JP6437661B2 - 発電機を冷却する方法 - Google Patents

Description

本発明は、発電機を流れる冷却媒体を用いて発電機を冷却する方法に関する。

特にタービン発電機の形の、大きい発電所の発電機は、一般的に９９％の効率を有する。これは、機械的な出力のたった１％が電流に変換されずに、予め設定された最大温度を越えないように、特別な冷却手段を用いて発電機から取り除く必要がある熱に変換されるということを意味する。

分散型の再生可能エネルギーの生成がますます普及するにつれ、負荷モードでは、無効電力を有効電力に変換し、アイドルモードでは、接続された電力網の送電周波数で受動的に回転する、いわゆるフェーズシフト発電機が必要になる。

タービン発電機のシャフトに配置され、冷却空気の流れを供給する軸流ファンが、通常タービン発電機の内部を冷却または通気するために使用される。このようなタービン発電機の損失は、特に抵抗損失および渦電流損失である電気損失、タービン発電機のローター部品の回転による、特にタービン発電機のローター部品およびステータ部品の間の間隙による空気摩擦損失、および生成されるべき冷却空気の体積流の結果としての空気循環損失に分割することができる。

タービン発電機がアイドルモードの場合、電気損失は、タービン発電機のステータにおける抵抗損失によって減少するが、内部の通気を伴うタービン発電機の場合には、空気摩擦損失および空気循環損失が残り、電力消費がないために、強さが著しく低下する。アイドルモードにおいて冷却に必要な空気の体積流は、大幅に減少する。

空気摩擦損失は、以下の式（Bohl, Elmendorf: Technische Stromungslehre（技術流体力学）参照）を用いて推定することができる。
ここで、電力損失Ｑは、半径Ｒの５乗および角速度ωの３乗で増加し、かつ通常は空気である冷却媒体の空気密度ρに比例する。Ｃ_Ｍは、摩擦係数である。空気循環損失は、同様に冷却媒体の密度で増加する。

回転電気機械の場合、内部の通気の代わりに、回転電気機械の速度または負荷から独立して達成することができる外部通気が冷却のために使用されるが、追加的な構成要素が必要である。

空気冷却発電機は、約４００ＭＷまでの出力を達成することができ、この場合空気摩擦が支配的である。より大きな発電機の場合、通常は、冷却媒体として水素を用いて冷却され、発電機のハウジング漏えい防止性および安全性に対するより高い要求が課される。

本発明の目的は、発電機、特にフェーズシフト発電機の効率を高めることである。

本発明による発電機を流れる冷却空気を用いた発電機の冷却方法によると、発電機が接続されている電力網の電力網周波数で発電機が受動的に回転する、発電機のアイドルモードにおける冷却空気の密度が、発電機の負荷モードにおける冷却空気の密度に対して少なくとも一時的に低減される。

本発明によると、発電機がアイドルモード、すなわちより少ない熱除去が要求される場合に、少なくとも一時的に冷却空気の密度が低下することにより、空気摩擦損失を減少することができる。結果として、例えば外部ファンなどの追加的な構成要素を必要とすることなく、アイドルモードにおいて電力需要の低下を達成することができ、冷却が保証される。これは、特により長い時間のアイドルフェーズの場合、発電機の全体的な効率の大幅な向上に関連する。

発電機の負荷モードにおける冷却空気の密度と比較して、アイドルモード全体の間に対応して冷却空気の密度を減少させることもできる。

アイドルモードにおいて、冷却空気の湿度を上げることによって冷却空気の密度が減少する。冷却空気が使用される場合、水は、低分子量であるため、冷却空気が水によって湿らされると冷却空気の密度を低下させることができる。発電機の負荷モードにおいては、絶縁耐力を維持する必要があるために、冷却空気の湿度のこのような増加は不可能である。

冷却空気を窒素で少なくとも部分的に置換することによって、アイドルモードにおける冷却空気の密度は低下する。純窒素は、空気よりも密度が小さい。窒素によって置換される空気が多いほど、冷却空気の密度が低下する。この実施形態において、発電機は、冷却空気が循環する閉回路で冷却されなければならない。この目的のために発電機のハウジングは、密封されなければならない。窒素を導入するための計量装置が存在してもよく、その後の窒素の計量を行うことも可能である。少なくとも部分的に窒素で濃縮された冷却空気は、負荷モードでの空気摩擦損失を低減させるために、発電機のその後の負荷モードの間も冷却のために使用することができる。

アイドルモードでの冷却空気の密度は、爆発下限界以下の水素で冷却空気を少なくとも部分的に置換することによって低減される。結果として、アイドルモードでも、発電機のその後の負荷モードでも低い空気摩擦での発電機の冷却を行うことができる。さらに、爆発下限界に達しないため、高価な封止および安全対策の必要はない。

アイドルモードにおける冷却空気の密度は、冷却空気を再冷却するために使用される再冷却温度を上昇させることによって、好ましく低減される。発電機のアイドルモードにおいて、発電機の負荷モードにおいて要求される再冷却温度と比較して高い再冷却温度が代わりに使用され、これが冷却空気の温度の減少につながり、それにより冷却空気の密度を下げる。再冷却温度の上昇は、例えば再冷却回路の冷却流体のより速い流速によって、または流体の効率を上げる他の手段によって行うことができる。

アイドルモードにおける冷却空気の密度は、発電機のハウジング内部の減圧を生成することによって好ましく低減される。結果として、アイドルモードにおける空気摩擦損失だけではなく、その後の発電機の負荷モードにおける空気摩擦損失を低減することができる。しかし、結果として冷却空気の熱除去能力が低下する。

上述の実施形態の方法は、冷却空気の密度を低減するために、個別に、または所望の組み合わせ、または部分的な組み合わせで使用することができる。

Claims (3)

1. 発電機を流れる冷却空気を用いて発電機を冷却する方法であって、前記発電機が接続された電力網の電力網周波数で前記発電機が受動的に回転する前記発電機のアイドルモードにおける前記冷却空気の密度は、前記発電機の負荷モードにおける前記冷却空気の密度と比較して低減され、
   前記冷却空気の湿度を増加させることによってアイドルモードにおける前記冷却空気の前記密度が低減され、
   前記冷却空気が窒素によって少なくとも部分的に置換されることによってアイドルモードにおける前記冷却空気の前記密度が低減され、
   前記冷却空気が爆発下限界以下の水素によって少なくとも部分的に置換されることによってアイドルモードにおける前記冷却空気の前記密度が低減される、方法。
2. 前記冷却空気を再冷却するために使用される再冷却温度を上昇させることによって、アイドルモードにおける前記冷却空気の前記密度が低減される、請求項１に記載の方法。
3. 前記発電機のハウジング内部に減圧を生成することによって、アイドルモードにおける前記冷却空気の前記密度が低減される、請求項１または２に記載の方法。