HÅNDBOK - VETNILASJON OG KJØLING, GENERATOR

1 Innledning

Denne tekst tar for seg synkronmaskinens hovedsystem for ventilasjon og kjøling. Følgende elementer utvikler også tapsvarme som må taes hand om (omtales av andre):

• Lagre med egen olje/vann varmeveksler
  
• Magnetiseringsutstyr

De vanligst forekommende typer av kjøling er:
a) Lukket omløpskjøling
b) Friskluftventilasjon

Direkte vannkjølte viklinger blir ikke behandlet i dette kurs.

Ventilasjonsprinsippet kan være:
a) Selvventilasjon
b) Motordrevne vifter

Fig 1 og Fig 2 viser hver en større vertikalmaskin med lukket omløpskjøling. Som navnet angir, er maskinene lukket mot omverdenen, både nedad mot turbinen og oppad mot maskinsalen.

fig 1 viser tosidig aksialventilasjon. Fig 2 viser radialventilasjon (ventilasjonskanaler i rotorringen). Piler angir retning for luftstrømningen. Luftkjølerne vises montert på statorhuset.

Fig 3 viser vanlig arrangement og ventilasjonsprinsipp for en selvventilert horisontalmaskin med lukket omløpskjøling der luftkjølerne er montert på undersiden.

2 FRISKLUFTVENTILASJON

Friskluftventilasjon består i å avgi oppvarmet kjøleluft helt eller delvis til det fri, og erstatte den brukte uteluften med ny. Dette systemet har trolig lavest anskaffelseskostnad, og kan rent umiddelbart virke attraktivt, men de praktiske erfaringer er mindre gode, bl.a. pga. den store luftmengden som trenges. En generator på f.eks. 50 MVA har typisk 1.5 % tap som bortføres med kjøleluften, hvilket utgjør omlag:

• 675 kW som må transporteres bort med kjøleluften
• Kjøleluft : 25 m3/s, tilsv.28 kg/s, tilsv.2400 t/døgn.

Selv en ørliten andel luftforurensning vil telle og akkumuleres i ventilasjonskanaler og filtre, og medføre erosjon på de berørte flater. I tillegg kommer praktiske problemer ved sterkt vekslende utelufttemperatur og tilhørende behov for luftreguleringen/ problem med temperaturovervåkningen.

Normalt betraktes friskluftventilasjon som en nødløsning der man ikke har adgang til kjølevann.

3 LUKKET OMLØPSKJØLING

Lukket omløpskjøling har følgende fortrinn:

• Overlegent minst rengjøringsbehov
  
• Velegnet for stasjonsoppvarming
  
• Stabil kaldlufttemperatur (gunstig for både maskin og bygning)
  
• Velegnet for stillstandsoppvarming (antikondens)
  
• Hensiktsmessig tapsmåling ved den kalorimetriske metode (man måler tapene som bortføres med kjølevannet)

4 STASJONSOPPVARMING

Stasjonsoppvarming kan utføres på mange måter. Det enkleste er å lede en andel av maskinens varmluft ut i maskinsalen, og la den samme mengde returnere til generatorgruben. Varmeeffekten avgitt til stasonsoppvarming vil dermed være gitt av luftmengden og temperaturdifferensen mellom avgitt og returnert luft.

Systemet må inkludere spjeld og filter for returluften. I praksis vil noe støy slippe ut fra generatorguben.

Dersom man tapper en moderat andel av generatorens totale luftmengde, vil generatoren avgi et trykk omlag som trykkfallet over en luftkjøler, som er 150 Pa typisk verdi. Dersom dette er utilstrekkelig, må varmluftsystemet suppleres med motorvifter.

Ved stasjonsoppvarming er det ofte hensiktsmessig å regulere luftkjølernes vannmengde slik at generatorens kaldluft holdes konstant (velges f.eks. 35 C ). Generatorens kaldlufttemperatur må ikke overskride 40 C. Ved kjølevannsregulering sløyfes strømningsvakt.

Eksempel på tilgjengelig varmlufttemperatur for en generator på 17.2 MVA der kjøleluften varmes opp 23 K ved fullast:

Temperaturvariasjonen vil således være beskjeden ved moderate lastvariasjoner.

Fra tid til annen ser vi ønske om å ta ut stasjonsvarmen via luftkjølernes kjølevann og avgi dette i en etterfølgende vann luft varmeveksler. På grunn av varmeovergangen luft/vann for
generatorkjøleren og deretter vann/luft for stasjonsoppvarmingen tapes anslagsvis 15 K, dvs. varmluften til stasjonen blir omlag 35-15=20 C. Dette systemet vil således ikke kunne avgi nevneverdi effekt hvis romtemperaturen i utgangspunkt er 20 C.

