Dampfturbogenerator mit mechatronischer Kopplung an das elektrische Netz

Ansprechpartner:

Dipl.-Ing. Jens Hampel ()
Telefon: 03 51 / 4 63 3 30 97
Fax: 03 51 / 4 63 3 70 76

Gefördert durch

Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU), Osnabrück
Innovationsfond der DREWAG Stadtwerke Dresden GmbH

Prinzip der Stromerzeugung mit einem getriebelosen, einstufigen Dampfturbogenerator

Forschungs-/

Kooperationspartner:

Projektpartner:

Technische Universität Dresden
Elektrotechnisches Institut
Professur für Leistungselektronik
Prof. Dr.-Ing. habil. Henry Güldner
Tel./Fax: +49 351 46 33 4303/ 7270

AG Kühnle, Kopp & Kausch, Frankenthal (Turbine)
RWE Solutions Piller GmbH, Osterode (Generator, Leistungselektronik)
DREWAG Stadtwerke Dresden GmbH (Versuchsanlage)

Vorhaben

Projektziele:

Entwicklung, Konstruktion und Bau eines Turbogenerators der Leistungsgröße 500 kWel durch alle Projektpartner, bei dem Turbine und Generator auf einer Welle sitzen, inklusive des Entwurfs einer geeigneten Steuer- und Regelungstechnik
Entwicklung und Erprobung des spannungsgeführten Frequenzumrichters durch den Forschungspartner am Elektrotechnischen Institut der TU, dem Lehrstuhl Leistungselektronik
Aufbau einer Versuchsanlage im Heizwerk Dresden Reick zur Erprobung des Prototypen

Nachweis der Funktion aller Komponenten und des Gesamtsystems im realen Einsatz
Senkung der Anlagenkosten und des Bauvolumens durch den Einsatz der entwickelten Anlagentechnologie und damit Erhöhung des Anreizes der dezentralen thermischen Verwertung von Biomasse
Theoretische und praktische Ermittlung einer Drehzahl – Leistungskennlinie für einen optimierten Turbinenbetrieb bei allen Lastanforderungen durch Anpassung der Solldrehzahl an den geforderten Lastzustand und damit Steigerung der Nutzungsgrades

Typische Kennlinie des Umfangswirkungsgrades einer Turbinenstufe

Kennlinie Forschungs-und Entwicklungsziel

Prognostizierter und aktueller Wirkungsgradverlauf über der Last

Lösungsansatz
Direkter Antrieb des Generators durch die Turbine ohne mechanischem Getriebe und Erzeugung eines hochfrequenten Wechselstrom	Einsatz eines spannungsgeführten Frequenzumrichters zur Reduzierung der Frequenz des Stroms auf Netzfrequenz 50Hz und damit Trennung des Turbogenerators von der starren Bindung an das elektrische Netz

Problemstellung
Dampfturbinenanlagen kleiner Leistung (< 5 MW_el) und hohem Wirkungsgrad weisen derzeit folgende Problemkreise auf:

Hohe spezifische Kosten

Ungünstig bei häufig wechselnden Lastbedingungen

Einsatz mechanischer Getriebe ist notwendig, da die Turbinendrehzahl wesentlich höher ist (z.B. 20.000 U/min) als die Generatordrehzahl (z.B. 1500 U/min)
Je kleiner die Leistung, desto größer die günstigste Nenndrehzahl und damit das Getriebe
Das Bauvolumen des Generators ist umgekehrt proportional zu dessen Nenndrehzahl, so dass langsam laufende Generatoren großvolumig bauen

Durch starre Kopplung an das Netz ist ein Betrieb mit konstanter Drehzahl notwendig, wodurch die Umfangsgeschwindigkeit u ebenfalls konstant ist
Die isentrope Leitgitterabströmgeschwindigkeit c ist abhängig vom Drosselzustand und damit von der gewünschten Leistung
Das Verhältnis aus beiden Kenngrößen, die „Laufzahl u/c“, ist damit bei wechselnden Lastanforderungen nicht konstant, so dass der Umfangswirkungsgrad sich bei Abweichungen von der Nennlast immer verschlechtert (siehe Abb. Vorhaben)
Daraus resultiert ein vergleichsweise schlechter Jahresnutzungsgrad bei Anlagen mit häufigen Lastwechseln

Projektdurchführung

Konzeption und Bau eines entsprechenden Turbogenerators
Anbindung ans Netz über einen modifizierten Frequenzumrichter (Da dieser ursprünglich für eine Anwendung im Bereich um 400 kWel dimensioniert wurde, musste das Projektziel 500 kWel hierdurch nach unten korrigiert werden.)
Entwurf eines neuen Regelungskonzept, aufgrund der direkten Kopplung von Turbine und Generator

Theoretische Untersuchungen zum Wirkungsgrad in Abhängigkeit von der Leistung und der Drehzahl sowie den Dampfzuständen, dies bildete die Grundlage für die
praktische Ermittlung der lastabhängigen optimalen Drehzahlen am Versuchstand

Realisiertes Regelkonzept der Versuchsanlage

Für die praktischen Untersuchungen wurde am Standort Reick in Dresden in einem bestehendem Heizwerk eine Versuchsanlage errichtet, wo im Oktober 2003 die Versuchsanlage erstmalig in Betrieb gegangen ist. Die anschließende Inbetriebnahme hatte das Ziel, die allgemeine Funktion der neuen Anlagentechnologie zu demonstrieren.

Versuchsanlage im HKW Reick — Ansicht der Versuchsanlage

Darüber hinaus sollte in Kennfeldversuchen eine Kennlinie optimaler Drehzahlen in Abhängigkeit von der Leistung ermittelt werden.
Die praktischen Versuche an der neuen Anlage haben deren Funktionalität bestätigt. Typisch für eine derartige Neuentwicklung sind eine Reihe von technischen Schwierigkeiten aufgetreten, die größtenteils im Laufe des Projektes untersucht und beseitigt wurden.
Bei 4 verschiedenen Gegendrücken zwischen 2,4 und 3,0 bar_A wurde das Kennfeld der Turbine bezüglich des Wirkungsgrades in Abhängigkeit von Drehzahl und Leistung ermittelt. Hiermit und mit den theoretischen Vorbetrachtungen konnte eine Kennlinie der Drehzahl über der Leistung ermittelt werden.
In weiterführenden Entwicklungsarbeiten muss die Serienreife der Anlage erreicht werden.

Dampfturbogenerator mit mechatronischer Kopplung an das elektrische Netz

Zu dieser Seite

Finden!