Nya vattenkylda turbogeneratorer för effekter från 400 MVA

Nya vattenkylda turbogeneratorer för effekter från 400 MVA Som svar på kundernas krav på högsta möjliga generatortillgänglighet, kombinerat med minsta möjliga underhåll, har ABB Generation genom målmedveten vidareutveckling tagit fram en ny generation vattenkylda generatorer. Den vattenkylda generatorn kan enklast beskrivas som en konventionell luftkyld generator med vattenkylda stator- och rotorlindningar. Detta generatorkoncept gör det möjligt att svara mot kundernas krav, då luft och vatten är enkla och effektiva kylmedia som gör det möjligt att konstruera tillförlitliga och robusta maskiner. Kylmedierna förenklar också tätningarna mellan roterande och stationära delar. Hjälpsystemen till generatorn blir dessutom färre, jämfört med vätgaskylda generatorer. G enerering av elektrisk kraft i Sverige är huvudsakligen baserat på vatten- och kärnkraft. Förhållandet är ca 50:50. Kraftgenerering baserad på fossila bränslen är liten. I Norden finns 16 kärnkraftverk, som sammantaget driver 25 elektriska generatorer med en total eleffekt på ca 12 000 MVA. Av dessa är 14 vattenkylda 1. I genomsnitt representerar varje vattenkyld generator 3 % av den nationella produktionen av elkraft. Detta är siffror som betonar vikten av tillgänglighet i elproduktionen. Statistiken för kärnkraftverk i hela världen visar ett genomsnittligt värde på tillgänglighet på 72 %, medan siffran i Norden är nära 90 %. I sin strävan mot dessa höga siffror har kärnkraftägarna försäkrat sig om att alla delsystem uppnår högsta möjliga tillgänglighet. Detta gäller inte minst generatorerna. Mot den bakgrunden har ABB Generation vidareutvecklat generatorkonceptet med vattenkylning, som historiskt visat sig ge de högsta tillgänglighetssiffrorna i världens kärnkraftverk. Målet har varit ännu högre tillgänglighet kopplat till ett minimerat underhållsbehov. Vattenkylning ger bättre tillgänglighet Bra konstruktion, baserad på hög kvalitet, kombinerad med optimalt underhålls- och serviceprogram är bakgrunden till statistiken över exceptionellt god tillgänglighet som vattenkylda turbogeneratorer har. Produktionsbortfallen tas ned till ett minimum tack vare: Vatten som kylmedia är säkert och inte kopplat till brand- eller explosionsrisk Enkla tätningar mellan roterande och stationära delar i generatorn Stellan Thorén ABB Generation AB Färre hjälpsystem Låga lindningstemperaturer ger mycket lång livslängd på lindningarna och deras isoleringar Enklare utförd direktövervakning då givare är enkla att montera och underhålla Lättillgänglig för inspektion och kontroll, ingen tid behövs för tömning respektive påfyllning av kylande gas Atmosfäriskt tryck i generatorn betyder enklare och säkrare konstruktion, drift och underhåll Kort och kraftig rotor som blir mindre känslig för vibrationer Statistik från IAEA (International Atomic Energy Association) för kärnkraftverk över de senaste 15 åren visar en genomsnittlig tillgänglighet på 99,8 % för de vattenkylda generatorerna 2. Vattenkylda stator- och rotorlindningar Den vattenkylda generatorn har direkt vattenkylda stator- och rotorlindningar. Övriga delar av generatorn är konventionellt luftkylda. Genom att använda luft och vatten minskar behovet av komplicerade hjälpsystem, och hela tillämpningen blir enklare och innehåller färre riskfaktorer. Kylprincipen innebär också atmosfärtryck i generatorn, vilket medger enkla konstruktionslösningar för statorstomme och tätningar samt enkel åtkomst till generatorns inre delar. Kylmediet i generatorns lindningar består av avjoniserat vatten. Förmågan att absorbera värme är 3300 gånger högre än den för luft vid atmosfärtryck. Detta samtidigt som vatten är oskadligt för miljön 3. Robust rotor Rotorlindningen direkt vattenkyld En av fördelarna med en vattenkyld generator är den direkta vattenkylningen av rotorns lindning. Denna kylteknik utveck- 10 ABB Tidning 1/1998

