SE525590C2 - Elkvalitetssystem - Google Patents

Description

lO 15 20 25 30 r-nr- f-hm, _ non so! 0 n ou nano o ua ø 0000 o c , . . I I I O I I Û I UC I I I II .I ~-~ V-f~” Lnzs: ::: n. : u. ."n:°: i I I l I l I I Û O I O l Û I Ü Ü l I I Ib UIQ OIII III 'OO I l 031212 ER UCURF-.EIIT .ÉB\P\4110 Turbec\P\037\SE\P411.00037_031126__svensk översättning av patenctexmdoc ventiler, kan valbara operationsmoder för de två motorsy- stemen uppnås.

I vissa stationära kombinerade värme- och kraftgene- reringsanläggningar används en mikroturbin. Sådana mikro- turbiner passar för kontinuerlig drift, men har begräns- ningar afseende transientrespons, d v s de är långsamma i reaktionen och/eller styrningen vid matchning av behovet av genereras kraft. En mikroturbinenhet har typiskt en turbin- axel med en kompressor, en turbin, en brännkammare och en höghastighetsgenerator. I många applikationer innefattar mikroturbinenheten även en värmeväxlare i form av en reku- perator. Ietta är en effektiv lösning vid exempelvis kombi- nerade kraft- och värmeanläggningar med ett kontinuerligt krav på kraft. Emellertid har en mikroturbinenhet begräns- ningar nä: den arbetar i en elkvalitetsapplikation som lik- nar ett system for reserv-kraftförsörjning (UPS-system).

Här kan mikroturbinenheten inte tolerera/stå emot snabba variationer/fluktuationer i spänning och/eller ström bero- ende på íïrändringar i ett nät/nätverk som försörjs med kraft från mikroturbinenheten. Detta innebär att mikrotur- binenhete: måste kompensera för dessa variationer i kraft, spänning :ch/eller ström mycket snabbt, d v s från sekunder ner till millisekunder. En vanlig mikroturbinenhet har inte Sålunda kanske kraftkvalite- ten från en mikroturbin enligt känd teknik inte uppfyller denna komçenseringsmöjlighet. de höga kraven för säker och pålitlig drift av strömdriven utrustning med krav på hög strömkvalitet, exempelvis dato- rer och elektriskt drivna anordningar på sjukhus. Vidare kan de tidigare gasturbinsystemen också generera eller på- verkas av strömtoppar/dalar vid drift. Dessa strömtopp- elektriskt utrust- ning elle: anordningar. De är särskilt skadliga för utrust- ar/dalar kan störa eller t o m förstöra ning, exempelvis datorer och utrustning som övervakar pati- enter, på sjukhus. 10 15 20 30 r-nfj Ffïn > . 2". :'52 2 "- '“3 .I -". .i 2"' å. - «_,-_ vJ/u :oo to annu o o oøuoun 031212 m: ucumzsmvasuweiio TumenP\os1\ss\z=4i1ooo:v_o111zs_svensk aifšrsichfng-å paåzencfiáccjocf ' 5 2: I I O O I OO ICC lill CCI CIO I 3 Ett problem med gashusturbinsystem med mer än en axel, exempelvis en axel för ett turbinhjul som driver ett kompressorhjul och en annan axel för ett annat turbinhjul som driver en generator eller en bils hjul, är att en väx- ellåda och en koppling måste byggas in tillsammans med gas- turbinsystemet. Detta ökar vikten, kostnaden och utrymmes- kravet för gasturbinsystemen, och dessutom deras ljudnivå.

Ett annat problem avser underhåll och utbyte av dessa väx- ellådor och kopplingar, eftersom deras konstruktion gör dessa operationer svårare med påföljande höga kostnader be- roende på ett komplicerat underhåll och en komplicerad ut- bytesprocedur vid underhåll av dem i ett existerande sy- stem. Vidare kan ytterligare utrustning, exempelvis olje- pumpar för att leverera olja till växellådorna, vara nöd- vändig, vilket ytterligare ökar kostnaderna och utrymmes- kravet för gasturbinsystemet. Vidare har dessa tidigare gasturbinsystem även en långsam respons vid transienta för- hållanden.

Ett teknik är annat problem med gasturbinsystemen enligt känd hög bränslekonsumtion vid dellast, såvida inte någon typ av variabel geometri används för passande delar, exempelvis kompressorerna och/eller turbinerna och/eller vid passande positioner i luft/gaskanalerna. En sådan kom- plicerad geometri ökar också tillverknings- och underhålls- kostnaderna för gasturbinsystemet.

Sammanfattning av uppfinningen Föreliggande uppfinnings huvudändamål är att under- lätta uppförandet/responsen för ett gasturbinsystem vid transienta förhållanden och eliminera alla effekt-, ström- och/eller spänningstoppar/dalar i den genererade elektriska effekten, förbättra kvaliteten hos den genererade effekten och bibehålla en hög elektrisk kvalitet från gasturbinsy- stemet vid drift. lO 15 20 25 30 35 ._ Ö r- ann :oo o o oo Coco o ln 0 :nio a u--u c --1 ::::: :.: ° ~ a * "-- 0 *f IOI I O O 031212 sn ucumzzmuusunalic "mrbecuwosnssuuiiooosv 031126 svensk aäëksßccgiâg mgpagqxnçeocnqoc, ~ g g; g _ " o n n q n a; o anno uno :nu u n 4 Detta ändamål uppfylls med ett elkvalitetssystem med två separata turbinenheter, en första turbinenhet med en första turbinaxel och en andra turbinenhet med en andra turbinaxel. Den första turbinenheten innefattar ett första kompressorsteg, ett första turbinsteg, en första generator och minst en brännkammare. Den andra turbinenheten innefat- tar ett andra turbinsteg och en andra generator. Elkvali- tetssystemet innefattar även ett svänghjul som är roterbart kopplat till den andra turbinaxeln. De två separata turbin- enheterna är sammankopplade medelst minst en energilänk.

