DE10247905A1

DE10247905A1 - Verfahren zum Hochfahren eines Wellenstranges sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10247905A1
Application number: DE10247905A
Authority: DE
Inventors: Oliver Dr. Drubel; Reinhard Joho
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 2002-10-14
Filing date: 2002-10-14
Publication date: 2004-05-06
Also published as: WO2004036731A1; JP4488896B2; AU2003286191A1; JP2006503536A; US7211989B2; US20050200336A1; EP1554796A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Hochfahren eines Wellenstranges (10, 14, 21, 22), welcher Wellenstrang eine Turbine, insbesondere eine Gasturbine (10), einen Generator (22) und eine Erregermaschine (14) umfasst, die durch eine gemeinsame Welle (21) miteinander verbunden sind, wird die Turbine während eines Anfahrvorgangs mittels einer Hochfahrvorrichtung hochgefahren. DOLLAR A Eine Vereinfachung der Anlage wird dadurch ermöglicht, dass die Erregermaschine (14) als Hochfahrvorrichtung verwendet wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Erzeugung elektrischer Energie. Sie betrifft ein Verfahren zum Hochfahren eines Wellenstranges gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 10.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind z.B. aus der Druckschrift US-A-5,097,195 bekannt.

Mehr und mehr werden Gasturbinen zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt. Dabei wird das in der Gasturbine verbrannte Öl oder Gas in mechanische Bewegungsenergie und anschliessend über einen Generator in elektrische Energie umgewandelt. Die Gasturbine und der Generator sind dabei miteinander verkoppelt und bilden einen Wellenstrang. Die Gasturbine kann erst ab einer bestimmten Drehzahl gezündet werden. Bis zu dieser Drehzahl muss der Wellenstrang durch eine andere Komponente beschleunigt werden. Anschliessend muss diese Komponente noch über einen weiten Drehzahlbereich die Gasturbine stützen.

Heutzutage wird für diesen Anfahrvorgang der Generator selbst eingesetzt. Hierbei arbeitet der Generator nicht als Generator, sondern als Motor. Eine direkte Zuschaltung des Generators zum Netz kommt allerdings aufgrund der benötigten hohen Regelungsgüte des Anfahrvorganges sowie aufgrund der Netz- und Generatorbelastung nicht in Frage. Deshalb ist es heute üblich, den Generator während dieses Vorgangs über einen statischen Frequenzumrichter (Static Frequency Converter SFC) zu speisen. Hierbei bestimmen insbesondere das geforderte Drehmoment bei mittleren bis hohen Drehzahlen die Grösse des SFC. Zusätzlich zu dieser Anfahr- bzw. Hochfahrvorrichtung wird eine zweite Einrichtung benötigt, um die Erregung des Generators zu regeln. Die Erregerwicklung des Generators wird entweder über Schleifringe oder über einen bürstenlosen Erreger gespeist. Bei bürstenloser Erregung kann eine zweite Vorrichtung zur Frequenzwandlung notwendig sein (siehe dazu die eingangsgenannte Druckschrift US-A-5,097,195).

Teilweise wird die Gasturbine aber auch durch einen in die Welle eingreifenden unabhängigen Antrieb angefahren. Dieser kann auf unterschiedliche Weise realisiert sein. Eingesetzt werden hier zum Beispiel Asynchronmotoren mit entsprechenden Frequenzumrichtern.

Nachteilig bei den bekannten Lösungen für den Anfahrvorgang ist der vergleichsweise hohe Aufwand. Beim Hochlauf über den Generator muss der Frequenzumrichter dem Spannungsniveau des Stator-Hauptkreises angepasst werden, und es müssen Schaltmittel zum Abtrennen im generatorischen Betrieb vorgesehen werden. Bei einem unabhängigen Antrieb wird die Mechanik des Wellenstranges komplexer.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Hochfahren eines Wellenstranges zu schalten, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeiden.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 10 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, die am Wellenstrang sitzende Erregermaschine als Hochfahrvorrichtung zu verwenden. Hierdurch kann die sonst übliche SFC-Anlage, die den Generator beim Hochfahren direkt speist, eingespart werden.

Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Erregermaschine einen Erregerrotor mit einer Rotorwicklung und einen Erregerstator mit einer Statorwicklung. Beim Hochfahren wird die Rotorwicklung mit einem Wechselstrom variabler Frequenz und die Statorwicklung mit einem Wechselstrom konstanter Frequenz, insbesondere Netzfrequenz, gespeist. Insbesondere wird zum Speisen der Rotorwicklung der Erregermaschine ein an das Netz angeschlossener Frequenzumrichter verwendet. Es kann aber auch umgekehrt die Statorwicklung mit einem Wechselstrom variabler Frequenz und die Rotorwicklung mit einem Wechselstrom konstanter Frequenz gespeist werden.

