AT369592B - Regelschaltungsanordnung fuer eine hydroelektrische kraftwerksanlage - Google Patents

Description

   <Desc/Clms Page number 1> 
 



   Die Erfindung betrifft eine Regelschaltungsanordnung für eine hydroelektrische Kraftwerksanlage, die aus einer oberen Wasserhaltung über ein Ventil Wasser entnimmt und es in eine untere Wasserhaltung über wenigstens eine Abnehmerturbine abgibt, an deren Welle eine Hydraulikpumpe befestigt ist, welche durch einen hydraulischen Leistungskreis mit wenigstens einem an der Welle eines Stromgenerators befestigten Hydraulikmotor mit veränderbarem Hubvolumen verbunden ist, mit einer Einrichtung zur Messung einer charakteristischen Betriebsgrösse des Stromgenerators, mit einer Einrichtung zum Vergleich der Messgrösse mit einem vorbestimmten Bezugswert und mit einem mit der Vergleichseinrichtung verbundenen Stellgerät. 



   Bei den bekannten Regelschaltungsanordnungen dieser Art, wie sie in der   CH-PS   Nr. 557955 und der GB-PS Nr. 930, 577 beschrieben sind, wird mittels eines mit der Welle der Turbine mechanisch verbundenen Tachometerdynamos die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine gemessen und diese in ein elektrisches Signal umgewandelte Geschwindigkeit mit einem ebenfalls in ein elektrisches Signal umgewandelten Sollwert für die Rotationsgeschwindigkeit verglichen, wobei die Differenz (Differenzsignal) zur Steuerung eines Regelorgans in Form eines die Wasserbeaufschlagung der Turbine bestimmenden Regelventils herangezogen wird. 



   Eine derartige Regelschaltungsanordnung ist inbesondere für eine Einzelanlage geeignet, die elektrischen Strom einer vorgegebenen Frequenz liefern muss, und wo die gelieferte Leistung sich automatisch an den Bedarf anpasst. 



   Nachteilig an der bekannten Regelschaltung ist allerdings die auf die Langsamkeit der Betätigung des Ventils zurückzuführende verhältnismässig lange Ansprechzeit, ungeachtet der Verbesserungen, die in der Regelschaltung vorgenommen werden konnten. 



   Ausserdem wird, wenn der Stromgenerator an ein unter einer gegebenen festen Frequenz arbeitendes Netz angeschlossen ist, die Geschwindigkeit des Stromgenerators zumindest in gewissen Grenzen der verfügbaren hydraulischen Leistung automatisch auf diese Frequenz geregelt. 



   Auf der andern Seite sind hydroelektrische Kraftwerke im allgemeinen Grundkraftwerke, die 
 EMI1.1 
 
Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Regelschaltungsanordnung für eine hydroelektrische Kraftwerksanlage zu schaffen, welche nicht die Geschwindigkeit der Turbine sondern die gelieferte elektrische Leistung mit optimalem Wirkungsgrad regelt und auf einen andern Parameter als das Ausmass der Öffnung des Ventils einwirkt. 



   Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Regelschaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art erfindunsgemäss dadurch gelöst, dass für jeden Stromgenerator eine Steuerkette aus einer am Ausgang des Stromgenerators angeschlossenen Leistungsmessstufe, einer Differenzierstufe zur Bildung des Differentials der Generatorleistung in bezug auf die Drehzahl der einen der Turbinen und einer andern Vergleichsstufe zur Bildung der Differentialabweichung und einem Leistungsregler vorgesehen ist, dessen Abweichungssignaleingang mit dem Ausgang der andern Vergleichsstufe und dessen Arbeitssignalausgang mit dem Stellgerät des mit der einen Turbine verbundenen Hydraulikmotors verbunden ist, und weiters mit der Steuerkette verbundene Schutzeinrichtungen für den Stromgenerator und die Turbine vorgesehen sind. 



