Kraftwerks

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung des Schwingungsverhaltens eines Antriebsstrangs eines einen Gene rator aufweisenden Turbosatzes eines mit einem Energienetz verbundenen Kraftwerks.

Turbosätze von an ein Energienetz angeschlossenen Gas-,

Dampf- oder GuD-Kraftwerken umfassen als Hauptkomponenten eine Welle, eine oder mehrere Turbinen als Kraftmaschine so wie einen Generator als Arbeitsmaschine. Wird der Generator mit einer plötzlich auftretenden sprunghaften Wirklastände rung konfrontiert, die beispielsweise durch Schaltvorgänge oder Kurzschlüsse hervorgerufen wird, kann es beim Aus gleichsvorgang zu sogenannten Polradpendelungen kommen, bei denen der Polradwinkel zu seinem neuen, durch den neuen Be lastungszustand bedingten Wert hin verändert wird. Der neue Polradwinkel stellt sich jedoch nicht unmittelbar ein. Viel mehr pendelt er aufgrund der Trägheit des Rotors mit abneh mender Amplitude um seinen neuen Endwert. Die Pendelung er folgt dabei mit der Eigenfrequenz des Antriebsstrangs, was sich negativ auf die Stabilität des Generators auswirken kann. Dem Generator ist daher normalerweise ein Pendeldämp fungsgerät zugeordnet, das einen Teil des Regelkreises des Generators bildet und häufig in der Regelsoftware des Genera tors integriert ist. Im sogenannten Inselbetrieb des Genera tors dient der Spannungsregler dazu, die Klemmenspannung bei verschiedenen Belastungen des Generators konstant zu halten. Im sogenannten Netzbetrieb des Generators wird er dazu einge setzt, bei einer bestimmten Wirklast des Generators eine va riable Blindleistung zu liefern. Es beeinflusst über den Er regerstrom die Klemmenspannung bzw. den Leistungsfaktor des Generators. In Abhängigkeit von der Betriebsart wird für den Regelkreis ein Spannungssollwert gebildet und dem Regler vor- gegeben. Das Pendeldämpfungsgerät erzeugt in Abhängigkeit von der Bauart aus den Größen Generatordrehzahl und/oder Genera torleistung ein Zusatzsignal, das dem Spannungssollwert ad diert wird. Es reagiert auf dynamische Änderungen seiner Ein gangssignale, die einen Ausgleichsvorgang des Generators zu einem neuen Betriebspunkt bedeuten, und verändert den Span nungssollwert kurzzeitig. Über den Generatorspannungssoll wert, den Spannungsregler, den unterlagerten Erregerstrom und die im Generator induzierte Spannung werden letztendlich der Verlauf der Wirkleistung des Generators während eines Aus gleichsvorgangs beeinflusst und Polradschwingungen gedämpft.

Um einen Generator optimal beeinflussen zu können, müssen Pendeldämpfungsgeräte für den jeweiligen Generator im Rahmen der Inbetriebnahme des Turbosatzes justiert werden. Hierzu wird bei der ersten Inbetriebnahme oder bei der Wiederinbe triebnahme nach einer Wartung das im Lastbetrieb vorhandene Generatormoment variiert. Die Variation kann am einfachsten über eine Beeinflussung des Feldstroms über die Feldspannung erfolgen. Die Feldspannung wird wiederum vom Spannungsregler über die Erregereinrichtung gestellt. Die Feldspannung wird dabei im manuellen Betrieb fest vorgegeben, im Reglerbetrieb als Klemmenspannungssollwert zur Regelung der Klemmenspannung verwendet. In beiden Fällen kann eine Variation über einen zeitlich variablen Offset zur auszugebenden Feldspannung er folgen. Alternativ kann im Reglerbetrieb der Klemmenspan nungssollwert variiert werden. In allen Fällen kann das Anre gersignal im Spannungsregler erzeugt oder über eine externe Signalquelle eingespeist werden. Grundsätzlich sind unter schiedliche Anregersignale denkbar, wie beispielsweise Rauschsignale mit unterschiedlichen Frequenzspektren, Sweeps oder einzelne Anregersignale. Die Erfassung der angeregten Schwingungen kann dann effektiv und genau über die Messung der Wirkleistung erfolgen. Basierend auf den Anregersignalen und der gemessenen Wirkleistung wird dann im Rahmen einer Auswertung eine Übertragungsfunktion vom Anregungssignal zur Wirkleistung erstellt, die der späteren Regelung zugrunde ge legt wird. Die Anregung und Auswertung wird grundsätzlich auf die Frequenzbereiche von etwa 0,2Hz bis etwa 2,0Hz, maximal 3,0 Hz beschränkt, da für die Justage von Pendeldämpfungsge räten ausschließlich die Wechselwirkung zwischen Kraftwerk und Energienetz von Interesse ist. Die oberste Grenze von 3,0 Hz wird von vielen Netzwerkbetreibern vorgegeben, um schädli che Auswirkungen auf das Energienetz zu verhindern. Darüber hinaus ist der Einfluss von Frequenzen, die größer als 3,0Hz sind, aber auch durch die Übertragungsfunktion des Anreger signalregelkreises und durch die Feldwicklung des Generators beschränkt, die dazu neigt, höhere Frequenzen beträchtlich zu dämpfen.