Eine weitere Vereinfachung ergibt sich, wenn gemäss einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung der Generator eine Erregerwicklung aufweist, wenn nach Beendigung des Anfahrvorgangs die Rotorwicklung der Erregermaschine die Erregerwicklung des Generators speist, und wenn der Frequenzumrichter zur Regelung der Erregerspannung an die Statorwicklung der Erregermaschine angeschlossen wird oder angeschlossen bleibt.

Die Speisung der Erregerwicklung des Generators durch die Rotorwicklung der Erregermaschine erfolgt vorzugsweise über elektronische Elemente, insbesondere in Form eines rotierenden Gleichrichters, wobei die Rotorwicklung der Erregermaschine über die elektronischen Elemente dauerhaft an die Erregerwicklung des Generators angeschlossen ist, und die elektronischen Elemente durch ein Signal ein- oder ausgeschaltet werden, je nachdem, ob der Wellenstrang hochgefahren wird oder ob der Generator erregt wird.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwicklung der Erregermaschine über steuerbare elektronische Elemente mit einer Erregerwicklung des Generators verbunden ist, die steuerbaren elektronischen Elemente über eine Steuersignalleitung ein- und ausschaltbar sind, und die elektronischen Elemente einen rotierenden Gleichrichter bilden.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammen- hang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

1 in einem vereinfachten Schaltbild ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem beim Hochfahren die Rotorwicklung mit einem Wechselstrom variabler Frequenz und die Statorwicklung mit einem Wechselstrom konstanter Frequenz gespeist wird;

2 in einem zu 1 vergleichbaren Schaltbild ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem beim Hochfahren die Statorwicklung mit einem Wechselstrom variabler Frequenz und die Rotorwicklung mit einem Wechselstrom konstanter Frequenz gespeist wird; und

3 die beispielhaften Kurven der Rotorspannung UR (Kurven A und B) und der Statorspannung U_St (Kurven C und D) beim Hochfahren gemäss der Erfindung mit (Kurven B und D) und ohne (Kurven A und C) Stufentrafo.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form eines vereinfachten Schaltbildes dargestellt. Eine Gasturbine 10, ein Generator 22, von dem nur der Generatorrotor 11 gezeigt ist, sowie eine Erregermaschine 14 sind durch eine gemeinsame Welle 21 verbunden und bilden einen Wellenstrang. Die Erregermaschine 14 hat einen Erregerstator 16 mit einer Statorwicklung 25 und einen Erregerrotor 15 mit einer Rotorwicklung 23. Die Statorwicklung 25 ist über zwei Schalter S1 und S3 wahlweise mit dem Netz 24 oder mit dem Ausgang eines an das Netz 24 angeschlossenen Frequenzumrichters 20 verbindbar. Die Rotorwicklung 23 ist über elektronische Elemente in Form eines rotierenden Gleichrichters 13 mit einer Erregerwicklung 12 im Generatorrotor 11 verbunden. Der rotierende Gleichrichter 13 enthält elektronische Elemente (z.B. Thyristoren), die über eine Steuersignalleitung 18 ein- und ausgeschaltet werden können. Sind die elektronischen Elemente eingeschaltet, ist die Rotorwicklung 23 mit der Erregerwicklung 12 verbunden. Sind die elektronischen Elemente dagegen ausgeschaltet, ist diese Verbindung unterbrochen. Die Rotorwicklung 23 ist über einen weiteren Schalter S2 mit dem Ausgang des Frequenzumrichters 20 verbunden. Ein Stufentransformator 19 kann in den Speisekreis eingefügt werden.

Im Normal- bzw. Dauerbetrieb sind die Schalter S2 und S3 offen, während der Schalter S1 geschlossen ist. Die Statorwicklung 25 der Erregermaschine 14 wird von dem Frequenzumrichter 20 gespeist. Die in der Rotorwicklung 23 induzierte Spannung wird im rotierenden Gleichrichter 13 gleichgerichtet und speist die Erregerwicklung 12 des Generators 22. An der (nicht dargestellten) Statorwicklung des Generators 22 steht die erzeugte elektrische Leistung zur Verfügung. Der Frequenzumrichter 20 kann dabei zur Regelung der Erregerspannung eingesetzt werden.