Tvåpolig, vattenkyld ABB-generator i modernt utförande. Serien omfattar effekter från 400 MVA. 1 lades för drygt 25 år sedan. Sedan dess har tekniska framsteg och teknisk utveck- ella tuber. Från ringkammaren leds kylvattnet i isolerade kanaler till flera parallella 100 ling lett rotorkylningen mot perfektion. Åtskilliga generatorer med vattenkylda roto- kylkretsar i rotorlindningen 4, 5. Rotoruttagen, av isolerade kopparsta- % 99.8 % rer har redan varit i drift i tiotals år med var med kylrör av rostfritt stål, är montera- goda resultat. Kylvattnet passerar på sin väg till och de i axiellt borrade hål i rotoraxeln. Hålen mynnar i blindspår och kylvattnet leds här- 98.6 % från rotorn genom två koncentriska tuber ifrån till turbinsidan där kylkanalen är an- placerade i mitten av axeln på matarsidan. Den inre tuben leder vatten in i rotorn och den yttre ut igen. Inkommande vatten leds till två av de fyra sektorerna i en ringkammare via radi- Generatortillgänglighet (A) 2 i världens kärnkraftverk (röd) jämfört med vattenkylda generatorer (blå) Källa: IAEA A 0 ABB Tidning 1/1998 11

Kylmediernas effektivitet 3 Mörkblå Mellanblå Ljusblå Vatten Väte Luft sluten till rotorlindningen. Med denna konstruktion undviks behovet av radiella hål för rotoruttagen i rotorsmidets högst påkända del, liksom behovet av flexibla kopplingselement, som skall kompensera olika deformationer i rotorn. Denna säkra och enkla lösning är möjlig endast tack vare den effektiva direkta vattenkylningen av uttagsledarna 6. Säker och pålitlig drift Vattenkylningen betyder säker och pålitlig drift därför att: Lindningens temperatur hålls mycket låg, vilket betyder ökad livslängd. Lokala s k heta punkter undviks. Rotorns jämna kylning gör den okänslig mot termisk instabilitet. Krypning i lindningens ändpartier undviks dels genom låg temperatur, dels genom att vattenkylningen gör det möjligt att införa en omfattande stagning. Vattenledningsdon, där vattnet leds in i och ut ur rotorn 4 verka en generator med god mekanisk lindningsmaterial. Med de utmärkta termiska egenskaperna i den silverlegerade stabilitet 7. kopparen bibehålls rotorlindningens mekaniska hållfasthet även vid drifttemperatur. Högvärdig rotorlindning av silverlegerad koppar I rotorhärvändspartiet isoleras ledarna Rotorlindningen består av ledare lagda från rotorkapslarna med en speciell isolering. Alla isolermaterial är enligt klass F. parvis, med ett rostfritt rör för kylvattnet förlagt mellan ledarna. Centrifugalkrafterna på rotorlindningen ger upphov till bety- nötning av rotorlindningen, s k copper Med denna konstruktion har problem med dande kontaktkrafter i rotorspåren. Vid dusting, helt undvikts. den resistiva uppvärmning av lindningen Rotorspårkilarna tar upp centrifugallasterna från lindningen. Kilarna tillverkas i en förhindras den axiella expansionen av friktionkrafter. Därför används en silverlegerad koppar till lindningen. Denna legering detta ändamål. Materialet har hög hållfast- speciell kopparlegering framtagen för har högre sträckgräns och bättre utmattningsegenskaper än andra konventionella mycket god konduktivitet. Materialet är het vid den förhöjda temperaturen och har Vattnets väg till och från rotorlindningen 5 Kompakt konstruktion Konceptet med direkt vattenkylning medger en kort, kraftig rotor, som leder till kompakt konstruktion av hela generatorn. Den specifika maskinvikten och volymen har också minskat (typiskt 20 %), detta trots att speciell omtanke lagts vid att till- 12 ABB Tidning 1/1998

A A A A Specialkonstruktion för rotorns kylvattenanslutning 6 även okänsligt för spänningskorrosion samt ger inte upphov till kontaktutmattning (fretting) i rotorsmidet. Spårkilarna, tillsammans med speciella kortslutningsringar i rotorns ändpartier, fungerar som dämplindning. Huvuduppgiften är att förbättra de elektriska och mekaniska dämpegenskaperna genom att möjliggöra väl definierade strömbanor som elektriskt avlastar rotorkroppen och andra rotordetaljer 8. Rotorkropp Den mekaniska dimensioneringen av rotorkroppen bygger på såväl klassisk utmattningsteori som skadetålighetsanalys. Metoderna kompletterar varandra och är tillsammans nödvändiga för att säkerställa önskad driftsäkerhet. Rotorkroppen tillverkas i ett stycke av ett värmebehandlat smide med hög hållfasthet och magnetisk permeabilitet. Rotorns kopplingshalvor är en del av smidet och anpassas till befintliga turbiner. Rotorkroppen är dimensionerad att klara specificerade övervarv med tillfredsställande säkerhetsfaktor. God marginal finns också mot de axelmoment som uppkommer vid drift och vid kortslutning. Konstruktionen med uttagsledarna förlagda i långa hål underlättar avsevärt dimensioneringen av rotorkroppen. Den kompakta konstruktionen tillåter noggrann beräkning av kritiska varvtal, vilket borgar för låga vibrationsnivåer i rotorn och på lagren. Som kuriosa kan nämnas att ABB Generation genomförde sina första datorberäkningar av kritiska varvtal redan 1954 (under provdriften av den första datorn som installerades i Sverige). Stator Statorlindning med MICADUR-isolering Statorns utformning drar fördelar ur MICADUR-isolationssystemet, som utvecklats med målet maximal kvalitet och pålitlighet. Genom hela tillverkningsprocessen provas och kontrolleras lindning- Vattenkyld 480 MVA-generator i kärnkraftverket Ringhals 2 7 ABB Tidning 1/1998 13