Genom att tillhandahålla ett elkvalitetssystem med två separata turbinsystem i enlighet med uppfinningen upp- nås följande fördelar: dellastprestanda för gasturbinsyste- met förbättras och reducerar därmed bränsleförbrukningen; prestandan vid transienta förhållanden för gasturbinsyste- met förbättras; tillverkning, konstruktion, uppstart och normal drift och underhåll av gasturbinsystemet förenklas; vikten och de totala kostnaderna för gasturbinsystemet re- duceras; påfrestningarna på de olika komponenterna i turbi- nen beroende på ström- och/eller spänningstoppar/dalar/ förändringar reduceras; därigenom förbättras kvaliteten på den genererade elkraften från gasturbinsystemet och passar därför bättre för applikationer med krav på hög elkvalitet.

Vidare reduceras temperaturskillnader i gasturbinsystemet vid transienter, d v s den användbara livs- livslängden, längden hos gasturbinsystemet, förlängs, och en tillräcklig effektivitet för gasturbinsystemet bibehålles.

Kort beskrivning av ritningarna Föreliggande uppfinning kommer nu att beskrivas mer detaljerat, med hänvisning till de bifogade ritningarna, varvid: Fig. l är en schematisk vy av en föredragen utfö- ringsform av ett elkvalitetssystem innefattande två turbin- enheter på separata axlar enligt uppfinningen och 10 l5 20 25 30 35 F' r\ 300. :II': = II. ICO: .z .Ol. I 000! I “ - ~' ” :.:.w ::: u. : :.'E nï" 0312:: En \_\CURRENT\DB\P\411O mrbec\P\o37\SE\PA11ooo37_031126_svensk ó-:ersæ-.cxgirxgeväqeaggmexcbqggg" 0:. .n-g 5 l Fig. 2 är en schematisk graf som visar det transienta uppförandet hos ett nät med minst en last kopplad till el- kvalitetssystem i Fig. l när den minst en lasten i nätet förändras.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Fig. l är en schematisk vy av en föredragen utfö- ringsform av ett system 10 för att generera el medelst ett gasturbinsystem innefattande en första turbinenhet 20 och en andra turbinenhet 40.

Den första turbinenheten 20 har en första axel 30 och den andra turbinenheten har en andra axel 50. sammankopplade, De två turbinenheterna 20 och 40 är inte mekaniskt d v s de två axlarna 30 och 50 är två sepa- rata axlar. De två enheterna 20 och 40 styrs/drivs av sy- stemet l0 så att de genererar kvalitetsel i enlighet med föreliggande uppfinning. Systemet 10 genererar kvalitetsel, d v s el som fluktuerar så lite som möjligt avseende spän- ning och/eller ström. El som fluktuerar avseende spänning och/eller ström är en nackdel, särskilt vid applikationer med elektrisk utrustning som kräver högkvalitativ el, exem- pelvis datorer i spännings- och eller strömkänsliga system, såsom vid sjukhus.

Den första turbinenheten 20 visas som det övre syste- met i Fig. l, men skulle givetvis kunna vara det nedre sy- stemet, vilket lätt inses av en fackman inom området. Den första turbinenheten 20 innefattar den första axeln 30, minst en kompressor 60, minst ett första turbinsteg 70, minst en första generator/motor 80 och minst en brännkamma- Den första turbin nhete* 20 innefattar också minst »- e en elektrisk omvandlare 100, vilken i sig är känd. Den för- sta elektriska omvandlaren 100 kan omvandla likström till växelström och vice versa. Strömutgàngen från den första generatorn/motorn 80 är kopplad till den första elektriska omvandlaren 100, vilken är en tváriktad, fyrkvadrants-, elektrisk omvandlare. Efter fritt val kan den första tur- 10 15 25 30 f' O. "' I' G 'v- -... _' a; ß 03 4 I ER \\CURRENT\DB\_P\_4ll0 TurbeC\P\037\SE\P41l00037_03ll26_Svensk ölvetsått 4 ä binenheten 20 innefatta minst en värmeväxlare i form av en rekuperator (inte visad). Den första generatorn/motorn 80 ka: användas både som en generator för att leverera el till en Last (inte visad) vid normal drift vid fullbelastning ocä delbelastning för elkvalitetssystemet 10, och som en motor vid uppstart och acceleration av elkvalitetssystemet 12.

Den andra turbinenheten 40 visas som det nedre syste- me: i Fig. 1 och innefattar den andra axeln 50, minst ett andra turbinsteg 110, minst en andra generator/motor 120 och minst ett svänghjul 130. Den andra turbinenheten 40 in- nefattar också minst en elektrisk omvandlare, d v s en andra, i och för sig känd, elektrisk omvandlare 140, vilken ka: omvandla växelström till likström och vice versa.

Strömmen från den andra generatorn/motorn 120 i den andra turbinenheten 40 är kopplad till den andra elektriska oxfandlaren 160, vilken är en tvàriktad, fyrkvadrants-, elektrisk omvandlare. Den andra generatorn 120 kan också < n» ra konstruerad och användas som en generator/motor på U) il' :ra sätt som den första generatorn/motorn 80, vilket in- ses av en fackman inom området. Olika utföringsformer av fjrkvadrants-, elektriska omvandlare beskrivs utförligt i US-3-6 031 294, US-A-5 428 522 och WO 92/15148.

Brännkammaren 90 hos den första turbinenheten 20 är pLa:crad mellan den första kompressorn 60 och det första turbinsteget 70. Den första kompressorn försörjer brännkam- maren 90 med komprimerad luft. Elkvalitetssystemet 10 inne- fattar även ett bränslesystem (inte visat) för vilket en- das: forsorjningen till brännkammarens 90 inlopp visas.

Funktionen hos brännkammaren som försörja med luft och bransle förklaras inte vidare, eftersom funktionen för en sådan del i ett gasturbinsystem är allmänt kand för fackmän inom området.

