WO2014180701A2 - Verfahren zur kühlung wenigstens eines bauteils einer elektrischen maschine - Google Patents

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Sylvio Kosse
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Definitions

  • the invention relates to a method for cooling at least one component of an electrical machine, wherein for cooling at least one by means of a device for gas liquefaction at least partially liquefied gas is used.
  • Cryostats operated, wherein for cooling the electrical machines regularly coolant in the form of liquefied gases, such.
  • liquefied neon gasing point -246 ° C (about 27 K)
  • the cooling of a corresponding electric machine should be ensured on the one hand during operation.
  • the cooling of electrical machines with superconducting or superconducting components typically requires a large amount of energy. Accordingly, there is a need for a technical approach for more efficient cooling of such electrical machines. Likewise, efficient cooling may also be beneficial for conventional electrical machines without superconducting or superconductive components.
  • the invention is based on the problem of specifying an efficient method for cooling electrical machines, in particular electrical machines with superconducting or superconducting components. The problem is solved according to the invention by a method of the type mentioned, which is characterized in that at least partially a process gas of a gas turbine power plant is used as the gas to be liquefied in the device.
  • the method according to the invention proposes, at least partially, in particular completely, to use a process gas from a gas turbine power plant as the gas to be liquefied in the context of the cooling of an electrical machine, in particular an electric machine having at least one superconducting component.
  • the method according to the invention therefore provides for liquefying a process gas used in the context of the operation of a gas turbine power plant by means of a device for gas liquefaction.
  • the gas liquefied in this way serves as a coolant and is used for cooling the electrical machine or the components associated therewith, in particular superconducting or superconducting components.
  • such superconducting or superconducting components can be, for example, superconducting or superconducting ceramic rotor windings.
  • the liquefied process gas usually has a comparatively low boiling point and therefore has a comparatively low temperature.
  • the temperature in its liquefied state is in a range for the cooling of the electric machine to be cooled, respectively. if it is an electrical machine with superconducting or superconducting components, the area of these superconductive or superconductive components suitable.
  • the or part of the liquefied process gas can be used directly or indirectly for cooling the electrical machine.
  • An immediate use of the liquefied process gas may be, for example, that the liquefied process gas is introduced into a cooling circuit of a cooling device associated with the cooling electrical machine and therefore cools the electrical machine to be cooled directly or directly contributes to the cooling of the electrical machine to be cooled.
  • An indirect use of the liquefied process gas can consist, for example, in that the liquefied process gas is used in one or more heat exchangers (n) associated with the cooling electrical machine or cooling device associated with the cooling electrical machine.
  • the or part of the liquefied process gas in a memory, for. B. in the form of a thermally insulated tank is cached.
  • the liquefied process gas can then be used as needed for cooling the electrical machine, ie, for example, be introduced into a cooling circuit of a cooling device associated with the electrical machine.
  • the gas to be liquefied overall in the context of the method according to the invention, it is preferable to use a corresponding process gas of the gas turbine power plant completely for this purpose.
  • the cooling power generated by means of the process gas liquefied in the context of the method according to the invention can be selected such that adequate cooling of the electrical machine, ie, in particular, if appropriate, of these associated superconducting or superconducting components is achieved.
  • the cooling performance exhibited by the liquefied process gas can also be provided to support conventional cooling means of the electric machine, so that their power consumption can be reduced.
  • the amount of process gas to be taken from the gas turbine power plant according to the invention for liquefaction and thus for the provision of a coolant for the electric machine (s) to be cooled should be selected such that the proper operation of the gas turbine power plant is still possible.
  • an amount of 10% based on the total process gas used in the gas turbine power plant may be taken.
  • the value can also be lower or higher in exceptions.
  • the process gas to be liquefied for example, air or air components, in particular oxygen and / or
  • the liquefied process gas can therefore be, in particular, liquid air, liquid oxygen or liquid nitrogen.
  • other gases flowing as part of the operation of the gas turbine power plant can be liquefied and thus other liquefied gases, such as in particular liquid noble gases, incurred.
  • Typical temperature ranges at which corresponding superconducting or superconducting electrical components are to be cooled are in the range from -75 ° C. (about 198 K) to -273 ° C. (about 0 K), in particular -100 ° C. ( approximately
  • the required cooling temperature essentially depends on the electrical machine, ie in particular on the superconducting or superconducting capable component of the electrical machine forming superconducting or superconducting material. For conventional electrical machines without superconducting or superconducting components, the temperature ranges may be higher.
  • the electric machine in which it is z. B. to an electric motor (electric motor) or an electric generator may act to arrange in or adjacent to a gas turbine power plant or assign the gas turbine power plant.
  • the electrical machine is therefore preferably used at the location of a gas turbine power plant.
  • an electric machine designed as a generator can be driven by a turbine provided in the gas turbine power plant.
  • Electrical machines designed as generators can also be associated, for example, with ancillary units, in particular associated with the turbine of the gas turbine power plant.
  • a designed as an electric motor electric machine can, for. B. as a drive means for motor driven devices of the gas turbine power plant, such. B. conveyors, d. H. z. As pump devices, gas compressor or compressors, etc., are used.
  • a first example relates to the cooling of a superconducting or superconductive rotor of a corresponding electric machine.
  • a direct cooling of the rotor ie in particular corresponding superconducting or superconductive rotor windings, conceivable when the liquefied gas has a temperature which is responsible for the superconducting properties of the superconducting, the rotor windings Material required or suitable.
