WO2018172156A1 - Regelung der gasgekühlten rotorwicklung von generatoren auf eine konstante temperatur durch temperaturabhängige steuerung des kühlgasdruckes - Google Patents
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Definitions
- the invention also relates to a method for reducing the wear of the rotor winding of generators by controlling (open loop control) the rotor winding temperature.
- the cooling gas pressure on the generator rotor is increased and the rotor winding temperature is kept constant as far as possible by increased heat removal capacity of the cooling gas or the temperature change is minimized.
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Regelung der gasgekühlten Rotorwicklung von Generatoren auf eine konstante Temperatur durch temperaturabhängige oder lastabhängige Steuerung (open loop control) des Kühlgasdruckes. Die Erfindung bringt eine deutlich reduzierte thermo-mechanische Beanspruchung der Rotorwicklung mit sich, da die Rotorwicklung weitgehend auf konstanter Temperatur gefahren wird.
Description
Beschreibung
Regelung der gasgekühlten Rotorwicklung von Generatoren auf eine konstante Temperatur durch temperaturabhängige Steuerung des Kühlgasdruckes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konstanthaltung der Temperatur der gasgekühlten Rotorwicklung eines Generators durch temperaturabhängige oder lastabhängige Steuerung des Kühlgasdruckes.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Reduzierung des Verschleißes der Rotorwicklung von Generatoren durch Steuerung (open loop control) der Rotorwicklungstemperatur.
Zahlreiche und schnelle Änderungen des Erregerstromes eines gasgekühlten Generators und die daraus resultierenden Tempe¬ raturänderungen an der Rotorwicklung beeinflussen das Isolier- und Verblockungssystem. Folgende Probleme können da- durch entstehen:
- Verschlechterung des LaufVerhaltens (erhöhte Schwingungs¬ werte) ,
- Verschlechterung der Kühlung durch Verschließung der
Kühlwege,
- Windungsschlüsse an der Rotorwicklung,
- Erhöhtes Rotorerdschlussrisiko,
- Vorzeitige mechanische Ermüdung von Bauteilen und deren Verbindungen, wie zum Beispiel Lötstellen.
Eine umfangreiche Reparaturmaßnahme, oft eine komplette Neu- wicklung des Rotors ist die Folge.
Durch den Anstieg von sprunghaft wechselnder Einspeisung aus erneuerbarer Energie in das Verbundnetz wird die skizzierte Problematik für konventionelle Energieeinspeiser verstärkt.
Folgen für Generatoren:
- Überdimensionierung des Generators, um die maximalen Temperaturen zu reduzieren,
- schlechte Ausnutzung mit der Folge einer Produktverteue¬ rung,
- Neuwicklung des Rotors nach einer vorgegebenen Betriebsperiode, je nach Betriebsweise,
- hohe Kosten und reduzierte Verfügbarkeit des Generators,
- Schonender Betrieb ohne viele Laständerungen und Start/Stop Zyklen,
- in dem heutigen Power Business nicht mehr akzeptabel. Alternative Lösung:
- Wasserkühlung eines Läufers - unwirtschaftlich,
- Überdimensionierung eines Generators - unwirtschaftlich,
- Häufige Reparaturen - unwirtschaftlich,
- Gaskühlung mit lastabhängiger StoffZusammensetzung, z.B.
Beimischung von Helium - komplex und unwirtschaftlich,
- Verwendung von HeatPipe-Systemen innerhalb des Rotors - herausfordernd hinsichtlich Unterbringung an rotierenden Komponenten und Berücksichtigung der elektrischen Anforderungen,
- Einsatz von Chillern zur Herabsetzung der Kaltgastemperatur - unwirtschaftlich.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, für einen gasgekühlten Generator ein Verfahren anzugeben, das dem übermäßi- gen Verschleiß der Rotorwicklung durch wechselnde Erregerströme entgegenwirkt.
Das Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Es wird vorgeschlagen, die thermo-mechanischen Spannungen an der gasgekühlten Rotorwicklung eines Generators durch Variation des Kühlgasdruckes zu reduzieren, um die oben beschrie¬ bene Problematik signifikant zu entschärfen. Die Variation des Kühlgasdruckes ermöglicht eine Regelung und Begrenzung der Läuferwicklungstemperatur auf einen vorgegebenen Sollwert .
Die Begrenzung der Rotorwicklungstemperatur auf einen vorgebbaren Wert kann durch eine Temperaturregelung (open loop control) realisiert werden.