Brannkammaren 90, som visas i Fig. 1, är i denna fö- redragna utföringsform gemensam för de båda separata tur- 10 15 20 25 30 35 r- (\ r* _1- A Ö i t» .- z u s"=="°== a."=":= -s -a s::'=-.-: \~/ ..._ v I O I 031212 sa \\cunRr~:Nr\1>1a\P\411o -rurbec\P\o3v\ss\1>411ooo3v 011126 svansk áfêrslctnfngåvipåancßàcc.âocß ' 2 22 2 _ _ Û I I C .I CIO 'III ÜÜÜ IIÛ I I 7 binenheterna 20 och 40, och levererar bränngasen till det första turbinsteget 70 och, i vissa fall, till det andra turbinsteget 110. Detta kommer att förklaras mer detaljerat senare i denna beskrivning. Var och en av turbinenheterna 20 och 40 kan självfallet ha ett eller flera turbinsteg, beroende på applikationen. Det skulle också kunna finnas en brännkammare 90 för varje turbin, varvid mer än en bränn- kammare skulle behöva styras under drift av elkvalitetssy- stemet 10. (inte visad) Dessutom skulle ytterligare en brännkammare vara placerad efter den första brännkammaren 90. Denna ytterligare brännkammare skulle då användas vid ytterligare förbränning eller uppvärmning för att öka vär- met i bränngasen från brännkammaren 90.

De tvâ separata turbinenheterna 20 och 40 är samman- kopplade medelst minst en ledning 150, vilken leder från brännkammarens 90 utlopp hos den första turbinenheten 20 till det andra turbinstegets ll0 inlopp hos den andra tur- binenheten 40, varvid minst en ledning 160 leder från ut- loppet till det andra turbinsteget 110 till den andra tur- binenheten 40 tillbaka till en avgasledning (inte visad) efter utloppet hos det första turbinsteget 70 hos den för- sta turbinenheten 20. Den minst en ledningen 160 är försedd med minst en styrventil 170. Denna kan placeras i gaspassa- 960, antingen före eller efter turbinen 2 flsåsom visas i Fig. 1). streckad linje, Vidare leder en valfri ledning 180, visad med en från utloppet hos det första kompressorste- get 60 till inloppet hos det andra turbinsteget 110. Denna valfria ledning 180 är en luftledning som kan användas om det andra turbinsteget 110 skall drivas av komprimerad luft istället för bränngas från brännkammaren 90. Denna drivning med luft innebär att det andra turbinsteget skulle behöva vara konstruerat med en annan form/geometri, men är möjlig inom uppfinningens räckvidd. Alternativt skulle det kunna finnas två ytterligare turbinsteg 110 med tillhörande or- gan, d v s en axel 50 och en generator 120 för vart och ett 10 15 20 25 30 UJ (11 ,_. ._ F' fw' ' r i < Ö ooo ooo o a oo coon c ro n man: o u o o 9 o a o o o nu o o oo o nu I -..,..-\.J \f/v I on I; on o o a o oooauo con u a o n n o o q o o o o o o Ü Ö I I I I I U I I I I I Û Û Û C Û Q ICC ÛCIO III .II I 031212 ER \\CURRBl~l'I'\IJB\P\4110 Turbec\P\037\SE\P41100037_031126_svensk översättning av pacenctexLdoc I av dessa två andra turbinsteg. Ett av dessa två turbinsteg skulle då drivas av luft och det andra av bränngas. 140 är kopplad till en gemensam första styrenhet 190. Utsignalen från den första styrenheten är kopplad till en tredje elektrisk omvandlare 200, vilken liknar de två andra elekt- Strömmen från de elektriska omvandlarna 100, riska omvandlarna 100 och 140. Strömmen från den tredje elektriska omvandlaren 200 är kopplad till minst en last (inte visad). Denna minst en last kan vara en grupp av las- ter som bildar ett nät av elanvändare. Lasten/lasterna kopplade till utgången från elkvalitetssystemet 10 kommer nedan att kallas nätet. Var och en av lasterna kan vara vilken typ av last som helst, exempelvis datorer och/eller övervaknings/undersökningsutrustning på sjukhus. Styrenhe- ten 190 är anpassad för att styra överföringen av energi, exempelvis i form av elektrisk energi/effekt, kinetisk energi och/eller termodynamisk energi mellan de två turbin- enheterna 20 och 40 och alla de elektriska omvandlarna 100, 140, 200. litetssystemet kan leverera eller ta emot energi, i detta Denna styrning utförs huvudsakligen så att elkva- fall elektrisk energi/effekt till och från nätet.

Mängden bränsle som levereras till elkvalitetssyste- met 10 styrs i relation till effekt/energiöverföringen i systemet, uteffekten och/eller rotationshastigheten hos turbinstegen 70/110. Huvudoperationsmoden är sådan att tur- binenheten l tillhandahåller kontinuerlig effekt, medan turbinenheten 2 lagrar den levererade energin i svänghju- let, vilket kan tillhandahålla transient effekt. let kan likaledes absorbera energi från nätet när det be- Svänghju- hövs. En central parameter för ventilen 170 är att hålla den lagrade energin i svänghjulet vid förbestämda nivåer.

Dessutom kan andra parametrar användas i kombination med de ovan nämnda parametrarna för att styra bränslemängden. In- loppstemperaturen hos det första turbinsteget 70, d v s ef- ter brännkammaren 90 och/eller inloppstemperaturen hos det 10 15 20 25 30 35 r! p '_ r- n OQO OII O I IQ III' O IQ O OO I sh_J -_ cß ::::: :.: ' °:°: ':".r: 031212 BR ncunxzamxnrnvwllo rurnec\v\o:sv\sz\p4nooo:v_on1:s_svensk ólfeësinëßfflg°ÃwfipgêeqçeeÉccjpqgz, ° Å, "få 9. 'x andra turbinsteget 110, om en annan brännkammare (inte vi- sad) används för det andra turbinsteget 110, kan användas som en ytterligare parameter. Vidare kan utloppstemperatu- ren efter det första turbinsteget 70 och/eller det andra turbinsteget 110 även användas i kombination med en eller flera av de ovan nämnda parametrarna. Turbinstegens ut- loppstemperatur kan även användas istället för inloppstem- peraturen. En eller flera av de ovan nämnda parametrarna kan även användas tillsammans med belastningsförhållanden, d v s nätprestanda, kravet på elkvalitet och/eller effekten för att styra bränslet, vilket inses av en fackman inom om- rådet. Detta kommer inte att förklaras ytterligare, efter- som en fackman anser detta vara känd teknik.