Beim Anfahrvorgang werden zum Hochfahren des Wellenstranges die Schalter S2 und S3 geschlossen und der Schalter S1 geöffnet. Die Statorwicklung 25 der Erregermaschine 14 wird so aus dem Netz 24 gespeist, die Rotorwicklung 23 über Schleifringe 26 aus dem Frequenzumrichter 20. Über Stromwandler 17 in den Zuleitungen zwischen Stufentransformator 19 und Rotorwicklung 23 werden entsprechende Steuersignale abgenommen und über eine Steuersignalleitung 18 an den rotierenden Gleichrichter 13 weitergeleitet, dessen elektronische Elemente abschalten und so die Verbindung zwischen Rotorwicklung 23 und Erregerwicklung 12 unterbrechen. Die Erregermaschine 14 arbeitet so als Antriebsmotor für den Wellenstrang. Das Anfahrverhalten kann dabei über den Frequenzumrichter 20 gesteuert werden. Ist die für den Betrieb der Gasturbine 10 erforderliche Drehzahl erreicht, kann auf den oben beschriebenen Dauerbetrieb umgeschaltet werden. Der Stufentransformator 19 kann für die schonende Belastung des Frequenzumrichters eingeschaltet sein, wobei die Stufenumschaltung bevorzugt elektronisch durchgeführt wird. Im Rahmen dieses Anfahrvorgangs kann es von Vorteil sein, wenn die Statorwicklung 25 der Erregermaschine 14 bei niedrigen Drehzahlen zunächst mit einem Wechselstrom variabler Frequenz, insbesondere aus dem an das Netz 24 angeschlossenen Frequenzumrichter 20, gespeist wird, und wenn bei dieser Speisung der Statorwicklung 25 der Erregermaschine 14 mit einem Wechselstrom variabler Frequenz der Erregerwiderstand als Belastung benutzt wird.

Die zu 1 umgekehrte Anspeisung ist in 2 wiedergegeben. Hier ist die Rotorwicklung 23 über die Schleifringe 26, den Schalter S2 und ggf. den Stufentransformator 19 an das Netz angeschlossen und wird mit einem Wechselstrom konstanter Frequenz, insbesondere Netzfrequenz, gespeist. Die Statorwicklung 25 dagegen wird aus dem Frequenzumrichter 20 mit einem Wechselstrom variabler Frequenz gespeist.

Die Spannungsverläufe U(r) in Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit r beim Hochfahren sind für die verschiedenen Fälle in 3 dargestellt. Kurve A zeigt die Rotorspannung UR ohne Einsatz des Stufentransformators 19, Kurve B zeigt die Rotorspannung UR mit Einsatz des Stufentransformators 19, Kurve C zeigt die Statorspannung U_SA ohne Einsatz des Stufentransformators 19, Kurve D zeigt die Statorspannung U_St mit Einsatz des Stufentransformators 19.

Insgesamt ergeben sich für die erfindungsgemässe Lösung die folgenden charakteristischen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile:

– Durch die drehzahlvariable Ausführung der Erregermaschine eines bürstenlosen Generators kann die Erregermaschine als Hochfahrvorrichtung eingesetzt werden. Die sonst übliche SFC-Anlage, die den Generator direkt speist, entfällt.
– Ein solcher Hochfahrerreger ermöglicht das Anfahren von Generator-Turbinen, bei denen der Generator eine Hochspannungswicklung besitzt (z.B. beim sogenannten „Powerformer"; siehe dazu M. Leijon – Powerformer – a radically new rotating machine, ABB Review 2 (1998) pp. 21-26), ohne dass die frequenzvariable Einspeisung über einen Zwischentransformator auf die Spannungsebene des Generators hochtransformiert wird und ohne dass eine aufwändige Zusatzwicklung benötigt wird.
– Der Einsatz eines drehzahlvariablen Generators wird durch einen Hochfahrerreger unterstützt, da hierdurch der Generator und die Umrichter allein für den generatorischen Betrieb, nicht aber für den Motorbetrieb ausgelegt werden müssen.
– Die Statorwicklung des Generators wird während des Anlaufes nicht mehr den hochfrequenten Spannungspeaks der Anfahrvorrichtung ausgesetzt. Die Gefahr einer Schädigung der Generatorisolation wird hiermit verringert. Wellenspannungen aufgrund der Spannungspeaks werden ebenfalls verringert.
– Die Lösung ist auch für ein Abbremsen des Wellenstranges geeignet.
– Die Bürsten sind für ein Erregerboosten, d.h., die kurzzeitige Überziehung des Erregerstromes, im Betrieb geeignet.
– Die Bürsten sind im Betrieb abhebbar.
– Das Verfahren und die Anlage können für den Turnbetrieb verwendet werden, bei dem der Wellenstrang langsam gedreht wird.

