bland annat på grund av den höga totalverkningsgrad

Transkript

1 Powerformer till svenskt kraftvärmeverk Powerformer, en helt ny typ av generator som utvecklats av ABB, har valts för Eskilstunas nya kraftvärmeverk. Detta är den första kommersiella beställningen av en Powerformer till värmekraftsektorn. Generatorn har märkeffekten 4 MVA vid 136 kv och 3000 r/min. Den ansluts direkt till befintligt ställverk på 136 kv och behöver inte någon transformator. Livscykelkostnaden för Powerformer beräknas vara 1 % lägre än för en konventionell generator. D et kommunala energibolaget Eskilstuna Energi & Miljö AB har valt Powerformer till sitt nya kraftvärmeverk. Beslutet fattades på grundval av en analys av livscykelkostnad, som jämförde den totala ekonomin för en konventionell anläggning med ett kraftverk baserat på den nya generatortekniken Powerformer. Anläggningen ska byggas vid ett befintligt fjärrvärmeverk i Eskilstuna. Driftsättning är planerad år 000 och kraftverket beräknas vara i drift under ca 000 timmar per år 1. Kraftvärmeverksprojektet i Eskilstuna Det nya kraftvärmeverket i Eskilstuna får en elektrisk effekt på 38 MW och ska dessutom producera 71 MW värme. Ytterligare 1 MW värme kan återvinnas ur rökgaserna. Anläggningen ska eldas med biomassa, i första hand skogs- och sågverksavfall. Ånga från pannan på 110 MW ska mata en ångturbin som levereras av ABB Stal AB. Turbinen är av tvåhustyp med en högtrycks- och en lågtrycksdel. Powerformer-generatorn, som byggs av ABB Generation AB, ska drivas från båda ändarna av de båda turbinmodulerna. Kraftbolaget valde Powerformer bland annat på grund av den höga totalverkningsgrad och enkla struktur som går att uppnå med det innovativa konceptet. Båda dessa faktorer beräknas sänka livscykelkostnaden för Eskilstunas kraftvärmeverk. Lars Andersson Eskilstuna Energi & Miljö AB Mats Kjellberg Christer Parkegren Torbjörn Sörqvist Annika Karlsson Kåre Gundersen ABB Generation AB Powerformer en helt ny högspänningsgenerator Powerformer tillämpar ny generatorteknik för att generera elkraft på högspänningsnivå. Med Powerformer är det inte nödvändigt att transformera generatoreffekten till högre spänningsnivå, som fallet är med konventionella generatorer. Genom att eliminera transformatorn kan kraftverkets elektriska verkningsgrad ökas med 0, till,0 procentenheter i förhållande till konventionella anläggningar. Powerformer revolutionerar den etablerade, traditionella generatortekniken och utgör en milstolpe inom elkraftteknikens historia [1]. Vid en första anblick ser en Powerformer ut som en konventionell luftkyld turbogenerator 3. Den bygger också i huvudsak på beprövad teknik, exempelvis: Luftkyld cylindrisk -polig rotor Borstlös magnetisering Piedestallager Laminerad statorkärna Cylindrisk statorstomme Högspänningskablar som statorlindning I Powerformer används högspänningskablar med XLPE-isolation som statorlindning, istället för den komplexa struktur av isolerade kopparledare med rektangulärt tvärsnitt som används i konventionella generatorer. Idag finns det XLPE-isolerade högspänningskablar för spänningar upp till 400 kv. När den XLPE-isolerade kabeln introducerades på 1960-talet förekom det till en början problem med tillförlitligheten, orsakade av bristande styrning av tillverkningsprocessen. Dessa problem har sedan länge lösts och dagens högspänningskablar av XLPE-typ uppvisar imponerande prestanda. En jämförelse mellan konventionella generatorlindningar och sådana som bygger på XLPE-isolerad högspänningskablar visar att kabelvarianten har färre fel. Användning av högspänningskablar innebär vissa viktiga fördelar. För det första ger den cirkulära ledargeometrin ett jämnare fördelat elektriskt fält. Detta betyder att påkänningen på isolationsmaterialet blir likformig. För det andra har kabeln en isolationsförmåga på 10 kv/mm, ett mycket högre värde än de 3 kv/mm som dagens konventionella generatorlindningar erbjuder. ABB Tidning 3/