Die Erfindung bringt folgende Vorteile mit sich:
- Deutlich reduzierte thermo-mechanische Beanspruchung der Rotorwicklung,
- Einhaltung und optimale Ausnutzung der erlaubten Temperaturbereiche entsprechend der spezifizierten Isolier¬ stoffklasse der Rotorwicklung,
- Verbessertes Schwingungsverhalten durch reduzierten
thermischen Einfluss,
- Signifikant reduziertes Ausfallrisiko und somit bessere Verfügbarkeit des Generators,
- Intelligente Regelung der Rotorwicklungstemperatur basierend auf einer Gasdruckerhöhung zur Leistungssteige¬ rung in Kombination mit Wasserkühlung der Ständerwicklung,
- Die Erfindung liefert die Basis für das Ersetzen der H2- gekühlten Generatoren durch Druckluft-gekühlte Generato¬ ren mit Wasserkühlung der Ständerwicklung im Leistungsbereich bis 550 MVA,
- Niedrigere Produktkosten für den Generator und die dazugehörenden Versorgungsanlagen,
- Reduzierter Service-Aufwand und somit niedrigere Lang¬ zeit-Wartungskosten ,
- Geringeres Risiko bei Einhaltung der projektspezifischen Schwingungsgarantien,
- Robuste und kosteneffiziente Lösung und
- Sehr gute Eignung für den Einsatz in den Netzstabilitätsanwendungen, wie zum Beispiel als rotierender Phasenschieber .
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Ständerwicklung direkt mit einer Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser, zu kühlen, was in vorteilhafter Weise eine thermische Entkoppelung der Ständerwicklung von der gasgekühlten Rotorwicklung bewirkt. Diese Maßnahme gestattet in Kombination mit einer gezielten Regelung der Rotorwicklungstemperatur unter erhöhtem Gasdruck und damit verstärkter Kühlung an der Grenze zur maximal zulässigen Rotorwicklungs¬ temperatur eine Leistungssteigerung des Generators.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand einer Figur näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig 1 den minimal nötigen Gasdruck je Betriebspunkt bezogen auf die Rotortemperatur.
Erfindungsgemäß wird für Generatoren vorgeschlagen, die ther- mo-mechanischen Belastungen der gasgekühlten Generatorrotorwicklung bei stark schwankenden Erregerströmen durch laufende Variation des Kühlgasdruckes zu reduzieren. Die Rotorwicklung wird auf eine annähernd konstante Temperatur mittels Verände¬ rung des Kühlgasdruckes geregelt, wodurch die Häufigkeit von hohen thermo-mechanischen Spannungen reduziert wird. Die laufende Variation des Kühlgasdruckes ermöglicht eine Re¬ gelung und Begrenzung der Rotorwicklungstemperatur auf einen vorgebbaren Sollwert. Der Sollwert der Temperatur für die Regelung wird anlagenspezifisch, je nach Betriebsart (Grundlast, Spitzenlast, Phasenschieber et cetera) festgelegt. Mit steigender Belastung des Generators wird der Kühlgasdruck am Generator-Rotor erhöht und die Rotorwicklungstemperatur durch gesteigertes Wärmeabfuhrvermögen des Kühlgases nach Möglichkeit konstant gehalten oder die Temperaturänderung minimiert. Die Erfindung ist bevorzugt geeignet für Generatoren mit bürstenloser Erregung, die keinen direkten Messzugang zum Erregerstrom des Generators aufweisen, wodurch die exakte Temperaturerfassung erschwert ist.
Da die Rotorwicklungstemperatur nicht direkt messbar ist, wird in dem Regelalgorithmus (Leittechnik) eine errechnete Wicklungstemperatur in Abhängigkeit des Lastpunktes (Istwert der Wirk- und Blindleistung) und der Kaltgastemperatur (Istwert) hinterlegt TP^ = f(P, Q, TCG) .
Liegt die aktuelle mittlere Rotorwicklungstemperatur unter dem Temperatur- Sollwert, so wird der Generatorüberdruck durch Ablassen des im Generatorgehäuse befindlichen Gases auf einen Minimaldruck, wie zum Beispiel 0 bar oder 0,03 bar, abgesenkt, beziehungsweise gehalten. Das Ablassen des im Gene¬ ratorgehäuse befindlichen Gases kann kontrolliert über geeig¬ nete Ventile und Leitungen, über Dach oder unkontrolliert über Undichtigkeiten am Durchtritt der Generatorwelle durch das Generatorgehäuse und des Generatorgehäuses selbst reali¬ siert werden.
Ist die aktuelle mittlere Rotorwicklungstemperatur größer als der Temperatur- Sollwert, wird der Überdruck des Kühlgases im Generator gesteigert, gegebenenfalls auf einen Maximaldruck, wie zum Beispiel 1 bar bei Luft oder 4 bar bei Wasserstoff, beziehungsweise gehalten. Dies kann zum Beispiel durch das Zuschalten eines Kompressors oder durch die Entnahme des Kühlgases aus einem Tank mit höherem Druck realisiert werden.
Figur 1 zeigt in einem Druckdiagramm (pressurization pattern) den minimal nötigen Gasdruck in bar je Betriebspunkt bezogen auf die Rotortemperatur, wobei die Linie Lim die Begrenzung des Leistungsdiagramms angibt, innerhalb derer der Generator zulässig betrieben werden darf. Dies ist in der Steuerung über eine Logik realisiert. Die Zuodnung zwischen Betriebs¬ punkt des Generators einerseits und erforderlicher Druck des Kühlgases andererseits für eine konstante Rotorwicklungstem- peratur ist in einem Kennfeld der Leittechnik für den Generator abgespeichert und wird für die Steuerung herangezogen.
