Sulzer Technical Review Ausgabe 1/2016

Kein Weg ist zu weit

16. März 2016

Die dezentrale Lage von Wasserkraftwerken stellt häufig eine besondere Herausforderung dar, wenn grössere Reparaturen anstehen. Die Überholung eines grossen Generators im schottischen Hochland zeigt, dass Sulzer auch für besonders entlegene Standorte kosteneffiziente Servicelösungen findet.Die dezentrale Lage von Wasserkraftwerken stellt häufig eine besondere Herausforderung dar, wenn grössere Reparaturen anstehen. Die Überholung eines grossen Generators im schottischen Hochland zeigt, dass Sulzer auch für besonders entlegene Standorte kosteneffiziente Servicelösungen findet.

Ein Grossteil der Wasserkraftwerke im Vereinigten Königreich wurde in den 1950er-Jahren gebaut. Diese Anlagen haben ihre Aufgabe bisher hervorragend erfüllt, besonders wenn man bedenkt, welche Konstruktions- und Berechnungsmethoden zur Zeit ihrer Errichtung zur Verfügung standen. Nach über 50 Jahren der Erzeugung von erneuerbarer Energie stehen nun jedoch umfangreichere Überholungen und Modernisierungen an.

 

Was sich trotz aller Entwicklungen im Bereich der Konstruktionsverfahren und Werkstoffe nicht verändert hat, sind die dezentrale Lage vieler Anlagen und die logistischen Schwierigkeiten, die mit der Arbeit an grossen rotierenden Maschinen verbunden sind. Welche Herausforderungen die Bereitstellung eines überholten Wasserkraftgenerators mit sich bringt, zeigt die Reparatur eines von zwei Generatoren, die Sulzer im Rahmen eines schlüsselfertigen Projekts für das Kraftwerk von Lochay nahe der schottischen Stadt Stirling durchgeführt hat.

 

Das von Scottish and Southern Energy (SSE) betriebene Kraftwerk besitzt eine Gesamtleistung von 47 MW und ist Bestandteil des Breadalbane Hydro-Electric Scheme. Die beiden Hauptgeneratoren mit je 22,5 MW stammen von English Electric und wurden im Jahr 1958 in Betrieb genommen. Die übrigen 2 MW werden von einer kleineren Pelton-Turbine erzeugt, welche mit dem Dotierwasser betrieben wird, wenn die Hauptgeneratoren nicht in Betrieb sind.

 

Das Breadalbane Hydro-Electric Scheme umfasst sechs Staudämme im Hochland von Perthshire. Über zwanzig Tunnel und Aquädukte befördern das Wasser zu sieben Kraftwerken, von denen Lochay das grösste ist.

 

Erste Diagnose

Als an einem der Generatoren im Jahr 2012 Geräusche und Schwingungen auftraten, rief SSE die Spezialisten vom Sulzer-Servicecenter in Falkirk, um den Generator zu zerlegen und die Ursache zu untersuchen. Der Stator war ursprünglich in zwei Hälften gefertigt und vor Ort verschraubt worden. Der Hauptgrund für diese ungewöhnliche Bauform war der schwierige Transport des Materials an den entlegenen Standort während des Baus.

 

Bei der Untersuchung wurde ein Spalt zwischen den beiden Kernhälften vorgefunden. Bei der Montage vor Ort war dieser Spalt mit einem Streifen Isolierstoff verschlossen worden. Dieser hatte sich im Laufe der Zeit allmählich zersetzt, sodass sich der Spalt zwischen den beiden Kernhälften vergrösserte.

 

Graphic showing principle of a hydraulic turbine
Eine Wasserturbine wandelt die Energie des fliessenden Wassers in mechanische Energie um. Ein Wasserkraftgenerator erzeugt aus dieser mechanischen Energie Elektrizität.

