generators zu höheren Leistungen hinaufgezogen werden, was sich positiv auf den Generatorpreis auswirkt. Die Kühlung kann durch Kälteanlagen verschiedener Funktionsweise erfolgen, z.B. Absorptions- oder Adsorptionskälteanla- gen sowie Kompressionskälteanlagen. In überraschender weise ist dabei beim Einsatz elektrisch angetriebener Kompressionskälteanlagen der Mehrbedarf an elektrischer Leistung um ein Mehrfaches kleiner, als die erzielte Mehrleistung an
den Generatorklemmen. Es resultiert bei grossen luftgekühlten Generatoren in der Leistungsklasse von über 200 MW beispielsweise ein Multiplikationsfaktor in der Grössenordnung von 50 und höher, um welchen die erzielbare Mehrleistung des Generators grösser ist als die benötigte elektrische Anschlussleistung des Kälte- aggregats. Dieser verblüffend hohe Multiplikationsfaktor ist auf den inhärent hohen Wirkungsgrad solcher Generatoren zurückzuführen, welcher im Bereich von 99% liegt.Generators for new systems with a standard stem of the refrigeration unit can be made more cost-effective overall. There are advantages in terms of size and mechanical short-circuit torque on the shaft with a slightly lower efficiency. In addition, an inexpensive type of cooling of the generator can be pulled up to higher outputs, which has a positive effect on the generator price. The cooling can be carried out by refrigeration systems of various functions, for example absorption or adsorption refrigeration systems and compression refrigeration systems. Surprisingly, when using electrically driven compression refrigeration systems, the additional electrical power required is several times smaller than the additional output achieved the generator terminals. For large air-cooled generators in the power class of over 200 MW, for example, a multiplication factor of the order of 50 and higher results, by which the achievable additional output of the generator is greater than the required electrical connected load of the refrigeration unit. This amazingly high multiplication factor is due to the inherently high efficiency of such generators, which is in the range of 99%.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Generators nach der Erfindung, die sich durch besondere Einfachheit auszeichnet, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kälteaggregat einen mit elektrischer Energie betriebenen Kälteerzeuger aufweist, dass der Generator Teil eines Kraftwerkes ist, und dass die für den Betrieb des Kälteerzeugers benötigte elektrische Energie aus einem Eigenbedarfsnetz des Kraftwerkes entnommen wird.A preferred embodiment of the generator according to the invention, which is characterized by particular simplicity, is characterized in that the cooling unit has a cooling generator operated with electrical energy, that the generator is part of a power plant, and that the electrical energy required for the operation of the cooling generator is taken from a power plant's own demand network.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist für die Abfuhr der Verlust-Abwärme des Kälteaggregats ein Bypass-Wasserkreis vorgesehen, welcher aus dem Kühlwasserkreis nach der Rückkühleinrichtung abzweigt und hinter dem Kühlwasseraustritt aus den Generatorkühlern wieder in den Kühlwas- serkreis einmündet. Hierdurch wird der Aufbau der zusätzlichen Kühlung weiter vereinfacht.According to a further preferred embodiment of the invention, a bypass water circuit is provided for the dissipation of the waste heat from the cooling unit, which branches off from the cooling water circuit after the recooling device and flows back into the cooling water circuit behind the cooling water outlet from the generator coolers. This further simplifies the construction of the additional cooling.
Besonders kompakt wird die erfindungsgemässe Anordnung, wenn gemäss einer anderen Ausgestaltung in dem Bypass-Wasserkreis ein Wärmetauscher zur Auf- nähme der Verlust-Abwärme des Kälteaggregats angeordnet ist, und wenn der Bypass-Wasserkreis mit dem Wärmetauscher baulich in das Kälteaggregat integriert ist.The arrangement according to the invention becomes particularly compact if, according to another embodiment, a heat exchanger for absorbing the waste heat of the refrigeration unit is arranged in the bypass water circuit, and if the bypass water circuit is structurally integrated with the heat exchanger in the refrigeration unit.