5 AKSIALVENTILASJON

Kfr. fig 1.

Aksialventilatoren består vanligvis av en sylindrisk viftering med et sett vinger på utsiden som fører luften inn i luken mellom polene.

Statoren utstyres med en luftføringskonus av glassfiber som tilpasses med en liten klaring mot ventilatorvingene.

Større maskiner har stillbar vingevinkel. Ved dette kan man ved idriftsettelsen innjustere både maskinens totale luftmengde og fordelingen mellom øvre og nedre vifte.

Viftetrykket oppnås ved å utnytte periferihastigheten. Aksialvifter fungerer kun for den forutsatte dreieretning.

Systemet er selvventilert (drives av rotorbevegelsen)

6 RADIALVENTILASJON

Kfr. fig 2.

Trykket dannes ved at luften tilføres energi tilvarende differansen mellom radius for innløp på rotor og radius for utløp fra rotor.

Radialventilasjon fungerer like godt i begge dreieretninger, og nyttes vanligvis: - når diameteren er utilstrekkelig for å kunne nytte aksialventilasjon.

• ved moderate periferihastigheter og store diametre der rotorringen lages av blikksegmenter (kjederotor med aksialle ventilasjonskanaler).

For små maskiner med radialventilasjon nyttes ofte i tillegg separat ventilator påmontert rotor.

Systemet er selvventilert (drives av rotorbevegelsen).

7 MOTORVIFTER

Motorvifter nyttes vanligvis:

• når diameter/periferihastighet er så liten at selvventilasjon vil gi utilstrekkelig trykkoppsetning.

• når maskinen skal rotere begge veier(motor/generator) og radialventilasjon er uegnet, f.eks. pga. store ventilasjonstap, upraktisk arrangement ved påmontert ventilator, rotorring uegnet for radielle ventilasjonskanaler, etc.

Generatorgruben får gjerne øket bredde og lengde dersom det skal nyttes motordrevne radialventilatorer montert utenpå statorhuset.

8 DETALJBESKRIVELSE AV VARMEOVERGANG TIL LUFT

Fig 4 er en forenklet prinsippskisse som viser varmestrøm og tapskilder for lukket omløpskjøling.

All utviklet tapsvarme føres bort med kjølevannet, med unntak av andelen som nyttes til stasjonsoppvarming. Varmetransport gjennom vegger/dørker er vanligvis neglisjerbare ved dimensjonering av generatorkjølingen.

Fig 5, 6, 7, 8 og 9 bør betraktes samlet for å få et bilde av luftveiene gjennom maskinen.

Fig 7 viser et statorblikksegment, og Fig 6 viser et snitt gjennom
stator med radielle kjølekanaler (ca. 6 mm høye) mellom hver blikkpakke (ca. 40 mm høye). Når luften strømmer radielt gjennom blikpakken fra luftspalten til blikkryggen, går varmen fra blikket over til luften for deretter å avgis i luftkjølerne på utsiden av stator. Varmen utvikles som hvirvelstrømtap inne i blikket.

Viklingen ligger i spor i blikket loddrett på kjølekanalene. Da det bare er omlag 6/46 av viklingsoverflaten som bestrykes av kjøleluften direkte, må den resterende og største andel av koppertapene først ledes over til blikket og deretter avgis til luften.

En viss andel av den totale luftmengde tar med seg tapene i spolehodene og går direkte til luftkjølerne.

Fig 8 viser også feltviklingen. Mesteparten av tapene avgis direkte til luften, men en liten andel avgis også til polblikket som i sin tur avgir tapene til luften i luftspalten. Skissen viser også feltviklingens kjølevindinger, som bidrar til å forbedre varmeavgivelsen til luft (betydelig økning av kjøleoverflaten).

Foruten de overnevnte tapskilder bidrar også ventilatoren, virkningen av overharmoniske på overflaten av polsko og statorboring, og tilleggstap i pressplater og pressfingre.

9 TEMPERATURFORDELING

Ved vurdering av temperaturfordelingen kan følgende typiske verdier (ref. fullast) være til nytte dersom dokumentasjonen for maskinen ikke er for hånden:

1. Luftkjølere
   

• Temperaturdiff (varmt-kaldt) kjølevann: 6K
• Temperaturdiff (kald luft-kaldt vann):10-15K

2. Generatorkjøleluft

• Temperaturdiff (varm-kald ) luft: 20-24 K

Det er vanlig å regne at temperaturdifferansene er proporsjonale med tapene, med dette i mente kan man regne ut forventet verdi (nymaskintilstand) for kald luft og varm luft på basis av kjent temperatur for inngående kjølevann.