Für den sicheren Betrieb eines Kraftwerks ist ferner die Kenntnis des Verhaltens des Wellenstrangs bei Anregung durch Torsionsmomente im laufenden Betrieb erforderlich, insbeson dere die genaue Lage der Eigenmoden. Die dominierenden, meist subsynchronen Torsionseigenfrequenzen des Wellenstrangs wei sen häufig eine scharfe Charakteristik auf und unterliegen einer geringen natürlichen Dämpfung. Wird während des Kraft werkbetriebs ein Ungleichgewicht zwischen dem Antriebsmoment des oder der Turbinen und dem Abtriebsmoment des Generators erzeugt, beispielsweise durch einen mechanischen Störfall oder durch Lastschwankungen im Netz, so führt dies automa tisch zu Ausgleichsvorgängen, die im Generatorspalt ein elektrisches Generatorgegenmoment erzeugen, dessen Frequenz meist unterhalb der Nennfrequenz des Generators liegt. Befin det sich die Frequenz des Generatorgegenmoments nahe einer subsynchronen Torsionseigenfrequenz des Wellenstrangs, kann der Wellenstrang zu starken Resonanzschwingungen angeregt werden. Durch diese Resonanzschwingungen werden wiederum im Stator des Generators subfrequente Ströme induziert, die zu rück ins Netz geleitet werden. Bei geringer oder gar negati ven Dämpfung des elektrischen und mechanischen Gesamtsystems können die Torsionsschwingungen des Wellenstrangs weiter an geregt werden, was zu unzulässig hohen Belastungen des Wel lenstrangs führt, die wiederum eine Verringerung der Lebens dauer oder gar einen Ausfall des Turbosatzes nach sich ziehen können. Entsprechend müssen die Torsionseigenmoden ermittelt werden, um diese während des Kraftwerkbetriebs meiden zu kön nen. Versuche einer Messung der Torsionseigenmoden am rotie renden Wellenstrang durch Einspeisung von Momenten an der Haupterregermaschine waren bislang nicht erfolgreich, da die eingespeisten Momente zu gering ausfielen. Entsprechend er folgt die Ermittlung der Torsionseigenmoden derzeit rechne risch auf Basis von Modellen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren zur Vermessung des Schwingungsverhaltens eines Antriebsstrangs eines einen Generator aufweisenden Turbosatzes eines mit einem Energienetz verbundenen Kraftwerks zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Vermessung des Schwingungsverhaltens eines Antriebsstrangs eines einen Generator aufweisenden Turbosat zes eines mit einem Energienetz verbundenen Kraftwerks, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: a) Auswahl von Anreger signalen, insbesondere in Form von Spannungssignalen, wobei das Frequenzspektrum Frequenzen bis zumindest 15Hz, bevorzugt bis zumindest 97Hz, besser noch bis zumindest 147Hz enthält und damit deutlich über denjenigen Frequenzbereich hinaus geht, der für die Inbetriebnahme von Pendeldämpfungsgeräten üblich ist (normalerweise etwa 0,2Hz bis etwa 3,0Hz), b) Be einflussen des Feldstroms des Generators unter Verwendung der in Schritt a) ausgewählten Anregersignale derart, dass mecha nische Schwingungen im Kraftwerkturbosatz angeregt werden, c) Erfassen der angeregten mechanischen Schwingungen einschließ lich der Resonanzschwingungen durch Messen zumindest einer geeigneten Ausgangsgröße, insbesondere der Wirkleistung, d) rechnerisches Ermitteln einer Übertragungsfunktion vom Anre gersignal zur in Schritt c) gemessenen Ausgangsgröße und e) rechnerisches Ermitteln der Übertragungsfunktion vom Genera tormoment zu einer gewünschten Ausgangsgröße unter Verwendung bekannter Übertragungsfunktionen vom in Schritt b) verwende ten Anregersignal zu einer gewünschten Eingangsgröße und/oder von der gewünschten Ausgangsgröße zu der in Schritt c) gemes- senen Ausgangsgröße basierend auf der in Schritt d) ermittel ten Übertragungsfunktion.