10: Gasturbine
11: Generatorrotor
12: Erregerwicklung
13: elektronisches Element (rotierender Gleichrichter)
14: Erregermaschine
15: Erregerrotor
16: Erregerstator
17: Stromwandler
18: Steuersignalleitung
19: Stufentransformator
20: Frequenzumrichter
21: Welle
22: Generator
23: Rotorwicklung (Erregermaschine)
24: Netz
25: Statorwicklung
26: Schleifring
S1, S2, S3: Schalter
A,.., D: Kurve

Claims

Verfahren zum Hochfahren eines Wellenstranges (10, 14, 21, 22), welcher Wellenstrang eine Turbine, insbesondere eine Gasturbine (10), einen Generator (22) und eine Erregermaschine (14) umfasst, die durch eine gemeinsame Welle (21) miteinander verbunden sind, bei welchem Verfahren die Turbine während eines Anfahrvorgangs mittels einer Hochfahrvorrichtung hochgefahren wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregermaschine (14} als Hochfahrvorrichtung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregermaschine (14) einen Erregerrotor (15) mit einer Rotorwicklung (23) und einen Erregerstator (16) mit einer Statorwicklung (25} umfasst, und dass beim Hochfahren die Rotorwicklung (23) mit einem Wechselstrom variabler Frequenz und die Statorwicklung (25) mit einem Wechselstrom konstanter Frequenz, insbesondere Netzfrequenz, gespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregermaschine (14) einen Erregerrotor (15) mit einer Rotorwicklung (23) und einen Erregerstator (16) mit einer Statorwicklung (25) umfasst, und dass beim Hochfahren die Statorwicklung (25) mit einem Wechselstrom variabler Frequenz und die Rotorwicklung (23) mit einem Wechselstrom konstanter Frequenz, insbesondere Netzfrequenz, gespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Speisen der Rotorwicklung (23) bzw. Statorwicklung (25) der Erregermaschine (14) ein an das Netz (24) angeschlossener Frequenzumrichter (20) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (22) eine Erregerwicklung (12) aufweist, dass nach Beendigung des Anfahrvorgangs die Rotorwicklung (23) der Erregermaschine (14) die Erregerwicklung (12) des Generators (22) speist, und dass der Frequenzumrichter (20) zur Regelung der Erregerspannung an die Statorwicklung (25) der Erregermaschine (14) angeschlossen wird oder bleibt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisung der Erregerwicklung (12) des Generators (22) durch die Rotorwicklung (23) der Erregermaschine (14) über elektronische Elemente (13), insbesondere in Form eines rotierenden Gleichrichters, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwicklung (23) der Erregermaschine (14) über die elektronischen Elemente (13) dauerhaft an die Erregerwicklung (12) des Generators (22) angeschlossen ist, und dass die elektronischen Elemente (13) durch ein Signal ein- oder ausgeschaltet werden, je nachdem, ob der Wellenstrang (10, 14, 21, 22) hochgefahren wird oder ob der Generator (22) erregt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung (25) der Erregermaschine (14) bei niedrigen Drehzahlen zunächst mit einem Wechselstrom variabler Frequenz, insbesondere aus einem an das Netz (24) angeschlossener Frequenzumrichter (20), gespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Erregerwiderstand bei der Speisung der Statorwicklung (25) der Erregermaschine (14) als Belastung benutzt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, welche Vorrichtung einen Wellenstrang (10, 14, 21, 22) mit einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine (10), einem Generator (22) und einer Erregermaschine (14) umfasst, die durch eine gemeinsame Welle (21) miteinander verbunden sind, sowie Mittel (17, 18, 20; S1,..,S3) zum Hochfahren des Wellenstranges (10, 14, 21, 22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfahrmittel einen ans Netz (24) angeschlossenen Frequenzumrichter (20) umfassen, welcher wahlweise mit einer Rotorwicklung (23) der Erregermaschine (14) verbindbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwicklung (23) der Erregermaschine (14) über steuerbare elektronische Elemente (13) mit einer Erregerwicklung (12) des Generators (22) verbunden ist, und dass die steuerbaren elektronischen Elemente über eine Steuersignalleitung (18) ein- und ausschaltbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Elemente einen rotierenden Gleichrichter (13) bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Frequenzumrichter (20) und der Rotorwicklung (23) der Erregermaschine (14) ein Stufentransformator (19) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregermaschine (14) eine Statorwicklung (25) aufweist, welche wahlweise mit dem Frequenzumrichter (20) oder dem Netz (24) verbindbar ist.