Laufwasserkraftwerk Harrbach – Sanierung des Generators

In Laufwasserkraftwerken werden i.d.R. langsamdrehende Synchrongeneratoren mit Schenkelpolrotoren betrieben, deren Welle sich in vertikaler Anordnung direkt über den Turbinen befindet. Bei diesen sogenannten „Langsamläufern“ sind Rotordurchmesser von mehr als 20 Metern realisierbar.

Die Leistung von Schenkelpolmaschinen hat sich in den letzten 120 Jahren mehr als verhundertfacht. Während die größten Anlagen heute über rund 750 – 850 MVA Leistung verfügen, galten in den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts, Maschinen mit Leistungen von rund 6 MVA als Meisterwerke der Ingenieurskunst.

Eine leichtere Sonderform der Schenkelpolmaschinen bildet die Gruppe der Schirmgeneratoren. Bei diesen nur einfach gelagerten und damit i.d.R. kostengünstigeren Konstruktionen, hängen sowohl der Turbinen- als auch der Generatorläufer an der Welle. Es ist nur ein Führungslager zwischen dem Generator und der Turbine vorhanden, sodass der Aufbau einem Schirm ähnelt.

Maschinen dieser Größenordnung mit Läuferdurchmessern von mehreren Metern müssen zur Ausführung von Wartungs- oder Instandsetzungsmaßnahmen demontiert werden. Gewicht und Durchmesser lassen einen Transport als Ganzes nicht zu.

Saubere und sichere Stromerzeugung

In vielen Laufwasserkraftwerken Deutschlands befinden sich derartige Systeme aus der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts im Einsatz. Denn als Klassiker unter den erneuerbaren Energien tragen sie nach wie vor dazu bei, dass die Stromerzeugung sauberer wird und sicher verfügbar bleibt.

Eine dieser Anlagen ist das im Jahr 1940 in Betrieb genommene Laufwasserkraftwerk Harrbach. Es wird durch die Uniper Wasserkraft GmbH betrieben und liegt am Main, bei Flusskilometer 219, zwischen den Gemeinden Gmünden und Karlstadt.
Der Maschinensatz mit einer Nennleistung von 4000 kVA wird über eine Kaplanturbine angetrieben. Das Gesamtgewicht des Generators beträgt ca. 80 Tonnen. Davon entfallen allein 28 Tonnen auf den dreiteiligen Stator mit seinem nicht nur für damalige Verhältnisse beeindruckenden Durchmesser von 8600 Millimetern.
Aufgrund von Schäden am Statorblechpaket sowie schlechter Isolationswerte an Stator und Rotor, entschied sich Uniper im August 2018 zu einer Sanierung des Generators.
Die darauf folgende Ausschreibung sah die Erneuerung des Blechpaketes, der Statorwicklung, sowie die Neuisolierung der Polradwicklungen vor.

Wirtschaftlichkeit und Know-how überzeugen

Die finale Auftragsvergabe erfolgte mittels Internet-Auktion. Es waren nur Instandsetzungsunternehmen zugelassen, die sich während der Präqualifikationsphase durch ein überzeugendes Angebot, technische Expertise und entsprechende Referenzprojekte ausgezeichnet hatten.
Das BENNING bereits zuvor für einige andere Kraftwerksbetreiber Wasserkraftgeneratoren instand gesetzt hatte, wurde positiv gewichtet.

Zusätzlich überzeugten Uniper die eigenen Erfahrungen im Zusammenhang mit dem Retrofit der vier Generatoren des Laufwasserkraftwerks Kachlet (POWER news 04/2015 berichtete). BENNING zeichnete sich durch höchste Flexibilität aus, ohne Abstriche an Arbeitssicherheit oder Qualität zu machen, sowie durch die erzielte Leistungssteigerung der Generatoren.

Bei der am 8. Januar 2019 stattfindenden Online-Auktion gewann BENNING schließlich mit dem wirtschaftlichsten Angebot dieses interessante Projekt.
Der BENNING Bereich elektrische Maschinen (BeM) befasst sich seit den 1930er Jahren mit der Instandsetzung von Generatoren und Motoren.
Jahrzehntelange Erfahrungen und Referenzen in Neubau, Nachbau und Instandsetzung von E-Maschinen für die unterschiedlichsten Branchen, zeichnen diesen Unternehmensbereich aus.

Enges Zeitfenster

Um die Einspeiseverfügbarkeit schnellstens wiederherzustellen und so die Stromerzeugungsverluste entsprechend gering zu halten, sollte die Anlage in kürzester Zeit demontiert, instandgesetzt und wieder in Betrieb genommen werden.
Das knapp bemessene Zeitfenster sah einen Demontagetermin am 10. Juni 2019 vor. Remontage und Wiederinbetriebsetzung sollten bereits Ende September abgeschlossen sein.

Der ca. 52 Tonnen schwere Rotor sollte im Kraftwerk saniert werden. Die Arbeiten am Stator mit mehr als 8 Metern Durchmesser, mussten im BENNING Instandsetzungswerk in Bocholt erfolgen. Der Transport dieser Bauteile war eine logistische Herausforderung, denn in den Jahrzehnten nach der Inbetriebnahme des Kraftwerks wurde in den Infrastrukturplanungen ein eventuell einmal notwendig werdender Transport des Generators niemals berücksichtigt. Straßenverläufe wurden verändert und eine neue Brücke über die Bahntrasse entstand. Allein um diese nicht zu überlasten, musste das Maximalgewicht der Transporteinheiten genauestens abgestimmt werden. Die Lasten des dreiteilbaren Stators wurden entsprechend auf mehrere Transportfahrzeuge verteilt.