Die Durchführung der Schritte a) bis c) sowie die Ermittlung der Übertragungsfunktion vom Anregersignal (Spannungssignal) zu der zumindest einen Ausgangsgröße (gemessene Wirkleistung) in Schritt d) ist, wie es eingangs bereits beschrieben wurde, zur Einrichtung eines Pendeldämpfungsgeräts grundsätzlich be kannt, nur dass der Frequenzbereich der Anregersignale bis lang auf Frequenzen bis maximal etwa 3,0Hz begrenzt war. Beim erfindungsgemäßen Verfahren umfasst der Frequenzbereich viel höhere Frequenzen von bis zumindest 15Hz, bevorzugt bis zu mindest 97Hz, besser noch bis zumindest 147Hz, und ermöglicht damit in Schritt c) die Erfassung der Torsionseigenmoden. In Schritt e) wird dann eine weitere Übertragungsfunktion vom Generatormoment zu einer gewünschten Ausgangsgröße berechnet, wie beispielsweise zur Wirkleistung. Mit dieser weiteren Übertragungsfunktion kann das Verhalten des Kraftwerks über den gesamten Frequenzbereich der gewählten Anregersignale so wie die Wechselwirkung zwischen Kraftwerk und Pendeldämp fungsgerät beschrieben werden. Die erfassten Torsionsmoden können zur Bestätigung/Überprüfung von Simulationsmodellen herangezogen werden. Zudem können sie in die Regelung des Ge nerators eingebunden werden, womit die Zuverlässigkeit des Kraftwerks deutlich erhöht wird.

Bevorzugt handelt es sich bei den Anregersignalen um Signale mit unterschiedlichen Frequenzanteilen mit unterschiedlichen Amplituden, wobei eine Auswahl der Amplituden unter Berück sichtigung vorab bekannter Amplituden-Grenzwerte der in Schritt c) gemessenen Ausgangsgröße vorgenommen wird.

Vorteilhaft handelt es sich bei der gemessenen Ausgangsgröße um die Wirkleistung. Die hierfür erforderlichen Geräte sind bei bestehenden Kraftwerken bereits vorhanden, so dass zur Messung der Ausgangsgröße keine zusätzlichen Geräte zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlich sind. Bevorzugt handelt es sich bei den vorab bekannten Amplituden- Grenzwerten um Grenzwerte, die durch ein Erregersystem und/oder von einem Netzbetreiber vorgegeben sind und/oder die vorab basierend auf einer Simulation des Kraftwerkturbosatzes und/oder des mechanischen Strangs ermittelt wurden.

Vorteilhaft werden die Amplituden der Anregersignale unter Berücksichtigung der Verstärkung durch die nachfolgende Stre cke frequenzabhängig an die Möglichkeiten der Erregereinrich tung, des Generators und/oder des Wellenstrangs und/oder an die Erfordernisse des restlichen Kraftwerks und/oder an die Anforderungen des Energienetzes angepasst. Entsprechend wer den bei der Durchführung des Verfahrens negative Auswirkungen auf das Kraftwerk und/oder auf das Energienetz vermieden.

Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Frequenzspektrum der Anregersignale keine Frequen zen auf, die im Bereich der Resonanzfrequenzen des Netzes und/oder im Bereich sonstiger kritischer Frequenzen des Net zes liegen. Auch auf diese Weise werden gefährliche Anregun gen während der Durchführung des Verfahrens verhindert.

Bevorzugt werden die Anregersignale in einem oder mehreren Rauschsignalen zusammengefasst, wodurch die zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Zeitdauer verringert wird.

Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Generator-Feldstrom in Schritt b) bei statischer Erregung über die Generator-Feldspannung, bei bürstenloser Erregung über die Erregerspannung beeinflusst, die wiederum mittelbar über einen Spannungsregler beeinflusst wird, wobei die in Form von Spannungssignalen bereitgestellten Anregersignale in dem Spannungsregler als Klemmenspannungs-Sollwerte verwendet werden.

Alternativ wird der Feldstrom in Schritt b) bei statischer Erregung über die Generator-Feldspannung, bei bürstenloser Erregung über die Erregerspannung beeinflusst, die wiederum unmittelbar beeinflusst wird, indem die als Spannungssignale bereitgestellten Anregersignale additiv auf den Ausgang eines Spannungsreglers aufgeschaltet werden bzw. das Spannungsreg lerausgangssignal ersetzen.

Bevorzugt handelt es sich in Schritt e) bei der gewünschten Ausgangsgröße um die Drehzahl des Generators und/oder um auf tretende Momente an einer oder mehreren Stellen im Wellen strang.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wer den anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungs form des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist

Figur 1 ein Ablaufdiagramm, das schematisch die Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Figur 2 ein Graph, der beispielhaft die Auswahl eines ge wünschten Wirkleistungsamplitudenspektrums zeigt;

Figur 3 eine vergrößerte Ansicht des in Figur 2 gezeigten Graphs im Frequenzbereich von 0,1Hz bis etwa 15Hz;

Figur 4 ein Graph, der das Anregersignalamplitudenspektrum zeigt, das zur Erzielung des in Figur 2 dargestell ten gewünschten Wirkleistungsamplitudenspektrums erforderlich ist; und

Figur 5 eine vergrößerte Ansicht des in Figur 4 gezeigten Graphs im Frequenzbereich vom 0Hz bis 50Hz.

Figur 1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Ver fahrens zur Inbetriebnahme eines einen Generator aufweisenden Turbosatzes eines mit einem Energienetz verbundenen Kraft- werks. In einem ersten Schritt a) werden Anregersignale aus gewählt, vorliegend in Form von Spannungssignalen, wobei das Frequenzspektrum zur Erfassung der Torsionseigenmoden Fre quenzen im Bereich von beispielsweise 0,2Hz bis beispielswei se 147Hz umfasst und damit deutlich über den aus der Inbe triebnahme von Pendeldämpfungsgeräten üblichen Frequenzbe reich hinausgeht. Eine besondere Herausforderung dabei ist die Anpassung des Amplitudenspektrums für unterschiedliche Frequenzen. Hierfür wurde ein Konzept erarbeitet, dass nach folgend unter Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 5 am Beispiel eines bestehenden Kraftwerks beschrieben wird.

Die Figuren 2 und 3 zeigen das Amplitudenspektrum der Wirkleistung, wobei auf der X-Achse die Frequenzen und auf der Y-Achse die Amplituden aufgetragen ist. Die durchgezogene Linie repräsentiert durch das Erregersystem vorgegebene Amplituden-Grenzwerte, die gestrichelte Linie repräsentiert durch elektrische Anforderungen des Kraftwerks und des Ener gienetzes vorgegebene Amplituden-Grenzwerte, und die hohlen Punkte repräsentieren mechanische Amplituden-Grenzwerte des Wellenstrangs aufgrund von Torsionsmoden. Diese Amplituden- Grenzwerte sind bekannt.

An die Auswahl der Anregersignale wurden beispielhaft ent sprechend den Anforderungen einer einzelnen Anlage folgende Anforderungen gestellt:

1)Keine Anregersignale unter 0,2Hz.