   Eine derartige Anordnung ist besonders interessant, wenn das natürliche in Bewegung befindliche Strömungsmittel in reichlicher Menge vorhanden ist. Unter diesen Bedingungen ist die von der Leistungsmessstufe gemessene Leistung verhältnismässig wenig veränderlich, und wenn mehrere Turbinen und mehrere Hydraulikmotoren vorhanden sind, kann man sich damit begnügen, die Regelung an einer von ihnen vorzunehmen, während die andern für die wahrscheinlichsten Betriebsbedingungen eingestellt sind. 



   Gemäss einer bevorzugten Ausführung der Erfindung enthält das hydroelektrische Kraftwerk eine Vorrichtung zur Messung des Pegels in der oberen Wasserhaltung und eine weitere Vergleichsstufe zum Vergleich des gemessenen Pegelstandes mit einem Bezugswert, wobei der Ausgang der weiteren Vergleichsstufe mit einem zweiten, mit dem ersten Abweichungssignaleingang vertauschbaren Abweichungssignaleingang des Leistungsreglers verbunden ist. Damit kann man mittels der Strömungsmenge der Hydraulikflüssigkeit (im hydraulischen Leistungskreis) die Drehzahl der Turbine beeinflussen, um den Pegel in der oberen Wasserhaltung in einem bestimmten Bereich zu halten, welcher im allgemeinen in der Nähe der Höhe des Überlaufs liegt.

   Diese Anordnung ist besonders 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 
 EMI2.1 
 

 <Desc/Clms Page number 3> 

 :Zylinderblock --128-- stets gleichachsig zu der Antriebswelle --129--, und die Schräglage der Scheibe --131-- ist beliebig regelbar. Die Arbeitsweise ist gleichwertig, jedoch hier mit der Eigentüm- 
 EMI3.1 
 Welle eines Wechselstromgenerators --108-- und die eines   Tachometerdynamos --138-- enthält.   An der Welle des Wechselstromgenerators --108-- ist noch eine elektrische   Bremse befestigt,   welche mit dem Ausgang des   Dynamos --138- über   eine einen Schwellenwert besitzende Einrichtung   -     verbunden   ist, welche die Bremse --139-- in Tätigkeit setzt wenn die Drehzahl der Welle   -     einen   bestimmten Wert übersteigt.

   
 EMI3.2 
 mit sehr hohem hydraulischem Widerstand für die Hilfsflüssigkeit auf, wobei dieser Widerstand so berechnet ist, dass er den grössten Teil der hydraulischen Energie der Hilfsflüssigkeit aufnimmt und ihn in Wärme umwandelt. Ferner strömt ein   Wärmeträgerstrom durch   den Energieverbraucher zur Abfuhr dieser Wärme,   z. B.   zu einem Nutzkreis. 



   Jeder Energieverbraucher --109a, 109b-- ist mit den entsprechenden Rohrleitungen über Vorrichtungen --112a, 112b-- mit Ventilen --110-- verbunden. Diese Ventile sind so eingestellt, dass sie sich automatisch öffnen und die Hilfsflüssigkeit in den Energieverbraucher einlassen, wenn der entsprechende Hydraulikmotor so eingestellt ist, dass die ihm zugeführte Menge an hydraulischem Strömungsmittel Null oder praktisch Null ist. 



   An einem der beiden zu jedem   Hydraulikmotor --106a, 106b-- führenden   Rohrleitungszweige 
 EMI3.3 
 Wärme zu einem Nutzkreis abzuführen. 



   Das beschriebene hydroelektrische Kraftwerk enthält erfindungsgemäss weitere Regelstufen, welche nachstehend unter Bezugnahme auf die halbschematische Fig. 4 beschrieben sind, in welcher der grösseren Klarheit wegen nur eine einzige   Turbine --101-- mit   ihrer   Hydraulikpumpe --103--   und ein einziger mit der Hydraulikpumpe --103-- verbundener Hydraulikmotor --106-- dargestellt sind. 



