DE102012022421A1 - Method for cooling e.g. two-pole turbogenerator, with closed cooling gas circuit, involves controlling gas pressure within cooling gas circuit in dependence of actual operating point of direct current generator-electrical machine - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung einer dynamoelektrischen Maschine, insbesondere zur Kühlung eines Generators mit einem geschlossenen Kühlgaskreislauf. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Kühlung eines Turbogenerators, der beispielsweise von schnelllaufenden Gas- oder Dampfturbinen angetrieben wird.The invention relates to a method for cooling a dynamoelectric machine, in particular for cooling a generator with a closed cooling gas circuit. In particular, the invention relates to a method for cooling a turbogenerator which is driven, for example, by high-speed gas or steam turbines.
Einzelne Bauteile eines elektrischen Generators erwärmen sich während des Betriebs derart, dass eine Kühlung erforderlich ist. Es sind verschiedene Kühlungsverfahren bekannt, wie beispielsweise Luftkühlung, Wasserkühlung und Wasserstoffkühlung. Das Kühlmedium wird hierbei durch Kühlleitungen durch die verschiedenen zu kühlenden Bauteile des elektrischen Generators geführt.Individual components of an electric generator heat up during operation such that cooling is required. Various cooling methods are known, such as air cooling, water cooling and hydrogen cooling. The cooling medium is guided here by cooling lines through the various components to be cooled of the electric generator.
Bei Turbogeneratoren im Leistungsbereich von zwischen 250 und 700 MW erfolgt die Kühlung meistens mittels Wasserstoff, dessen große spezifische Wärmekapazität gegenüber Luft eine wirksamere Kühlung ermöglicht. Der Wasserstoff wird üblicherweise innerhalb eines geschlossenen Kühlkreislauf unter einem Druck von etwa bis zu 7 bar geführt. In der Regel wird das Kühlgas durch entsprechende Kanäle der Statorwicklung beziehungsweise Ständerwicklung hindurch geleitet und gibt seine Wärme über entsprechende Wärmetauscher an die Umgebung ab.For turbogenerators in the power range of between 250 and 700 MW, cooling is mostly done by means of hydrogen, whose high specific heat capacity compared to air enables more efficient cooling. The hydrogen is usually conducted within a closed cooling circuit under a pressure of about up to 7 bar. In general, the cooling gas is passed through corresponding channels of the stator winding or stator winding through and gives its heat via appropriate heat exchanger to the environment.
Der Ventilationsleistungsbedarf in einem gasgekühlten Turbogenerator ist etwa proportional zum Volumenstrom und der Gasdichte des Kühlgases, die wiederum abhängig vom Kühlgasdruck und der Temperatur ist.The ventilation power requirement in a gas-cooled turbo-generator is approximately proportional to the volume flow and the gas density of the cooling gas, which in turn is dependent on the cooling gas pressure and the temperature.
Üblicherweise wird der Gasdruck in dem Kühlgaskreislauf in Abhängigkeit von der jeweils zu erwartenden Wärmefracht bei einer auslegungsgemäßen maximalen elektrischen Leistung des Generators gewählt.Usually, the gas pressure in the cooling gas cycle is selected as a function of the respective heat load to be expected for a maximum electrical output of the generator designed according to the design.
Generatoren, insbesondere 2-polige Turbogeneratoren, mit elektrischen Leistungen von über 250 MW finden überwiegend in fossil gefeuerten Kraftwerken Anwendung und werden von Dampfturbinen bzw. Gasturbinen angetrieben.Generators, in particular 2-pole turbogenerators, with electrical outputs of more than 250 MW are mainly used in fossil-fired power plants and are powered by steam turbines or gas turbines.
Bekanntermaßen stellen fossil gefeuerte Kraftwerke den sogenannten Grundlastbedarf im Energiemarkt sicher und sind daher eigentlich nicht für wechselnde Lastanforderungen ausgelegt.As is known, fossil-fired power plants ensure the so-called base load demand in the energy market and are therefore not actually designed for changing load requirements.
Da in jüngster Zeit vermehrt Strom aus volatilen Energiequellen in das Stromnetz eingespeist wird, ist es erforderlich, auch solche Kraftwerke mit wechselnder Leistung zu betreiben.Since more recently electricity from volatile energy sources is fed into the power grid, it is necessary to operate such power plants with varying power.