2 Arkitekt-vy av Eskilstunas kraftvärmeverk 1 Processchema för Eskilstunas kraftvärmeverk 1 Panna Kondensorer för fjärrvärme Högtrycksångturbin 6 Lågtrycksförvärmare 3 Lågtrycksångturbin 7 Avluftare 4 Powerformer (högspänningsgenerator) 8 Högtrycksförvärmare Kombinationen av dessa båda faktorer tillåter en dramatisk ökning av den genererade spänningen. Användning av högspänningskablar garanterar också fullständig isolation av generatorlindningen. Med detta arrangemang minimeras risken för partiell urladdning samt interna två- och trefasfel. Statorströmmen är betydligt lägre än i konventionella generatorer på grund av den högre genererade spänningen. Den låga strömmen medför att de mekaniska krafter som påverkar härvändarna blir låga. Följden är att härvändstagningarna kan göras enklare än i en konventionell generator. 0 ABB Tidning 3/1999

3 Powerformer-generator på 136 kv för Eskilstunas nya kraftvärmeverk 3 Kylsystem Powerformer har två kylsystem, båda av konventionell och beprövad typ. Rotorn och härvändarna luftkyls av ett slutet ventilationssystem där luften återkyls i luft-/vattenkylare. Statorkärnan är vattenkyld med hjälp av kylvattenrör som löper axiellt genom kärnan. Kylvatten av normal kvalitet kan användas eftersom vattnet förblir vid nollpotential. reaktanser i samma storleksordning som traditionella lösningar med generator och transformator. Kortslutningsströmmarna i högspänningsställverket ökar alltså inte. Minskad miljöpåverkan En annan viktig fördel med Powerformer är att dess höga verkningsgrad minskar kraftverkets totala miljöbelastning. Powerformer innehåller för övrigt färre miljöskadliga ämnen. Exempelvis förekommer ingen epoxyharts, ett material som används för att impregnera statorlindningarna i konventionella generatorer. Eftersom det inte behövs någon transformator till en Powerformer försvinner hela problemet med tonvis av Förluster och reaktanser Förlusterna i Powerformer är av samma storleksordning som i traditionella generatorer, men annorlunda fördelade. Kopparförluster, tillsatsförluster och ventilationsförluster är lägre, medan järnförlusterna är högre. Verkningsgraden för en Powerformer ligger normalt i området 97, till 98, %. För kraftvärmeverket i Eskilstuna ligger verkningsgraden på 98, % (tabell 1). Powerformer kan konstrueras med Tabell 1: Powerformer för Eskilstunas kraftvärmeverk: tekniska data Uteffekt MVA 4 Effektfaktor 0,93 Spänning kv 136 Varvtal rev/min 3000 Frekvens Hz 0 Kylning Rotor IC8A1W7 (luft) Härvändar IC8A1W7 (luft) Statorkärna IC9W7W7 (vatten) Verkningsgrad 98, % ABB Tidning 3/1999 1