  • air or air components in particular liquefied oxygen and / or liquefied nitrogen, are used as the process gas to be liquefied, the cooling performance of some superconducting materials intended for use as rotor windings may currently be technically feasible for direct cooling, but not economically feasible be completely satisfactory. However, this can be overcome with the use of future high temperature superconductors to form the rotor windings.
  • a second example relates to the cooling of a superconducting or superconducting stator of a corresponding electric machine.
  • the cooling can in particular be provided by superconducting or superconducting stator windings.
  • the cooling is on the one hand for stator windings of superconducting or superconducting materials, but also for stator windings of conventional, d. H. not superconducting or superconductive electrically conductive materials appropriate.
  • the latter are usually formed of metals, in particular copper, whose electrical conductivity typically increases with decreasing temperature.
  • the liquefied gas or process gas produced in the context of the method according to the invention and used as coolant for cooling the electrical machine can be used both to cool the electrical machine when it is in operation and to put it out of operation.
  • liquefied gases for cooling corresponding electrical machines other energy-consuming cooling devices, which in particular serve to cool corresponding electrical machines in a decommissioned state, can be reduced in their power consumption, at least temporarily or, if appropriate, completely switched off. In this way, a significant saving of energy is possible, in particular for longer standstill periods of corresponding electrical machines in which they are not operated.
  • the device for gas liquefaction, the process gas to be liquefied is supplied in compressed form.
  • the amount of energy expended for the gas liquefaction can be reduced because the gas to be liquefied does not have to be compressed or at least not completely compressed by separate gas compression devices.
  • a degree of compression of the gas to be liquefied which reduces the energy requirement for the further gas liquefaction to a minimum, should be realized by the compression of the gas.
  • the process gas to be liquefied from a gas turbine power plant associated gas compressor is removed.
  • a corresponding gas compressor is a typical component of a gas turbine power plant and can be used in the context of the method according to the invention for compressing the process gas to be liquefied in the following by means of the device for gas liquefaction.
  • the process gas can be z. B. one or more intermediate stages of the gas compressor or at the end of the gas compressor.
  • the proportion of process gas to be taken from the gas compressor for liquefaction is z. B. at 10% based on the total gas content, of the gas flowing through the gas compressor process gas.
  • the process gas to be liquefied is preferably taken from a gas compressor or compressor assigned to a turbine of the gas turbine power plant.
  • the process gas to be liquefied before being fed into the device for gas liquefaction heat can be removed.
  • a reduction of the amount of energy to be applied for the gas liquefaction is likewise realized.
  • sierbar since the gas to be liquefied in comparison must be cooled less or a comparatively cooler gas is easier and thus more efficient to liquefy.
  • the efficiency of gas liquefaction can thus be increased.
  • the heat withdrawn from the process gas can, for. B. discharged from the gas turbine power plant or supplied to a heat-requiring process of the gas turbine power plant. The heat removal is particularly useful when the gas has been previously compressed because it is typically heated by the compression.
  • the device used for gas liquefaction is, for example, an air separation plant and / or an air liquefaction plant.
  • the design and operating principle of both an air separation plant and an air liquefaction plant are well known to those skilled in the art and require no further implementation at this point.
  • the invention further relates to a device for cooling at least one electric machine, wherein for cooling at least one by means of a device for gas liquefaction at least partially liquefied gas is used.
  • the device according to the invention comprises at least one device for gas liquefaction, in particular in the form of an air separation plant and / or an air liquefaction plant.
  • the device for gas liquefaction is coupled to a gas turbine power plant such that the gas to be liquefied in the device is at least partially a process gas of the gas turbine power plant.
  • the electric machine may have at least one superconducting component.
  • the component to be cooled is then in particular a superconducting or superconductive component of the electrical machine.
  • the invention further relates to a gas turbine power plant.
  • the gas turbine power plant in addition to the typical components necessary for its operation, such as, in Ren, combustors, turbines, etc., at least one electric machine, in particular an electric motor or a generator, and at least one means for gas liquefaction to provide a liquefied gas for cooling the electric machine.
  • the device for gas liquefaction is at least partially fed with a process gas of the gas turbine power plant.
  • the electric machine may have at least one superconducting component.
  • the component to be cooled is then in particular a superconducting or superconductive component of the electrical machine.
  • FIGURE shows a schematic diagram of a gas turbine power plant with an associated device for cooling at least one superconducting component of an at least one superconducting device having electrical machine according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the single FIGURE shows a schematic representation of a gas turbine power plant 1 with an associated device 2 for cooling at least one superconducting component of at least one superconducting component having electric machine 3 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the electric machine 3 is typically usable at the location of the gas turbine power plant 1.
  • the electric machine 3 is the generator of the gas turbine power plant 1.
  • This generator can be arranged on a shaft 8 with the gas turbine, consisting of gas compressor 4 and turbine 7.
  • Essential components of the gas turbine power plant 1, which generally serves the generation of electrical energy, are a process gas source 12 for providing a process gas, such.
  • the process gas source 12 downstream gas compressor 4 or compressor, a gas compressor 4 downstream, with a fuel gas source 5 to provide a fuel gas such.
  • As natural gas connected fuel gas supply 6, one of the fuel gas supply 6 downstream turbine 7 and the turbine 7 downstream exhaust discharge 13th
  • the electric machine 3 is in particular an electric generator. In principle, however, the electric machine 3 could also be present as an electric motor or electric motor.
  • the superconducting or superconducting component of the electric machine 3 to be cooled is a component, in particular winding, of a rotor and / or stator of the electric machine 3. If the electrical machine 3 is designed as an electric generator, this can, as mentioned , For example, coupled via a mechanical shaft 8 with the turbine 7 of the gas turbine power plant 1, that is to be driven via this.
