Oppgradering og optimalisering av synkrongenerator ved Lutufallet kraftverk

Abstract

Bakgrunnen til dette prosjektet kommer av en aldrende maskinpark i norske vannkraftverk og derav et økt behov for rehabilitering og oppgraderinger av synkrongeneratorer som er installert i kraftverkene. Årsaken som utløser dette behovet er at genertarene er på slutten av sin levetid og dermed er det et ønske om øke restlevetiden og minske sjansene for et havari. Hafslund Eco eier og drifter omlag 80 kraftverk i Norge og er den nest søtrste produsenten av vannkraft i Norge. Selskapet har flere kraftverk om som snart har et behov for rehabilitering. Lutufallet kraftverk er et elvekraftverk i Trysilelva helt på riksgrensen mot Svergie og har vært i drift siden 1964 uten å ha gjennomgått større rehabilitering på generatoren. Kraftverket består av en generator på 18 MVA produsert av National Industri.

Målet med prosjektet var å oppgradere og optimalisere denne generatoren ved hjelp av beregningsprogrammet GenProg. Prosjektet startet med å validere GenProg sin troverdighet til å benytte i dette prosjektet. GenProg sine resultater på generatoren i Lutufallet kraftverk ble sammenlignet med reelle verdier på maskinen og disse stemte godt overens. Det anbefales at leser kjenner godt til oppbygningen, virkemåten og teorien til en synkrongenerator. Dette er en fordel for å øke forståelsen ved en oppgradering- og optimaliseringsprosess av synkrongenerator i et vannkraftverk. Det ble undersøkt fire oppgraderingsalternativer til generatoren ved Lutufallet kraftverk som har som mål å øke virkningsgraden til maskinen og muligens ytelsen. Resultatet fra disse alternativene viser at den største virkningsgradsøkningen får man ved å bytte statorvikling, statorblikk og øke spenningen i generatoren. Ved å øke spenningen i maskinen ble det mulig å benytte en røbelvikling i statoren og dette ga det beste resultatet. Den optimale spenningen ble undersøkt til å være 9 kV. Røbelviklingen gir en bedre utnyttelse av kobberet i viklingen som vil senke tapene i viklingen. Dette vil si at å øke spenningen i generatoren for å kunne benytte en røbelvikling gir en bedre maskin, men dette alternativet forutsetter at generatortransformatoren blir byttet ut. Dette gjør at dette alternativet blir økonomisk ugunstig og derfor lite trolig at kraftverkseier vil realisere dette alternativet. Det alternativet som er mest reelt at kraftverkseier investere i er alternativet der statorviklingen og statorblikket blir byttet ut. Grunnen til at dette gir en bedre virkningsgrad i maskinen er at viklingen har mindre isolasjon som gir mer kobberareal i sporet og dermed mindre strømtetthet. Dette resulterer i mindre tap i viklingen. Nytt statorblikk har den fordelen med at moderne blikk har mindre relative tap enn blikk fra 60-tallet og dermed vil tapene i statorkjernen reduseres. Videre ble det konstatert at maskinen er lavt belastet temperaturmessig og dermed var det mulig å redusere dimensjonene på ventilasjonskanalene. Dette ga større blikkpakker som videre ga mindre flukstetthet i statoråket. De ulike alternativene er:

Alt 1: Optimalisering av eksisterende design Alt 2.1: Ny flervindingsspole Alt 2.2: Ny røbelvikling Alt 3.1: Nytt statorblikk og ny flervindingsspole Alt 3.2: Nytt statorblikk og ny røbelvikling Alt 4.1: Ny stator med 330 spor, økt ytelse og ny flervindingsspole Alt 4.2: Ny stator med 330 spor, økt ytelse og ny røbelvikling Virkningsgradene fra de forskjellige alternativene er ført opp i tabell nedenfor i tabell 1.

Virkningsgrader Opprinnelig 97,52 % Alt 1 97,73 % Alt 2.1 97,79 % Alt 2.2 97,88 % Alt 3.1 97,89 % Alt 3.2 97,98 % Alt 4.1 97,75 % Alt 4.2 97,92 % Tabell 1 - Virkningsgrader ved de ulike alternativene

The background to this project comes from an aging machine park in Norwegian hydropower plants and hence an increased need for rehabilitation and upgrades of synchronous generators installed in the power plants. The reason that triggers this need is that the generators are at the end of their lifetime and thus there is a desire to increase the remaining lifetime and reduce the chances of an breakdown. Hafslund Eco owns and operates about 80 power plants in Norway and is the second biggest producer of hydropower in Norway. The company has several power plants that will soon need rehabilitation. Lutufallet power plant is a river power plant in Trysilelva right on the border to Sweden and has been in operation since 1964 without having undergone major rehabilitation on the generator. The power plant consists of a generator of 18 MVA produced by National Industri. The goal of the project was to upgrade and optimize this generator using the calculation program GenProg. The project started by validating GenProg's credibility to use in this project. GenProg's results on the generator at the Lutufallet power plant were compared with real values on the machine and these agreed well. It is recommended that the reader is well acquainted with the structure, operation and theory of a synchronous generator. This is an advantage to increase the understanding of an upgrade and optimization process of synchronous generator in a hydropower plant. Four upgrade alternatives to the generator at the Lutufallet power plant were investigated, which aim to increase the efficiency of the machine and possibly the power rating. The results from these alternatives show that the largest efficiency increase is obtained by changing the stator winding, stator plates and increasing the voltage in the generator. By increasing the voltage in the machine, it became possible to use a roebelbar in the stator and this gave the best result. The optimum voltage was examined to be 9 kV. The roebelbar gives a better utilization of the copper in the winding which will lower the losses in the winding. This means that increasing the voltage in the generator to be able to use a roebelbar gives a better machine, but this alternative presupposes that the generator transformer is replaced. This makes this alternative financially unfavorable and therefore it is unlikely that the power plant owner will realize this alternative. The alternative that is most real that the power plant owner invests in is the alternative where the stator winding and the stator plates are replaced. The reason why this gives a better efficiency in the machine is that the winding has less insulation which gives more copper area in the statorslot and thus less current density. This results in smaller losses in the winding. New stator plates has the advantage that modern plates have less relative losses than plates from the 60s and thus the losses in the stator core will be reduced. Furthermore, it was found that the machine is low loaded in terms of temperature and thus it was possible to reduce the dimensions of the ventilation ducts. This resulted in larger tin packages which further gave less flux density in the stator core.

The alternatives are: Alt 1: Optimization of existing design Alt 2.1: New multi-turn coil Alt 2.2: New roebelbar Alt 3.1: New statorcore and new multi-turn coil Alt 3.2: New statorcore and new roebelbar Alt 4.1: New statorcore with 330 slot, increased power rating and new multi-turn coil Alt 4.2: New statorcore with 330 slot, increased power rating and new roebelbar

The efficiencies from the different alternatives is listed up in table 1.

Efficiencies Original 97,52 % Alt 1 97,73 % Alt 2.1 97,79 % Alt 2.2 97,88 % Alt 3.1 97,89 % Alt 3.2 97,98 % Alt 4.1 97,75 % Alt 4.2 97,92 % Table 1 – Efficiencies from the alternatives