STAL TURBOGENERATOR en kortfattad systembeskrivning

Transkript

1 STAL TURBOGENERATOR en kortfattad systembeskrivning av Björn Lindqvist En turbogenerator kan exempelvis vara en ångturbin med tillhörande generator/generatorer. Under en sådan turbogenerator finns en kondensor placerad vilken kyler av avloppsångan till kondensat. Kondensatet(vattnet) pumpas med en högtryckspump in i ångpannan och omvandlas där åter igen till vattenånga - i ett slutet kretslopp. Den här principen för produktion av el och fjärrvärme är ganska vanlig i Sverige. Sättet hur ångpannan eldas varierar beroende på vilken typ av bränsle man har valt. Det är speciellt en typ av turbinarrangemang som man kan träffa på här och där och det är den s.k. Ljungströmturbinen eller dubbelrotationsturbinen. Ångturbinen är av radialtyp - ångan tillförs i centrum och expanderar utåt mot periferin. Den är därför tvåaxlad med minst en turbinskiva för varje axel och med varsin generator. Alltså är det två generatorer per ångturbin vilket bildar en stycken turbogenerator. Generatorerna roterar båda med samma hastighet men åt motsatt håll. Turbintypen är relativt enkel och har några fördelar. Ångtekniskt sett har den gynnsamma strömningsegenskaper då den faktiskt roterar med det dubbla axelvarvtalet. Varje skiva är försedd med skovelkransar (ringar) och saknar därmed fasta ledskenor (stillastående skovlar) vilket gör att man kan nyttja ett fyra gånger så stort värmefall. Den är dessutom enkel, kompakt, effektiv (hög verkningsgrad) och snabbstartad. Dubbelrotationsturbinen OR Generator Generator Golv (turbinhall) Ångavlopp Vätgaskylda generatorer förekommer Kondensor Magnetiseringsgeneratorer Kylvatteneller fjärrvärmepump Kondensatpump > rev.1

2 Sidvy STAL turbogenerator (föreg.) En sammansatt radial- & axialturbin Krans med skovlar Stor ångturbin utförd som en turbogenerator - enkelroterande axialturbin med flera axialsteg

3 Generatorn - ur en principiell synvinkel Stator 3000 v/m Axel Rotor Stator Ankarlindning: L1 L2 Fältlindning: - magnetiserbar rotor (2-polig) Rotor Stator L3 För magnetiseringen används likström. Genom att ändra spänningen kan strömmen styras och därmed magnetiseringsgraden. - Det är själva magnetiseringsgraden* av rotorn som bestämmer generatorns avgivna el-effekt men det förutsätter även att ångventilen till turbinen öppnar upp för mera ånga. Regleringen är utförd så att båda följs åt och det fungerar så att man mäter spänningen på generatorns faser. Om spänningen då sjunker så ökas magnetiseringsgraden i rotorn automatiskt. Samtidigt eller dessförinnan har ångventilen öppnat för mera ånga. Genom att manipulera dessa två storheter kan olika resultat uppnås. En ensam generator kan aldrig påverka frekvensen eller för den delen spänningen i nätet. Man säger att nätet är starkt eller ett starkt nät. Om man tänker sig en tandemcykel med många som trampar och att någon vill trampa hårdare så ökar effekten högst marginellt men detta kan då kompenseras av någon enskild trampande person, eller så kan alla de andra minska sin andel något. Då frekvensen ska vara 50 Hz måste tandemcykeln (i just den här jämförelsen) hela tiden ha samma hastighet. En generator kan kopplas ifrån nätet när som helst men innan man kopplar in en generatorn måste rotorn ha samma hastighet och även samma läge i förhållande till det roterande magnetfältet (som nätet orsakar). Skulle en infasning ske utan att dessa villkor vore uppfyllda kan det leda till en kraftig strömstöt på kraftnätet beroende på hur stor avvikelse i hastighet och läge det rör sig om. En turbin kan haverera om dess skovlar skulle lossna. Det kan leda till en dominoeffekt med många skovlar inblandade. Så p.g.a. den uppkomna obalansen havererar turbinen s.k. turbinsallad. Ett sådant haveri kan t ex orsakas av att vatten av någon anledning befinner sig i turbinhuset. * Synkrongeneratorns Emk beror på Imagn. och Iankar enligt Er = f(im;ia;φ).

