AT394763B - Verfahren zur regelung eines kleinwasserkraftwerkes - Google Patents

Description

AT 394 763 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Kleinwasserkraftwerkes, das eine Turbine, einen Generator, einen Widerstand und eine Regelung zur Aufteilung des von der Turbine erzeugten Stromes auf einen Benutzer und den Widerstand zur Konstanthaltung des insgesamt abgenommenen Stromes aufweist, wobei bei einer Änderung der vom Benutzer abgenommenen Leistung die Regelung eine entsprechende Änderung der im Widerstand in Wärme umgewandelten Leistung vomimmt, gleichzeitig oder darät anschließend, jedoch die Leistung der Turbine, beispielsweise durch Änderung der Beaufschlagung, so ändert, daß die im Widerstand in Wärme umgewandelte Leistung wieder den ursprünglichen Wert annimmt.

Eine solche Regelung ist aus der DE-PS 233 063 bekannt. Sie wurde verwendet, um beim Absinken der vom Verbraucher abgenommenen Leistung die Beaufschlagung so langsam drosseln zu können, daß kein Wasserschlag auftritt. Die Änderung der im Widerstand in Wärme umgewandelten Leistung erfolgt dabei in Abhängigkeit der steigenden Turbinendrehzahl.

Diese Regelung hat den Nachteil, auf die Störung erst zu reagieren, wenn die mechanische Trägheit überwunden ist, was zu Spannungsanstiegen im Netz und unter Umständen zu instabilen Betriebsverhältnissen führt. Dazu kommt noch, daß die heutigen Verbraucher im Gegensatz zu denen der DE-PS, die 1909 erschienen ist, bei einer solchen Regelung beschädigt werden bzw. nicht ordnungsgemäß arbeiten könnten.

Es sind auch eine Reihe anderer Regelungen bekannt:

Die AT-PS 369 592 sieht eine Regelschaltungsanordnung für eine hydroelektrische Kraftwerksanlage vor, bei der zur Konstanthaltung der abgegebenen Leistung eine mit der Turbine gekoppelte Hydraulikpumpe gegen einen veränderlichen Widerstand arbeitet. Diese Maßnahme ist konstruktiv extrem aufwendig und für die Bedürfnisse eines Kleinkraftwerkes noch immer zu langsam.

Die DE-OS 28 55 404 und 29 03 039 sehen Leistungsregelungen für Großkraftwerke bei Netzstörungen, bei einem Netzabfall bzw. einer Netzzuschaltung mit dem Problem des Umschaltens von der Drehzahlregelung zur Leistungsregelung und zur Überwindung von Netzpendelungen vor.

All diese Probleme treten bei Kleinkraftwerken nicht oder in einer Form auf, die mit den Maßnahmen der zitierten Druckschriften nicht behoben werden könnten.

Zur Regelung von Kleinkraftwerken war es bisher aus der DE-OS 32 18 296 bekannt, die Leistung des Generators zwischen dem Verbraucher und einem Widerstand geregelt zu teüen. Änderungen im Netz wurden elektronisch erfaßt und die dem Widerstand zugeführte Leistung wurde, ebenfalls elektronisch, entsprechend geändert. Dies bedeutete, daß der Widerstand eine Aufnahmefähigkeit entsprechend der Generatorleistung haben mußte, und daß die Turbine immer im Nennleistungsbereich arbeitete, wodurch sie maximal belastet und beansprucht war und wodurch permanent der maximale Wasserverbrauch auf trat.

Derartige Kleinkraftwerke werden in entlegenen Gebieten, die über ein passendes Wasseraufkommen verfügen, eingesetzt Spezielle Anwendungsgebiete sind Schutzhütten, Bergbauemhöfe u. ähnl.

Da bei derartigen Kleinkraftwerken die Schwankungen des Stromverbrauches, gemessen am maximal möglichen Verbrauch, groß sind und da die Regelgeschwindigkeit der Turbine, gemessen an der Geschwindigkeit der Verbrauchsänderung klein ist, ist es notwendig, einen Lastausgleich vorzusehen, wie ihn die DE-OS 32 18 296 beschreibt. So ist es möglich, die Turbine selbst ohne weitere Steuerung oder Regelung zu betreiben und Schwankungen des tatsächlichen Verbrauches von ihr femzuhalten.