Operationsprinciperna för att styra effekten/energin 110 genom att styra/mäta inloppstemperaturen och/eller utlopps- hos de två axlar 30, 50 som drivs av turbinstegen 70, temperaturen hos brännkammaren 90 är väl kända inom området och utförligt beskrivna i exempelvis US-A-5 332 959. Denna princip kan, såsom tidigare nämnts, även användas för ope- ration av turbinenheterna 20 och 40 när varje turbinsteg har minst en brännkammare 90. Ändamålet med elkvalitetssystemet 10 enligt Fig. 1 är att förbättra elkvalitetssystemets flexibilitet genom att svara snabbare på uppträdande transienta förhållanden, vil- ka negativt pàverkar turbinenheterna 20 och 40. Transienta förhållanden uppträder när de två turbinenheterna 20 och 40 arbetar, och nätet, d v s belastningen eller belastningarna (inte visade) snabbt förändrar sina krav på effekt som le- vereras från el 10. Nätet är kopplat me- delst en ledning 210 200, vilken i sin tur är kopplad till den första styrenhe- e till den tredje elektriska omvandlaren ten 190. Denna snabba förändring av effekten sker exempel- vis när den elektriskt drivna utrustning som är kopplad till eller utgör nätet slås av eller på snabbt. Samma ef- fekt på effektkravet uppstår när existerande belastningar lO 20 25 30 'yl- ñ r n Û.. Ü. Ü U ÛO ÜÜÜ' Ü Ü. Û Ü.'I. I v .__ v' w - -' 3 22 a: å a É o' 'å ° 2 'f ff: 031212 sn \\c1m1u:rrr\ns\1=\411o Turbe<:\p\oav\s:\z=411ooo31 031126 svensk ö§2§s5cÉni°rg_¿v3pa{mc{e&n.åoc f 2 .å I *' _ Ü Û Û Û. IC. ÜÜÜ. IÖI Öl' O I 10 snabbt snabbt snabbt kopplas bort från nätet och/eller nya belastningar kopplas till nätet. Den elektriska utrustning som kopplas på eller av kan exempelvis vara flera anord- ningar som inte kräver mycket ström för att arbeta, eller ett fåtal anordningar som kräver mycket ström för att arbe- ta, eller en kombination av sådana anordningar. Om det är ett fåtal anordningar kopplade till nätet som kräver mycket ström för att fungera, skulle en anordning som slås på el- ler av, eller kopplas till/från nätet mycket snabbt påverka elkvalitetssystemet 10 mer än en anordning som kräver lite ström för att arbeta i en liknande situation. Detta förstås enkelt av en fackman inom området.

Svänghjulet 130 hos den andra turbinenheten 40 drivs/roteras av det andra turbinsteget 110 i Fig. l.

Svänghjulet kan antingen drivas/roteras kontinuerligt av det andra turbinsteget eller intermittent när så krävs. I det senare fallet ”laddas” eller ”trycks” svänghjulet genom att snabbt driva/rotera/accelerera det andra turbinsteget llO när rotationshastigheten hos det andra turbinsteget llO och/eller svänghjulet är lägre än ett förbestämt värde.

Denna ”tryckning”/”laddning”, d v s drivning, stoppas när rotationshastigheten hos det andra turbinsteget överskrider det förbestämda värdet. Då börjar det andra turbinsteget återigen decelerera, tills dess rotationshastighet är lägre än det förbestämda värdet, varvid ”tryckandet” börjar igen.

Effekten som turbin 2 matar in i svänghjulet styrs av ven- tilen 170. Det andra turbinsteget 110 kan drivas/roteras av komprimerad luft som tillhandahålles/blöder från det första kompressorsteg ~| -ursn et 60 och levereras genom luftiedningen iøu om turbinsteget är konstruerat med en annan form eller geo- metri, såsom tidigare nämnts. Detta luftdrivna turbinsteg är valfritt, men kan självfallet användas tillsammans med den föredragna utföringsformen av ett turbinsteg som drivs av bränngas.

Som alternativ, eller i kombination med den blödda luften, levereras bränngas från utloppet hos den 10 15 20 25 30 35 r Û ri FÅ :n. :oo.: z nu. uno» .c nu o canon ~..'.-s.J \//~J IQ: os: ... 'ggo :af . Û Û Q O 031212 ER \\cuansm\DB\P\4no mrbemmozflsxnvuioonzv oauzs svensk ål-'zskïmq-åvïpåønrïåxt.iom ' l 1% _ * . Ü Ü Ö' Ü.. 'ÛÛÛ ÛÛÛ ÜÜÜ Û första brännkammaren 90 genom gasledningen 150. Den första styrventilen 170 är en elektriskt styrd ventil och regleras vid blödning av luft och/eller bränngas, varvid styrningen av elkvalitetssystemet 10 blir mer flexibel. I vissa fall, särskilt vid användning av både ett turbinsteg 110 som drivs av bränngas och ett turbinsteg 110 som drives av luft, kan två styrventiler 170 behövas; en styrventil 170 i en separat första bränngasledning 1=O och den andra styr- ventilen 170 i en separat första luftledning 180. Svänghju- let kan också drivas av generatorn/motorn. Detta är exem- pelvis fallet när belastningen på nätet snabbt minskar. I sådana fall måste elkvalitetssystemet absorbera överskotts- effekt som annars skulle störa den kritiska belastningen på nätet. Det andra turbinsteget 110 kan också, som ett tredje alternativ, drivas/roteras genom användning av den andra generatorn/motorn 120 som en motor.

Svänghjulet 130 kan vara fas: kopplat till det andra turbinsteget 110 eller vara koppla: medelst en mekanisk koppling, exempelvis i form av en friktionskoppling, d v s en hydraulisk friktionskoppling, en flexibel koppling, en koppling, en elektromagnetisk koppling eller en mekanisk toroidkoppling. Detta innebär att svänghjulet eventuellt kan kopplas till eller kopplas från det andra turbinsteget 110 beroende på arbetsförhållandet för elkvalitetssystemet 10, d v s effekten som nätet kräver. I den föredragna utfö- ringsformen för denna uppfinning är svänghjulet fast kopp- lat till det andra turbinsteget 116, d v s den andra tur- binaxeln 50.

