Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Ziel des Vorhabens war die Entwicklung einer neuartigen, dezentralen Energieversorgungsanlage, deren Grundprinzip auf der Kraft-W\u00e4rme-Kopplung mit einer Dampfturbine beruht. Gegen\u00fcber konventionellen Systemen mit konstanter Drehzahl (Dampfturbine – mechanisches Getriebe – Generator) kann durch drehzahlvariablen Betrieb der Turbine eine Steigerung des Teillastwirkungsgrades erreicht werden. Ver\u00e4nderungen zum Stand der Technik ist deshalb der Einsatz eines getriebelosen Turbogenerators, der \u00fcber einen Frequenzumrichter mit dem Niederspannungsnetz verbunden ist. Besonders die Nutzung regenerativer Prim\u00e4renergietr\u00e4ger wie z. B. Biomasse oder aber auch die Verwendung von Sonderbrennstoffen kann aufgrund des hohen technischen Niveaus der Dampferzeugung die Basis eines zuk\u00fcnftigen Serienprodukts bilden. Die elektrische Leistung des Systems sollte kleiner 1 MW sein. F\u00fcr experimentelle Untersuchungen war der Aufbau einer entsprechenden Versuchsanlage im Heizkraftwerk Dresden – Reick geplant.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAufbauend auf dem Stand der Technik wurde eine Versuchsanlage mit getriebelosem Dampfturbogenerator konzipiert, mit der ein drehzahlvariabler Betrieb m\u00f6glich ist. Hierzu musste ein entsprechendes leistungselektronisches Stellglied entwickelt bzw. modifiziert werden. In der Anlagensteuerung wurde die aus der Turbinentheorie abgeleitete optimale Drehzahl-Leistungs-Kennlinie hinterlegt. In parallel ausgef\u00fchrten Arbeitsschritten erfolgte die Entwicklung der einzelnen Systemkomponenten (Turogenerator, Umrichter, SPS) sowie die Planung bzw. der Entwurf der f\u00fcr die Versuchsanlage notwendigen Steuer-, Regel- und Sicherheitskonzepte. Nach erfolgreichem Abschluss der Voruntersuchungen und Detailkonstruktionen wurde die Versuchsanlage im Heizwerk Dresden – Reick errichtet und in Betrieb genommen. Geplant war eine mindestens 6 Monate lange experimentelle Untersuchung des Gesamtsystems mit den Zielen, die Funktionalit\u00e4t und Sicherheit der Anlage nachzuweisen sowie Erkenntnisse \u00fcber eine optimale Betriebsf\u00fchrung zu erlangen. Die Ergebnisse sind auf Systeme anderer Leistungsklassen mit gleichem Prinzip anwendbar.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Durch interdisziplin\u00e4re Zusammenarbeit innerhalb der TU Dresden und mit den Projektpartnern verschiedener Ingenieurdisziplinen wurde eine Versuchsanlage konzipiert, auf der System- und Komponentenebene analysiert und simuliert, entworfen, aufgebaut und erfolgreich erprobt. Der technologische Grundgedanke der direkten Kopplung einer Dampfturbine mit einem permanent erregten Synchrongenerator auf einer Welle und dessen Anbindung an das Niederspannungsnetz mit einem Frequenzumrichter, wurde f\u00fcr Dampfanwendungen erstmals in dieser Form und Leistungsgr\u00f6\u00dfe erfolgreich umgesetzt. Mit den bez\u00fcglich der leistungselektronischen Komponenten gewonnenen Erkenntnissen konnte eine Grundlage f\u00fcr den Entwurf und die Konstruktion einer Umrichtertechnik f\u00fcr den urspr\u00fcnglich geplanten elektrischen Leistungsbereich von 500kW geschaffen werden. Aus elektrischer Sicht ist in Folgeprojekten eine deutlich bessere Systemintegration der Umrichterkomponenten (Amplitude der Polradspannung gegen\u00fcber der maximal einstellbaren Zwischenkreisspannung, minimale Phaseninduktivit\u00e4t, angepasste Schaltfrequenz, leistungsf\u00e4higere Informationsebene) n\u00f6tig und m\u00f6glich. Ebenso flie\u00dfen die in der Inbetriebnah-mephase gesammelten Erfahrungen in die Neukonzeption des Turbogenerators ein. