Turbokompresor s vysokootáčkovým motorem ATUR 233/40

Transkript

1 Turbokompresor s vysokootáčkovým motorem ATUR 233/40 Jiří Ředina, Pavel Lasák, VUES Brno s.r.o. Pavel Schustr, ATEKO a.s. Pro zajištění výroby elektrické energie v budoucích elektrárnách, které budou využívat technologii jaderné syntézy (fúze) lehkých atomových jader, je nutné, aby vědci již v současné době ověřovali jednotlivé části budoucího fuzního reaktoru. Jednou z důležitých částí jsou i chladicí okruhy reaktoru, tritiových množivých modulů a divertoru. Vznikající teplo je zde transportováno vysokotlakým heliem, které je cirkulováno kompresorem. V tomto případě se jedná o jednohřídelový, jednostupňový radiální turbokompresor s vysokootáčkovým motorem. Rotor turbokompresoru s asynchronním motorem typu ATUR 233/40 je uložen na aktivních magnetických ložiskách. Napájení motoru je provedeno modulárním frekvenčním měničem typu SPMx, který je řízen řídicím systémem SIMATIC. 1. FÚZE ENERGIE BUDOUCNOSTI Touha lidstva mít zabezpečené základní životní podmínky popřípadě tento životní standard dále rozšiřovat je od nepaměti. Lze konstatovat, že až ve 20. století díky teoretickým základům a technickému pokroku lidstvo začalo získávat relativně efektivně elektrickou energii, která byla nutnou podmínkou pro vytvoření životního standardu. Připomeňme ovšem několik historicky důležitých dat, která vedou k současnému stavu. V roce 1847 německý profesor H. Helmholz přednesl před berlínskou fyzikální společností přesný zákon zachování energie. Počátkem 20. století odhalil Albert Einstein vzrušující skutečnost, že kdykoliv dojde ke změně pohybu, mění se současně i hmotnost těles. V roce 1905 tuto skutečnost formuloval svou slavnou rovnicí o energii a hmotě, tj. E=mc 2. Tato rovnice a hlavně teorie relativity, vyvolala krátce na to revoluci ve všech přírodních vědách. Fyzikové v minulém století proto definovali čtyři stupně získávání energie z hmoty viz Obr.1. Prvního stupně člověk dosáhl již v prvobytně pospolné společnosti. Druhého stupně atomového věku bylo dosaženo již v polovině 20 století a komerčního využití nedalo na sebe dlouho čekat. Získání energie štěpením ovšem znamená získávání pouze 0,1% energie hmoty. V současné době vědecké týmy provádí experimenty na funkčních částech technologie, které budou součástí reaktoru pro získávání energii jadernou fúzí, tedy třetího stupně. PROJEKT International Thermonuclear Experimental Reaktor byl zahájen v roce ITER je reaktor termojaderné fúze, který bude pracovat s Deuteriem a Tritiem a je druhým krokem vývojového programu ITER. Konstrukce tritiových množivých modulů se připravuje ve dvou alternativách. V obou alternativách bude teplo odpovídající energií 4.8MeV / částice He 3 a s teplotní úrovní 500 C odváděno Heliem. Důvodem použití He je jeho vysoké měrné teplo cp=5.2kj/kg K a současně vysoká tepelná vodivost λ=14 W/m K, které společně s použitým vysokým tlakem 9 MPa zajistí intenzivní přenos tepla. Základní uspořádání testovacího Heliového Chladicího Systému je na Obr.2. Koncepce Turbokompresoru Gas Compressor je volena tak, aby odpovídala požadavkům budoucí DE- MO, respektive finální Komerční verze elektrárenského modulu. 2. TURBOKOMPRESOR Pro testování chladících okruhů typu TBM a TDM reaktoru ITER byly postaveny dva turbokompresory. Základní požadavky, kterým musí turbokompresor odpovídat jsou: Tlaková odolnost 11 MPa Heliová těsnost 1x10-6 Pa m 3 / s Vstupní teplota He K Vstupní tlak He 7.3 až 8.8 MPa Výstupní tlak He 8.2 až 10.2 MPa Vysoká účinnost Vysoká životnost Odolnost radioaktivitě a neutronovému záření Minimální absorpce Tritia ÚOS Elektrické pohony 1