Auch bei wechselnder Last ist es Ziel, Generatoren nah am Wirkungsgradoptimum zu betreiben.Even with changing loads, the aim is to operate generators close to optimum efficiency.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kühlung einer dynamoelektrischen Maschine, insbesondere ein Verfahren zur Kühlung eines Generators bereitzustellen, welches einem optimalen Wirkungsgrad der elektrischen Maschine bei wechselnden Lastanforderungen Rechnung trägt.The invention is therefore based on the object to provide a method for cooling a dynamoelectric machine, in particular a method for cooling a generator, which takes into account optimal efficiency of the electric machine with changing load requirements.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Kühlung einer dynamoelektrischen Maschine, insbesondere zur Kühlung eines Generators mit einem geschlossenen Kühlgaskreislauf, wobei das Verfahren die Überwachung des Gasdrucks innerhalb des Kühlgaskreislaufs umfasst, wobei der Gasdruck innerhalb des Kühlgaskreislaufs in Abhängigkeit des tatsächlichen Betriebspunktes der dynamoelektrischen Maschine geregelt wird.The object is achieved by a method for cooling a dynamoelectric machine, in particular for cooling a generator with a closed cooling gas circuit, wherein the method comprises monitoring the gas pressure within the cooling gas circuit, wherein the gas pressure within the cooling gas circuit controlled in dependence on the actual operating point of the dynamoelectric machine becomes.
Diesem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer Absenkung des Kühlgasdrucks bei Verringerung der Generatorlast eine beachtliche Reduktion der Ventilationsverluste beziehungsweise Reibungsverluste innerhalb des Generators erzielt werden kann.This method is based on the finding that a reduction in the cooling gas pressure while reducing the generator load, a considerable reduction of the ventilation losses or friction losses can be achieved within the generator.
Wie eingangs bereits erwähnt, ist der Ventilationsleistungsbedarf (die Reibungsverluste) in einem gasgekühlten Generator beispielsweise mit Radial- und/oder Axialventilator mit oder ohne Leitrad, proportional zum Volumenstrom und der Druckerhöhung. Bei einem anderen Gasdruck ändert sich die vom Ventilator benötigte Leistungsaufnahme an der Welle proportional zur sich einstellenden Dichte des Kühlgases. Diese Leistungsaufnahme des Ventilators wird als Ventilationsverlust bezeichnet. Der Volumenstrom des Gases bleibt dabei konstant. Versuche beim Betrieb eines 800 MVA Turbogenerators haben überraschenderweise gezeigt, dass bei Betrieb des Generators im Mindestlastpunkt eine deutliche Kühlgasdruckabsenkung möglich ist, ohne dass sich das Temperaturverhalten des Generators signifikant verändert. Das theoretisch erzielbare Einsparpotenzial bei einem 800 MVA Generator bei Betrieb auf Halblast und entsprechender Druckreduzierung um beispielsweise 2 bar ermöglicht eine Reduktion der Reibungsverluste um etwa 1 MW.As already mentioned, the ventilation power requirement (the friction losses) in a gas-cooled generator, for example with a radial and / or axial fan with or without a stator, is proportional to the volume flow and the pressure increase. At a different gas pressure, the power consumption at the shaft required by the fan changes in proportion to the density of the cooling gas. This power consumption of the fan is referred to as ventilation loss. The volume flow of the gas remains constant. Experiments in the operation of a 800 MVA turbogenerator have surprisingly shown that when operating the generator at the minimum load point a significant cooling gas pressure drop is possible without the temperature behavior of the generator changed significantly. The theoretically achievable savings potential of an 800 MVA generator operating at half load and corresponding pressure reduction by 2 bar, for example, enables a reduction of the friction losses by about 1 MW.
Zweckmäßigerweise wird der Gasdruck innerhalb des Kühlgaskreislaufs zwischen einem vorgegebenen Maximaldruck bei Volllast und einem reduzierten Druck bei Teillast der dynamoelektrischen Maschine geregelt.Advantageously, the gas pressure within the cooling gas circuit between a predetermined maximum pressure at full load and a reduced pressure at partial load of the dynamoelectric machine is controlled.
Bei einer besonders bevorzugten Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der Gasdruck des Kühlgaskreislaufs in Abhängigkeit der tatsächlichen Lastkurve, vorzugsweise in Abhängigkeit des Ständerstroms der dynamoelektrischen Maschine geregelt wird.In a particularly preferred variant of the method according to the invention it is provided that the gas pressure of the cooling gas cycle in dependence of the actual load curve, preferably in Dependence of the stator current of the dynamoelectric machine is regulated.
Beispielsweise kann der Kühlgasdruck zwischen etwa 3,5 und 7 bar, vorzugsweise zwischen 4 und 7 bar geregelt werden.For example, the cooling gas pressure between about 3.5 and 7 bar, preferably regulated between 4 and 7 bar.
Zweckmäßigerweise wird das Kühlgas bei einer Erhöhung des Kühlgasdrucks aus einer Kühlgasquelle eingespeist und bei einer Reduzierung des Kühlgasdrucks ausgespeist und/oder abgeblasen.The cooling gas is expediently fed from a cooling gas source when the cooling gas pressure is increased and it is fed out and / or blown off when the cooling gas pressure is reduced.