$D° Svänghjulet 130 m ste hållas roterande, d v s ”laddat", mellan en lägsta rotationshastighet och en högsta rotationshastighet. Dessa rotationshastigheter mäts och styrs sedan beroende på arbetsförhållanden för elkvalitets- systemet 10, beroende på arbetsförhållandena för elkvali- tetssystemet 10 och/eller den av nätet krävda effekten, vilket enkelt förstås av en fackman inom området. Mätning- 10 15 20 25 30 ._- .- f n j '_ n g-'Û :..O : : ..I ".' O: Q'.Û U: .... :Q f: gl ...- ï \.' 1 'w 031212 ER \\cURnsm\Dx-z\1>\411o rurbecuuoa1\ss\1=4nooosgoznzsjvensk Åltêgsicåfqgjxëpaêgnz-.gmc.âogf v ä °g§ ' i Ö Û Ü Ö Û ÜÜ ÛÛÛ .ÛÛÛ ÛÛÛ CCI Ü Û 12 arna av rotationshastigheterna kan utföras medelst vilka passande organ på marknaden som helst. Kvaliteten på effek- ten till nätet kan styras i relation till eller av rota- tionshastigheten hos det första turbinsteget 70, det andra turbinsteget 110, krävd uteffekt, tilen 170 och spänningen och strömmen i tillhörande elekt- svänghjulet 130, styrven- riska ledningar hos elkvalitetssystemet 10. Elkvaliteten mäts av passande organ tillgängliga på marknaden, så att kvaliteten på uteffekten uppfyller tillämpliga standarder, exempelvis både internationella och nationella UPS- standarder, det. vilket är känd teknik för en fackman inom områ- I Fig. turbinenheten 20 kopplad till den första elektriska omvand- 1 är den första generatorn 80 hos den första laren 100 medelst en första ledning 81. Den första elekt- riska omvandlaren 100 är kopplad till den första styrenhe- ten 190 medelst en andra ledning 101. Den andra genera- torn/motorn 120 är kopplad till den andra elektriska om- vandlaren 140 medelst en tredje ledning 121. Den andra elektriska omvandlaren 140 är kopplad till den första styr- enheten 190 medelst en fjärde ledning 141. Den första styr- enheten 190 är kopplad till den tredje elektriska omvandla- ren 200 medelst en femte ledning 191. Den första styrenhe- ten 190 är också operativt kopplad till den första styrven- tilen 170 medelst en sjätte ledning 192. Den tredje elekt- riska omvandlaren 200 är kopplad till nätet (inte visat) medelst en sjunde ledning 210. I denna utföringsform inne- 101, 121, 141, 192 och ledningar för att föra fattar var och en av ledningarna 81, 210 ett passande antal elektriska över ström och/eller styrsignaler. Dessa elektriska led- ningar, som finns tillgängliga pà marknaden, skulle givet- vis kunna vara en kombination av elektriska ledningar och vilken annan typ av ledningar och tillhörande styrorgan som uppfyller kraven, exempelvis optiska ledningar eller led- f- f* f- f- ^ Û. ... ..- \,f .._. x' a J' . : Ü' - . g .o: . 031212 En \\curuu=:u'r\ns\v\411o Tuzbec\1>\o31\sß\1>4nooostosnzgsvensk eversauzåxfin, ' pg: c 0 ..o .... n: o..a o: :... .g ' . o 00 - 0 ' g o 0 u ooo 000 I I 10 15 20 25 30 13 ningar innehållande fluid för att generera signaler till styrenheten 190.

Svänghjulet 130 kan leverera och/eller absorbera ef- fekt och därigenom kompensera för variatio- ner/förändringar/fluktuationer i effektkrav från nätet.

Svänghjulet laddas effektivt av den första turbinenheten 20 eller med effekt från nätet.

Vidare är den första styrenheten 190 kopplad till sensorer (inte visade) för att mäta temperaturerna i de första och andra turbinenheterna 20 och 40, särskilt på passande positioner vid brännkammaren 90. Dessa positioner skulle kunna finnas vid utloppet och/eller inloppet hos brännkammaren, såsom tidigare nämnts. Den första styrenhe- ten är även kopplad till sensorer (inte visade) vid sväng- hjulet 130 och vardera turbinaxeln 30 och 50 för att detek- tera och som svar styra deras rotationshastigheter. Senso- rerna som används i denna uppfinning för detektion och styrning av elkvalitetssystemet 10 och tillhörande kompo- nenter finns pà marknaden och är väl kända för fackmän inom området, och kommer sålunda ej att beskrivas detaljerat.

Elkvalitetssystemets 10 funktion kommer nu att för- klaras med hänvisning till Fig. 1. Det andra turbinsteget 110 och svänghjulet 130 utgör, tillsammans eller separat, en roterande/roterbar massa. Denna roterande/roterbara mas- sa används som en energilagring, d v s de hålls roterande så att deras kinetiska energi kan användas av elkvalitets- systemet 10 för att ”jämna ut”/förbättra uteffektens kvali- tet. Det andra turbinsteget 110 och svänghjulet 130 i denna utföringsform av uppfinningen är fast kopplade till var- andra. Istället för en fast koppling, som beskrivits tidi- gare, kan den andra turbinen 110 och svänghjulet 130 kopp- las medelst en koppling (inte visad) som skulle kunna kopp- la samman och koppla isär svänghjulet till och från det andra turbinsteget i en andra utföringsform. Detta skulle i vissa fall innebära att endast det andra turbinsteget skul- 10 15 20 25 30 F'(*\f' n' . '_ ..- v: v f -ø c oo II I ' . 031212 En \\cuxznx-:Nr\ns\p\411o 'rurbecuaoavßsumuoooav oznzs svensk översäçmirfi äfpazèrtzåcnáac _:_ _;“ _ ' n o I I ° ' 14 . le kunna användas som ett litet ”svänghjul”. I andra fall skulle både det andra turbinsteget och svänghjulet arbeta Dessa två fall skul- le användas beroende på vilken kvalitet som krävs på utef- fekten från elkvalitetssystemet 10. tillsammans som ett stort ”svänghjul”.