Beim Anfahren des Generators aus dem kalten Zustand kam es zu Schwingungen, bis eine Betriebstemperatur von etwa 50 °C erreicht war. Dann war der Kern so weit ausgedehnt, dass beide Hälften fest miteinander verbunden waren. Infolge des veränderten Energiebedarfs in der Region werden die Generatoren aber nicht wie bisher üblich dauerhaft betrieben, sondern zunehmend an- und abgefahren, was die Situation zusätzlich verschlimmerte.

Beachtet man das Alter der Generatoren, so spricht es für ihre Konstruktion, dass in den vergangenen 60 Jahren lediglich die Lager ausgetauscht wurden. Doch die neuesten Entwicklungen liessen erkennen, dass bald eine vollständige Überholung notwendig sein würde. Also wurden Planungen vorgenommen, um die notwendigen Arbeiten auf möglichst kosteneffiziente Weise durchzuführen.

Logistische Herausforderungen

Die Stromerzeugung aus Wasserkraft im grossen Massstab erfordert enorme Wassermengen, die über lange Strecken bergab fliessen müssen, bevor sie den Turbinen zugeführt werden. Geeignete Standorte für solche Anlagen sind relativ dünn gesät und befinden sich fast immer in entlegenen Gegenden, d. h. weit weg von Haupttransportwegen und allgemeiner Infrastruktur. Dies kann erhebliche Herausforderungen in der Logistik und beim Transport von grossen, reparaturbedürftigen Bauteilen mit sich bringen.

 

Im Falle des Generators von Lochay kam noch hinzu, dass die natürliche Schönheit der Umgebung eine Vielzahl von Touristen anlockt. Dies gilt besonders in den Sommermonaten, in denen ein Grossteil der Instandsetzungsarbeiten durchgeführt werden sollte.

Zum Glück verfügt das Projektmanagement-Team von Sulzer über umfangreiche Erfahrung in der Organisation und Durchführung von Reparaturen an Wasserkraftgeneratoren und war so in der Lage, Störungen des Zeitplans für die Überholung auf ein Minimum zu begrenzen.

 

Instandsetzungsmassnahmen

Nach der Untersuchung stand fest, dass der Generator letztendlich neu gewickelt werden musste. In der Zwischenzeit sollte ein Instandsetzungsprogramm dafür sorgen, dass der Generator weiter betrieben werden konnte, bis die umfangreichere Überholung organisiert war. In enger Zusammenarbeit mit SSE entwickelte Sulzer eine Instandsetzungsstrategie für die Sommermonate, um den Generator auf den Betrieb im Winter vorzubereiten, wenn die örtlichen Wasserstände einen Dauerbetrieb der Generatoren zulassen.

 

Zunächst wurde der Kern festgezogen und neu verkeilt, um die Geräusche und Schwingungen zu reduzieren. Dadurch konnte der Generator den Winter 2013 hindurch weiter betrieben werden. Im Jahr 2014 folgten weitere Arbeiten zur Fixierung der Wickelköpfe, bevor der Generator erneut in Betrieb genommen wurde. Bei diesen Aspekten des Reparaturprogramms arbeitete Sulzer eng mit SSE zusammen. SSE baute den Rotor aus, damit Sulzer die Instandsetzungsarbeiten durchführen konnte. Anschliessend konnte SSE den Generator wieder zusammenbauen und anfahren.

 

Im Jahr 2015 startete Sulzer das schlüsselfertige Projekt zur Demontage und vollständigen Neuwicklung des Generators, das auch konstruktive Verbesserungen zur Steigerung der Leistung vorsah. Mithilfe der vor Ort vorhandenen Hebevorrichtungen wurde der 56 Tonnen schwere Rotor entfernt, um den Zugang zum Stator und seinen Wicklungen zu ermöglichen, die zusammen mit dem Statorkern entfernt wurden.

 

Designspezialisten

Das gesamte Projekt wurde vom Servicecenter in Falkirk koordiniert und durchgeführt, doch andere Sulzer-Servicecenter wie Birmingham steuerten ihre Fähigkeiten und ihr Know-how bei. So wurden die konstruktiven Verbesserungen für den Stator und die Spulen in Birmingham konzipiert und ausgeführt. Dazu gehörte unter anderem ein neuer einteiliger Kern, der das ursprüngliche zweiteilige Design ersetzen sollte.