2) 1% Anregersignal im Frequenzbereich von 0,2Hz bis 3,0Hz.

3)Maximal 0,041% Schwingungsamplitude der Wirkleistungs schwingungen bei allen Frequenzen oberhalb von 3,0Hz.

4)Maximal 14% Anregersignal bei allen Frequenzen oberhalb von 3,0Hz.

5)Keine Anregersignale bei ganzzahligen Vielfachen von 50Hz ± 2,5Hz.

6)Kein Anregersignal oberhalb von 150Hz. Die Punkt-Strich-Linie in den Figuren 2 und 3 repräsentiert das sich gemäß diesen sechs Anforderungen ergebende Amplitu denspektrum der Wirkleistung, wobei die einzelnen Anforderun gen im Graph durch entsprechende Ziffern markiert sind.

Die Figuren 4 und 5 zeigen das Amplitudenspektrum des Anre gersignals, das rein rechnerisch zur Erzielung des in den Figuren 2 und 3 dargestellten Amplitudenspektrums der Wirk leistung erforderlich ist, wobei auf der X-Achse die Anreger signale und auf der Y-Achse die angeregten Amplituden aufge tragen sind. Die drei Spektren bis 3Hz (durchgezogene Linie), bis 30Hz (gestrichelte Linie) und bis 147Hz (dünn gestrichel te Linie) ermöglichen es, den Frequenzbereich schrittweise zu erhöhen. Der erste Schritt bis 3Hz entspricht dabei einer Übertragungsfunktionsmessung, wie sie von der Pendeldämp- fungsgerät-Inbetriebnahme bekannt ist.

In Schritt b) wird der Feldstrom des Generators unter Verwen dung der in Schritt a) ausgewählten Anregersignale derart be einflusst, dass mechanische Schwingungen im Kraftwerkturbo- satz angeregt werden. Die Anregersignale werden dabei in einem oder mehreren Rauschsignalen zusammengefasst. Der Gene rator-Feldstrom kann gemäß einer ersten Variante über die Generator-Feldspannung oder die Erregerspannung beeinflusst werden, die wiederum mittelbar über einen Spannungsregler be einflusst wird, wobei die in Form von Spannungssignalen be- reitgestellten Anregersignale in dem Spannungsregler als Klemmenspannungs-Sollwerte verwendet werden. Alternativ kann der Feldstrom gemäß einer zweiten Variante über die Genera tor-Feldspannung oder die Erregerspannung beeinflusst werden, die wiederum unmittelbar beeinflusst wird, indem die als Spannungssignale bereitgestellten Anregersignale additiv auf den Ausgang eines Spannungsreglers aufgeschaltet werden bzw. das Spannungsreglerausgangssignal ersetzen.

Anschließend werden in Schritt c) die angeregten mechanischen Schwingungen einschließlich der Resonanzschwingungen durch Messen zumindest einer geeigneten Ausgangsgröße erfasst, bei der es sich vorliegend um die Wirkleistung handelt.

In einem weiteren Schritt d) wird eine Übertragungsfunktion vom Anregersignal zur in Schritt c) gemessenen Wirkleistung in bekannter Weise rechnerisch ermittelt.

Im letzten Schritt e) erfolgt ein rechnerisches Ermitteln einer Übertragungsfunktion vom Generatormoment zu einer ge wünschten Ausgangsgröße, bei der es sich vorliegend ebenfalls um die Wirkleistung handelt. Alternativ kann es sich bei der gewünschten Ausgangsgröße aber auch um die Drehzahl des Gene rators oder um auftretende Momente an einer oder mehreren Stellen im Wellenstrang handeln. Die Berechnung dieser Über tragungsfunktion erfolgt unter Verwendung bekannter Übertra gungsfunktionen vom in Schritt b) verwendeten Anregersignal zu einer gewünschten Eingangsgröße und/oder von der gewünsch ten Ausgangsgröße zu der in Schritt c) gemessenen Ausgangs größe basierend auf der in Schritt d) ermittelten Übertra gungsfunktion. Es sollte klar sein, dass in Schritt e) auch mehrere Übertragungsfunktionen ermittelt werden können.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausfüh rungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.