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der K\u00fchlung der Lager und des Rotors sowie der \u00dcberarbeitung der magnetgelagerten axialen Wellenpositionierung. Das erarbeitete Regelungskonzept der Gesamtanlage (Drehzahlregelung mittels Dampfregelventil, Leistungsregelung durch den maschinenseitigen Pulsgleichrichter, Zwischenkreisspannungsregelung durch den netzseitigen Pulswechselrichter) ist auf zuk\u00fcnftige Anwendungen f\u00fcr den Netzparallelbetrieb \u00fcbertragbar. Die Verwendung einer derzeit am Markt verf\u00fcgbaren pneumatischen Ventilansteuerung erschien f\u00fcr die Drehzahlregelung aufgrund der hysteresebehafteten Hubregelung nach experimenteller Pr\u00fcfung als ungeeignet. Die derzeit durch eine hydraulische Ansteuerung realisierte Ventilansteuerung sollte aber aus Gr\u00fcnden der gew\u00fcnschten \u00d6lfreiheit des Systems prinzipiell durch eine pneumatische Ansteuerung oder einen elektromechanischen Antrieb (derzeit am Markt noch nicht verf\u00fcgbar) ersetzt werden. Im Zuge der Anwendung der ermittelten Drehzahl-Leistungs-Kennlinie kann davon ausgegangen werden, dass der Jahresnutzungsgrad im Vergleich zum Betrieb mit konstanter Drehzahl merklich ansteigt, was zu einer Brennstoffeinsparung und somit weiteren Senkung der CO2 – Emission f\u00fchrt. Mit dem f\u00fcr die Heizperiode im Herbst 2006 geplanten Dauerbetrieb der Anlage wird ein deutlicher Zuwachs der genannten \u00f6kologischen Effekte erwartet. Neben der CO2-Emissionsenkung spielt hier auch der Wegfall des Schmier\u00f6lverbrauchs aus \u00f6kologischer und wirtschaftlicher Sicht (Sen-kung Wartungsaufwand) eine bedeutende Rolle.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Ergebnisse des Projektes wurden auf der Messe Terratec\/Enertec 2003 und 2005 in Leipzig vorgestellt. In den gleichen Jahren wurden Vortr\u00e4ge auf dem Kraftwerkstechnischen Kolloquium der TU Dres-den gehalten. Auf 2 Gutachterkonferenzen in den USA (PES 2003) und Japan (IPEC 2005) konnten spezielle leistungselektronische Aspekte einem internationalen Fachpublikum dargelegt werden. Dar\u00fcber hinaus erfolgten Ver\u00f6ffentlichungen in Printmedien, wie z. B. dem Holzzentralblatt (Sept. 2005) oder in den Solarthemen (Nov. 2004). Die Ergebnisse stehen allen beteiligten Projektpartnern zur freien Verf\u00fcgung. In Bearbeitung sind derzeit 3 Promotionsarbeiten, die nach ihrer Fertigstellung \u00f6ffentlich zug\u00e4nglich sind.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
In Anbetracht des komplexen Entwicklungsvorhabens kann ein positives Fazit gezogen werden. Ohne die enge interdisziplin\u00e4re Zusammenarbeit zwischen den beteiligten Instituten der TU Dresden mit den Industrieunternehmen w\u00e4re die Umsetzung des Vorhabens nicht m\u00f6glich gewesen.
\nDie Hauptziele
\n–\tErmittlung des Drehzahl-Last-Kennfeldes f\u00fcr den wirkungsgradoptimalen Betrieb des Dampfturbogenerators,
\n–\tFunktionsnachweis des neuartigen Turbogenerators in Verbindung mit der Umrichtertechnik,
\n–\tFunktionsnachweis des gesamten Anlagenkonzepts und
\n–\tst\u00f6rungsfreier Dauerbetrieb als Energieerzeugungsanlage im Netzparallelbetrieb
\nwurden mit Einschr\u00e4nkung der elektrischen Leistung auf 70% der Generatornennleistung erreicht. Mit diesem Projekt konnte eine Grundlage f\u00fcr die Weiterentwicklung von KWK-Anlagen mit Dampfturbinen und wirkungsgradoptimalem Betrieb geschaffen werden. Beleg f\u00fcr das hohe Marktpotenzial des Konzepts ist die anhaltend gute Resonanz auf nationale und auch internationale Ver\u00f6ffentlichungen. Zusam-men mit einer \u00dcberarbeitung des leistungselektronischen Stellglieds ist mit dem heutigen Erkenntnisstand die Entwicklung eines vermarktungsf\u00e4higen Serienproduktes durchaus m\u00f6glich.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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