Tvärsnitt över en vattenkyld rotorlindning arna och deras anslutningar, hela tiden med syftet att säkerställa högsta kvalitet. Statorhärvorna byggs av isolerade kopparparter samt kylrör av rostfritt stål. Alla parter transponeras 540 enligt Roebelmetoden. Detta betyder låga tillsatsförluster samt enkel och säker koppling mellan parter. Isoleringssystemet bygger på applikation av vakuum/tryck och impregnering, den sk VPI-tekniken. Det är en kombination av solitt isolationsmaterial och möjligheterna i modern syntetisk harts. MICADUR-tekniken i sig utvecklades för mer än 30 år sedan och har förbättrats kontinuerligt. Huvudisoleringen är försedd med ett glimskyddssystem som består av en lågohmig beläggning på härvans spårdel och en halvledande spänningsberoende beläggning strax utanför spårdelen. Totalt minskar påkänningen på härvans isolation i och med att bågdelarna i härvkorgen inte har jordpotential. Denna lösning medför även att diagnostiska prov kan utföras med bättre kvalitet. 8 Kylvattnet i statorlindningen leds i rostfria rör. Denna lösning har alltid använts för dessa generatorer och har visat sig helt bekymmersfri. Läckage eller igensatta kylrör har aldrig inträffat. Unikt spåranpassningssystem För spåranpassning används Round-packingsystem, som ger perfekt passning till spåret och därmed effektiv fasthållning av härvan samt säker jordning av spårglimskyddet. Samtidigt möjliggörs termisk expansion. Anpassningssystemet byggs upp av ett dubbelvikt halvledande band utfyllt med silikonmassa. Detta band spirallindas runt härvans spårdel varefter härvan monteras i spåret och silikonmassan härdar. Metoden erbjuder dessutom fördelen att härvor kan demonteras utan att skadas. Härvorna är kilade i lindningsspåret genom kontrakilning. Kilmaterialet är ett glaslaminat. För att säkerställa härvornas fixering i lindningsspåren även efter lång tids drift, finns fjädrande våglaminat ilagda. Detta medför konstant tryck på hela härvans rakdelslängd. Dryga 20 års erfarenhet har bevisat metodens effektivitet 9. Stagning av härvändar ABB har utvecklat sitt stagsystem för att minimera vibrationer i lindningarna och a lindningsändarnas upphängningssystem. Systemet är avsett att ge tillräckligt stor flexibilitet och plats för termisk expansion. Detta gäller speciellt i axiell riktning. Samtidigt måste systemet vara fast nog att tåla de elektrodynamiska krafternas påverkan under normal drift och den påverkan som kan uppkomma vid nätstörningar. Det är av yttersta vikt att härvändarna ej uppvisar resonans vid de störfrekvenser som förekommer, dvs 100/120 resp 50/60 Hz. Resonansfrekvenserna undviks med hjälp av beräkningar så att härvändsstagningen dimensioneras att innehålla förutbestämda egenfrekvenser och vibrationsnivåer 10. Konstruktionssystemet bygger på att bottenhärvändar och topphärvändar stagas ihop till en symmetrisk homogen ring i generatorns båda ändar, s k härvkorg. Detta ger rena väldefinierade egenfrekvenser för hela härvändspartiet. Härvkorgarna förses dessutom med tangentiella stöd, som upptar resulterande krafter vid momentana kortslutningar och dylikt. Hävkorgen har frihet för axiella termiska rörelser. ABB har mångåriga drifterfarenheter med detta system. Statorplåtkärna Statorkärnan utgör en av de viktigaste komponenterna i den magnetiska kretsen b Statorns lindningar 9 a Spåranpassning och principen för spårkilarna b Tvärsnitt över statorns lindning 14 ABB Tidning 1/1998