  • the device 2 comprises a device 9 for gas liquefaction. In the device 9 is z. B. an air separation plant or an air liquefaction plant.
  • An air separation plant which operates on the principle of rectification usually contains an air liquefaction plant, since the rectification column is wholly or partially fed with liquid air.
  • the device 9 is designed to liquefy a gas supplied to it.
  • the liquefied gas typically has a comparatively low temperature and can therefore be used as coolant, ie for cooling the electrical machine (s) 3 or the superconducting or superconducting components associated therewith.
  • the cooling of the electric machine (s) 3 via the liquefied gas generated by the device 9 can take place directly or indirectly.
  • Direct cooling may be present, for example, when the liquefied gas is introduced into a cooling circuit of a cooling device associated with the electric machine 3 to be cooled.
  • an indirect cooling can be present, for example, if the liquefied gas is used in one of the electric machines 3 to be cooled or in one of the heat exchangers assigned to the cooling device 3 to be cooled.
  • the gas liquefied by means 9 in a memory 10, for. B. in the form of one or more thermally insulated tanks is cached.
  • the liquefied gas can then be used as needed for cooling the electric machine (s) 3 connected to the storage 10.
  • the removal of process gas from the gas compressor 4 leads to a reduction in power of the turbine 7 and the gas turbine power plant 1.
  • the installation of a memory 10 therefore allows the decoupled operation of the device 9 and the cooling of the electric machine 3.
  • the memory 10 is expedient in times lower Energy or electricity demand filled.
  • the cooling of the electric machine 3 can in principle also take place at times of non-operation of the gas turbine power plant 1.
  • a process gas from the gas turbine power plant 1 is used as the gas to be liquefied by means of the device 9.
  • the process gas is, for example, air or an oxygen and / or nitrogen and / or at least one noble gas-containing process gas which is required for the operation of the gas turbine power plant 1 or arises during the operation of the gas turbine power plant 1.
  • the process gas is preferably supplied to the device 9 in compressed or compressed form.
  • the process gas is supplied after passing through the gas turbine power plant 1 associated gas compressor 4 and compressor.
  • the process gas can in principle be taken from the gas compressor 4 at intermediate stages. Typically, about 10% of the compressed process gas passing out of the gas compressor 4 is taken off and fed into the device 9 proportionately.
  • the device 9 to be supplied compressed and therefore heated process gas is also withdrawn prior to introduction into the device 9 heat.
  • the supplied into the device 9 process gas is therefore z. B. removed heat via a heat exchanger 11. This is equally an increase in the efficiency of gas liquefaction by means of the device 9 and also the additional heat generation on
  • the temperature of the liquefied process gas depends essentially on the boiling point of the process gas to be liquefied, which may in principle also be a gas mixture.
  • the process gas to be liquefied is cooled to a temperature in the range of -75 ° C to -273 ° C, especially -100 ° C to -250 ° C.
  • the temperature of the liquefied process gas is basically chosen so that the proper operation of the electrical machine (s) 3 to be cooled is ensured.
  • the temperature of the liquefied process gas is thus typically in a range in which the superconducting properties of the superconducting components associated with the electrical machine (s) 3 are ensured.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung wenigstens eines Bauteils einer elektrischen Maschine (3), wobei zur Kühlung wenigstens ein mittels einer Einrichtung (9) zur Gasverflüssigung zumindest teilweise verflüssigtes Gas verwendet wird, wobei als in der Einrichtung (9) zu verflüssigendes Gas zumindest teilweise ein Prozessgas eines Gasturbinenkraftwerks (1) verwendet wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Kühlung wenigstens eines Bauteils einer elektrischen Maschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung wenigstens eines Bauteils einer elektrischen Maschine, wobei zur Kühlung wenigstens ein mittels einer Einrichtung zur Gasverflüssigung zumindest teilweise verflüssigtes Gas verwendet wird.
Elektrische Maschinen, wie z. B. Elektromotoren oder Generatoren, mit supraleitenden Bauteilen, wie z. B. supraleitenden keramischen Rotorwicklungen, benötigen typischerweise Betriebstemperaturen unterhalb -75°C (ca. 198 K) . Derartige Ma- schinen werden üblicherweise in Kühleinrichtungen bzw.
Kryostaten betrieben, wobei zur Kühlung der elektrischen Maschinen regelmäßig Kühlmittel in Form von verflüssigten Gasen, wie z. B. verflüssigtem Neon (Siedepunkt -246°C (ca. 27 K) ) verwendet werden.
Die Kühlung einer entsprechenden elektrischen Maschine sollte einerseits während des Betriebs sichergestellt sein. Andererseits ist es jedoch zweckmäßig, die Kühlung einer solchen elektrischen Maschine auch in Zeiten, in denen diese nicht betrieben wird, zu gewährleisten, um zusätzliche Abkühlzeiten bei erneuter Inbetriebnahme der elektrischen Maschine zu vermeiden bzw. zu verkürzen. Derart kann also sichergestellt werden, dass eine zeitweise außer Betrieb genommene elektrische Maschine ihren Betrieb unmittelbar wieder aufnehmen kann .