Eine Regelung der abgegebenen Strommenge durch eine Regelung der Tuibinenleistung wäre, wie eingangs erwähnt, um Größenordnungen zu langsam. Selbst bei den üblicherweise verwendeten Pelton-Turbinen wäre eine Regelung mit Strahlabweisem nicht rasch genug, um das elektrische Netz stabil zu halten.

Solche Kleinkraftwerke sind ohne Probleme in Gebieten zu gebrauchen, bei denen, gemessen am tatsächlichen Leistungsbedarf, genügend Wasser zur Verfügung steht. Wenn das Wasser für die Zeiten des Verbrauches in den Zeiten, in denen kein Verbrauch stattfindet, gesammelt wird, ist der Betrieb eines solchen Kraftwerkes umständlich und aufwendig, da die Turbine entsprechend den tatsächlichen Gegebenheiten eingeschaltet und gegebenenfalls auf vorbestimmte Nennleistungswerte eingestellt werden muß.

Es ist auch Ziel der Erfindung, diese Unzulänglichkeiten zu vermeiden und ein Kleinkraftwerk der eingangs genannten Art so zu steuern, daß der tatsächliche Wasserbedarf so gering wie möglich gehalten wird.

Die Erfindung sieht zur Vermeidung dieser Nachteile vor, daß die Änderung der Turbinenleistung in Abhängigkeit von der Größe der im Widerstand in Wärme umgewandelten elektrischen Leistung erfolgt, und daß eine Vergleichsschaltung feststellt, ob die Größe dieser Leistung über einem vorbestimmten oberen Wert (oberer Schaltpunkt) liegt, zwischen diesem oberen und einem vorbestimmten unteren Wert (unter»: Schaltpunkt) liegt oder unter diesem unteren Wert liegt; wobei in Abhängigkeit von diesem Vergleich im ersten Fall die Leistung der Turbine gedrosselt, im zweiten Fall die Leistung der Turbine nicht geändert und im dritten Fall die Leistung der Turbine erhöht wird, wobei bevorzugt der untere Schaltpunkt knapp über der Leistungsaufnahme des größten Einzelveibrauchers des Netzes des Kleinkraftwerkes liegt.

Durch diese Maßnahme ist es möglich, nur soviel Leistung im Widerstand in Wärme zu verwandeln, die der des größten zuschaltbaren Einzelverbrauchers (meist etwa 2 kW) entspricht. Die elektronische Verteilerregelung zieht mit hoher Geschwindigkeit die Zuschaltleistung von der Widerstandsleistung ab.

Die erfindungsgemäße Nachführregelung stellt danach die vorgesehene Reserve im Restenergiewiderstand -2-

AT 394 763 B durch hydraulische Leistungskorrektur wieder her.

Da die Leistungsänderung der Turbine üblicherweise durch eine Mengenänderung des abgearbeiteten Wassers erfolgt, im Falle einer Pelton-Turbine durch eine Verschiebung der Diisennadel(n), bewirkt eine solche Leistungssteuerung eine Optimierung des Wasserverbrauches. Damit ist es möglich, vorhandene Wassermengen bestmöglich zu nutzen und insbesondere die Speicherhaltung zu optimieren.

Darüberhinaus wird auch die Standzeit der Lager, des Generators und der Turbine wesentlich verlängert und der Betrieb des Kraftwerkes wird insgesamt wirtschaftlicher.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung liegt der untere Schaltpunkt knapp über der Leistungsaufnahme des größten Einzelverbrauchers des Netzes des Kleinkraftwerkes. Damit ist es möglich, daß auch beim Zuschalten dieses größten Verbrauchers im elektrischen Netz keine Komplikation«! auftreten. Der obere Schaltpunkt liegt vorteilhafterweise in solchem Abstand vom unteren Wert, daß die Häufigkeit der Regelvorgänge in einer angemessenen Frequenz erfolgt. Dieser Wert kann in Kenntnis der Erfindung, der verwendeten Turbine und deren Charakteristika vom Fachmann leicht bestimmt werden.