Eine solche wechselweise Erhöhung und Reduzierung des Kühlgasdrucks stellt eine gewollte Leckage des Systems dar, so dass es sinnvoll und zweckmäßig ist, wenn der Volumenstrom des eingespeisten und ausgespeisten und/oder abgeblasenen Kühlgases erfasst und bilanziert wird.Such an alternating increase and reduction of the cooling gas pressure represents a deliberate leakage of the system, so that it makes sense and expedient if the volume flow of the injected and exhausted and / or blown off cooling gas is detected and accounted for.
Der Kühlgasdruck wird zweckmäßigerweise bei Verringerung des Ständerstroms der elektrodynamischen Maschine reduziert und bei Erhöhung des Ständerstroms oder bei einem unzulässigen Temperaturanstieg der Ständerwicklung der elektrodynamischen Maschine erhöht. Die Temperatur der Ständerwicklung der elektrodynamischen Maschine wird hierzu überwacht und als Störgröße in der zuvor beschriebenen Sollwertregelung verwendet.The cooling gas pressure is expediently reduced when the stator current of the electrodynamic machine is reduced and increased when the stator current is increased or when the temperature of the stator winding of the electrodynamic machine is increased. The temperature of the stator winding of the electrodynamic machine is monitored for this purpose and used as a disturbance variable in the setpoint control described above.
Als Maß für den tatsächlichen Betriebspunkt der dynamoelektrischen Maschine kann auch der Erregerstrom oder die Scheinleistung herangezogen werden. Zur Temperaturüberwachung kann zusätzlich oder alternativ die Temperatur aller Hauptkomponenten der Maschine einschließlich der Warmgastemperatur herangezogen werden.As a measure of the actual operating point of the dynamoelectric machine and the excitation current or the apparent power can be used. For temperature monitoring, the temperature of all main components of the machine, including the hot gas temperature, can additionally or alternatively be used.
Als Kühlgas wird zweckmäßigerweise Wasserstoff verwendet, der beispielsweise aus einem Vorratslager, beispielsweise einem Flaschenlager in den Kühlgaskreislauf eingespeist wird.As the cooling gas hydrogen is suitably used, which is fed for example from a storage, for example, a bottle warehouse in the cooling gas cycle.
Der beispielsweise bei einem Gasvorratsdruck von etwa 200 bar bevorratete Wasserstoff wird hierzu zweckmäßigerweise mehrstufig auf den benötigten Kühlgasdruck entspannt. Über Gasdruckregelventile kann der Druck unmittelbar in Abhängigkeit vom Ständerstrom oder einer anderen Führungsgröße wie dem Erregerstrom oder der Scheinleistung der elektrodynamischen Maschine geregelt werden. Der Ständerstrom bildet die Führungsgröße, der Kühlgasdruck die Regelgröße, die Temperatur der Ständerwicklung oder einer anderen Hauptkomponente der elektrodynamischen Maschine die Störgröße.The hydrogen stored, for example, at a gas supply pressure of about 200 bar, is expediently expanded in several stages to the required cooling gas pressure. With gas pressure control valves, the pressure can be controlled directly depending on the stator current or other command variable such as the excitation current or the apparent power of the electrodynamic machine. The stator current forms the reference variable, the cooling gas pressure the controlled variable, the temperature of the stator winding or another main component of the electrodynamic machine the disturbance.
Der Kühlgasdruck wird nur innerhalb des zulässigen Temperaturfensters für die Wicklungstemperatur geändert und in jedem Fall erhöht, wenn die Wicklungstemperatur einen zulässigen Maximalwert überschreitet.The cooling gas pressure is changed only within the allowable temperature window for the winding temperature and in any case increased when the winding temperature exceeds a permissible maximum value.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.The invention will be explained below with reference to an embodiment with reference to the accompanying drawings.
Es zeigen:Show it:
Es wird zunächst Bezug genommen auf
In der Kühlgasableitung
Die Volumenstrommesseinrichtungen
Das Regelschema ist in
Wird der Generator
Die Temperatur der Ständerwicklung des Generators
Überschreitet die Temperatur der Ständerwicklung einen vorgegebenen Wert, wird die Messstelle
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Generatorgenerator
- 22
- KühlgaseinspeisungCooling gas supply
- 33
- KühlgasableitungCooling gas discharge
- 44
- Gasflaschengas cylinders
- 55
- GasdruckreduzierungGas pressure reduction
- 66
- erste Volumenstrommesseinrichtungfirst volume flow measuring device
- 77
- erstes Regelventilfirst control valve
- 88th
- SollwertrechnerSetpoint calculator
- 99
- zweites Regelventilsecond control valve
- 1010
- zweite Volumenstrommesseinrichtungsecond volume flow measuring device
- 1111
- MesswerterfassungData acquisition
- 1212
- VolumenstrombilanzierungFlow accounting
- 1313
- Messstellemeasuring point
Claims (9)
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