och är därför utformad för att med stor säkerhet klara den konstruktionslivslängd som specificerats. Kärnan och de laminerade tryckringarna har radiella kanaler och kyls helt av luft 11. Elektroplåt av lågförlusttyp används genomgående. Plåtläggning sker i statorstommen och segmenten läggs med halv överlappning. Under plåtläggning görs ca fem mellanpressningar av plåtkärnan då den samtidigt vibreras och värms med en metod snarlik ett ringprov. Förfarandet ger ett kompakt utförande där framtida sättningar praktiskt taget helt elimineras. Tryckringarna byggs upp separata av elektroplåtsegment som VPI-limmas och härdas till en styv ring. Lamineringen trappas på sådant sätt att läckflödet i ändpartierna tas upp optimalt, vilket minimerar förlustutvecklingen samtidigt som det betyder låga drifttemperaturer. Kärnan förspänns slutligen med tryckringarna och genomgående isolerade bultar. Principen för optimerad härvändsstagning i en vattenkyld generator 10 Många äldre generatorer kan klara sig Tack vare den vattenkylda generatorns med renovering. ABB kan erbjuda livskostnadsanalys för generatorn och ge med betydligt högre kapabilitet, installeras kompakta dimensioner kan en sådan, såväl tekniska som ekonomiska råd i syfte på ett befintligt fundament i en existerande anläggning. En ny vattenkyld rotor, en att optimera omfattningen och genomförandet av renoveringen. omlindning av statorn eller byte av en hel Statorstomme Stommen dimensioneras för att klara statiska och dynamiska laster som förekommer vid både normala och onormala betingelser. Stommen och kärnan är så dimensionerade att inga skadliga krafter kan överföras till fundamentet. Fundamentbultarna spänner inte fast statorn. Bultarna har en distanshylsa som avlastar förspänningen. Distanshylsorna har ett litet spel till statorns fotplattor. Först vid en exceptionell händelse som kortslutning träder bultarna i funktion och tar, tillsammans med distanshylsorna, lyftkraften från statorn. ABBs lösning av statorns kärna för stora generatorer 1 Kylluft 2 Kylkanal 3 Spännbult 4 Ändparti 4 2 3 11 Mer än 25 års drifterfarenhet ABB har erfarenhet från mer än 25 års drift av vattenkylda generatorer. Sådana generatorer är tillgängliga för installation i ett nytt kraftverk eller som ersättning av en gammal generator i ett redan existerande kraftverk. 1 ABB Tidning 1/1998 15

Tekniken anpassas till de fasta strukturerna på plats och passar i de flesta kraftverk. Genom att använda en enda lyftpunkt på generatorn finns stor flexibilitet under installationen. Detta oberoende av hur byggnaden ser ut eller är uppbyggd. Med denna teknik kan installationstiden och kostnaden minskas avsevärt jämfört med andra metoder. Byte av komplett generator har genomförts på 18 dagar. Då inräknas all tid då generatorn inte producerat elkraft, även tid för turbinens ut- och upprullning samt kompletta idrifttagningsprov. Byte av rotor enbart har genomförts på fem dagar, bl a i Forsmarks kärnkraftsverk. ABB Generations produktstödgrupp finns i Västerås. Teamet består av erfarna ingenjörer och montageledare som är specialister på installationer. De leder arbetet på plats och anlitar lokal kapacitet var som helst på jorden. Referens [1] Torsteinsrud, T.: Kärnkraftverk kan byta stator under ordinarie avställningstid. ABB Tidning 2/92, 8 12. Generatorbyte på rekordtid enligt en ny arbetsmetod i kärnkraftverket Ringhals 2. Byten har genomförts på 18 dagar vid TVO i Finland och i Forsmark. 12 generator kan i vissa fall betyda ökad generatoreffekt med så mycket som 10 20 %. Vill man korta installationstiden är det ofta lönsamt att byta hela generatorn jämfört med att på plats uppgradera en befintlig. Detta gäller speciellt anläggningar för baslast. Kort installationstid, ökat effektuttag och bättre tillgänglighet betyder ofta att investeringen snabbt är återbetald. Snabb installation av turbogeneratorer Efter krav från svensk och finsk kärnkraftsindustri har ABB Generation utvecklat en ny teknik för snabba installationer av turbogeneratorer [1]. Målet var i båda länder att en generator skulle bytas under den årliga avställningen för bränslebyte. Den tar vanligen mindre än tre veckor. Tekniken bygger på ett mobilt mastsystem som kombineras med en specialtillverkad integrerad domkraft 12. Författarens adress Stellan Thorén ABB Generation AB S-721 76 Västerås Fax: +46 (0)21 41 95 77 E-mail: stellan.thoren@segen.mail.abb.com 16 ABB Tidning 1/1998