Eine Betauung im Generator kann sicher vermieden werden, wenn gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung das Kälteaggregat mit einer Steuerung verbunden ist, welche das Kälteaggregat erst zuschaltet, wenn ein vorgegebener Schwellwert überschritten wird, wobei als Kriterium die Generatorleistung, eine
Generatorkomponenten-Temperatur oder die Umgebungstemperatur oder die Kaltwassertemperatur vorgesehen sein kann.Condensation in the generator can be reliably avoided if, according to a further embodiment of the invention, the refrigeration unit is connected to a controller which only switches the refrigeration unit on when a predetermined threshold value is exceeded, the generator output being a criterion, a Generator component temperature or the ambient temperature or the cold water temperature can be provided.
Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn das Kälteaggregat in den Kühlwasserkreis so eingefügt ist, dass ein Ausfall des Kälteaggregats den Kühlwasserkreis nicht behindert. Auf diese Weise kann eine Revision am Kälteaggregat vorgenommen werden, wobei der Generator mit der ohne Kälteaggregat erreichbaren „Capability" weiterläuft.It is also particularly advantageous if the cooling unit is inserted into the cooling water circuit in such a way that failure of the cooling unit does not hinder the cooling water circuit. In this way, a revision can be carried out on the refrigeration unit, the generator continuing to run with the “capability” that can be achieved without a refrigeration unit.
Weiterhin lassen sich kühlungsbedingte Betriebsunterbrüche vermeiden, wenn das Kälteaggregat redundant aufgebaut ist.In addition, interruptions in operation due to cooling can be avoided if the cooling unit is constructed redundantly.
Wenn gemäss einer anderen Ausgestaltung der Erfindung dem Kühlwasser des Kühlwasserkreises ein Frostschutzmittel, insbesondere Glykol, beigemischt ist, er- gibt sich eine prinzipielle Fahrbarkeit der Kühlwassertemperatur am Austritt des Kälteaggregats im negativen Temperaturbereich, was im Bedarfsfall den Betriebsbereich deutlich erweitern kann.If, according to another embodiment of the invention, an anti-freeze, in particular glycol, is added to the cooling water of the cooling water circuit, the cooling water temperature at the outlet of the cooling unit can in principle be driven in the negative temperature range, which can significantly expand the operating range if necessary.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Further embodiments result from the dependent claims.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGURENBRIEF EXPLANATION OF THE FIGURES
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammen- hang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigenThe invention is to be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments in conjunction with the drawing. Show it
Fig. 1 Capability-Kurven eines beispielhaften Generators mit TEWAC-1 Capability curves of an exemplary generator with TEWAC
Kühlung; und Fig. 2 in einem vereinfachten Schaltschema ein bevorzugtes Ausfüh- rungsbeispiel für einen gas- bzw. luftgekühlten Generator nach derCooling; and FIG. 2 shows, in a simplified circuit diagram, a preferred exemplary embodiment for a gas- or air-cooled generator according to the
Erfindung.
WEGE ZUR AUSFUHRUNG DER ERFINDUNGInvention. WAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION
In Fig. 2 ist in einem vereinfachten Schaltschema ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen gas- bzw. luftgekühlten Generator nach der Erfindung innerhalb eines Kraftwerks 10 dargestellt. Der Generator 11 ist mit seiner Generatorachse 28 nur als Kasten angedeutet. Innerhalb des geschlossenen Gehäuses des Generators 11 zirkuliert in einem oder mehreren Gaskreisläufen 12, 12' Luft oder ein anderes geeignetes Gas, z.B. Wasserstoff. Die Gaskreisläufe 12, 12' gehen dabei üblicherweise durch Rotor und Stator des Generators 11. Das durch die Verlust- leistungs-Wärme im Inneren des Generators 11 erwärmte Gas wird in einem oder mehreren Generatorkühlern 13,..,16 zurückgekühlt. Die Generatorkühler 13,..,16 sind als Gas-Wasser-Wärmetauscher ausgebildet und Teil eines äusseren Kühlwasserkreises 17a, b. In der Fig. 2 sind die Generatorkühler 13,.., 16 parallel liegend eingezeichnet. Selbstverständlich sind auch andere Arten der Zusammen- Schaltung wie eine Serieschaltung oder eine gemischte Serie-Parallelschaltung denkbar.FIG. 2 shows a preferred exemplary embodiment for a gas- or air-cooled generator according to the invention within a power plant 10 in a simplified circuit diagram. The generator 11 with its generator axis 28 is only indicated as a box. Air or another suitable gas, e.g., circulates within the closed housing of the generator 11 in one or more gas circuits 12, 12 '. Hydrogen. The gas circuits 12, 12 'usually pass through the rotor and stator of the generator 11. The gas heated by the heat loss in the interior of the generator 11 is cooled back in one or more generator coolers 13,..., 16. The generator coolers 13, .., 16 are designed as gas-water heat exchangers and are part of an outer cooling water circuit 17a, b. 2, the generator cooler 13, .., 16 are shown lying in parallel. Of course, other types of interconnection such as a series connection or a mixed series-parallel connection are also conceivable.
