Kvalitetsaspekter vid val av generator för vattenkraft. Småkraftdagene, Ålesund 2015 Fredrik Segervall

Transkript

1 Kvalitetsaspekter vid val av generator för vattenkraft Småkraftdagene, Ålesund 2015 Fredrik Segervall

2 Kvalitetsaspekter vid val av generator Vattenkraft 1. 2 Elektriska aspekter 1. Spänning vs lindningstyp Isolationsklass vs temperaturstegringsklass 3. Verkningsgrader 4. FIKS Rusningsvarvtal Turbinarrangemang och krafter på generatorstruktur och lager 3. Kortslutningskrafter, FRT (Fault-Ride-Through) FIKS H-värde / Svänghjul FIKS Axelkonfigurationer och relaterade montagearrangemang (IM)

3 Elektriska aspekter 1. Spänning vs lindningstyp «Random winding» V «Formed wound coils» 1000 V Vissa fabrikat använder random winding upp till 1000 V. Hållbarhet?

4 Elektriska aspekter Isolationsklass vs temperaturstegringsklass ISOLATIONSKLASS ( Insulation class ) IEC definerar att ett isolationssystem som utsätts kontinuerligt för sin designtemperatur har en förväntat livstid på timmar Isolationsklass Designtemperatur H 180 C F 155 C B 130 C (Referensdocument: IEC 60085) TEMPERATURSTEGRINGSKLASS ( Temp.rise class ) Högsta tillåtna temperaturskillnad mellan stator/rotor och omgivande luft (typiskt 40 C) när generatorn körs under nominella förhållanden Temperaturstegring H F sklass (Referensdocument: IEC Tabell 7, 125 Resistansmetoden) K 105 K Temperaturgräns 4 B 80 K

5 Elektriska aspekter Isolationsklass vs temperaturstigningsklass Definition enligt följande: Termisk marginal = Isolationsklasstemperatur Drifttemperatur Där: Driftstemperatur = Temperaturstegringsklass Omgivningstemperatur Notera: När en generators isolation/temp.rise benämns H / F, Definerar första bokstav isolationsklass Och andra bokstav temperaturstegringsklass 5

6 Elektriska aspekter Isolationsklass vs temperaturstegringsklass H/F vs F/B Termisk marginal = Isolationsklasstemperatur Driftemperatur 200 Temperatur definerad för isolationsklass H : 180 C Temp eratur ( C) Termisk marginal: 35 K Class B Temp. Rise: 80 K 40 Omgivningstemperatur Omgivningstemperatur 0 Isolationsklass H och Temperaturstegringsklass F 6 Isolationsklass F och Temperaturstegringsklass B Temperatur definerad för isolationsklass F: 155 C Driftstemperatur : 120 C Class F Temp. Rise: 105 K Driftstemperatur: 145 C 120 Termisk marginal: 35 K Generatorer designade med F / B eller H / F har samma termiska marginal och därmed samma livslängd för isolationssystemet Användning av H / F ger möjlighet att välja en mer kompakt och ekonomisk generator med samma livstid.

7 Elektriska aspekter Isolationsklass vs temperaturstigningsklass TECHNICAL NOTE EPG - Orleans NOTE TECHNIQUE Möjlighet att förlänga livstiden för generatorn Insulation Class H & F vs. Operating Tem perat ure (OT in C) C o n tin u o u so p e r a tin g tim e(h o u r s ) IEC design value for an Insulation ClassF IEC design value, for an Insulation ClassH Insulation ClassF Op. T. Class B 120 C Op. T. Class F 145 C 155 Op. T. Class H C 180 Operat ing Tem perat ure of the considered Tem perature Rise Class (IC01 Cooling - 40 C Ambient Temperature) 7 Insulation ClassH Temperature ( C)

8 Elektriska aspekter Isolationsklass vs temperaturstigningsklass Möjlighet att förlänga livstiden för generatorn Arrhenius ekvation: För 10 C reduktion av driftstemperaturen fördubblas livstiden H- & F-klass isolationslivstid i relation till vald temperaturstegringsklass: g Drift vid temperaturstegringsklass H Drift vid temperaturstegringsklass F Drift vid temperaturstegringsklass B 8 Isolationsklass H Isolationsklass F F System Livstid (År) System Livstid (År) H/H H/F H/B 6, N/A F/F F/B N/A 4,6 26 H / B har en överdimensionerad isolationslivstid. Åtminstone 5 gånger längre förväntad livstid än F / B stator-/rotorstorlek och massa. för samma

9 Elektriska aspekter 3. Verkningsgrader Yearly Weighting Load % 100% 50% Last% 100% 75% 50% 25% 97,1% 97,0% 96,5% 94,4% h 20% 75% (angett i kw/kwn) Jämförelse mellan verkningsgrader 25% Running Hours 20% % %(0.9 PF) Elektrisk effekt - Producerad Verkningsgrader energi LEROY-SOMER Konkurrent 80% Yearly running time kwe kwh 96,5% kwe kwe kwh 96,4% kwe kwe 5 20% kwh 96,0% kwe Yearly stand-by time kwe kwh 92,8% kwe Årlig extra genererad effekt Planerade antal driftsår: kwh kwh kwh kwh kwh År Baserat på en tariff om 0,25 NOK/kWh Årlig vinst NOK TOTAL VINST ÖVER 30-ÅRS DRIFT NOK