2 Těmto požadavkům odpovídá polohermetické provedení turbokompresoru, na jehož návrhu a realizaci se podílely čtyři české firmy ATEKO a.s. - Hradec Králové, VUES Brno s.r.o. - Brno, PBS, a.s. - Velká Bíteš, ATE spol. s.r.o. - Hradec Králové a jedna francouzská firma S2M (Societe de Mechanique Magnetique). Turbokompresor sestává z těchto komponent: Vlastní oběžné kolo kompresoru se spirální skříní Vestavěný vysokootáčkový asynchronní motor s plným ocelovým rotorem a kombinovaným chlazením statoru vodou a rotoru heliem Magnetická ložiska se záložním zdrojem elektřiny pro případné dojetí stroje při poruše napájení a havarijní keramická ložiska pro dojetí v případě totálního selhání systému ložisek respektive překročení jejich únosnosti Napájecí frekvenční měnič typu SPMx pro regulaci otáček Řídicí systém s měřením a sběrem dat Obr. 1 Čtyři stupně získávání energie Obr. 2 Uspořádání testovacího héliového chladícího okruhu 2.1. VYSOKOOTÁČKOVÝ MOTOR ATUR 233/40 Konstrukční provedení vysokootáčkového motoru je na Obr. 3. Základní parametry vysokootáčkového motoru ATUR 233/40 (vypočtené pro první harmonickou sinusové napájení U 1 = 380 V): Výkon P 233 kw Moment M 55,6 Nm Otáčky n min -1 Jmenovitý proud I A Proud naprázdno I A Účiník cosφ 0,77 Účinnost η 88.4 % Momentové přetížení M max /M n 210 % Jmenovitá frekvence f 680 Hz Počet pólů- 2p 2 Obr. 3 Řez turbokompresorem ÚOS Elektrické pohony 2

3 2.2. MAGNETICKÁ LOŽISKA Základem magnetických ložisek (MB) jsou elektromagnetické obvody na čepech rotoru, které udržují rotor v levitaci. Každý elektromagnetický obvod - vazba je řízen řídicím systémem pro udržení velmi přesné polohy rotoru v prostoru. Pozice rotoru je kontrolována polohovými senzory s přesností ± mm. Řídicí systém současně monitoruje a měří vibrace rotoru. Oblasti aplikací magnetických ložisek jsou nejlépe patrné z Obr NAPÁJECÍ FREKVENČNÍ MĚNIČ SPMx Obr. 4 Oblast použití magnetických ložisek Základem napájecího frekvenčního měniče je sestava modulárních střídačů Unidrive SPMx a napájecí jednotky firmy Control Techniques. Tento měnič nabízí sadu vyspělých funkcí včetně velké flexibility výkonové části. Napájecí frekvenční měnič má napájecí jednotku tvořenou neřízeným dvojitým šestipulzním usměrňovačem pro napájení DC sběrnice. Z DC sběrnice jsou napájeny 3 paralelně zapojené střídače. Jejich výstupy jsou spojeny přes vyrovnávací tlumivky. Základní parametry použitého napájecího frekvenčního měniče SPMx: Trvalý výstupní proud: Výstupní frekvence: Výstupní napětí A Hz V Obecně lze konstatovat, že frekvenční měniče tohoto typu nabízí širokou modularitu, regulační vlastnosti, možnosti širokého rozsahu nastavení jednotlivých parametrů a dále rozšiřitelné přídavné funkce využitím přídavných modulů. Měniče jsou mimořádně flexibilní a umožňují nastavit přímo z ovládacího panelu pět režimů provozu: otevřená smyčka s řízením dle křivky U/f (skalární režim) otevřená smyčka s vektorovým řízením (pseudovektorový režim) uzavřená smyčka s asynchronními motory (vektorový režim) uzavřená smyčka pro synchronní motory, rotační i lineární (režim servo) rekuperační režim Z těchto důvodů firma VUES Brno s.r.o. aplikuje tyto měniče pro nejnáročnější pohony v oblasti energetiky, zkušebnictví, trakčního průmyslu atd. Vnitřní uspořádání modulárního frekvenčního měniče je na Obr. 5. ÚOS Elektrické pohony 2