Innerhalb des Kühlwasserkreises 17a, b wird das aus den Generatorkühlern 13, ..,16 kommende, erwärmte Kühlwasser mittels einer Pumpe 18 durch eine Rückkühleinrichtung 19, z.B. einen Kühlturm oder dgl., gepumpt, dort rückgekühlt und wieder in die Generatorkühler 13, ..,16 eingespeist. In den Kühlwasserkreis 17a, b ist nun gemäss der Erfindung zwischen dem Kaltwasser-Vorlauf 17a und dem Eingang der Generatorkühler 13,.., 16 ein Kälte erzeugendes Kälteaggregat 20 eingefügt, welches dem Kühlwasser vor Eintritt in die Generatorkühler 13, ..,16 Wärme entzieht, bzw. es abkühlt. Es ist aber auch denkbar und sinnvoll, wenn das Kälteaggregat 20 nur auf ausgewählte Teilströme des Kühlwasserkreises 1 a, b, welche durch die Generatorkühler 13,..,16 fliessen, einwirkt. Die Abkühlung geschieht beispielsweise über einen im Kälteaggregat 20 vorgesehenen Kälteerzeuger 22, der die Kälte über einen Wärmetauscher 24 an das Kühlwasser des Kühl- wasserkreises 17b abgibt und die anfallende Wärme über einen weiteren Wärmetauscher 26 an einen Bypass-Wasserkreis 21 abgibt, der vom Kühlwasserkreis 17a vor dem Kälteaggregat 20 abzweigt und hinter dem Kühlwasseraustritt aus
den Generatorkühlern 13, ..,16 wieder in den Kühlwasserkreis 17b einmündet. Um das Kälteaggregat 20 redundant auszuführen, kann neben dem einen Kälteerzeuger 22 ein weiterer Kälteerzeuger 23 vorgesehen werden, der über einen weiteren Wärmetauscher 25 im Bedarfsfall Kälte abgibt, wenn der eine Kälteerzeuger 22 ausfallen sollte. Alternativ können im Bedarfsfall zwei Kälteerzeuger gleichzeitig arbeiten. Wegen der im Kälteaggregat 20 eingesetzten Wärmetauscher 24, 25 kann der Generator 11 mit seiner ursprünglichen Leistung weiterbetrieben werden, wenn das Kälteaggregat 20 einmal ausfallen sollte, weil der Wasserdurchfluss durch die Wärmetauscher 24, 25 ungestört bleibt. Neben dem in Fig. 2 gezeigten geschlossenen Kühlwasserkreis 17a, b kann aber auch ein offener Kühlkreislauf (z.B. Flusswasser) zur Anwendung gelangen.Within the cooling water circuit 17a, b, the heated cooling water coming from the generator coolers 13, .., 16 is pumped by a pump 18 through a recooling device 19, for example a cooling tower or the like, where it is recooled and returned to the generator cooler 13, .. , 16 fed. In the cooling water circuit 17a, b according to the invention between the cold water supply 17a and the input of the generator cooler 13, .., 16, a refrigeration-generating refrigeration unit 20 is inserted, which the cooling water before entering the generator cooler 13, .., 16 heat withdraws or cools it down. However, it is also conceivable and useful if the cooling unit 20 only acts on selected partial flows of the cooling water circuit 1 a, b, which flow through the generator coolers 13,... 