Tap i feltviklingen regnes proporsjonale med feltstrømmen i kvadrat. Feltviklingens temperatur måles på basis av motstandsøkningen.

For statorblikk, statorvikling og feltvikling beregnes forholdet overtemperatur/tap. Tilsmussing vil gjøre at dette øker over tid.

10 TILSTANDSVURDERING / FEILKILDER

Overvåkningssystemet er gjerne innjusert med visse faste verdier for forvarsel, og andre høyere verdier for automatisk utkopling på grunnlag av de aktuelle verdier ved merkelast og
sommertemperatur for kjølevannet.

Dette kan innebære at feil ved f.eks. dellast ikke blir oppfattet fordi maksimalgrensene ikke overskrides.

Det er langt mere betryggende å beregne forventet temperaturfordeling for enhver stasjonær lastsituasjon, og sammenligne den beregnede med den observerte tilstand.

Dette vil avsløre også langsomme tilstandsforandringer (f.eks. gradvis tilsmussing av de enkelte kjølere, tiltakende varmeutvikling i statorblikkene), og gi et godt grunnlag for rapportering/ prognosering. Foruten at overvåkningen blir sikrere, kan vedlikeholdsarbeidet forenkles ved at arbeidet utføres etter virkelig behov istedet for etter et tidsskjema basert på antatt behov.

I prinsipp kan beregningen gjøres manuellt dersom de aktuelle parametrene er tilgjengelige, men dette er neppe særlig praktisk.

11 ANBEFALTE VEDLIKEHOLDSRUTINER

Årlig tiltak:

• Visuell inspeksjon (tilsmussingsgrad ) for luftkretsene og vannside av kjølere, rengjøring etter behov.

• Tetthetsprøve av vannsyst. (prøvetrykk observeres over 1/2 h)

• Kontroll av viftevinger (bankeprøve/sprekkontroll og kontroll av innfesting/vingevinkel)

• Kontroll/justering av reguleringsventiler (oppnå samme kaldlufttemperatur for luftkjølerne, og evt. nedregulering av total vannmengde (inntil 60 % av nom.) vinterstid for å unngå urimelig lav kaldlufttemperatur).

• Kontroll av de innjusterte nivåer for signal/utløsning.

12 OVERVÅKNING

Fig 10 viser en typisk overvåkning av luft- og vannsiden av en maskin med lukket omløpskjøling. I praksis nyttes flere luftkjølere pr maskin. Det inntegnede utstyret for vannkretsene gjelder fellesrøret for kjølevann inn- og ut, og ikke de enkelte kjølere.

Svikt i kjølevannssirkulasjonen skal utløse snarlig stans av aggregatet fordi kjølingen da er uvirksom.

Det er et vanlig prinsipp å innstille temperaturovervåkningen slik at det gis signal ved overskridelse for kjøleluften, vil maskinen stanse når den er unormalt varm, og kjølevirkningen opphøre fordi viftene er påmontert rotor. Den innvendige magasinerte varme vil bidra til å øke temperaturen ytterligere. Resultatet blir da stikk motsatt av det som ønskes, og maskinen kan bli varig skadet.

Det riktige prinsipp ved temperaturoverskridelse for kjøleluften er å holde maskinen i rotasjon, enten tilkoblet nettet ved en redusert last (helst tomgang), eller ved merketurtall frakoblet nettet. Siden varmeutviklingen da er redusert, og kjølingen normal, vil dette raskt gi normale temperaturer hvis årsaken er av forbigående art.

13 SKADEMEKANISMER

Typiske skademekanismer for luftkjølerne er:

1. Lekkasjer/vannside overflatefeil i forb. med korrosjon. Mulig årsak:

• Vannkvalitet avviker fra forutsetningene.
• For stor eller for liten vannmengde/hastighet.

2. Lekkasjer i forbindelse med vibrasjoner. Mulig årsak:

• Utilstrekkelig innfesting til stator.

Røranlegg kan være utført i rustfritt stål, kobber eller plast. Typiske skademekanismer kan være:

1. Lekkasjer i forb. med korrosjon, sveising, rørskjøting. Mulig årsak:

• Vannkvalitet avviker fra forutsetningene.

2. Lekkasjer i forb. med vibrasjoner. Mulig årsak:

• Utilstrekkelig røroppheng.

14 FIGURER