   An den   Ausgang --145-- des Wechselstromgenerators --108-- zu   dem Netz ist ein Wattmeter   -     angeschlossen,   dessen Messsignal an den Eingang einer Differenzierstufe --147-- angelegt wird, welche in bekannter Weise am Ausgang ein die Ableitung der elektrischen Leistung nach der Drehzahl der Turbine --101-- darstellendes Signal erzeugt. Hiefür muss an die Differenzierstu-   fe-147-auch   ein die Drehzahl der Turbine darstellendes Steuersignal angelegt werden. Diese Anordnung ist nicht dargestellt, es ist jedoch für den Fachmann leicht, die Strömungsmenge der Hilfsflüssigkeit zu messen, welche für einen gegebenen Schrägstellungswinkel des einstellbaren Bauelements der Hydraulikpumpe die Drehzahl der Turbine darstellt. 



   Diese Ableitung wird an eine Vergleichsstufe --148-- angelegt, in welcher sie auf Null abgeglichen wird, wobei das Ergebnis ein Abweichungssignal darstellt, welches an einen ersten Abweichungssignaleingang --149-- eines Reglers --151-- angelegt wird, dessen bei --152-- ausgesandtes Arbeitssignal über einen Servomechanismus bekannter Bauart an das Stellgerät des Hydraulikmotors --   angelegt   wird,   d. h.   an das in seiner Schräglage einstellbare Bauelement dieses Hydraulikmotors. 



   In der oberen Wasserhaltung --133-- ist ein Ventil --153-- mit einer   Steuereinrichtung --154--   verbunden, welche dem Ventil drei Stellungen erteilt, welche der Öffnung um ein Drittel bzw. um zwei Drittel bzw. der vollständigen Öffnung entsprechen. 

 <Desc/Clms Page number 4> 

 



   Eine   Pegelmesssonde --155-- sendet   ein Signal zu einer Vergleichsstufe --156--, in welcher dieses Signal mit einem an einen Eingang --157-- angelegten Bezugswert verglichen wird, um ein Abweichungssignal zu erzeugen, welches an einen zweiten Abweichungssignaleingang --158-- des   Reglers angelegt   wird. 



   Das Abweichungssignal wird auch an die Steuereinrichtung --154-- des Ventils --153-- angelegt, um die Veränderung der Stellung dieses Ventils durch Einwirkung auf den Eingang --157-der Vergleichsstufe --156-- zu ermöglichen. 



   Die Steuereinrichtung --154-- des Ventils und der Regler --151-- besitzen je einen Eingang   - 159   bzw. 161-- zur Steuerung von Hand, welche die Fernsteuerung des Ventils und des Stellgerätes des Hydraulikmotors gestatten. 



   Schliesslich wird das Signal des Tachometerdynamos --138-- nicht nur an die einen Schwellenwert besitzende Einrichtung --141-- angelegt, sondern auch an einen Eingang des Reglers --151--, wobei dieser ein Arbeitssignal aussendet, welches das Stellgerät des Hydraulikmotors --106-- in die Stellung der Strömungsmenge Null der Hilfsflüssigkeit zu bringen sucht, wenn die Drehzahl des Wechselstromgenerators einen bestimmten Wert übersteigt. Das gleiche Signal des Dynamos wird auch an die   Steuereinrichtung --154-- des Ventils --153-- angelegt,   um unter den gleichen Bedingungen die Schliessung dieses Ventils zu bewirken. 



   Die Manometer --162-- sind zur Messung des Drucks der Hilfsflüssigkeit in den Rohrleitungen --104, 105-- des hydraulischen Kreises angeordnet. Diese Manometer weisen Steuerglieder auf, welche ein Signal zu der   Steuereinrichtung-154-des   --154-- des Ventils --153-- senden, um die Schliessung des Ventils zu bewirken, wenn der Druck in dem hydraulischen Kreis auf einen Wert in der Nähe des Atmosphärendrucks fällt. 



   Nachstehend ist die Arbeitsweise dieser Anlage beschrieben, u. zw. im wesentlichen unter Bezugnahme auf Fig. 4, d. h. unter Berücksichtigung eines einzigen Hydraulikpumpen-Hydraulikmotor- - Paares und unter Benutzung der Bezugszeichen ohne Buchstabenindex. Hiedurch werden die Erläuterungen vereinfacht, ohne ihre Allgemeingültigkeit zu verlieren, da in dem Fall der   Fig. 1   bis 3 die hydraulischen Kreise vollständig getrennt sind und in identischer Weise unabhängig voneinander arbeiten. 