16. The cooling takes place, for example, via a cooling generator 22 provided in the cooling unit 20, which releases the cooling via a heat exchanger 24 to the cooling water of the cooling water circuit 17b and the heat generated via a further heat exchanger 26 to a bypass water circuit 21, which is provided by the cooling water circuit 17a branches off in front of the cooling unit 20 and from behind the cooling water outlet the generator coolers 13, .., 16 opens again into the cooling water circuit 17b. In order to make the refrigeration unit 20 redundant, in addition to the one refrigeration generator 22, a further refrigeration generator 23 can be provided which, if necessary, releases refrigeration via a further heat exchanger 25 if the one refrigeration generator 22 should fail. Alternatively, two refrigerators can work simultaneously if necessary. Because of the heat exchangers 24, 25 used in the cooling unit 20, the generator 11 can continue to be operated with its original output if the cooling unit 20 should ever fail because the water flow through the heat exchangers 24, 25 remains undisturbed. In addition to the closed cooling water circuit 17a, b shown in FIG. 2, an open cooling circuit (eg river water) can also be used.
Das Kälteaggregat 20 wird im gezeigten Ausführungsbeispiel durch elektrische Energie 27 betrieben, die vorzugsweise aus einem Eigenbedarfsnetz des Kraft- Werkes 10 entnommen wird. Das Kälteaggregat 20 wird vorteilhaft von einer Steuerung 29 gesteuert, welche das Kälteaggregat 20 erst zuschaltet, wenn ein vorgegebener Schwellwert überschritten wird. Als Schwellwert kann dabei ein Schwellwert der Generatorleistung oder ein Schwellwert der Umgebungstemperatur vorgesehen sein. Das Kälteaggregat kann dabei vorteilhafterweise derart geregelt sein, dass die Regelung dem Betriebszustand des Generators 1 angepasst ist. Selbstverständlich ist auch der Einsatz einer Ad- oder Absorptionskälteanlage möglich, die dann statt mit elektrischer Energie überwiegend durch einen eingekoppelten Wärmestrom betrieben wird. Dieser kann beispielsweise aus dem Warmgasteil des Generators stammen.In the exemplary embodiment shown, the refrigeration unit 20 is operated by electrical energy 27, which is preferably taken from an in-house supply network of the power plant 10. The refrigeration unit 20 is advantageously controlled by a controller 29, which only switches the refrigeration unit 20 on when a predetermined threshold value is exceeded. A threshold value of the generator power or a threshold value of the ambient temperature can be provided as the threshold value. The cooling unit can advantageously be regulated in such a way that the regulation is adapted to the operating state of the generator 1. Of course, the use of an ad or absorption refrigeration system is also possible, which is then operated mainly by a coupled heat flow instead of electrical energy. This can originate, for example, from the hot gas part of the generator.
Die Kühlwassertemperatur wird in dem vorgeschalteten Kälteaggregat 20 abgesenkt. Eine Umrüstung in bestehenden Anlagen zur Anpassung an gesteigerte Turbinenleistung erfolgt durch simples Einfügen des Kälteaggregats 20 vor den Wassereintritt zu den Generatorkühlern 13,..,16. Am Generator 11 selbst ist kein Eingriff nötig.