Die Kühlung elektrischer Maschinen mit supraleitenden bzw. supraleitfähigen Bauteilen verlangt typischerweise einen hohen Energieaufwand. Sonach stellt sich ein Bedarf eines tech- nischen Ansatzes für eine effizientere Kühlung derartiger elektrischer Maschinen. Gleichermaßen kann eine effiziente Kühlung auch für konventionelle elektrische Maschinen ohne supraleitende bzw. supra- leitfähige Bauteile von Vorteil sein. Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein effizientes Verfahren zur Kühlung elektrischer Maschinen, insbesondere elektrischer Maschinen mit supraleitenden bzw. supraleitfähi - gen Bauteilen, anzugeben. Das Problem wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches sich dadurch auszeichnet, dass als in der Einrichtung zu verflüssigendes Gas zumindest teilweise ein Prozessgas eines Gasturbinenkraftwerks verwendet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren schlägt vor, als das im Rahmen der Kühlung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer wenigstens ein supraleitendes Bauteil aufweisenden elektrischen Maschine, zu verflüssigende Gas zumindest teilweise, insbesondere vollständig, ein Prozessgas aus einem Gasturbinenkraftwerk zu verwenden. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht also vor, ein im Rahmen des Betriebs eines Gasturbinenkraftwerks verwendetes Prozessgas mittels einer Einrichtung zur Gasverflüssigung zu verflüssigen. Das derart verflüssigte Gas dient als Kühlmittel und wird zur Kühlung der elektrischen Maschine respektive der dieser zugehörigen, insbesondere supraleitenden bzw. supraleitfähigen, Bauteile verwendet. Wie eingangs erwähnt, kann es sich bei solchen supraleitenden bzw. supraleitfähigen Bauteilen beispielsweise um supralei- tende bzw. supraleitfähige keramische Rotorwicklungen handeln .
Das verflüssigte Prozessgas hat in der Regel einen vergleichsweise niedrigen Siedepunkt und weist daher eine ver- gleichsweise niedrige Temperatur auf. Je nach Art und Zusammensetzung des zu verflüssigenden Prozessgases liegt die Temperatur in dessen verflüssigtem Zustand in einem für die Kühlung der zu kühlenden elektrischen Maschine respektive, so- fern es sich um eine elektrische Maschine mit supraleitenden bzw. supraleitfähigen Bauteilen handelt, der dieser zugehörigen supraleitenden bzw. supraleitfähigen Bauteile geeigneten Bereich .
Das oder ein Teil des verflüssigten Prozessgases kann unmittelbar oder mittelbar zur Kühlung der elektrischen Maschine eingesetzt werden. Eine unmittelbare Verwendung des verflüssigten Prozessgases kann beispielsweise darin bestehen, dass das verflüssigte Prozessgas in einen Kühlkreislauf einer der zu kühlenden elektrischen Maschine zugeordneten Kühleinrichtung eingebracht wird und die zu kühlende elektrische Maschine sonach unmittelbar kühlt bzw. unmittelbar zur Kühlung der zu kühlenden elektrischen Maschine beiträgt. Eine mittelbare Verwendung des verflüssigten Prozessgases kann beispielsweise darin bestehen, dass das verflüssigte Prozessgas in einem oder mehreren, der zu kühlenden elektrischen Maschine oder einer der zu kühlenden elektrischen Maschine zugehörigen Kühleinrichtung zugeordneten Wärmetauscher (n) eingesetzt wird.
Denkbar ist es auch, dass das oder ein Teil des verflüssigten Prozessgases in einem Speicher, z. B. in Form eines thermisch isolierten Tanks, zwischengespeichert wird. Das verflüssigte Prozessgas kann dann bedarfsgerecht zur Kühlung der elektrischen Maschine eingesetzt, d. h. z. B. in einen Kühlkreislauf einer der elektrischen Maschine zugehörigen Kühleinrichtung eingebracht werden. Bezüglich des im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens insgesamt zu verflüssigenden Gases ist es bevorzugt, hierfür vollständig ein entsprechendes Prozessgas des Gasturbinenkraftwerks heranzuziehen. Denkbar ist es jedoch auch, nur für einen Teil des zu verflüssigenden Gases ein Prozessgas des Gasturbinenkraftwerks zu verwenden und für einen anderen Teil des zu verflüssigenden Gases ein anderweitig bereitgestelltes Gas einzusetzen, d. h. zu verflüssigen. Wie erwähnt, kann die mittels des im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verflüssigten Prozessgases erzeugte Kühlleistung derart gewählt sein, dass damit eine hinreichende Kühlung der elektrischen Maschine, d. h. insbesondere gegebe- nenfalls vorhandener dieser zugehörigen supraleitenden bzw. supraleitfähigen Bauteile erreicht wird. Die mittels des verflüssigten Prozessgases erzeigte Kühlleistung kann jedoch auch zur Unterstützung konventioneller Kühleinrichtungen der elektrischen Maschine bereitgestellt werden, so dass deren Leistungsaufnahme verringert werden kann.
Die Menge des aus dem Gasturbinenkraftwerk erfindungsgemäß zur Verflüssigung und somit zur Bereitstellung eines Kühlmittels für die zu kühlenden elektrischen Maschine (n) zu entneh- menden Prozessgases sollte selbstverständlich derart gewählt sein, dass der ordnungsgemäße Betrieb des Gasturbinenkraftwerks weiterhin möglich ist. Beispielsweise kann eine Menge von 10% bezogen auf das insgesamt in dem Gasturbinenkraftwerk verwendete Prozessgas entnommen werden. Der Wert kann in Aus- nahmen auch niedriger oder höher liegen.