Die Schaltungsanordnungen und Vorrichtungen, die notwendig sind, um vom Sensor und der Vergleichsschaltung die Steuerung der Turbine zu bewirken, können dem Stand der Technik entsprechen und brauchen daher im Rahmen der Beschreibung nicht näher erläutert werden. Eine erfindungsgemäß bevorzugte Anordnung wird weiter unten eingehend besprochen.

Das Meßgerät zur Leistungsmessung ist ebenso wie die Vergleichsschaltung in der Elektrotechnik wohlbekannt und kann vom Fachmann in Kenntnis der Erfindung in Abhängigkeit vom verwendeten Generator und der verwendeten Art der Turbinenregelung ausgewählt werden.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführuhgsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigt die

Fig. 1 ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Kleinkraftwerk in Draufsicht,

Fig. 2 in Unteransicht,

Fig. 3 im Schnitt,

Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des Regelventils und

Fig. 5 eine Schaltungsanordnung zum Betrieb des Regelventils.

Eine Pelton-Turbine (1) ist in einem Rahmen (4) gelagert. Die Turbine verfügt über beispielsweise vier Düseneinsätze (6), wobei in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehend«! Wassermenge und Fallhöhe nur ein Teil der Einsätze tatsächlich mit Düsen versehen sein kann.

Mittels eines Keilriemens wird ein Generator (8) angetrieben, der auf einem Kipptisch (10) montiert ist Der Keilriemenantrieb erlaubt es, die Übersetzung zwischen Turbine und Generator billig und leicht zu ändern.

An der Unterseite der Turbine ist ein Stellrad (11) vorgesehen, welches Strahlabweiser beim Durchgehen der Turbine in die Strahlen schiebt.

Ein Widerstand ist vorteilhafterweise im Ober- oder Unterwasser angeordnet, um die entstehende Wärme günstig abführen zu können. Seine Anschlußkontakte (51,52) sind in Fig. 2 dargestellt Die maximal vom Widerstand aufnehmbare Leistung entspricht vorzugsweise der Maximalleistung des Generators. Eine bekannte Regelschaltung verteilt die vom Generator kommende Leistung in Abhängigkeit vom momentanen Verbrauch auf den Verbraucher und den Widerstand. Diese Schaltung ist bei Kleinkraftwerken zur Aufrechterhaltung eines geordneten Betriebes unabdingbar. Die Nennleistung der Turbine wird zu Betriebsbeginn oder bei vorhersehbaren längerfristigen Änderungen des Bedarfes von Hand eingestellt. Die damit verbundenen Nachteile wurden weiter oben geschildert und die Erfindung setzt an diesem Punkt an.

Ein Leistungssensor bekannter Art mißt die Größe der im Widerstand in Wärme umgewandelten Energie. Diese Meßgröße wird mit zwei vorgegebenen Größen verglichen und in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleiches werden die Düsennadeln bewegt oder unverändert gelassen. Je nach Richtung der Bewegung der Düsennadeln steigt oder sinkt die von der Turbine mittels des Generators gelieferte elektrische Leistung und simultan dazu die pro Zeiteinheit abgeaibeitete Wassermenge.

Die Verstellung der Düsennadeln erfolgt vorzugsweise mittels einer erfindungsgemäßen Regelventilanordnung. Diese Regelventilanordnung, die anhand einer Pelton-Turbine beschrieben wird, ist nicht auf die Verwendung bei einer solchen Turbine beschränkt und kann auch vorteilhaft verwendet werden, ohne daß eine erfindungsgemäße Regelung der Turbinenleistung vorhanden ist. Sie wird durch zwei Magnetventile angesteuert und arbeitet folgendermaßen (Fig. 4 und 5).