Generatoren 11 für Neuanlagen mit serienmässigem Vorbau des Kälteaggregats 20 können kostengünstiger ausgeführt werden. Es ergeben sich Vorteile bezüglich Wirkungsgrad und mechanischem Kurzschlussmoment auf die Welle. Darüber hinaus kann eine kostengünstige Kühlart des Generators zu höheren Leistungen hinaufgezogen werden, was sich positiv auf den Generatorpreis auswirkt.The cooling water temperature is lowered in the upstream cooling unit 20. Retrofitting in existing systems to adapt to increased turbine output is accomplished by simply inserting the refrigeration unit 20 before the water enters the generator coolers 13,... 16. No intervention is necessary on the generator 11 itself. Generators 11 for new systems with a standard stem of the refrigeration unit 20 can be carried out more cost-effectively. There are advantages in terms of efficiency and mechanical short-circuit torque on the shaft. In addition, an inexpensive type of cooling of the generator can be pulled up to higher outputs, which has a positive effect on the generator price.
Wie bereits erwähnt ist in überraschender Weise der Mehrbedarf an elektrischer Leistung für das als Kompressionskältemaschine arbeitende Kälteaggregat 20 um ein Mehrfaches kleiner als die erzielte Mehrleistung an den Generatorklemmen (Ab- oder Adsorptionskälteanlagen können andererseits durch Nutzung von Abwärme sehr kostengünstig betrieben werden).As already mentioned, the additional electrical power requirement for the refrigeration unit 20 operating as a compression refrigeration machine is surprisingly several times smaller than the additional output achieved at the generator terminals (waste or adsorption refrigeration systems can, on the other hand, be operated very economically by using waste heat).
Es resultiert ein Multiplikationsfaktor in der Grössenordnung von 50 und grösser, um welchen die erzielbare Mehrleistung des Generators 11 grösser ist als die be- nötigte elektrischen Anschlussleistung des Kälteaggregats 20.The result is a multiplication factor of the order of 50 and larger, by which the achievable additional power of the generator 11 is greater than the required electrical connection power of the refrigeration unit 20.
Dieser verblüffend hohe Multiplikationsfaktor ist auf den inhärent hohen Wirkungsgrad des Generators zurückzuführen, welcher im Bereich von 99% liegt. Deshalb weist die Erfindungsidee ihre frappanten Vorteile nur in diesem beschriebenen An- Wendungsbereich für Generatoren auf. Andere Energiewandler, welche wirkungs- gradmässig schlechter liegen, wie z.B. Turbinen, können mit der beschriebenen Idee nicht behandelt werden, weil das Kälteaggregat viel zu gross und unwirtschaftlich würde.This amazingly high multiplication factor is due to the inherently high efficiency of the generator, which is in the range of 99%. Therefore, the idea of the invention has its striking advantages only in this described area of application for generators. Other energy converters that are worse in terms of efficiency, such as Turbines cannot be treated with the idea described because the refrigeration unit would be far too large and uneconomical.
Das nachfolgende zahlenmässige Beispiel für einen luftgekühlten 240MW-Gene- rator vom Typ TEWAC der Anmelderin ergibt folgende Daten:The following numerical example for an air-cooled 240 MW generator of the TEWAC type from the applicant provides the following data:
ohne Kälteaqqreqat 20: Generator Kaltluft: 40 °C Generatorleistung: 240 MW Kühlwasserbedarf: 0,05 m3/s Generatorverluste total: 2960 kW
mit Kälteaqqreqat 20 (Kompressionskälteanlaqe): Kälteleistung: 1050 kWWithout refrigeration unit 20: Cold air generator: 40 ° C Generator output: 240 MW Cooling water requirement: 0.05 m 3 / s Total generator losses: 2960 kW with refrigeration unit 20 (compression refrigeration unit): refrigeration capacity: 1050 kW
Absenkung Kaltwasservorlauf Generator: -5 K Generator Kaltluft: 35 °C Generatorleistung: 251 MWReduction of cold water flow generator: -5 K generator cold air: 35 ° C generator output: 251 MW