Als zu verflüssigendes Prozessgas kann beispielsweise Luft oder Luftbestandteile, insbesondere Sauerstoff und/oder
Stickstoff, verwendet werden. Bei dem verflüssigten Prozess- gas kann es sich demnach insbesondere um flüssige Luft, flüssigen Sauerstoff oder flüssigen Stickstoff handeln. Grundsätzlich können im Rahmen der Gasverflüssigung jedoch auch andere im Rahmen des Betriebs des Gasturbinenkraftwerks strömende Gase verflüssigt werden und somit andere verflüssigte Gase, wie insbesondere flüssige Edelgase, anfallen.
Typische Temperaturbereiche, auf welche entsprechende supraleitende bzw. supraleitfähige Bauteile aufweisende elektrische Maschinen zu kühlen sind, liegen im Bereich von -75°C (ca. 198 K) bis -273°C (ca. 0 K) , insbesondere -100°C (ca.
173 K) bis -250°C (ca. 23 K) . Die erforderliche Kühltemperatur hängt jedoch im Wesentlichen von der elektrischen Maschine, d. h. insbesondere dem das supraleitende bzw. supraleit- fähige Bauteil der elektrischen Maschine bildenden supraleitenden bzw. supraleitfähigen Material ab. Für konventionelle elektrische Maschinen ohne supraleitende bzw. supraleitfähige Bauteile können die Temperaturbereiche höher liegen.
Um eine ökologisch wie technisch sinnvolle Nutzung der in einem Gasturbinenkraftwerk strömenden Prozessgase für die Zwecke der vorliegenden Erfindung zu realisieren, ist es sinnvoll, die elektrische Maschine, bei der es sich z. B. zum ei- nen elektrischen Motor (Elektromotor) oder einen elektrischen Generator handeln kann, in einem oder benachbart zu einem Gasturbinenkraftwerk anzuordnen oder dem Gasturbinenkraftwerk zuzuordnen. Die elektrische Maschine wird demnach bevorzugt am Standort eines Gasturbinenkraftwerks eingesetzt. Bei- spielsweise kann eine als Generator ausgebildete elektrische Maschine von einer in dem Gasturbinenkraftwerk vorgesehenen Turbine angetrieben werden. Als Generatoren ausgebildete elektrische Maschinen können beispielsweise auch, insbesondere der Turbine des Gasturbinenkraftwerks zugehörigen, Neben- aggregaten zugeordnet werden. Eine als Elektromotor ausgebildete elektrische Maschine kann z. B. als Antriebsmittel für motorisch anzutreibende Vorrichtungen des Gasturbinenkraftwerks, wie z. B. Fördereinrichtungen, d. h. z. B. Pumpeneinrichtungen, Gasverdichter bzw. Kompressoren etc., eingesetzt werden.
Im Folgenden werden beispielhafte Möglichkeiten der Nutzung des im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verflüssigten Prozessgases respektive der mit dessen Verflüssigung erzeug- ten Kühlleistung genannt.
Ein erstes Beispiel betrifft die Kühlung eines supraleitenden bzw. supraleitfähigen Rotors einer entsprechenden elektrischen Maschine. Hierbei ist eine direkte Kühlung des Rotors, d. h. insbesondere entsprechender supraleitender bzw. supra- leitfähiger Rotorwicklungen, denkbar, wenn das verflüssigte Gas eine Temperatur aufweist, die für die supraleitenden Eigenschaften des supraleitenden, die Rotorwicklungen bildenden Materials erforderlich bzw. geeignet ist. Sofern als zu verflüssigendes Prozessgas Luft oder Luftbestandteile, wie insbesondere verflüssigter Sauerstoff und/oder verflüssigter Stickstoff, verwendet werden, kann die Kühlleistung bei eini- gen zur Verwendung als Rotorwicklungen vorgesehenen supraleitenden Materialien gegenwärtig für eine direkte Kühlung zwar technisch möglich, jedoch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht vollkommen zufriedenstellend sein. Dies kann jedoch mit der Verwendung künftiger Hochtemperatursupraleiter zur Ausbildung der Rotorwicklungen überkommen werden.
Ein zweites Beispiel betrifft die Kühlung eines supraleitenden bzw. supraleitfähigen Stators einer entsprechenden elektrischen Maschine. Die Kühlung kann hierbei insbesondere sup- raleitenden bzw. supraleitfähigen Statorwicklungen zukommen. Die Kühlung ist einerseits für Statorwicklungen aus supraleitenden bzw. supraleitfähigen Materialien, aber für auch Statorwicklungen aus konventionellen, d. h. nicht supraleitenden bzw. supraleitfähigen elektrisch leitfähigen Materialen zweckmäßig. Letztere sind in der Regel aus Metallen, wie insbesondere Kupfer, gebildet, deren elektrische Leitfähigkeit sich typischerweise mit abnehmender Temperatur erhöht.