Von einer Druckleitung (21) führt eine Leitung (22) zu einer regelbaren Drossel (53) und einem ersten Magnetventil (23). Von diesem Magnetventil führt die Leitung (22) weiter zu einem Stellglied (24) und von diesem über ein zweites Magnetventil (25) zum Unterwasser (26). Sind beide Magnetventile (23, 25) geschlossen, bewirkt das zwischen ihnen eingeschlossene Wasser eine Fixierung des Stellgliedes (24) und somit eine konstantbleibende Einstellung der Düsennadel(n). Soll die Düsennadel verstellt werden, genügt es, eines der beiden Magnetventile zu öffnen, wodurch in Abhängigkeit von der Bauart des Stellgliedes eine Verschiebung desselben in die eine oder andere Richtung erfolgt Stellt die Vergleichsschaltung das Erreichen des gewünschten Zustandes fest, wird das bis dahin offengehaltene Ventil wieder geschlossen. Bei einer Änderung des Stromverbrauches, die zum Verlassen des gewünschten Bereiches führt, beginnt das Spiel von Neuem. -3-

AT 394 763 B

Als Stellglied (24) wird bevorzugt das in Fig. 4 dargestellte Element verwendet. Dieses Element arbeitet nach dem Prinzip eines beidseitig beaufschlagten Kolbens, dessen Kolbenstange die entsprechenden Stellbewegungen vomimmL

Von dem in Fig. 4 nicht dargestellten Magnetventil (23) gelangt Wasser aus dem Bereich und mit dem Druck der Turbinenzuleitung durch eine Einlaßöffnung (40) in einen ersten Zylinderraum (33). Dieses Wasser wirkt auf die diesem Zylinderraum zugewandte Seite eines Kolbens (34). Vom Raum (33) gelangt das Wasser durch eine radiale Bohrung (43) im Kolben (34) und durch die hohle Kolbenstange (32) in einen Verteilerraum (31) . Im Verteilerraum ist ein von Hand in axialer Richtung verstellbarer, die maximale Öffnung bestimmender Verschluß (41) vorgesehen, der mit dem ihm zugewandten Ende der Kolbenstange (32) nach Art eines Ventiles zusammenarbeitet und die Leitung (40) dicht verschließt, wenn die Kolbenstange (32) sich bis zum Anschlag nach links in der Zeichnung bewegt.

Auf der Kolbenstange (32) ist ein Kolben (34) befestigt, der koaxial zur Kolbenstange (32) eine Regelstange (35) aufweist. Diese Regelstange (35) wird in einer porösen Wand (36) geführt. Durch diese Wand kann Wasser, welches sich auf der Seite der Regelstange (35) befindet, in einen Zylinderraum (37) durchtreten, wobei es gereinigt wird. Dieses gereinigte Wasser wirkt auf die Seite des Kolbens (34), die dem Zylinderraum (37) zugekehrt ist Dieses Wasser stammt aus dem Bereich des Nadelventils, dessen Ventilstange mit der Regelstange verbunden ist und weist den im Turbinenzulauf herrschenden Druck auf.

Als Dichtung zwischen den beiden Räumen (33) und (37) ist eine flexible Membran (38) (Topfmanschette, Stulpendichtung) vorgesehen, die einerseits dicht mit dem Kolben (34) und andererseits dicht mit dem Zylindermantel (39) verbunden ist. Dadurch ist eine zuverläßige Dichtung und eine vemachläßigbare Korrosion des Kolbens, auch bei verschmutztem und sandhältigem Wasser, gesichert

Durch das Ventil (41, 42) ist sichergestellt, daß im ersten Zylinderraum (33) auch bei offenem Ventil (25) ein Druck herrscht der vom Druck im zweiten Zylindenaum (37) nur um einen Betrag verschieden ist den die Topfmanschette (38) sicher über einen langen Zeitraum erträgt.

Der WassereinlaJß vom Zylinderraum (33) in den Kolben (34) ist so angeordnet daß er im Betrieb nach oben zeigt, wodurch eine selbsttätige Entlüftung des Zylinderraumes (33) bewirkt wird..