Generatorverluste total: 3050 kW Kälteaggregat-Leistungsziffer: 5 El. Leistungsaufnahme: 1050/5=210 kW Abgegebene Leistung an sep. Kühlkreis: 1050+210=1260 kW Beispiel: Bypass-Wassermenge: 0.005 m3/sTotal generator losses: 3050 kW refrigeration unit output figure: 5 El. Power consumption: 1050/5 = 210 kW Output to separate cooling circuit: 1050 + 210 = 1260 kW Example: bypass water volume: 0.005 m 3 / s
Aufwärmung Bypasskreis: +60K (ohne Auswirkung auf den Generator)Warm-up bypass circuit: + 60K (without effect on the generator)
BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Kraftwerk10 power plant
11 Generator (dynamoelektrisch)11 generator (dynamoelectric)
12,12' Gaskreislauf (Luftkreislauf)12.12 'gas circuit (air circuit)
13,..,16 Generatorkühler13, .., 16 generator cooler
17a,b Kühlwasserkreis17a, b cooling water circuit
18 Pumpe18 pump
19 Rückkühleinrichtung (z.B. Kühlturm)19 recooling device (e.g. cooling tower)
20 Kälteaggregat20 cooling unit
21 Bypass-Wasserkreis21 Bypass water circuit
22,23 Kälteerzeuger22.23 refrigeration equipment
24,25,26 Wärmetauscher24,25,26 heat exchanger
27 elektrische Energie27 electrical energy
28 Generatorachse28 generator axis
29 Steuerung
29 Control
Claims
1. Dynamoelektrischen Generator (11), welcher in seinem Inneren durch einen geschlossenen Gaskreislauf, insbesondere Luftkreislauf, (12, 12') gekühlt wird, der über im Generator (11) angeordnete Generatorkühler (13,..,16) mit einem äusseren Kühlwasserkreis (17a, b) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlwasserkreis (17a, b) vor dem Eingang der Generatorkühler (13,..,16) wenigstens ein Kälte erzeugendes Kälteaggregat (20) vorgesehen ist, welches dem Kühlwasser vor Eintritt in die Generatorkühler (13, ..,16) weitere Wärme ent- zieht.1. Dynamoelectric generator (11), which is cooled in its interior by a closed gas circuit, in particular air circuit (12, 12 '), the generator cooler (13, .., 16) arranged in the generator (11) with an external cooling water circuit (17a, b) is connected, characterized in that in the cooling water circuit (17a, b) in front of the input of the generator cooler (13, .., 16) at least one cooling unit (20) is provided which generates the cooling water before entering the generator cooler (13, .., 16) extracts further heat.
2. Generator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kälteaggregat (20) einen mit elektrischer Energie betriebenen Kälteerzeuger (22, 23) aufweist, dass der Generator (11) Teil eines Kraftwerkes (10) ist, und dass die für den Betrieb des Kälteerzeugers (22, 23) benötigte elektrische Energie (27) aus einem Eigenbedarfsnetz des Kraftwerkes (10) entnommen wird.2. Generator according to claim 1, characterized in that the refrigeration unit (20) has an electrical energy operated refrigeration generator (22, 23), that the generator (11) is part of a power plant (10), and that for the operation of the Refrigerator (22, 23) required electrical energy (27) is taken from a power grid of the power plant (10).
3. Generator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kälteaggregat (20) einen mit Abwärme betriebenen Kälteerzeuger (22, 23) nach dem Ad- oder Absorptionsprinzip aufweist.3. Generator according to claim 1, characterized in that the cooling unit (20) has a waste heat operated cooling generator (22, 23) according to the ad or absorption principle.
4. Generator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlwasserkreis (17a, b) eine Rückkühleinrichtung (19) angeordnet ist und dass für die Abfuhr der Verlust-Abwärme des Kälteaggregats (20) ein Bypass- Wasserkreis (21) vorgesehen ist, welcher aus dem Kühlwasserkreis (17a) nach der Rückkühleinrichtung (19) abzweigt und vorzugsweise hinter dem Kühlwasseraustritt aus den Generatorkühlern (13,..,16) wieder in den Kühlwasserkreis (17b) einmündet.4. Generator according to one of claims 1 or 2, characterized in that in the cooling water circuit (17a, b) a recooling device (19) is arranged and that for the dissipation of the waste heat of the refrigeration unit (20) a bypass water circuit (21) It is provided which branches off from the cooling water circuit (17a) after the recooling device (19) and preferably flows back into the cooling water circuit (17b) behind the cooling water outlet from the generator coolers (13, .., 16).