Grundsätzlich kann das im Rahmen des erfindungsgemäßen Ver- fahrens erzeugte, als Kühlmittel zur Kühlung der elektrischen Maschine dienende verflüssigte Gas bzw. Prozessgas sowohl zur Kühlung der elektrischen Maschine im in Betrieb genommenen Zustand als auch in einem außer Betrieb genommenen Zustand eingesetzt werden. Durch die Verwendung verflüssigter Gase zur Kühlung entsprechender elektrischer Maschinen können sonstige Energie verbrauchende Kühleinrichtungen, welche insbesondere der Kühlung entsprechender elektrischer Maschinen in einem außer Betrieb genommenen Zustand dienen, in ihrer Leistungsaufnahme reduziert, zumindest zeitweise oder gegebe- nenfalls sogar vollständig abgestellt werden. Derart ist insbesondere bei längeren Stillstandzeiten entsprechender elektrischer Maschinen, in denen diese nicht betrieben werden, eine signifikante Einsparung von Energie möglich. Zweckmäßig wird der Einrichtung zur Gasverflüssigung das zu verflüssigende Prozessgas in verdichteter Form zugeführt. Hierdurch ist die für die Gasverflüssigung aufzuwendende Energiemenge reduzierbar, da das zu verflüssigende Gas nicht oder zumindest nicht vollständig durch separate Gasverdichtungseinrichtungen verdichtet werden muss. Zweckmäßig soll durch die Verdichtung des Gases ein Kompressionsgrad des zu verflüssigenden Gases, welcher den Energiebedarf für die weitere Gasverflüssigung auf ein Minimum reduziert, realisiert werden. Je nachdem, mit welchem Kompressionsgrad das zu verflüssigende Gas bereitgestellt wird, kann es selbstverständlich auch sein, das zu verflüssigende Gas einer separaten Gasverdichtungseinrichtung zuzuführen, bevor es in die Einrichtung zur Gasverflüssigung geführt wird.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das zu verflüssigende Prozessgas aus einem dem Gasturbinenkraftwerk zugehörigen Gasverdichter (Kompressor) entnommen. Ein entsprechender Gasverdichter ist ty- pischer Bestandteil eines Gasturbinenkraftwerks und kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verdichtung des im Weiteren mittels der Einrichtung zur Gasverflüssigung zu verflüssigenden Prozessgases verwendet werden. Das Prozessgas kann dabei z. B. einer oder mehreren Zwischenstufen des Gas- Verdichters oder am Ende des Gasverdichters entnommen werden. Wie erwähnt liegt der Anteil an aus dem Gasverdichter zur Verflüssigung zu entnehmenden Prozessgases z. B. bei 10% bezogen auf den Gesamtgasanteil, des durch den Gasverdichter strömenden Prozessgases. Bevorzugt wird das zu verflüssigende Prozessgas dabei aus einem einer Turbine des Gasturbinenkraftwerks zugeordneten Gasverdichter bzw. Kompressor entnommen .
In weiterer vorteilhafter Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dem zu verflüssigenden Prozessgas vor der Zuführung in die Einrichtung zur Gasverflüssigung Wärme entnommen werden. Hierdurch ist gleichermaßen eine Reduzierung der für die Gasverflüssigung aufzubringenden Energiemenge reali- sierbar, da das zu verflüssigende Gas im Vergleich weniger gekühlt werden muss bzw. ein vergleichsweise kühleres Gas leichter und somit effizienter zu verflüssigen ist. Die Effizienz der Gasverflüssigung ist damit steigerbar. Die dem Pro- zessgas entnommene Wärme kann z. B. aus dem Gasturbinenkraftwerk abgeführt oder einem Wärme erfordernden Prozess des Gasturbinenkraftwerks zugeführt werden. Die Wärmeentnahme ist besonders zweckmäßig, wenn das Gas zuvor verdichtet wurde, da es durch die Verdichtung typischerweise erwärmt wird.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Einrichtung zur Gasverflüssigung beispielsweise eine Luftzerlegungsanlage und/oder eine Luftverflüssigungsanlage verwendet. Aufbau und Funktionsprinzip sowohl einer Luftzerlegungsanlage als auch einer Luftverflüssigungsanlage sind dem Fachmann hinreichend bekannt und bedürfen an dieser Stelle keiner weiteren Ausführung.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Kühlung wenigstens einer elektrischen Maschine, wobei zur Kühlung wenigstens ein mittels einer Einrichtung zur Gasverflüssigung zumindest teilweise verflüssigtes Gas verwendet wird. Entsprechend umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens eine Einrichtung zur Gasverflüssigung, insbesondere in Form einer Luftzerlegungsanlage und/oder einer Luftverflüssigungsanlage. Die Einrichtung zur Gasverflüssigung ist mit einem Gasturbinenkraftwerk derart gekoppelt, dass das in der Einrichtung zu verflüssigende Gas zumindest teilweise ein Prozessgas des Gasturbinenkraftwerks ist.
Die elektrische Maschine kann wenigstens ein supraleitendes Bauteil aufweisen. Das zu kühlende Bauteil ist dann insbesondere ein supraleitendes bzw. supraleitfähiges Bauteil der elektrischen Maschine.
Die Erfindung betrifft ferner ein Gasturbinenkraftwerk. Das Gasturbinenkraftwerk umfasst neben den typischen für dessen Betrieb notwendigen Komponenten, wie insbesondere Kompresso- ren, Brennkammern, Turbinen etc., wenigstens eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor oder einen Generator, sowie wenigstens eine Einrichtung zur Gasverflüssigung zur Bereitstellung eines verflüssigten Gases zur Kühlung der elektrischen Maschine. Die Einrichtung zur Gasverflüssigung ist zumindest teilweise mit einem Prozessgas des Gasturbinenkraftwerks gespeist.
Die elektrische Maschine kann wenigstens ein supraleitendes Bauteil aufweisen. Das zu kühlende Bauteil ist dann insbesondere ein supraleitendes bzw. supraleitfähiges Bauteil der elektrischen Maschine.
Bezüglich der erfindungsgemäßen Vorrichtung wie auch des er- findungsgemäßen Gasturbinenkraftwerks gelten sämtliche Ausführungen betreffend das erfindungsgemäße Verfahren analog.
