Wasserkraftanlage mit mindestens einer Turbine mit regelbarem Einlassorgan und zusätzlichem Sicherheitsabschlussorgan Wird der von einer Turbine einer Wasserkraftanlage angetriebene elektrische Generator vom Netz getrennt, so wird die Turbine entlastet und ihre Drehzahl steigt an. Normalerweise greift dann eine auf den Drehzahlanstieg ansprechende Regeleinrichtung ein, welche ein regel bares Einlassorgan der Turbine, z.
B. den regelbaren Leitapparat einer Francisturbine, zum Schliessen ver- anlasst. Nachdem die Drehzahl einen gewissen Höchst wert erreicht hat, sinkt sie wieder ab und es stellt sich schliesslich eine stationäre Leerlaufdrehzahl ein.
Es kann aber vorkommen, dass infolge einer Störung in der Regeleinrichtung oder im Leitapparat sich dieser normale Schliessvorgang nicht abspielen kann. Eine be kannte Massnahme, die dazu dient, auch in diesem Fall den Betriebswasserzufluss zur Turbine abzusperren, be steht darin, dass ein zusätzliches, in der Zuleitung zur Turbine eingebautes Sicherheitsabschlussorgan, z. B. ein Kugelschieber, geschlossen wird, sobald die Drehzahl etwas über den erwähnten normalen Höchstwert ansteigt.
Diese Sicherheitsabschlussorgane üben aber erst im letzten Teil ihres Schliessweges eine wesentliche Drossel wirkung auf das durchströmende Wasser aus, und es muss überdies die Schliessgeschwindigkeit begrenzt wer den mit Rücksicht auf den sich ergebenden Druckan stieg in der Zuleitung. Es ist daher möglich, dass die Drehzahl der Turbine bis zur vollen Wirkung des Sicher- heitsabschlussorgans sich bis zur Durchgangsdrehzahl erhöht. Dieser abnormale Betriebszustand ist uner wünscht, da sich dabei oft Vibrationen einstellen.
Besonders ungünstig kann sich aber der beschrie bene Vorgang dann auswirken, wenn zwei oder mehrere Turbinen in einer Wasserkraftanlage vorhanden sind, welche bei einer Abschaltung der ganzen Anlage vom Netz gleichzeitig entlastet werden. Tritt nun bei einer dieser Turbinen eine Störung auf, während die Leitappa- rate der andern Turbinen normal schliessen, so steht diese eine Turbine, bei der der Leitapparat nicht schliesst, unter einem erhöhten Gefälle, weil die Vermin derung des Wasserzuflusses zu den andern Turbinen einen Druckanstieg in der Zuleitung verursacht.
Dies bewirkt, dass ihre Durchgangsdrehzahl über den Wert erhöht wird, den sie hätte, wenn die andern Turbinen nicht schliessen würden. Ein freier Anstieg der Dreh zahl könnte somit zu einer Überbeanspruchung des Läu fers führen, sofern nicht dieser Sonderfall durch mit erhöhten Anlagekosten verbundene, stärkere Dimen- sionierung der beanspruchten Teile berücksichtigt ist.
Die Erfindung betrifft nun eine Wasserkraftanlage mit mindestens einer Turbine mit regelbarem Einlass- organ und zusätzlichem Sicherheitsabschlussorgan und bezweckt, im Falle einer Entlastung der Turbine auch bei Versagen des regelbaren Einlassorgans oder seiner Steuerorgane eine unerwünschte oder sogar unzulässige Drehzahlerhöhung der Turbine zu vermeiden.
Die Er findung besteht darin, dass eine Steuervorrichtung vor gesehen ist, welche bei oder kurzfristig nach Entlastung der Turbine ein Schliessen des Sicherheitsabschluss- organs veranlasst, wenn das regelbare Einlassorgan nicht oder zu langsam schliesst.
In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Wasserkraftanlage nach der Erfindung vereinfacht dargestellt. Fig. 2 dient ferner zur Erläuterung der Wir kung der erfindungsgemässen Massnahme bei einer mit mehreren Wasserturbinen ausgerüsteten Wasserkraft anlage.
Gemäss Fig. 1 wird ein elektrischer Generator 1 von einer Francisturbine 2 mit regelbarem Eintrittsleitappa- rat 3 angetrieben. Das Betriebswasser strömt der Tur bine 2 durch eine Leitung 4 mit eingebautem, als Sicher heitsabschlussorgan dienenden Kugelschieber 5 zu. Der Leitapparat 3 der Turbine 2 steht unter dem Einfluss eines auf Drehzahländerung ansprechenden Reglers 6 mit Stellmotor 7, dessen Bewegung über eine vertikale Welle 8 auf einen zur Betätigung des Leitapparates 3 dienenden Regulierring 9 übertragen wird.