Qualitätssicherung von Anfang an

Aber auch schon vor Beginn der Demontage ergriff das BeM-Team einige qualitätssichernde Maßnahmen. Da aufgrund des Alters der Maschine nur wenige Unterlagen existierten, führte BENNING zunächst vor Ort umfangreiche Messreihen durch. Damit konnten das Betriebsverhalten beurteilt und relevante Kennlinien generiert werden. Mittels moderner Thermografiekameras wurden Temperaturverläufe bei verschiedenen Betriebspunkten aufgezeichnet und bewertet.

Weitere Messungen erfolgten nach dem Eintreffen des Stators im Instandsetzungswerk in Bocholt. Zur Ermittlung der Leiterdimensionen und der Ständerblechgeometrie musste die vorhandene Wicklung ausgebaut und auch das alte, zu ersetzende Statorblechpaket komplett entnommen werden. Parallel zur Reinigung und Grundierung des nun freiliegenden Statorgehäuses konnte mit der Fertigung der ca. 24.500 neuen Bleche begonnen werden. Dabei war trotz der großen Menge und des hohen Zeitdrucks eine Fertigungstoleranz von nur wenigen hundertstel Millimetern einzuhalten. Für die deshalb im Laserschnittverfahren hergestellten Präzisionsbleche wurde ein den hohen Anforderungen entsprechender, moderner Werkstoff eingesetzt.
Mit dem Einschichtvorgang des neuen Statorblechpakets konnte planmäßig begonnen werden.

Röbelstäbe als Wicklungsbasis

Die Wicklung des Generators wies einige Besonderheiten auf. So bestand sie nicht aus einzelnen, stabförmigen, elektrischen Leitern, sondern aus ca. 800 Röbelstäben.

Das Prinzip des Röbelstabes wurde bereits 1912 entwickelt. Bei einem solchen ist der elektrische Leiter in mehrere parallele Teilleiter aufgesplittet. Diese sind voneinander isoliert, speziell geschichtet und verdrillt. Das Herstellungsverfahren ist sehr aufwendig und mit vergleichsweise hohen Kosten verbunden. Röbelstäbe kommen daher in der Regel nur bei großen elektrischen Maschinen zur Verbesserung des Wirkungsgrades und zur Leistungssteigerung zum Einsatz.

Jeder der 792 für die Neuwicklung benötigten Röbelstäbe durchlief vor dem Einbau ein Prüfprogramm entsprechend der Kundenspezifikationen.
Zusätzlich wurden zur Bemessung der Systemgrenzen, einige der gefertigten Stäbe, im Beisein des Kunden, speziellen Überspannungsprüfungen, bis hin zur Materialzerstörung unterzogen.

Da die Schaltung der Röbelstäbe durch Schraubverbindungen ausgeführt werden musste, führte BENNING im Vorfeld thermografische Untersuchungen durch. So konnte das thermische Verhalten der Verbindungen genauestens analysiert werden. Somit stand fest, dass keine unvorhergesehenen Übergangswiderstände auftreten.
Nach erfolgreichem Abschluss weiterer Hochspannungs- und Teilentladungsmessungen im Werk ging es für die drei Statorsegmente auf die Rückreise zum Kraftwerk. Um in die Maschinenhalle zu gelangen, verlud ein Autokran die Generatorbauteile auf spezielle Transportanhänger. Dort angekommen begann die Remontage des Stators mit dem im Kraftwerk sanierten Rotor. Dieser hatte inzwischen neu isolierte Polspulen mit moderner Isolierstofftechnik erhalten. Auf die Montagearbeiten folgte die Qualitätssicherung. Mittels verschiedener Prüf- und Messverfahren wurden diverse Isolationswerte bestimmt.

Erwartungshorizont mehr als erfüllt

Die Sanierung schloss mit der Inbetriebnahme des Generators am 13. Dezember 2019 erfolgreich ab. Dazu war in nur 2 Tagen gemeinsam mit dem Betreiber ein aufwendiges Messprogramm abgespult worden, in das sowohl Kundenanforderungen als auch Empfehlungen des BeM einflossen. Da parallel zu der Instandsetzung des Generators auch die Regelung im Kraftwerk modernisiert worden war, mussten diese neuen Komponenten ebenfalls erstmalig getestet und auf den Generator abgestimmt werden.

Nach der nochmaligen Überprüfung der Isolationswerte schalteten die Spezialisten die Maschine ein. Damit der Zustand des Generators zukünftig einfacher bewertet werden kann, führte BENNING Teilentladungsmessungen durch, die später als Referenz dienen werden. Der BENNING Bereich elektrische Maschinen verfügt dazu über modernste Messtechnik, mit der vor Ort Hochspannungsprüfungen mit bis zu 12 kV Prüfspannung ausgeführt werden können.
Die erste Synchronisation zum Netz erfolgte nachdem die Leerlaufkennlinien und Kurzschlusswerte aufgenommen waren. Ein für alle Beteiligten spannender Moment. Unterschiedliche Belastungszustände wurden angefahren und es zeigte sich, dass das tatsächliche Schwingungs- und Temperaturverhalten des Generators sowohl den Erwartungen der BeM Fachleute als auch denen des Betreibers in allen Parametern entsprach.

Damit war am Ende des zweiten Tages die Inbetriebnahme erfolgreich abgeschlossen. Seitdem trägt das Laufwasserkraftwerk
Harrbach – nach inzwischen 80 Betriebsjahren – weiterhin verlässlich zur nachhaltigen, umweltfreundlichen Energiegewinnung bei. Das Know-how des BENNING Bereichs elektrische Maschinen hat seinen Anteil daran.

Kontakt: Matthias Loerwink
Telefon: +49 2871 93 318
E-Mail: m.loerwink@benning.de