Weitere Merkmale und weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind anhand der folgenden Figur näher erläu- tert . Dabei zeigt die einzige Figur eine Prinzipdarstellung eines Gasturbinenkraftwerks mit einer zugehörigen Vorrichtung zur Kühlung wenigstens eines supraleitenden Bauteils einer wenigstens ein supraleitendes Bauteil aufweisenden elektrischen Maschine gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
Die einzige Figur zeigt eine Prinzipdarstellung eines Gasturbinenkraftwerk 1 mit einer zugehörigen Vorrichtung 2 zur Kühlung wenigstens eines supraleitenden Bauteils einer wenigs- tens ein supraleitendes Bauteil aufweisenden elektrischen Maschine 3 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Die elektrische Maschine 3 ist typischerweise am Standort des Gasturbinenkraftwerks 1 einsetzbar. Insbesondere handelt es sich bei der elektrischen Maschine 3 um den Gene- rator des Gasturbinenkraftwerks 1. Dieser Generator kann auf einer Welle 8 mit der Gasturbine, bestehend aus Gasverdichter 4 und Turbine 7, angeordnet sein. Wesentliche Bestandteile des Gasturbinenkraftwerks 1, welches allgemein der Erzeugung von elektrischer Energie dient, sind eine Prozessgasquelle 12 zur Bereitstellung eines Prozessgases, wie z. B. Luft, der der Prozessgasquelle 12 nachgeschal- tete Gasverdichter 4 bzw. Kompressor, eine dem Gasverdichter 4 nachgeschaltete, mit einer Brenngasquelle 5 zur Bereitstellung eines Brenngases, wie z. B. Erdgas, verbundene Brenngas- Zuführung 6, eine der Brenngaszuführung 6 nachgeschaltete Turbine 7 sowie eine der Turbine 7 nachgeschaltete Abgasab- führung 13.
Wie erwähnt, handelt es sich bei der elektrischen Maschine 3 insbesondere um einen elektrischen Generator. Grundsätzlich könnte die elektrische Maschine 3 jedoch auch als elektri- scher Motor bzw. Elektromotor vorliegen. Bei dem zu kühlenden supraleitenden bzw. supraleitfähigen Bauteil der elektrischen Maschine 3 handelt es sich um eine Komponente, insbesondere Wicklung, eines Rotors und/oder Stators der elektrischen Maschine 3. Sofern die elektrische Maschine 3 als elektrischer Generator ausgebildet ist, kann diese, wie erwähnt, beispielsweise über eine mechanische Welle 8 mit der Turbine 7 des Gasturbinenkraftwerks 1 gekoppelt, d. h. über diese angetrieben sein. Die Vorrichtung 2 umfasst eine Einrichtung 9 zur Gasverflüssigung. Bei der Einrichtung 9 handelt es sich z. B. um eine Luftzerlegungsanlage oder eine Luftverflüssigungsanlage. Eine LuftZerlegungsanlage , die nach dem Prinzip der Rektifikation arbeitet, enthält üblicherweise eine Luftverflüssigungsanla- ge, da die Rektifikationskolonne ganz oder teilweise mit flüssiger Luft gespeist wird. In jedem Fall ist die Einrichtung 9 dazu ausgebildet, ein in diese zugeführtes Gas zu verflüssigen. Das verflüssigte Gas hat typischerweise eine vergleichsweise niedrige Temperatur und kann deshalb als Kühl- mittel, d. h. zur Kühlung der elektrischen Maschine (n) 3 respektive der dieser bzw. diesen zugehörigen supraleitenden bzw. supraleitfähigen Bauteile verwendet werden. Die Kühlung der elektrischen Maschine (n) 3 über das mittels der Einrichtung 9 erzeugte verflüssigte Gas kann unmittelbar oder mittelbar erfolgen. Eine unmittelbare Kühlung kann beispielsweise vorliegen, wenn das verflüssigte Gas in einen Kühlkreislauf einer der zu kühlenden elektrischen Maschine 3 zugeordneten Kühleinrichtung eingebracht wird. Entsprechend kann eine mittelbare Kühlung beispielsweise vorliegen, wenn das verflüssigte Gas in einem der zu kühlenden elektrischen Maschine 3 oder einer der zu kühlenden elektrischen Maschine 3 zugehörigen Kühleinrichtung zugeordneten Wärmetauschern eingesetzt wird.
Wie aus der Figur erkennbar ist, ist es möglich, dass das mittels der Einrichtung 9 verflüssigte Gas in einem Speicher 10, z. B. in Form eines oder mehrerer thermisch isolierter Tanks, zwischengespeichert wird. Das verflüssigte Gas kann dann bedarfsgerecht zur Kühlung der mit dem Speicher 10 verbundenen elektrischen Maschine (n) 3 eingesetzt werden. Die Entnahme von Prozessgas aus dem Gasverdichter 4 führt zu einer Leistungserniedrigung der Turbine 7 respektive des Gasturbinenkraftwerks 1. Die Installation eines Speichers 10 erlaubt daher den entkoppelten Betrieb der Einrichtung 9 und der Kühlung der elektrischen Maschine 3. Der Speicher 10 wird nach zweckmäßig in Zeiten geringer Energie- bzw. Stromnachfrage gefüllt. Die Kühlung der elektrischen Maschine 3 kann grundsätzlich auch zu Zeiten des Nichtbetriebs des Gasturbinenkraftwerks 1 erfolgen. Wesentlich an dem erfindungsgemäßen Prinzip ist, dass als mittels der Einrichtung 9 zu verflüssigendes Gas ein Prozessgas aus dem Gasturbinenkraftwerk 1 verwendet wird. Bei dem Prozessgas handelt es sich beispielsweise um Luft oder ein Sauerstoff und/oder Stickstoff und/oder wenigstens eine Edel- gas enthaltendes Prozessgas, welches für den Betrieb des Gasturbinenkraftwerks 1 erforderlich ist oder im Rahmen des Betriebs des Gasturbinenkraftwerks 1 entsteht. Das Prozessgas wird der Einrichtung 9 bevorzugt in verdichteter bzw. komprimierter Form zugeführt. Hierfür wird das Prozessgas nach Durchlaufen des dem Gasturbinenkraftwerk 1 zugehörigen Gasverdichters 4 bzw. Kompressors zugeführt. Das Pro- zessgas kann dem Gasverdichter 4 grundsätzlich jedoch auch an Zwischenstufen entnommenen werden. Typischerweise werden anteilsmäßig etwa 10% des aus dem Gasverdichter 4 tretenden verdichteten Prozessgases entnommen und in die Einrichtung 9 geleitet. Durch die Verflüssigung eines (vor) verdichteten Prozessgases ist die für die Gasverflüssigung einzusetzende Energiemenge reduzierbar und somit die Effizienz der Gasverflüssigung steigerbar.