10 Elektriska aspekter 3. Verkningsgrader Ø 10 TESTNING! IEC tillåter 10% tolerans på förlusterna

11 Elektriska aspekter 4. FIKS 2012 Spänning 90% 105% Unom Effektfaktor cos ø = Reaktanser (aggregat 10 MVA) Synkronreaktans xd 0 Transient reaktans x d 0.4 IEEE data för simulering Fault-Ride-Through (FRT) Figur

12 1. Rusningsvarvtal MV Grid Generator Step-up transformer Turbine Potentiell energi (Vatten) 12 Kinetisk energi Mekanisk energi Elektrisk energi

13 1. Rusningsvarvtal Typiska rusningvarvtal: Pelton Francis Kaplan ~ 1.8 x nominellt varvtal ~ 2-2 x nominellt varvtal ~ x nominellt varvtal Statiskt och/eller transient rusningsvarvtal Worst case måste beaktas i den mekaniska dimensioneringen Varaktighet 13

14 1. 14 Rusningsvarvtal

15 1. Rusningsvarvtal 1. Påverkan på rotordesign : spänningar och mekaniska aspekter:.. 15 Ändan på rotorpolerna Möjlighet att förstärka lindningen Krympförband mellan rotorkärna och axel får inte släppa Möjlighet att välja speciell typ av laminat (med högre elastisitetsgräns)

16 1. Rusningsvarvtal 1. Påverkan på rotordesign : spänningar och mekaniska aspekter 16 Dimensionering av stavarna som håller ändan av rotorlindningen Större diameter på stavarna Binda samman ändan på stavarna med en ring i varje ändä

17 1. Rusningsvarvtal Kritiskt varvtal Vibration level span 1st rotor mode Rotor masses Operating range Bearing stiffness Length & diameters Operating speed Första rotor mode = varvtalsområde med en vibrationstopp = 1a laterala kritiska varvtalet Driftsområde = varvtalsområde med säkerts driftsförhållande. 17 Designkrav: 1:a kritiska varvtalet >> max. driftsvarvtal (m.a.o transienta rusningsvarvtalet)

18 Turbinarrangemang och krafter på generatorstruktur och lager Kul- och rullager Glidlager l l l Reducerad initial kostnad Smörjning nödvändig i jämna intervaller l l Automatiskt smörjsystem möjligt Fysiska begränsning : Generatorstorlek Rotorvikt Begränsad lastkapacitet Maximalt varvtal Högre initial kostnad Möjligen krav på smörjoljesystem l Fysiska begränsningar : l Life cycle underhållskostnad Grease Uppföljning/planläggning för byte av lager l Självsmort för vertikala och horisontella med mindre last Smöroljesystem för horisontella med större laster Större generatorstorlek Högre rotorvikt Högre lastkapacitet Life cycle underhållskostnad Kontrollera oljans skick 18 Renhet Driftstemperatur, viskositet Byta olja med jämna intervall

19 Turbinarrangemang och krafter på generatorstruktur och lager Ex. Vertical Pelton 6 injektorer PROJEKTION AV INJEKTORKRAFTERNA VEKTORDIAGRAM FÖR INJEKTORKRAFTER Mest i va restrikt n situatio Fmax = 2 x F1jet Designkriteria: Beakta den mest restriktiva situationen vid beräkning av glidlager. OLJEFILMEN FÅR INTE BRYTAS! 19

20 Turbinarrangemang och krafter på generatorstruktur och lager Francis Undvik onödig öve rdime ns ione ring av lage r Faxial(N) Francis ; Roue non noyée avec vanne amont Fa_s 100% Fa_n 30% Δ (Fa_s Fa_n) Fa_n ωs (survitesse établie) Départ en survitesse 20% Fa_n ωn (vitesse nominale) ωo (mise en rotation) 20 t (s)

21 Turbinarrangemang och krafter på generatorstruktur och lager Pelton och Francis: Axeldeflektion Fr Jeu Arbre/Casing généralement non contraignant F2 F1 Fn. Flèche turbine Jeu Arbre/Casing généralement très faible Designkritertia: Axeldeflektion begränsad till max. 0.8 mm Fa Flèche turbine Design criteria: Axeldeflektion begränsad till max. 0.5 mm 21

22 3. Kortslutningskrafter, FRT (Fault-Ride-Through) FIKS 2012 Förstärkning av lindningar 22

23 4. H-värde / Svänghjul Krav på högre H-värden pga stabilitetskrav (H= 1.5, 2, 3 ) Utmaning för kritiskt varvtal pga stor massa 23 Utmaning för mekanisk infästning mellan svänghjul och axel, speciellt i samband med kortslutningssituation (FIKS 2012)

24 5. Axelkonfigurationer och relaterade montagearrangemang (IM) IM-koder (enligt IEC ) Vertikala generatorer Fördel med IM 3011 vs. IM 4011 Manlucka tillgänglig i nedre fläns för enkel tillgång till PT100 sensorer, oljenivådetektorer etc 24

25 TACK!