4 Blockschema över reglersystemet för en STAL-turbin Vi har alltså två parallellkopplade huvudgeneratorer som producerar den omvandlade energin från ångturbinens axel till elektrisk energi. De två andra - extra - generatorerna som bara finns på den ena generatorn ser endast till att rotorerna får sin nödvändiga magnetisering tillgodosedd. Tyristordioder PMG G G G Likriktardioder Permanentmagnet symbol Strömmen tas ut från respektive stator och likriktas därefter. Från den minsta generatorn med permanentmagneterna likriktas strömmen samtidigt som den regleras. Detta åstadkommer man med tyristorer. Tyristorn är en halvledardiod med ett styre och via styret kan man bestämma när dioden ska öppnas. Principen är mycket snarlik manövreringen av likströmsmotorn i elektriska lok (RC-lok). Tyristorerna i det här sammanhanget ska tåla höga strömstyrkor och är lite speciella i det avseendet. Den likriktade strömmen tar sedan vägen in i rotorn på den andra extrageneratorn via två borstar. Det är strömmen och inte spänning som ger upphov till magnetfältet i rotorn men då fältlindningen har en bestämd impedans kan man reglera strömmen via spänningen. Spänningen hackas ner av nämnda tyristorer för att sedan matas in i rotorn. Rotorfältlindningarna i huvudgeneratorerna är seriekopplade så den ström som flyter i den ena rotorn är densamma som i den andra. Detta är nödvändigt då de två generatorerna ska vara helt identiska (elektriskt sett). Även i huvudgeneratorerna har man alltså borstar. Regleringen av fältströmmen styrs via automatik men kan även väljas att styras manuellt. I manuellt läge kan man reglera den reaktiva effekten. Med en synkrongenerator har man då denna extra resurs att ta till i vissa situationer. Man kan alltså välja att antingen tillföra mer fältström än nödvändigt eller mindre fältström än nödvändigt. Väljer man det första fallet med högre ström så blir rotorn Övermagnetiserad och generatorerna levererad då reaktiv effekt till kraftnätet. I det andra fallet med mindre fältström blir generatorerna undermagnetiserade och då förbrukas reaktiv effekt från kraftnätet. Förutom att producera elenergi, kan man alltså (och samtidigt) faskompensera nätet.

5 Generellt kretsschema över reglersystemet för elgeneratorerna till en STAL-turbin - som här avser två synkrongeneratorer L1 L2 L3 AUTOMATISK DEL MANUELL DEL H/A V SRE SPE TRAFO SRE styrregler enhet SPE styrpuls enhet M G G G PMG # Undermagnetiserad Generatorn förbrukar reaktiv effekt. = Induktiv reaktans (spole). # Övermagnetiserad Generatorn producerar reaktiv effekt. = Kapacitiv reaktans (kondensator). Alla generatorer är av typen trefas och alstrar därmed växelström vilka likriktas, förutom de två huvudgeneratorerna. Förövrigt kallas den andra hjälpgeneratorn för huvudmatare och den minsta för hjälpmatare. Hjälpmataren är uppbyggd av permanentmagneter som på det viset levererar magnetiseringströmmen till huvudmataren. Benämningen är permanentmagnetgenerator eller PMG.

6 Ljungströmturbinen eller STAL-turbinen är en svensk uppfinning. STAL är en förkortning av Svenska Turbinfabriks Ab Ljungström slogs STAL ihop med AB de Lavals Ångturbin och några år senare antogs det nya namnet: STAL-LAVAL Turbin AB. Birger Ljungström Gustaf de Laval Tvåpolig höghastighetsrotor med synliga fältlindningar > Axiala ångturbintyper >