Unter gasgekühlten Rotorwicklungen sollen hier Rotorwicklungen verstanden werden, die mit Luft, Wasserstoff oder Stickstoff gekühlt werden. Als Kühlmedium des Generatorrotors können verschiedene Gase wie Luft, Wasserstoff oder ein Gemisch, zumindest bestehend aus Helium oder Stickstoff, eingesetzt werden.
Die Erfindung ist auch gegeben durch ein Verfahren zur Rege- lung der gasgekühlten Rotorwicklung eines Generators auf eine konstante Temperatur durch temperaturabhängige oder lastab¬ hängige Steuerung des Kühlgasdruckes.
Die Erfindung ist auch gegeben durch einen gasgekühlten Gene- rator, aufweisend einen Rotor und einen Stator, bei dem eine Solltemperatur für die Rotorwicklung vorgegeben wird,
der erforderliche Kühlgasdruck zur Erreichung der Solltemperatur unter den vorliegenden Betriebsbedingungen, wie zum Beispiel Lastpunkt und Kaltgastemperatur, berechnet wird und der Kühlgasdruck in dem Generator auf den errechneten Wert eingestellt wird.
Die vorliegende Erfindung wurde zu Illustrationszwecken anhand von konkreten Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Dabei können Elemente der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden. Die Erfindung soll daher nicht auf einzelne Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich eine Beschränkung durch die angehängten Ansprüche erfahren .
Bezugs zeichenliste
Incr - Erhöhung des Gasdrucks zur Regelung der Rotorwicklungstemperatur
Lim - Begrenzung des Leistungsdiagramms
P - Wirkleistung, active power
Q - Blindleistung, reactive power
TCG _ Kaltgastemperatur, temperature cold gas
Claims
1. Verfahren zur Reduzierung des Verschleißes der Rotorwicklung eines Generators, der einen Rotor und einen Stator aufweist,
demzufolge
eine Solltemperatur für die Rotorwicklung vorgegeben wird, der erforderliche Kühlgasdruck zur Erreichung der Solltemperatur unter den vorliegenden Betriebsbedingungen berechnet wird und der Kühlgasdruck in dem Generator auf den errechneten Wert eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlgasdruck derart gesteuert wird derart, dass die Ro¬ torwicklungstemperatur vergleichmäßigt oder konstant gehalten wird .
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlgasdruck eingestellt wird derart, dass die Rotorwick¬ lungstemperatur vergleichmäßigt oder konstant gehalten wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
der Sollwert nach Maßgabe der Betriebsart des Generators vor¬ gegeben wird, wobei die Betriebsart Grundlast, Spitzenlast, Phasenschieber umfasst.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
die Berechnung der Rotorwicklungstemperatur nach Maßgabe der Betriebsbedingungen Lastpunkt des Generators und Kaltgastemperatur des Kühlgases erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
es in einem Generator der Bauart mit bürstenloser Erregung durchgeführt wird.
7 . Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche
gekennzeichnet durch
Ausführung im Leitsystem des Generators.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zuordnung von Rotorwicklungstemperatur zur Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen Lastpunkt des Generators und Kühlgasdruck in einem Kennfeld abgespeichert ist.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rotorwicklungstemperatur in Abhängigkeit von dem Betriebsbedingung Temperatur des Kühlgases in einem Kennfeld abgespeichert ist.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
es in einem Generator, dessen Ständerwicklung mit Flüssigkeit gekühlt wird, durchgeführt wird.
Applications Claiming Priority (4)
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|---|---|---|---|
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| DE102017204816.6 | 2017-03-22 | ||
| DE102018202858.3 | 2018-02-26 | ||
| DE102018202858.3A DE102018202858A1 (de) | 2018-02-26 | 2018-02-26 | Regelung der gasgekühlten Rotorwicklung von Generatoren auf eine konstante Temperatur durch temperaturabhängige Steuerung des Kühlgasdruckes |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2018172156A1 true WO2018172156A1 (de) | 2018-09-27 |
Family
ID=61827697
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/EP2018/056378 WO2018172156A1 (de) | 2017-03-22 | 2018-03-14 | Regelung der gasgekühlten rotorwicklung von generatoren auf eine konstante temperatur durch temperaturabhängige steuerung des kühlgasdruckes |
Country Status (1)
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|---|---|
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| DE102012022421A1 (de) * | 2012-11-16 | 2014-05-22 | Rwe Generation Se | Verfahren zur Kühlung einer dynamoelektrischen Maschine |
| DE102014213103A1 (de) * | 2014-07-07 | 2016-01-07 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Rotortemperatur, Computerprogramm, Computerprogramm-Produkt |
| US20160211721A1 (en) * | 2015-01-21 | 2016-07-21 | Siemens Energy, Inc. | Life electric generator |
-
2018
- 2018-03-14 WO PCT/EP2018/056378 patent/WO2018172156A1/de active Application Filing
Patent Citations (3)
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