Kvaliteten hos uteffekten från elkvalitetssystemet 10 och uppförandet för de två separata turbinenheterna 20 och 40 påverkas av två mekanismer som uppträder i nätet (inte visat). Dessa två mekanismer uppträder beroende på snabba förändringar i effektbehov från nätet, d v s transienta förhållanden, såsom beskrivits tidigare. Detta kommer att förklaras genom användning av tre fall eller operationsför- hàllanden I, II och III för elkvalitetssystemet 10, mer specifikt, eller, den första turbinenheten 20 och/eller den andra turbinenheten 40.

I: Den första turbinenheten 20 arbetar ”normalt”, d v s levererar en bestämd uteffekt, d v s en speciell ström och spänning, med en viss kvalitet som svar på det sig för tillfället inte ändrande effektbehovet från nätet.

II: Effektbehovet sterande belastningar i nätet kräver mer effekt, från nätet ökar snabbt, d v s exi- eller så kopplas nya belastningar till nätet.

III: existerande belastningar i nätet kräver mindre effekt eller Effektbehovet från nätet sänks snabbt, d v s kopplas bort från nätet.

Vid det första operationsförhållandet, I, antas utef- fekten från elkvalitetssystemet 10, d v s endast den första turbinenheten 20, d v s med att arbeta i princip statiskt, en ”konstant” rotationshastighet i denna utföringsform för tydlighets skull. Vid detta första operationsförhållande, I, drivs/roteras den andra turbinenheten 40 med en konstant rotationshastighet. Detta utförs genom att blöda det första kompressorsteget 60 på luft och/eller tappa bränngas från brännkammarens 90 utlopp. Båda medierna kan användas när två andra turbinsteg används. I detta fall skulle, såsom rnq rum::W”=å":4ïÜn .. . 10 15 20 25 30 r- r- r\ Ö ' > :,,. :,,.: z nu' ons: .: '00' .å E _ . -v \« V v g g u o 0 . 031212 BR \\cunnsm\ns\p-_411o rurbecufios- s: P411oooa1_o3112s_sven=k eversanšmçxš a; :ppqéntcfàn._qßc' j- _;__ ' ' 2 I O U Û l förklarats tidigare, ett turbinsteg ha en geometri som pas- sar för luftdrivning och det andra turbinsteget skulle ha en geometri som passar för bränngasdrivning. Vart och ett av medierna, luft eller bränngas, levereras antingen konti- nuerligt eller intermiïtent till tillhörande andra turbin- steg 110. Genom att göra detta roteras både det andra tur- binsteget och svänghjulet 130 med en huvudsakligen konstant rotationshastighet och fungerar som ett lager för kinetisk energi. Under detta första operationsförhållande, I, an- vänds inte den andra generatorn/motorn 120. Detta innebär att den första styrenheten 190 har kopplat bort den, varvid den tillhörande andra elektriska omvandlaren 140 inte leve- rerar någon effekt till den första styrenheten. Detta är ett vanligt sätt att styra en generator och är väl känt av fackmän inom området.

Vid det andra operationsförhållandet II, vilket är ett transient förhållande, d v s en snabb förändring i ef- fektkrav, kräver nätet snabbt mer effekt, varigenom behovet av ström ökar och spänningen minskar/”droppar” momen- tant/under kort tid. Spänningsminskningarna sker eftersom den första turbinenheten 20 är långsam på att svara, bero- ende på trögheten hos dess roterande massor, d v s det för- sta kompressorsteget 42 och det första turbinsteget 70.

Detta innebär att den första turbinenheten 20 inte kan le- verera effekt tillräckligt snabbt för att kompensera för ”droppet” i spänning och behöver ytterligare effekt från den andra turbinenhete: 40. Denna ytterligare effekt till- handahàlls genom att den första styrenheten 190 kopplar in, m a o ”sätter pà", svänghjulet 130, den andra genera- torn/motorn 120 och den tillhörande andra elektriska om- vandlaren 140, så att effekt som lagrats i svänghjulet le- vereras till den första styrenheten. Den första styrenheten 190 levererar då ytterligare effekt från svänghjulet 130 tillsammans med den existerande effekt som genereras av den första turbinenheten 23 till den tredje elektriska omvand- Ffïf' --;= -a -s an' g .I . øEI 0co:â z , nu anno r- (\ (1 , ¿ .oo 000 I \.__.»./ v. v gg; g; 031212 ER \\CURRENT\DB\P\4llG Tutbec\P\O37\SE\P41100037 031126 SVQDSR Övêrsåbïl flvo ' ' - ïz . 10 15 20 25 30 16 laren 200 och nätet. I sin enklaste form är den andra tur- binenheten 40 kopplad till nätet medelst strömbrytare. Den första styrenheten 190 styr då den första elektriska om- vandlaren 100 och den andra elektriska omvandlaren 140 så att de ”delar” på nätets last. Denna ytterligare effekt kalkyleras med avseende på hur länge den ytterligare effek- ten behövs för att kompensera förlusten/minskningen hos spänningen. Som ett exempel skall svänghjulet 130 kunna le- verera/generera ungefär 5-120 kW under 20 sekunder.