Die Wirkungsweise der Stellvorrichtung ist folgende: Wenn beide Ventile (23,25) geschlossen sind, ist das Volumen der zwischen ihnen eingeschlossenen Wassermenge, abgesehen von unbeachtlichen Kompressionseffekten, konstant und der Kolben (34) wird an der Stelle festgehalten, an der er sich gerade befindet. Dabei stellt sich im ersten Zylinderraum (33) der im Turbinenzulauf herrschende Druck, verändert um den der Haltekraft entsprechenden Druck, ein.

Beim Zuschalten einer elektrischen Last verkleinert die bekannte Regeleinrichtung die am Widerstand in Wärme umgewandelte Leistung um das Ausmaß des Lastzuwachses. Wenn dadurch die Leistung am Widerstand unter den unteren Schaltpunkt fällt, erkennt dies die erfindungsgemäße Schaltung und öffnet das Ventil (25).

Dadurch fließt Wasser vom ersten Zylindenraum (33) durch die Bohrung (43) und die hohle Kolbenstange (32) , den Verteilerraum (31) und die Leitung (44) und der Kolben (34) verschiebt sich nach links, wodurch das Nadelventil der Pelton-Turbine weiter geöffnet wird und die Leistungsabgabe des Generators (8) steigt. Dadurch wird nach einiger Zeit der untere Regelpunkt wieder erreicht und überschritten, was die erfindungsgemäße Schaltung wahmimmt und was zum Schließen des Ventiles (25) führt. Ab diesem Zeitpunkt bleibt der Kolben (34) und somit das Nadelventil in der nunmehr erreichten Stellung.

Beim Abschalten eines elektrischen Verbrauchers geschieht der gleiche Vorgang mit dem einzigen Unterschied, daß das Magnetventil (23) geöffnet wird und der Kolben (34) sich unter der Wirkung einer nicht dargestellten Feder oder auch nur des am Nadelventil vorbeistreichenden Wassers (hydrodynamisches Paradoxon) nach rechts bewegt und das Nadelventil mehr und mehr schließt

Die Durchmesser der Leitung (22) und die Volumina der Zylinderräume (33,37) können vom Fachmann in Kenntnis der Erfindung und der verwendeten Turbine leicht so dimensioniert werden, daß die Geschwindigkeit des Öffnens und Schließens des Nadelventils der Turbine den Spezifikationen des Turbinenherstellers, den Erfordernissen der Druckleitung zur Vermeidung eines Wasserschlages und den Erfordernissen des Druckabfalles der Stulpendichtung (38) genügt.

Es ist von Fall zu Fall zu entscheiden, ob die Magnetventile im stromlosen Zustand geöffnet oder geschlossen sein sollen. Es kann zur Unterstützung der Bewegung des Kolbens (34) im ersten Zylinderraum (33) eine Feder vorgesehen sein, die sicherstellt, daß eine Schließbewegung des Kolbens (34) erfolgt, wenn das Magnetventil (23) geöffnet wird.

Wirkt die Einrichtung auf einen Stellring, der das Leitwerk der Turbine verstellt, so ist der zweite Zylinder-raum (37) mit Wasser aus dem Bereich des Turbineneinlaufes zu versorgen, oder es ist im Bereich des zweiten Zylinderraumes (37) eine Druckfeder vorzusehen, die statt des Wassers eine Kraft ausübt, die bei allen Stellungen des Kolbens (34) zwischen der Kraft entsprechend dem Druck des Oberwassers und dem Druck des Unterwassers liegt. Dadurch kann eine Bewegung des Kolbens durch das Öffnen und Schließen der beiden Ventile (23, 25) sichergestellt werden. In diesem Fall kann auf die Topfmanschette (38) verzichtet werde, doch muß die vorhandene Dichtung in der Lage sein, den vollen Druckunterschied aufzunehmen.