4 Tabell : Analys av livscykelkostnaden för Eskilstunas kraftvärmeverk Anläggning baserad Konventionell på Powerformer anläggning (%) (%) Investeringar Powerformer, 136 kv 100 Generator, 11 kv 44 Generatorskenstråk och ställverk, 11 kv 7 Transformator, 11/136 kv 6 Transformatorbyggnad Drift och underhåll Verkningsgrad, 400 kwe lägre uteffekt Tillgänglighet, 0 timmar mindre per år 11 Underhåll Reaktiv effekt Miljöbelastning Totalt Villkor: Ränta 6 % Driftstimmar per år 000 Livscykel 0 år Förlustvärdering USD /MWh Generatorställverk på 11 kv-nivån behövs inte. Ingen 11/136 kv-transformator behövs. Ett antal mindre komponenter, exempelvis strömtransformatorer, spänningstransformatorer och ventilavledare, kan också elimineras. Följden är att det nya kraftvärmeverket i Eskilstuna blir betydligt enklare än en konventionell anläggning. Powerformer har alla de vanliga skyddsfunktionerna, som överspänningsskydd, generatorskydd och kabelskydd. Vad jordningen beträffar utnyttjar Powerformer systemjordningen i 136 kv-ställverket. Generatorns nollpunkt skyddas av en ventilavledare. På grund av det mindre antalet komponenter räknar kraftbolaget med att den nya Eskilstuna-anläggningen ska bli billigare i underhåll. olja i transformatortanken. Inte heller finns det några oljebaserade isolations- och kylsystem som annars utgör potentiell brandfara och risk för oljeläckage. Andra faktorer är de svagare elektriska och magnetiska fälten som ger en säkrare arbetsmiljö i anläggningen. Enklare och effektivare elektrisk anläggning Färre komponenter Generatorklämmorna är via högspänningskablar direkt anslutna till 136 kvställverket. Ställverket ligger ca 1,3 km från kraftvärmeverket. En 136 kv-brytare övertar den konventionella generatorbrytarens funktion. Lösningen medför vissa viktiga fördelar för kraftverket 4 : Inget skenstråk på 11 kv-nivån behövs. Tabell 3: Powerformer för värmekraft (uteffektområde 0 00 MW) Uteffekt MW 0 00 Spänning kv 0 Varvtal r/min 3000/3600 Frekvens Hz 0/60 Drivning Ångturbin/gasturbin Enkeländsdrift/ dubbeländsdrift Högre verkningsgrad och tillförlitlighet Genom att eliminera generatorskenstråken, generatorställverket och transformatorn minskar förlusterna med ca 400 kw. Utan dessa komponenter beräknas dessutom tillgängligheten för Eskilstuna-anläggningen bli högre än i en konventionell anläggning motsvarande ca 0 produktionstimmar per år. Det är inte bara de aktiva förlusterna som minskar. En transformator förbrukar även reaktiv effekt. Eftersom transformatorn elimineras, och därmed behovet av reaktiv effekt, står mera reaktiv effekt till förfogande för nätet för att möta tillfälliga interna behov. Högre verkningsgrad har ytterligare två viktiga fördelar. Mer elektrisk energi kan genereras med samma bränsleåtgång, eller samma mängd elektrisk energi kan produceras med mindre bränsle. I båda fallen uppstår kommersiella och miljömässiga fördelar. ABB Tidning 3/1999

5 1 procent lägre livscykelkostnad Powerformer har utvecklats som ett svar på kraftindustrins krav på effektivare drift och lägre underhållsbehov för sina genereringsanläggningar. Powerformer erbjuder fördelar i teknisk prestanda som kan omsättas till ekonomisk vinst. Eskilstuna Energi & Miljö valde Powerformer-tekniken på grund av dess potential att skapa kostnadseffektiva och miljövänliga lösningar för produktion av elkraft. Kraftbolaget räknar med att investeringen ska återbetala sig på 7 10 år. En analys som genomförts av kraftbolaget visar att livscykelkostnaden för en anläggning baserad på Powerformer-tekniken bör bli 1 % lägre än för en konventionell anläggning (tabell ). Denna analys tog bland annat hänsyn till investeringskostnader, räntor, driftskostnader och vinstkrav kV 136kV kV 7 6 a b Powerformer kan nu levereras för effekter från 0 till 00 MW Grundläggande i Powerformer-tekniken är att högspänningskabel används istället för konventionella statorledare. Denna teknik kan i princip utnyttjas för alla roterande elektriska maskiner. ABB utvecklar nu Powerformer-konceptet för olika tillämpningar och för närvarande kan tekniken levereras för såväl vattenkraftverk som värmekraftverk. Då det gäller värmekraftverk finns Powerformer för närvarande tillgänglig i effektområdet från 0 till 00 MW och för spänningar från till 0 kv (tabell 3). Utvecklingen fortsätter med målet att öka såväl uteffekt som spänning. Den elektriska delen Powerformer (a) i jämförelse med en konventionell anläggning (b) 1 Powerformer (högspänningsgenerator) Konventionell 11 kv-generator 136 kv-kabel (1,3 km) 6 11 kv-generatorbrytare kv-brytare 7 11 kv-skenstråk (fungerar som generatorbrytare) 8 11/136 kv-transformator kv-skenstråk kv-brytare Referenser [1] Leijon, M.: Powerformer radikalt nytänkande bakom ny elektrisk maskin. ABB Tidning /98, 1 6. Författarnas adresser Lars Andersson Eskilstuna Energi & Miljö AB Mats Kjellberg Christer Parkegren Torbjörn Sörqvist Annika Karlsson Kåre Gundersen ABB Generation AB S Västerås Fax: mats.kjellberg@segen.mail.abb.com 4 ABB Tidning 3/1999 3