4 Na Obr. 6 je průběh PWM napájecího napětí motoru měřeného na výstupní svorkovnici frekvenčního měniče za vyrovnávacími tlumivkami střídačů (hodnota Urms1, graf U1) a PWM napětí, které je měřeno přímo na výstupních svorkách jednoho ze střídačů (hodnota Urms2, graf U2). Průběhy napětí jsou při frekvenci první harmonické Hz a modulačním kmitočtu 6 khz. Obr. 5 Vnitřní uspořádání modulárního frekvenčního měniče Obr. 6 Průběh napětí na výstupu měniče a výstupu jednoho střídače 2.4. ŘÍDICÍ SYSTÉM Pro ovládání, řízení a monitoring celého turbokompresoru je použit řídicím systém je SINAMIC S Systém monitoruje turbokompresor v reálném čase a zobrazuje nejdůležitější data viz Obr. 7. Veškerá snímaná data jsou zaznamenávána pro následnou analýzu. Obr. 7 Ovládací a vizualizační obrazovka řídicího systému ÚOS Elektrické pohony 3

5 3. PRVNÍ VÝSLEDKY Z OVĚŘOVACÍCH TESTŮ Výsledky testů v CEA Brasimone (I) a v KIT Karlsruhe (D) v režimech TBM a TDM jsou na Obr ZÁVĚR Obr. 8 Pracovní oblast turbokompresoru Provozní předávací testy (48 h provozu při max. parametrech) prokázaly, že turbokompresor je schopen spolehlivě plnit všechny parametry a to včetně opakovaného havarijního zastavování v pomocných keramických valivých (Emergency Bearings) ložiskách. Náročnými částmi řešení tohoto vysokootáčkového stroje bylo dořešení chlazení rotoru zatíženého jak elektromagnetickými tak i třecími ztrátami rotoru rotujícího v tlakovém heliu. Součástí tohoto řešení bylo jak optimalizace rozdělení elektromagnetických ztrát mezi statorem a rotorem (optimalizací provozních režimů frekvenčního měniče) tak i okruh chlazení rotoru částí komprimovaného helia. 5. LITERATURA [1] Atom skrývá naději, Karel Sedláček, Jan Tůma,, NAŠE VOJSKO, PRAHA 1987 [2] Turbocirculators EFDA STUDIES Rev. 3.2, P.Schustr, PhD., Jan Zach, Jiri Klepal, 11th December 2007 [3] [4] Technicko ekonomické aspekty vysokootáčkových pohonů, J. Ředina, M. Šafr, XXV. Celostátní konference o elektrických pohonech, Plzeň 1997 ÚOS Elektrické pohony 4

6 Turbocirculator with high speed motor ATUR 233/40 Paper describes high speed Helium turbocirculator (TC) developed for cooling of the Tritium Breeding Modulus of the thermonuclear fusion reactor ITER. TC circulates helium with parameters: P in / P out = 8 /10 MPa, flow-rate M = 1.4 kg/sec, T in = +50 o C. Asynchronous Motor parameters are: P= 232 kw, n= rpm. Rotor is situated in active magnetic bearings. Ing. Jiří Ředina, Ph.D. Absolvent VUT Brno, obor Silnoproudá elektrotechnika a energetika a od ukončení studia v roce 1994 je zaměstnán ve VUES Brno. Do roku 2005 byl projektantem a analytikem technických a inženýrských aplikací. V letech 1997 až 2001 externě absolvoval postgraduální studium na VUT Brno. Od roku 2005 je vedoucím odboru Elektronických zařízení. Hlavní náplní je řešení zkušebních pracovišť, speciálních pohonů a zdrojových jednotek pro AČR. Kontaktní adresa: VUES Brno s.r.o., Mostecká 26, Brno Tel ; redina@vues.cz; Ing. Pavel Lasák Absolvent VUT Brno, obor Silnoproudá elektrotechnika a energetika se specializaci na elektrické stroje a přístroje. Od roku 2007 je zaměstnán ve VUES Brno jako projektant elektrických pohonů. Kontaktní adresa: VUES Brno s.r.o., Mostecká 26, Brno Tel ; lasak@vues.cz; Ing. Pavel Schustr, CSc. Absolvent ČVUT FSI Praha, specializace chladicí technika a kryogenika. Od roku 1982 ATEKO a.s., Manažer projektů rozvoje. Kontaktní adresa: ATEKO a.s., Resslova 956, Hradec Králové 2 Tel ; pavel.schustr@ateko.cz; ÚOS Elektrické pohony 5