Die erfindungsgemäße Stellvorrichtung kann bei einem oder bei mehreren der vorhandenen Nadelventile vorgesehen sein. Ist sie bei mehreren Ventilen vorgesehen, kommt es dazu, daß beim Betrieb mit etwa mittlerer -4-

Claims (4)

1. AT 394 763 B Leistung (gemessen an der maximal möglichen Gesamtleistung) nicht alle Ventile teilweise geöffnet sind, was für den Wirkungsgrad nachteilig wäre, einige Ventile geshlossen sind, einige offen, und daß nur eines tatsächlich geregelt wird. Erst wenn auch dieses Ventil zufolge der Steuerung völlig geöffnet oder geschlossen ist, verläßt eines der bis dahin ständig geschlossenen oder geöffneten Ventile diesen Zustand und wird geregelt. Diese Selbststabilisierung ist auf das hydrodynamische Paradoxon und auf die immer vorhandenen Unterschiede der Ventile zurückzufühlen. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Regelung eines Kleinwasserkraftwerkes, das eine Turbine, einen Generator, einen Widerstand und eine Regelung zur Aufteilung des von der Turbine erzeugten Stromes auf einen Benutzer und den Widerstand zur Konstanthaltung des insgesamt abgenommenen Stromes aufweist, wobei bei einer Änderung der vom Benutzer abgenommenen Leistung die Regelung eine entsprechende Änderung der im Widerstand in Wärme umgewandelten Leistung vomimmt, gleichzeitig oder daran anschließend, jedoch die Leistung der Turbine, beispielsweise durch Änderung der Beaufschlagung, so ändert, daß die im Widerstand in Wärme umgewandelte Leistung wieder den ursprünglichen Wert annimmt, dadurch gekennzeichnet» daß die Änderung der Turbinenleistung in Abhängigkeit von der Größe der im Widerstand in Wärme umgewandelten elektrischen Leistung erfolgt, und daß eine Vergleichsschaltung feststellt, ob die Größe dieser Leistung über einem vorbestimmten oberen Wert (oberer Schaltpunkt) liegt, zwischen diesem oberen und einem vorbestimmten unteren Wert (unterer Schaltpunkt) liegt oder unter diesem unteren Wert liegt; wobei in Abhängigkeit von diesem Vergleich im ersten Fall die Leistung der Turbine gedrosselt, im zweiten Fall die Leistung der Turbine nicht geändert und im dritten Fall die Leistung der Turbine erhöht wird, wobei bevorzugt der untere Schaltpunkt knapp Ober der Leistungsaufnahme des größten Einzelverbrauchers des Netzes des Kleinkraftwerkes liegt.
2. 2. Stellglied zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine einerseits (33) mit Wasser beaufschlagte andererseits (37) entweder mit Wasser direkt aus dem Bereich des Turbineneinlaufes oder durch eine Feder beaufschlagte Zylinder-Kolbeneinheit umfaßt, wobei die eine Seite (33) das Wasser vom Turbineneinlauf über eine Leitung (22), ein Magnetventil (23) und eine Einlaßöffnung (40) erhält und durch einen Auslaß (44), eine Leitung und ein Magnetventil (25) ins Freie abgibt, wobei weiters der Kolben (34) mittels einer Betätigungsstange (35) eine Leitvorrichtung der Turbine verstellt
3. 3. Stellglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung zwischen den beiden Seiten des Kolbens (34) eine Topfmanschette (38) ist, daß das Wasser aus dem ersten Zylinderraum (33) durch eine radiale Bohrung (43) des Zylinders (34), deren mantelseitige Austrittsöffnung im eingebauten Zustand bevorzugt an der Oberseite des Zylinderraumes (33) liegt, und durch die hohl ausgebildete Kolbenstange (32) austritt, wobei die Austrittsöffnung (44) mit einem Verteilerraum (31) in Verbindung steht in dem, fluchtend mit der Kolbenstange (32), deren Ende einen Ventilsitz (42) aufweist, ein mit dem Ventilsitz korrespondierender Stopfen (41) angeordnet ist, der einen Anschlag für die Kolbenstange darstellt und ein weiteres Abfließen von Wasser und somit ein weiteres Absenken des Druckes im ersten Zylinderraum (33) verhindert. Hiezu
4. 4 Blatt Zeichnungen -5-