Zur Betätigung des Kugelschiebers 5 dient ein hydraulischer Stellmotor 10, dessen Verstellbewegung in bekannter Weise vermittels Zahnstange und Zahn segment auf den Drehkörper des Kugelschiebers 5 über tragen wird. Der Zu- und Abfluss von Druckmittel zum bzw. vom Stellmotor 10 wird durch ein Steuerventil 11 beherrscht. Das Steuerventil 11 steht über eine Steuer leitung 12 ebenfalls unter dem Einfluss des Reglers 6,
der hierfür ausser dem Drehzahlregler für die Betätigung des Leitapparates 3 gegebenenfalls einen besondern Sicherheitsregler aufweisen kann.
Der Regler 6 ist nun so eingestellt, dass er bei einer Entlastung der Turbine oder noch besser kurzfristig dar nach durch Weitergabe eines Impulses über die Steuer leitung 12 das Steuerventil 11 in eine Lage bringt, in welcher dieses über den Stellmotor 10 eine Schliess- bewegung des Kugelschiebers 5 veranlasst. Dieser Vor gang kann z.
B. bei einer um einige Prozente höheren Drehzahl als die normale Betriebsdrehzahl eingeleitet werden, vorzugsweise bei einer Drehzahl, die etwas höher ist als jene Drehzahl, bei der normalerweise eine Schliessbewegung des Leitapparates 3 der Turbine ver anlasst wird.
Mit dem Übertragungsmechanismus vom Stellmotor 7 zum Regulierring 9 ist ein in einem Zylinder 13 ver schiebbarer Kolben 14 verbunden. Der Zylinder 13 ent hält Steuerflüssigkeit, und einer der Zylinderräume, der mit 15 bezeichnet ist, steht über eine Leitung 16 mit dem Steuerventil 11 in Verbindung. Im Kolben ist eine die beiden Zylinderräume verbindende, als Drosselstelle wirkende Bohrung 17 angebracht.
Die Anordnung ist so getroffen, dass sich bei einer Schliessbewegung des Leitapparates 3 der Kolben 14 in Richtung gegen den Zylinderraum 15 bewegt. Im Steuer ventil 11 ist ferner dafür gesorgt, dass ein Druckanstieg in der Leitung 16 dem Einfluss des Reglers 6 über die Steuerleitung 12 entgegenwirkt. Wegen der Drosselung des Abflusses der Steuerflüssigkeit aus dem Zylinder raum 15 durch die Bohrung 17 steigt bei einer Schliess- bewegung des Leitapparates 3 der Druck im Zylinder raum 15 und in der Steuerleitung 16 an, und zwar um so mehr, je rascher sich der Leitapparat 3 bewegt.
Die Bohrung 17 ist nun so bemessen, dass bei normaler Reaktion des Leitapparates 3 der Druckanstieg hin reicht, um das Steuerventil 11 entgegen dem Einfluss des Reglers 6 in seiner Ausgangslage zu halten bzw. dieses in seine Ausgangslage zurückzubringen, falls es sich schon verstellt hätte. Es ergibt sich somit, dass das Sicherheitsabschlussorgan, nämlich der Kugelschieber 5, nur zum Schliessen veranlasst wird, wenn das regelbare Einlassorgan, nämlich der Leitapparat 3, nicht oder zu langsam schliesst.
Tritt dieser Fall ein, so wird mit dem Schliessen des Kugelschiebers 5 nicht zugewartet, bis der normalerweise zu erwartende höchste Drehzahlanstieg überschritten ist, sondern der Kugelschieber 5 übernimmt mit höchstens geringer Verzögerung die Funktion des Leitapparates 3,
so dass trotz des Versagens des letztern die Drehzahl erhöhung in mässigen Grenzen gehalten und ein Anstieg bis zur Durchgangsdrehzahl der Turbine vermieden wird.
Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn zwei oder mehrere Turbinen in der Anlage parallel geschaltet sind und bei einer Entlastung der ganzen Anlage der regel bare Leitapparat einer der Turbinen nicht ordnungs- gemäss schliesst. Wie eingangs erwähnt, wird dann in folge des durch das Schliessen der Leitapparate der übrigen Turbinen erzeugten Druckanstiegs in der Zu leitung auch diese eine Turbine unter ein erhöhtes Ge- fälle gesetzt und so auch ihre Durchgangsdrehzahl über den sonst zu erwartenden Wert erhöht. Diese Verhält nisse werden im folgenden anhand der Fig. 2 erläutert.