Dem der Einrichtung 9 zuzuführenden verdichteten und deshalb erwärmten Prozessgas wird vor dem Einführen in die Einrichtung 9 zudem Wärme entzogen. Dem in die Einrichtung 9 zuzuführenden Prozessgas wird demnach z. B. über einen Wärmetauscher 11 Wärme entnommen. Hierdurch ist gleichermaßen eine Steigerung der Effizienz der Gasverflüssigung mittels der Einrichtung 9 und zudem die zusätzliche Wärmeerzeugung am
Standort der Turbine 7 bzw. des Gasturbinenkraftwerks 1 möglich.
Die Temperatur des verflüssigten Prozessgases hängt im We- sentlichen von dem Siedepunkt des zu verflüssigenden Prozessgases, bei welchem es sich grundsätzlich auch um ein Gasgemisch handeln kann, ab. Typischerweise wird das zu verflüssigende Prozessgas auf eine Temperatur im Bereich von -75°C bis -273°C, insbesondere -100°C bis -250°C, gekühlt. Die Tempera- tur des verflüssigten Prozessgases ist grundsätzlich so gewählt, dass der ordnungsgemäße Betrieb der zu kühlenden elektrischen Maschine (n) 3 sichergestellt ist. Die Temperatur des verflüssigten Prozessgases liegt also typischerweise in einem Bereich, in dem die supraleitenden Eigenschaften der der elektrischen Maschine (n) 3 zugehörigen supraleitfähigen Bauteile sichergestellt ist. Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so is die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Kühlung wenigstens eines Bauteils einer elektrischen Maschine (3), wobei zur Kühlung wenigstens ein mittels einer Einrichtung (9) zur Gasverflüssigung zumindest teilweise verflüssigtes Gas verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass als in der Einrichtung (9) zu verflüssigendes Gas zumindest teilweise ein Prozessgas eines Gasturbinenkraftwerks (1) verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Kühlung wenigstens eines supraleitenden Bauteils einer wenigstens ein supraleitendes Bauteil aufweisenden elektrischen Maschine (3) verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einrichtung (9) das zu verflüssigende Prozessgas in verdichteter Form zugeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zu verflüssigende Prozessgas aus einem dem Gasturbinenkraftwerk (1) zugehörigen Gasverdichter (4) entnommen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zu verflüssigende Prozessgas aus einem einer Turbine (7) des Gasturbinenkraftwerks (1) zugeordneten Gasverdichter (4) entnommen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem zu verflüssigenden Prozessgas vor der Zuführung in die Einrichtung (9) zur Gasverflüssigung Wärme entnommen wird .
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Einrichtung (9) zur Gasverflüssigung eine Luftzerlegungsanlage und/oder eine Luftverflüssigungsanlage verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zu verflüssigendes Prozessgas Luft oder Luftbestandteile, insbesondere Sauerstoff und/oder
Stickstoff, verwendet werden.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (3) auf eine Temperatur im Bereich von -75°C bis - 273°C, insbesondere -100°C bis -250°C, gekühlt wird.
10. Vorrichtung (2) zur Kühlung wenigstens eines Bauteils einer elektrischen Maschine (3), wobei zur Kühlung wenigstens ein mittels einer Einrichtung (9) zur Gasverflüssigung zumindest teilweise verflüssigtes Gas verwendet wird, umfassend wenigstens eine Einrichtung (9) zur Gasverflüssigung, welche mit einem Gasturbinenkraftwerk (1) derart gekoppelt ist, dass das in der Einrichtung (9) zu verflüssigende Gas zumindest teilweise ein Prozessgas des Gasturbinenkraftwerks (1) ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (3) wenigstens ein supraleitendes Bauteil aufweist und das zu kühlende Bauteil das supraleitende Bauteil der elektrischen Maschine (3) ist.
12. Gasturbinenkraftwerk (1), umfassend wenigstens eine elektrische Maschine (3) sowie wenigstens eine Einrichtung (9) zur Gasverflüssigung zur Bereitstellung eines verflüssigten Gases zur Kühlung der elektrischen Maschine oder eines der elektrischen Maschine (3) zugehörigen Bauteils, wobei die Einrichtung (9) zumindest teilweise mit einem Prozessgas des Gasturbinenkraftwerks (1) gespeist ist.
13. Gasturbinenkraftwerk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (3) wenigstens ein supraleitendes Bauteil aufweist und das zu kühlende Bauteil das supraleitende Bauteil der elektrischen Maschine (3) ist.
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