Vid det tredje arbetsförhållandet III, transient förhållande, även det ett kräver nätet snabbt mindre effekt, varvid behovet av ström minskar och spänningen ökar momen- tant/under kort tid. Detta innebär att den första turbinen- heten 20 levererar för mycket effekt, eller, mer specifikt, för hög spänning, momentant eller under kort tid, och behö- ver rikta denna ytterligare eller överflödiga elektriska energi till den andra turbinenheten 40, eftersom spänningen vid elkvalitetssystemets 10 utgàngsterminaler annars snabbt skulle öka. Detta innebär att den överflödiga effekten i form av elektrisk energi i ett första fall levereras till den andra generatorn/motorn 120 medelst den första elekt- riska omvandlaren 100, den första styrenheten 190 och den andra elektriska omvandlaren 140, såsom kommer att beskri- vas nedan. Den överflödiga elektriska energin eller effek- ten kan i ett andra fall transformeras till kinetisk och/eller termodynamisk energi. Detta uppnås genom att tap- pa komprimerad luft eller het bränngas från det första kom- pressorsteget 60 respektive det första turbinsteget 70, och leda den till det andra turbinsteget 110. Då accelereras det andra turbinsteget 110 och svänghjulet 130. I det för- sta fallet drivs den andra generatorn/motorn 120 som en mo- tor som roterar den andra turbinen 110 och svänghjulet 130, så att denna ytterligare elektriska energi an- vänds/”lagras”/transformeras till kinetisk energi. 10 15 20 25 30 ,^, r* r' r '_ - fx on ua c o u; øuoo O: ,"u I: z... :o o: ~-Q ~- = ::::: :.: Q ; 3 :~°:°: . . , g n n u I , g Q I c u o Q c o o I Ü ' 000 I I I II i I IQOI OO' 031212 ER \\CURRBNT\DB\P\411O Turbec\1=\037\s2\l>411ooo37_o3112s_svensk övezsafcninê a'v påcenccexxadoc 17 Den andra generatorn/motorn 120 vid detta tredje ope- III, las sedan bort efter att ha transformerat denna ytterligare rationsförhållande, är inkopplad en viss tid och kopp- effekt till kinetisk energi och i princip arbetat som en broms för den första turbinenheten 20. Såsom nämnts ovan kan tillkopplingen och frånkopplingen av den andra genera- torn/motorn 120 uppnås genom användning av en första styr- enhet 190 och de elektriska omvandlarna 100, 140, mekanisk/elektromekanisk koppling eller anordning som styrs eller en av den första styrenheten. Den mekaniska kopplingen kan ex- empelvis implementeras enligt vad som beskrivs i US-A-5 239 830.

Det andra turbinsteget 110 och svänghjulet 130 kan hållas roterande eller roteras huvudsakligen på två helt olika sätt, Ett sätt är att driva den andra generatorn/motorn som en motor, såsom beskrivits ovan. och därvid rotera det andra turbinsteget, let 130. get 110 genom att tappa/”blöda” det första kompressorsteget 60 eller det första turbinsteget 70 på luft respektive gas och leda luften/gasen till det andra turbinsteget. Detta 160, 180, den första styrventilen 170 och nödvändiga styrorgan vilket i sin tur roterar svänghju- Det andra sättet är att driva det andra turbinste- utförs genom användning av de tre ledningarna 150, (inte visade), exempelvis ventiler och/eller sensorer vid inloppen hos den första gasledningen 150 och den första luftledningen 180, och vid utloppet hos den andra brännkam- maren 90 och det andra turbinsteget 110. Dessa ventiler är elektriskt styrda ventiler, vilka styrs som svar på rota- tionshastigheter för de två turbinstegen 70 och 110 och ef- fektbehovet från nätet.

Elkvalitetssystemet 10, d v s den första turbinenhe- ten 20 och den andra turbinenheten 40, styrs genom mätning av följande nödvändiga parametrar: - Rotationshastigheterna hos turbinstegen 70, svänghjulet 130. 110 och 10 15 20 25 30 35 r-rflr' rnn ~......- »i/*v =--.=--.= = -a -æ szz' _ . _, g g q c n 0 0 . - g g 1 031212 m \\cunasm\ns\ø\uio wurnecuaoansznøauooo31_o3n2s_sven=x uversaximn! æv-pfgsxgaæqáàd å. .gt 'a .__-g ' 18 I - Uteffekten (beräknad genom mätta värden pà spänning och ström) - Temperaturerna hos luften och/eller gasen som leve- reras genom ledningarna 150, 160 och 180.

- Spänningen, strömmen och, om så passar, fasvinkeln i de tillhörande ledningarna 81, 101, 121, 141, 191, 192 och 210.

Mätningarna av ovan nämnda parametrar kan utföras ge- nom användning av ett passande antal mätanordningar som är vanliga på marknaden och väl kända för fackmän inom områ- det. Vidare máste strömmen och spänningen mätas i varje 101, 121, 141, 191, 192 och 210, vandlas till passande signaler och levereras till den för- ledning/koppling 81, om- sta styrenheten 190. Den första styrenheten styr elkvali- tetssystemet 10 genom att använda dessa signaler och nöd- vändig hård- och mjukvara, vilket enkelt förstås av en fackman inom området.

Alla ledningar 81, 101, 121, 141, 150, 160, 180, 191, 192, 210 och styrorgan, d v s den första styrenheten 190 140 och 200 tillsammans med nödvändiga organ, kan tillsammans definieras som ener- och de elektriska omvandlarna 100, gilänkar eller effektlänkar. I denna utföringsform överför länkarna energi i form av elektrisk, kinetisk och/eller termodynamisk energi mellan de olika komponenterna i elkva- litetssystemet 10.

Vilket annat antal och vilka andra typer som helst av elektriska omvandlare 100, 140 och 200 som uppfyller kraven vid elkvalitetssystemet 10 kan användas om fler än två tur- binenheter 20, 40, sättningar turbiner 70, d v s mer än två axlar 30, 50 och upp- 110, Detta skulle göra elkvalitetssystemet 10 mer komplext, med fler kompres- 110; skall användas. sorsteg 60, 140, 200; styrenheter 190; kopplingar/ledningar 81, 141, 151, 160, 180, 191, 192, 210, 120; brännkammare 90, bränslesystem (inte visade) och styr- turbinsteg 70, elektriska omvandlare 100, 121, generatorer/motorer 80, 10 15 20 25 30 I" Ö f' F' f\ Ö l g; o 00 I 0' ' \,_. _, yJ s.- f Ü acc: šoøzš å .nog II.. O: . : O: .-..š n 031212 ER \\CURRENT\DB'.P\~IILLO 'IUrbeC\P\037\SE\P41l00037_031126_SVenSk Översåglflit? .Wp-afixfificiç-ififi .EO .:§'0 .:' ..'o: o ventiler 170. Detta skulle också innebära att nätet med fler belastningar (inte visade) måste försörjas med mer ef- fekt. Lasterna på nätet skulle exempelvis kunna vara i form av ackumulatorer, motorer och/eller vilken annan typ av last som helst, vilket enkelt inses av en fackman inom om- rådet. Detta skulle uppnå samma funktion och karakteristika som föreliggande uppfinning.

