Technical interfaces of turbo- generator-sets to be ... · Vervielfältigungen, Verwendung und...
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ALSTOM (Switzerland)Ltd© 2001Preliminary/for discussion purposes only. We reserve all rights in this document and in the information contained therein. Reproduction, use or disclosure to third parties without express authority is strictly forbidden.
ALSTOM (Schweiz) Ltd© 2001 Vorläufer/ausschliesslich Diskussionsgrundlage. Für dieses Dokument und den darin dargestellten Inhalt behalten wir uns alle Rechte vor. Vervielfältigungen, Verwendung und Weitergabe an Dritte ist ohne ausdrückliche Zustimmung von ALSTOM streng verboten.
Sept. 2004Sept. 2004
Technical interfaces of turbo-generator-sets to be considered for an optimum component selection
Oliver DrubelElectrical Calculation, Turbogenerator development
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Overview
! Motivation! Interfaces of a turbo generator! Coupling to the turbine - necessary shaft line calculations! Coupling to foundation and suspension philosophies! Electrical interfaces to the bus-system! Control and protection! Excitation system! Starting up of the generator! Shaft grounding! Cooler philosophy! Examples ! Conclusion
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Motivation
! Liberalization of the electricity market increases the need for optimized solutions - optimized means an economical optimization fulfilling all technical constraints
! Strong cost differences for the plant up to 2mio€ between advanced and conventional generator technologies are possible
! General system simplifications allow for an increase in reliability and reduction in maintenance
! Interfaces of the generator have to be defined clearly to allow for an adequate integration in the plant layout
! A proper risk evaluation needs the knowledge of technical key areas
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Development to solutions with low need of auxiliaries and interfaces
Future development focus for large 2-pole turbogeneratorsAir cooled
H2 / H2cooled
H2O / H2cooled
State of the art
Technology leadership
<330MVA
330MVA -500MVA
400MVA -500MVA
500MVA -660MVA
500MVA -1300MVA
>1300MVA
Simplification in operation and maintenance
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Generator Interfaces
Coupling to steam turbine
Generator ac terminals to busducts
Outer cover
Axial fan for closed air circulation
Leakage air filter
Elastic suspension of core
Stator core: stacked laminations
Rotor winding: solid conductors
Retaining ring
Housing upper part
Housing lower part w. coolers
Ribs / separation walls
Rotor body: slotted forging
Endwindingsuspension
TurbogeneratorTOPAIR 23
Pedestal bearing
Stator winding: Roebelbars
Air filter for brushgear
Core suspension rings
Sliprings and brushgearfor dc excitation
Shaft grounding NDE
Shaft grounding DE
Control+Protection
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Coupling to the turbine
! Axis height, coupling sizes, bearing arrangement (single or double bearing)!Adjustments to either generator or turbine coupling are
necessary or intermediate shaft!Flexibility in bearing concepts
! Shaft line rotor dynamics (critical speeds, unbalance response, torsional natural frequencies, fault cases, transformer selection, xd", ...), restricted speed ranges, start up procedure
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Shaft line rotor dynamics -shaft line calculations
! Torsional torques and eigenfrequencies
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Coupling to the turbine necessary shaft line calculations
! Philosophies for mechanical torque determination:! The shaft line responsible determines the philosophy, but the
generator supplier must be capable to support adequate
! Lateral shaft oscillations! Simply mechanical, no electrical involvement! Mechanical generator model with bearing stiffnesses required
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Interface data for brushless exciteror static excitation and AVR
Current limiter
P/Q Limiter
Rotor earth fault protection
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Arrangement during gas turbine starting-starting up of gas turbines
Startup-Trans-former
CableTransformer -SFC300m
SFC
GeneratorCable andSwitchgearSFC-Generator
positive d.c.link voltage,trafo. sideMP 4455
positive d.c.link voltage,geno. sideMP 4454
negative d.c.link voltage,MP 4453
phase U,MP 4449
phase V,MP 4451
phase W,MP 4447
phase U,MP 4450
phase V+W,MP 4444
phase U,MP 4445
MP 4442 MP 4452
phase U,MP 4436
MP 4440
Grid
rectifiermain inductor commutator
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Arrangement during gas turbine starting-starting up of gas turbines
Start up philosophy for different gas turbine manufacturers:
With SFC With ponny motor
Generator with static excitation
Generator with brushless excitation
Only with start up brushes
Additionally the speeds for fast cooling and other special rotation modes have to be considered for lateral rotor Eigenfrequencies
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Shaft grounding - Converter induced shaft voltages
DE NDE
Turbine Generator
none DE ModuleShaft Grounding Shaft Grounding
RC Module
Ins. BearingRule No.4,5
Cu Braid Cu Braid
Shaft Grounding
∫ −=⋅t
lEd
dd cϕrr
Low ohmic ground on drive end and capacity on NDE allows to avoid low frequency grounding and reduction of excitation peaks
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Converter Improvement- shaft grounding
Time t (µs)
Shaf
tvol
tage
u shaf
t(V
)
0 50 100 150 200 250-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120108V
-54V
30V
Before modification
Aftermodification
The converter improvement reduced the shaft voltages of a 500MVA plant from 108V to 30V peak –a reduction by a factor of 3 had been predicted by the mathematical model
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Shaft grounding
! Normal operation shaft voltages are well below critical voltage limits with todays ALSTOM design
! Higher shaft voltages are strongly related to the thyristor switching within frequency converters
! The shaft voltage caused by the frequency converter is a coupled inductive capacitive phenomenon
! A solution to reduce the shaft voltages by a factor of about 3 has been predicted and successful implemented where necessary
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Cooler philosophy
! Difference is based in different areas:!Amount of waterflow!Difference between cold gas –water
temperature distance!Open water or closed water circuit! Integration of cooling circuit within steam
water circuit
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Cooler philosophy
! Amount of waterflow!High amount of water
!Cheaper generator coolers!Low water temperatures in the piping
(<60°C)!Low amount of water
!Expensive generator coolers!Cheaper re-coolers
•Cooling tower: Usually higher water flow
•Air recoolers: Usually low water flow
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Cooler philosophy
! Open water or closed water circuit! Closed water allows for a more reliable operation of the coolers! Special attention to the cooler material choice is necessary to
allow for open water circuits
! Integration of cooling circuit within steam water circuit! An intermediate water water cooler should be used in case of
hydrogen cooled generators in order to prevent hydrogen explosions in the steam circuit.
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Normal interface responsibilities
! Generator responsibilities:! Excitation specification! Cooler specification! Shaft grounding! Electrical and thermal
protection philosophy
! Turbine supplier responsibilities:! Shaft line responsibility +
shaft line protection! Starting philosophy
! Plant responsibilities:! Foundation
Most of the interfaces are normally within the scope of the generator supplier
Shaft line responsibility is normally with the turbine supplier but the generator supplier contributes with:
"Mechanical generator model with bearing stiffness
"Electrical generator torque
The interface responsibility has to be agreed on a contractual basis
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Examples
!Coupling of a TOPGAS generator to a M701 single shaft
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Examples
!Coupling of a TOPACK generator to a GT 6B
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Conclusion
!Combination of turbine and generator of different suppliers can allow for more economic solutions
!Most critical interface are the rotor shaft dynamics ! In order to reduce the no. of interfaces it is of
advantage to include the excitation, cooler and shaft grounding in the generator responsibility
!Several success stories of generators coupled to different turbine suppliers reveal its advantages on a liberalized market
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