5. Generator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bypass-Wasserkreis (21) ein Wärmetauscher (26) zur Aufnahme der Verlust-Ab- wärme des Kälteaggregats (20) angeordnet ist, und dass der Bypass-Wasserkreis (21) mit dem Wärmetauscher (26) baulich in das Kälteaggregat (20) integriert ist.5. Generator according to claim 4, characterized in that in the bypass water circuit (21), a heat exchanger (26) for receiving the loss-Ab- heat of the refrigeration unit (20) is arranged, and that the bypass water circuit (21) with the heat exchanger (26) is structurally integrated into the refrigeration unit (20).
6. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kälteaggregat (20) mit einer Steuerung (29) verbunden ist, welche das6. Generator according to one of claims 1 to 5, characterized in that the cooling unit (20) is connected to a controller (29), which the
Kälteaggregat (20) erst zuschaltet, wenn ein vorgegebener Schwellwert überschritten wird.Cooling unit (20) only switches on when a predetermined threshold value is exceeded.
7. Generator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Kriterium für den Schwellwert die Generatorleistung vorgesehen ist.7. Generator according to claim 6, characterized in that the generator power is provided as a criterion for the threshold value.
8. Generator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Kriterium für den Schwellwert eine Generatorkomponenten-Temperatur oder die Umgebungstemperatur oder die Kaltwassertemperatur vorgesehen ist.8. Generator according to claim 6, characterized in that a generator component temperature or the ambient temperature or the cold water temperature is provided as a criterion for the threshold value.
9. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kälteaggregat (20) in den Kühlwasserkreis (17a, b) so eingefügt ist, dass ein Ausfall des Kälteaggregats (20) den Kühlwasserkreis (17a, b) nicht behindert.9. Generator according to one of claims 1 to 8, characterized in that the cooling unit (20) is inserted into the cooling water circuit (17a, b) so that failure of the cooling unit (20) does not hinder the cooling water circuit (17a, b).
10. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kälteaggregat (20) redundant aufgebaut ist.10. Generator according to one of claims 1 to 9, characterized in that the refrigeration unit (20) is constructed redundantly.
11. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kühlwasser des Kühlwasserkreises (17a, b) ein Frostschutzmittel, insbesondere Glykol, beigemischt ist.11. Generator according to one of claims 1 to 10, characterized in that the cooling water of the cooling water circuit (17a, b), an antifreeze, in particular glycol, is added.
12. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (11) mit Wasserstoff gekühlt ist.12. Generator according to one of claims 1 to 11, characterized in that the generator (11) is cooled with hydrogen.
13. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (11) eine Mehrzahl von Generatorkühlern (13,.., 16) aufweist, welche innerhalb des Kühlwasserkreises (17a, b) von Teilströmen durch- flössen werden, und dass das Kälteaggregat (20) nur auf ausgewählte Teilströme des Kühlwasserkreises (17a, b) einwirkt.13. Generator according to one of claims 1 to 12, characterized in that the generator (11) has a plurality of generator coolers (13, .., 16) which within the cooling water circuit (17a, b) of partial flows. are floated, and that the cooling unit (20) only acts on selected partial flows of the cooling water circuit (17a, b).
14. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeich- net, dass der Kühlwasserkreis (17a, b) ein geschlossener Kühlkreislauf ist.14. Generator according to one of claims 1 to 13, characterized in that the cooling water circuit (17a, b) is a closed cooling circuit.
15. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlwasserkreis (17a, b) ein offener Kühlkreislauf ist.15. Generator according to one of claims 1 to 13, characterized in that the cooling water circuit (17a, b) is an open cooling circuit.
16. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Kälteaggregat (20) derart geregelt ist, dass die Regelung dem Be- triebszustand des Generators (11) angepasst ist. 16. Generator according to one of claims 1 to 15, characterized in that the refrigeration unit (20) is regulated in such a way that the regulation is adapted to the operating state of the generator (11).
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