Fig. 2 är ett schematiskt diagram som visar det tran- sienta uppförandet hos ett nät med minst en last kopplad till elkvalitetssystemet 10 i Fig. 1 när den åtminstone en belastningen på nätet förändras (heldragna linjer). Även uppförandet hos nätet när ett elkvalitetssystemet i enlig- het med föreliggande uppfinning används (streckade linjer) visas. Området mellan de två linjerna kan betraktas som den energireservoar elkvalitetssystemet måste kunna hantera för att leverera högkvalitativ energi. M a o fylls de streckade områdena med energi från svänghjulet. Det övre diagrammet visar förhållande II, när effektbehovet från belastningen ökar mycket snabbt enligt den nedre linjen, och hur utspän- ningen, den övre linjen, till nätet förändras som svar på ökat effektbehov. Det nedre diagrammet visar förhållande III här effektbehovet från belastningen minskar mycket snabbt enlig: den nedre linjen, och hur utspänningen, den övre linjen, till nätet förändras som svar på det minskade effektbehovet. stemet ut För den nedre figuren plattar elkvalitetssy- spänningskurvan (streckad linje) genom absorption av energi fran nätet och lagring av energin i svänghjulet.

I likhet med den övre grafen avser det streckade området energin som måste lagras i svänghjulet; 10 15 20 30 I I.. ..- I u : 0 : g . 031212 En ucukaz-:muzauunio rurbemø\os1\sa\p411ooo31_o311zs svensk översàâ! 'rhäv gacenzgucc... c _;, ,;,, _ I I FPF' FKA-Ö In , i . I ~ \.^ f v 20 Nomenklatur 10 20 30 40 50 60 70 80 81 90 100 101 110 120 121 130 140 141 150 160 170 180 190 191 192 200 210 Elkvalitetssystem Första turbinenhet Första turbinaxel Andra turbinenhet Andra turbinaxel Första kompressorsteg Första turbinsteg Första generator/motor Första elektrisk ledning Första brännkammare Första elektrisk omvandlare Andra elektrisk ledning Andra turbinsteg Andra generator/motor Tredje elektrisk ledning Första svänghjul Andra elektrisk omvandlare Fjärde elektrisk ledning Första gasledning Första bränngasledning Första styrventil luftledning styrenhet Första Första Femte elektrisk ledning Sjätte elektrisk ledning Tredje elektrisk omvandlare Sjunde elektrisk ledning c 000! 00 i I 0

Claims (8)

10 15 20 25 30 35 f" ^ f n =--.= = .s -s \.. si. ~...f x. - ~ _ n; o o o I . 031212 ER \\CuRR3N'r\Ds\.= nu: 'rurnec\P\o37\sE\P-uiooo37_o31126_svensk àvezsíenïzzgßâwflpígtßcs zçähê i. _::.' .a ___' 21 I PATENTKRAV

1. Elkvalitetssystem (10) med två separata turbinen- (20) (40) varvid den första turbinenheten innefattar ett första (60), (70), (80) (90): varvid den andra turbinenheten innefattar ett andra turbin- (110) (120), kännetecknat av att ett svänghjul (130) (50) och av att de två är kopplade medelst àt- 8l, 100, 101, 121, heter, en första turbinenhet med en första turbinaxel (30) (50): kompressorsteg och en andra turbinenhet med en andra turbinaxel ett första turbinsteg en första generator/motor och minst en brännkammare och steg och en andra generator/motor är roterbart kopplat till den andra turbinaxeln (20, 40) minstone en energilänk (150, 160, 180, 140, 141, 190). separata turbinenheterna

2. Elkvalitetssystemet varvid (130) hos den andra turbinenheten (10) är fast kopplat till den andra turbinax- (40). enligt krav 1, svänghjulet eln (50) (10) varvid är kopplat till den andra turbinaxeln (40)

3. Elkvalitetssystemet (130) hos den andra turbinenheten enligt krav 1, svanghjulet (50) medelst en koppling.

4. Elkvalitetssystemet minst en energilänken (150, 140, 141, 190, 191, 210) elektrisk, kinetisk och/eller termodynamisk energi mellan (20, 40) (10) enligt krav 1, varvid den 160, 180, 81, 100, 101, 121, är anpassad för att överföra de två separata turbinenheterna och minst en last.

5. Elkvalitetssystemet (10) enligt krav 1, varvid de två separata turbinenheterna (20, 40) är kopplade medelst minst en ledning (150, 180) som leder från den första tur- binenheten (20) till den andra turbinenheten (40). 0 I 0-0000 10 15 F/ÄF' PÖÖ \..-...- vf ÄJ 'c : g U ° o n o n o I _ 031212 En \\cu1uzsN'r\r>ß\P\411o mrbecuncsv\ss\1>411ooo37_o31126_svensk översaqákhnfi flyfiasênítšcsf-ißc Ü Ö I 22 ' l

6. Elkvalitetssystemet varvid de (10) enligt krav 1, (20, 40) som leder från den andra turbinenhe- (20). två separata turbinenheterna (160) till den första turbinenheten är kopplade medelst minst en ledning ten (40)

7. Elkvalitetssystemet varvid den (80) är kopplad till den andra generatorn/motorn (10) första generatorn/motorn i den första turbinenheten (20) (120) i den andra turbinenheten (40) medelst den åtminstone en enligt krav 4, energilänken. varvid den 101, 121, en andra elekt- (190)

8. Elkvalitetssystemet (10) minst en energilänken innefattar ledningar (81, 141), (100), risk omvandlare och en första styrenhet enligt krav 4, en forsta elektrisk omvandlare (140) där- emellan.