Der neue Kern besteht aus über 30 000 Blechen, die die neuen Blechsegmente bilden. Jedes Segment wurde aus hochwertigem Standard-Elektroblech der Sorte M330-50A-C5 gefertigt. So konnten die stahlspezifischen Verluste von ursprünglich 5,75 W/kg auf 3,3 W/kg reduziert werden.

 

Der Stator besitzt insgesamt 126 Nuten. Die Bleche sind so konzipiert, dass eine Hälfte der Bleche an der Nut und die andere Hälfte am Zahn geteilt sind. So kann der Kern kontinuierlich aufgebaut werden, wobei jede Schicht die Verbindungsstellen der vorherigen Schicht überdeckt. Um eine Wärmeausdehnung zu erlauben, sind die neuen Segmente mit minimalem Abstand zueinander angeordnet.

 

Zu den weiteren konstruktiven Verbesserungen gehören ein neuer Lüftungskanal und ein Stützring, der dafür sorgt, dass das neue Kernpaket vollständig abgestützt und verpresst wird. Neue Pressfinger mit einem besseren spulenseitigen Abstand wurden ebenfalls konstruiert, um eine Teilentladung am Wickelkopf zu verhindern – ein Problem, das aufgrund unzureichenden Abstands an der ursprünglichen Maschine aufgetreten war.

 

Installation

Für die Installation wurde ein Ring aus Platten um den Statorrahmen herum gebaut. So konnten die einzelnen Kernpakete mithilfe von 22 hydraulischen Stempeln verpresst und jegliche Lufteinschlüsse entfernt werden. Die Zylinder wurden über Mehrfachverteiler versorgt, um eine gleichmässige Druckverteilung um den Kern zu gewährleisten. Dieses Vorgehen war zwar zeitaufwendig, doch bei der Konstruktion des neuen Kerns kam es auf höchste Qualität an, um die Zuverlässigkeit des Generators nach der Wiederinbetriebnahme sicherzustellen.

 

Bei der Montage des Kerns kam eine eigens konstruierte Nutlehre zum Einsatz, die bei der korrekten Ausrichtung der Nuten half. Zur Überprüfung der Konzentrizität wurde der Innendurchmesser des Kerns radial an acht und axial an drei Stellen gemessen. Der Abstand zwischen der Kernrückseite und den Schwalbenschwanzprofilen wurde ebenfalls für jedes Kernpaket und jeden Schwalbenschwanz gemessen, um die Konsistenz und Qualität des Kernaufbaus zu überprüfen.

 

Das Serviceteam überprüfte mit einer Wärmebildkamera, ob der neue Kern eine gleichmässige Temperaturverteilung hatte.

Um den überholten Kern zu testen, wurde ein grosser Generator zum Standort gebracht. Dieser war leistungsstark genug, um den Kern mit einem entsprechenden Nutzfluss zu testen, sodass sowohl die Eisenverluste als auch der Leistungsfaktor des Eisens geprüft werden konnten. Die dabei aufgezeichneten Kernflussparameter und Wärmebilder bestätigten den hervorragenden Zustand des neuen Kerns.

 

Nach der Montage des neuen Kerns erstellten die Ingenieure mithilfe eines Präzisions-Lasermessgeräts eine vollständige 3-D-Zeichnung des Stators. Diese wurde dann zur Herstellung der neuen Wicklungen und Sicherung einer perfekten Passung genutzt. Anhand der ermittelten Abmessungen fertigte das Servicecenter in Birmingham eine Präzisionslehre, mit der die Form und die Abmessungen jeder neu gefertigten Wicklung genau geprüft wurden.