   Im normalen Betrieb bewirkt das die   Turbine --101-- durchströmende   Wasser der oberen Wasserhaltung --133-- die Drehung der Welle --102-- der angekuppelten Hydraulikpumpe --103--. Diese Drehung bewirkt über die Strömung der Hilfsflüssigkeit die Drehung des Hydraulikmotors --106-und die des mit dem Netz verbundenen Wechselstromgenerators --108--. 



   Infolge der Ventile --112-- ist der Energieverbraucher --109-- ausgeschaltet. 



   Die von der Übertragung herrührenden Energieverluste, welche bei den bekannten Anlagen mechanischen Reibungsverlusten entsprechen, sind hier alle auf Druckabfälle in den Rohrleitungen   - -104, 105-- zurückgeführt,   welche die Erwärmung der Hilfsflüssigkeit bewirken. Der   Kühler --143--   gestattet die Rückgewinnung dieser Energie, welche bei grossen Anlagen nicht vernachlässigbar ist. 



   Das   Wattmeter --146-- misst   die dem Netz gelieferte Leistung, und über die Stufen --147 und   148-wird   ein den Wert der Ableitung dieser Leistung nach der Drehzahl der Turbine --101-- darstellendes Signal an den ersten   Abweichungssignaleingang-149-des   --149-- des Reglers --152-- angelegt. 



   Ferner bildet die Vergleichsstufe --156-- ein Steuersignal, welches die Abweichung zwischen 
 EMI4.1 
 
Bei einer ersten Betriebsart, welche insbesondere benutzbar ist, wenn das für die Turbine bestimmte Wasser in überschüssiger Menge vorhanden ist und über den Überlauf des Wehrs --132-- überläuft, wird der   Abweichungssignaleingang --158-- ausser   Betrieb gesetzt, und der Regler --151-hängt von dem von dem Wattmeter --146-- kommenden Abweichungssignal ab. Das von dem Regler --151-- ausgesandte Arbeitssignal sucht daher das Stellgerät des Hydraulikmotors --106-in eine derartige Stellung zu bringen, dass die Strömungsmenge der Hilfsflüssigkeit einer solchen Drehzahl der Turbine --101-- entspricht, dass die Ableitung der elektrischen Leistung nach dieser Geschwindigkeit Null ist.

   Man befindet sich dann in den Bedingungen für die grösste Leistung. 

 <Desc/Clms Page number 5> 

 



   Bei einer Ausführung mit zwei Turbinen   (Fig. 1   bis 3) kann man das Stellgerät zur Steuerung der beiden Turbinen verdoppeln oder einfach nur auf eine Turbine über den mit ihr verbundenen
Hydraulikmotor einwirken, während die andere Turbine mit konstanter Drehzahl läuft. 



   Bei einer zweiten Betriebsart, welche anwendbar ist, wenn die verfügbare Wassermenge be- grenzt ist und man den Pegel in der oberen Wasserhaltung --133-- in einem festen Bereich zu halten sucht,   z. B.   bündig mit dem Oberlauf abschliessend, wird der Abweichungssignaleingang --149-- des   Reglers --151-- ausser   Betrieb gesetzt, so dass dieser dann von dem Wasserpegel in der oberen
Wasserhaltung abhängt, oder genauer von dem Unterschied zwischen diesem Pegel und einem be- stimmten Bezugswert, und das von dem Regler --151-- ausgesandte Arbeitssignal sucht das Stellgerät des Hydraulikmotors --106-- in eine solche Stellung zu bringen, dass die Strömungsmenge der Hilfs- flüssigkeit einer Drehzahl der Turbine --101-- entspricht, welche gestattet,

   den gewählten Bezugspe- gel trotz der Zufälligkeiten der Speisung der oberen Wasserhaltung mit Wasser aufrechtzuerhalten. 



   Wenn der Wechselstromgenerator --108-- aus irgendeinem Grunde ausser Tritt fällt und eine übermässige Drehzahl annimmt, gibt der für diese übermässige Drehzahl empfindliche Tachometerdyna- mo --138-- einen Schliessungsbefehl an die Steuereinrichtung --154-- des Ventils --153--. Diese Schliessung erfolgt ziemlich langsam, was keinen schweren Nachteil für die   Turbine --101-- bildet,   welche verhältnismässig langsam läuft, aber verhältnismässig schwere Folgen für den Wechselstromgenerator --108-- haben könnte. Der Dynamo beaufschlagt nun gleichzeitig den Regler --151--, welcher ein Arbeitssignal aussendet, welches das Stellgerät des Hydraulikmotors --106-- in die Stellung der Strömungsmenge Null der Hilfsflüssigkeit bringt.

   Der   Hydraulikmotor --106-- empfängt   keine Antriebswirkung mehr von der Hilfsflüssigkeit, welche keinen andern Ausgang mehr findet und die Ventile der   Vorrichtung-112-zurückdrückt,   um durch den Energieverbraucher --109-- zu strömen, solange das Ventil --153-- nicht geschlossen ist. 



   Ausserdem bewirkt die von dem   Tachometerdynamo --138-- beeinflusste   elektrische Bremse --139-eine noch schnellere Bremswirkung als die beiden vorhergehenden und kann auch Unvollkommenheiten der Stellung des Stellgerätes des Hydraulikmotors abhelfen. 



   Das Anlassen der Anlage erfolgt dadurch, dass das Ventil --153-- unter Benutzung des Steuereingangs --157-- in die Stellung eines Drittels seiner Öffnung gebracht wird, während das Stellgerät des Hydraulikmotors --106-- mittels des Eingangs --161-- zur Steuerung von Hand des Reglers --151-- in die Stellung des grössten Winkels e gebracht werden. 



   Die Turbine --101-- beginnt sich zu drehen und treibt den Wechselstromgenerator --108-infolge des Wertes des Winkels e mit geringer Geschwindigkeit an. 



   Hierauf verringert man mittels des   Eingangs --161-- für   die Steuerung von Hand des Reg-   lers --151-- allmählich   den Wert des Winkels 6 bis der Wechselstromgenerator seine Drehzahl erreicht, bei welcher er mit dem Netz in Tritt fällt. 



   Nach Feststellung des Intrittfallens bewirkt man die vollständige Öffnung des Ventils --153--, entweder unter Benutzung des   Eingangs --159- für   die Steuerung von Hand der Steuereinrichtung   oder   unter Benutzung des Eingangs --157-- zur Steuerung von Hand der Vergleichsstu-   fie-156-.   



   Nach Öffnung des Ventils wählt man eine der beiden oben beschriebenen Betriebsarten. Natürlich können alle obigen Anlassvorgänge in an sich bekannter Weise automatisch gemacht werden. 



   Ausser dem bereits erwähnten Aussertrittfallen betreffen die einzigen Betriebsstörungen, welche auftreten können, einen Bruch der Rohrleitung des hydraulischen Kreises, welcher ein Durchgehen der Turbine --101-- hervorrufen könnte. Ein derartiger Bruch wirkt sich in einem augenblicklichen Abfall des Drucks der Hilfsflüssigkeit aus, was über die Manometer --162-- die Schliessung des Ventils mit einer zur Verhinderung dieses Durchgehens genügenden Schnelligkeit bewirkt. 



   Das beschriebene hydroelektrische Kraftwerk besitzt zahlreiche Vorteile gegenüber den bekannten Kraftwerken der gleichen Art,   d. h.   den Kraftwerken für niedriges Gefälle, welche auch Kraftwerke an Wasserläufen genannt sind. In erster Linie ist kein elektrisches Bauelement eingetaucht, so dass alle einer derartigen Anordnung anhaftenden Kurzschlussgefahren verschwinden, wobei gleichzeitig alle üblichen Notwendigkeiten in Fortfall gebracht werden, wie die unschönen Belüftungskamine und die Pumpvorrichtungen für das eingedrungene Wasser. Ferner betrifft die Handhabung der eingetauchten Bauelemente hier ausschliesslich die Turbine und die zugeordnete Hydraulik- 

 <Desc/Clms Page number 6> 

 pumpen, welche eine erheblich gedrängtere und leichtere Anordnung bilden, als ein verkleidetes
Aggregat mit der Turbine und dem Wechselstromgenerator. 