Technisches Know-how

Die Wicklung wurde vom technischen Team in Birmingham neu entworfen, um den erheblichen Verbesserungen auf dem Gebiet der Isoliertechnik in den vergangenen 60 Jahren Rechnung zu tragen. Die Isolierstoffklasse wurde durch Verwendung eines modernen harzreichen Isoliersystems von B auf F verbessert. Dadurch konnte die Dicke der Isolierung reduziert und der Kupfergehalt in der Nut erhöht werden.

Die Wicklung wurde neu entworfen, damit sie dem neuesten Stand der Isoliertechnik entspricht.
Die ursprünglichen Wicklungen hatten einen geringeren Kupfergehalt, und der Anschluss zwischen den Wicklungen war verdrillt, um den Wirbelstromverlust zu reduzieren. Das neue Design erhöht den Kupfergehalt in der Nut um 20%. Der Wicklungsanschluss wurde von drei parallelen Pfaden auf sechs parallele Pfade geändert. Ausserdem wurde die Anzahl der Windungen pro Spule von fünf auf zehn erhöht. Das neue Design bietet viele Vorteile: Es ist keine Verdrillung mehr notwendig, was Zeit spart; die Gefahr von Anschlussfehlern ist geringer; der Wicklungsanschluss wird vereinfacht und die Spannung pro Windung wird reduziert. Die grösste Verbesserung durch das neue Design ist jedoch die Reduzierung des Gesamtkupferverlusts unter Berücksichtigung der Wirbelstromverluste um 10%.
Das Serviceteam in Birmingham fertigte 126 neue Spulen, während die 12 Rotorpole im Servicecenter in Falkirk neu isoliert wurden.

Wiederaufbau

Während der Fertigung der 126 neuen Spulen in Birmingham wurden die 12 Rotorpole im Servicecenter in Falkirk neu isoliert. Auch hier kamen neueste Isolierstoffe der Klasse F zum Einsatz, um eine durchgängige Langlebigkeit des Generators zu gewährleisten.

 

Gleichzeitig wurde in Falkirk auch der Gleichstrom-Erregerstrang neu gewickelt, damit dieser nach dem Einbau der Statorspulen wieder installiert werden konnte. Nach Ankunft der ersten neuen Statorspulen am Standort erfolgte der Wiederaufbau des Stators. Sämtliche Spulen wurden sorgfältig positioniert und verkeilt, bevor die ersten Hochspannungstests durchgeführt wurden. Nach Herstellung der Spulenanschlüsse und weiteren Hochspannungstests wurden die Spulen lackiert und mithilfe von Heizelementen im abgedichteten Generator gebacken.

Zum Schluss wurden die Rotorpole und der Erregerstrang wieder montiert und der Rotor in den Generator abgesenkt. Nach abschliessenden Tests wurden die Verkleidungen wieder montiert und der Generator wurde wieder in Betrieb genommen.

Das Sulzer-Netzwerk erlaubte es, erfahrene Ingenieure von anderen Servicecentern einzubinden und so den engen Zeitplan von zum Teil nur 24 Stunden einzuhalten.

Das Servicecenter in Falkirk leitete das Projekt von Anfang bis Ende. Dies unterstreicht die Philosophie von Sulzer, den Kommunikationsprozess für das Projekt durch eine einzige Anlaufstelle für den Kunden zu vereinfachen. Hinter den Kulissen konnte Falkirk das technische Know-how in Birmingham nutzen und erfahrene Ingenieure von anderen Servicecentern einbinden, um den engen Zeitplan von zum Teil nur 24 Stunden einzuhalten. Diese Zusammenarbeit und die breite Basis von qualifizierten Ingenieuren ermöglichen es Sulzer, schlüsselfertige Projekte zeit- und budgetgerecht umzusetzen.

 

Durch das verbesserte Design und den Einsatz neuester Technik konnte die Gesamtleistung des Generators um 15% von 22 MW auf 25,6 MW erhöht werden. Darüber hinaus verlängert sich die Lebensdauer des Generators durch die Verbesserungen und den physischen Aufbau des Stators um weitere 40 Jahre.

Verwandte Informationen


Sulzer Technical Review

Nadia Qaud

Editor-in-Chief


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