   Zweitens ist infolge der Wahl der hydraulischen Maschinen die Drehzahl der Turbine nicht an die des Wechselstromgenerators durch ein Übersetzungsgetriebe mit festem Übersetzungsverhältnis gebunden, sondern kann jederzeit auf die die Turbine durchströmende Wassermenge eingestellt wer- den, um den besten Wirkungsgrad zu erhalten, wobei die Drehzahl des Wechselstromgenerators die der Synchronisierung mit dem Netz entsprechende bleibt. 



   Man kann auch die Drehzahl der Turbine von dem Aufsuchen eines konstanten Pegels in der oberen Wasserhaltung abhängig machen. 



   Schliesslich bringt die hydraulische Verbindung eine beträchtliche Anpassungsfähigkeit des
Arbeitens mit sich, wobei die Fortpflanzung aller betrieblichen Stösse und Erschütterungen vermieden wird. 



    PATENTANSPRÜCHE :    
1. Regelschaltungsanordnung für eine hydroelektrische Kraftwerksanlage, die aus einer oberen
Wasserhaltung über ein Ventil Wasser entnimmt und es in eine untere Wasserhaltung über wenig- stens eine Abnehmerturbine abgibt, an deren Welle eine Hydraulikpumpe befestigt ist, welche durch einen hydraulischen Leistungskreis mit wenigstens einem an der Welle eines Stromgenerators befe- stigten Hydraulikmotor mit veränderbarem Hubvolumen verbunden ist, mit einer Einrichtung zur Messung einer charakteristischen Betriebsgrösse des Stromgenerators, mit einer Einrichtung zum Vergleich der Messgrösse mit einem vorbestimmten Bezugswert und mit einem mit der Vergleichseinrichtung verbundenen Stellgerät, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Stromgenerator (108)

   eine Steuerkette aus einer am Ausgang des Stromgenerators angeschlossenen Leistungsmessstufe (146), einer Differenzierstufe (147) zur Bildung des Differentials der   Generatorleistung   in bezug auf die Drehzahl der einen der Turbinen (101a,   101b)   und einer andern Vergleichsstufe (148) zur Bildung der Differentialabweichung und einem Leistungsregler (151) vorgesehen ist, dessen Abweichungssignaleingang (149) mit dem Ausgang der andern Vergleichsstufe (148) und dessen Arbeitssignalausgang (152) mit dem Stellgerät (117,131) des mit der einen Turbine   (101a,     101b)   verbundenen Hydraulikmotors (106a, 106b) verbunden ist, und weiters mit der Steuerkette verbundene Schutzeinrichtungen für den Stromgenerator und die Turbine vorgesehen sind.

Claims (1)

1. 2. Regelschaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (155) zur Messung des Pegels in der oberen Wasserhaltung (133) und durch eine weitere Vergleichsstufe (156) zum Vergleich des gemessenen Pegelstandes mit einem Bezugswert, wobei der Ausgang der weiteren Vergleichsstufe (156) mit einem zweiten, mit dem ersten Abweichungssignaleingang (149) vertauschbaren Abweichungssignaleingang (158) des Leistungsreglers (151) verbunden ist.

   3. Regelschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schutzeinrichtung ein mit der Welle des Stromgenerators mechanisch verbundener Tachometerdynamo (138) dient, dessen Ausgang an einen Eingang des Leistungsreglers (151) angeschlossen ist, durch dessen Arbeitssignal das Stellgerät (117,131) des Hydraulikmotors (106) in die Nulleistungsstellung gebracht wird.

   4. Regelschaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch als Schutzeinrichtungen zur Messung des Drucks der Hydraulikflüssigkeit in dem hydraulischen Leistungskreis (104a, 105a, 104b, 105b) angeordnete Manometer (162) mit Umformern, deren Ausgänge mit der Steuereinrichtung (154) des Ventils (153) verbunden sind, deren Steuersignal bei Druckabfall in dem hydraulischen Leistungskreis unter einen festgelegten Schwellenwert zur Schliessung des Ventils dient.