In Funktion der Zeit t nach der Entlastung sind Be rechnungsresultate für den Druckstoss, d. h. die Gefälls- erhöhung d h (Kurven a1, b1, cl) und für die Drehzahl n (Kurven a2, bQ, c,) in Prozenten des Normalgefälles bzw. der Normaldrehzahl für eine Anlage mit vier Francis- turbinen aufgetragen.
Die Kurven a1, a, beziehen sich auf den Fall, dass die Leitapparate aller vier Turbinen ordnungsgemäss schliessen. Die horizontale Linie n* be zeichnet die Durchgangsdrehzahl beim normalen Nutz gefälle. Die Kurve a, liegt weit darunter. Die Kurve b1 gibt den Gefällsverlauf an, wenn der Leitapparat einer der Turbinen nicht schliesst und auch das Sicherheits- abschlussorgan nicht eingreift.
Der Druckstoss ist dann etwas geringer, bewirkt aber trotzdem, dass die Drehzahl dieser einen Turbine gemäss Kurve b, über die Linie n* ansteigt, die ohne den Druckstoss die obere Grenze bil den würde. Die Kurven cl und c@ beziehen sich schliess- lich auf den Fall, dass, wie oben beschrieben, das Sicher- heitsabschlussorgan die Funktion des nicht ordnungs- gemäss schliessenden Leitapparates übernimmt.
Der Druckstoss gemäss Kurve cl ist etwas kleiner als nach a1, da das Sicherheitsabschlussorgan weniger rasch schliesst als die Leitapparate der übrigen Turbinen. Die Drehzahl steigt dementsprechend gemäss Kurve c. etwas über jene gemäss Kurve a2 an, bleibt aber wesentlich unter der Durchgangsdrehzahl n*.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand einer Was serkraftanlage mit Francisturbinen erläutert. Sie lässt sich aber in gleicher Weise für Aktions- und Reaktions turbinen anwenden, wobei auch Turbinen eingeschlos sen sind, welche zeitweise als Pumpen betrieben werden (Pumpenturbinen). Zur Veranlassung des Schliessens des Sicherheitsabschlussorgans bzw. zur Gegenwirkung, wenn das regelbare Einlassorgan ordnungsgemäss arbei tet, können statt hydraulischer Steuermittel auch mecha nische oder elektrische Steuermittel an sich bekannter Art verwendet werden.
Hydropower plant with at least one turbine with a controllable inlet element and an additional safety shut-off element If the electric generator driven by a turbine of a hydropower plant is disconnected from the network, the turbine is relieved and its speed increases. Normally, a regulating device responsive to the increase in speed then intervenes, which regulates a regulable inlet member of the turbine, e.g.
B. causes the controllable nozzle of a Francis turbine to close. After the speed has reached a certain maximum value, it drops again and a steady idle speed is finally set.
However, it can happen that this normal closing process cannot take place due to a malfunction in the control device or in the control apparatus. A known measure, which serves to shut off the process water flow to the turbine in this case, be is that an additional, built in the supply line to the turbine safety shut-off member, z. B. a ball valve is closed as soon as the speed rises slightly above the normal maximum value mentioned.
However, these safety shut-off devices only exert a significant throttling effect on the water flowing through in the last part of their closing path, and the closing speed must also be limited, taking into account the resulting pressure rise in the supply line. It is therefore possible that the speed of the turbine increases up to the full effect of the safety shut-off element up to the runaway speed. This abnormal operating condition is undesirable because it often causes vibrations.
However, the process described can have a particularly unfavorable effect if there are two or more turbines in a hydropower plant, which are relieved from the network at the same time when the entire plant is switched off. If a disturbance occurs in one of these turbines while the diffusers of the other turbines are closing normally, this one turbine, in which the diffuser does not close, is under an increased gradient because the reduction in the flow of water to the other turbines is one Caused pressure increase in the supply line.
This has the effect that its runaway speed is increased above the value it would have if the other turbines did not close. A free increase in the speed could thus lead to an overstressing of the rotor, unless this special case is taken into account due to the greater dimensioning of the stressed parts associated with increased investment costs.
The invention relates to a hydropower plant with at least one turbine with a controllable inlet element and an additional safety shut-off element and aims to avoid an undesired or even impermissible increase in speed of the turbine in the event of a load on the turbine, even if the adjustable inlet element or its control elements fail.
The invention consists in the fact that a control device is provided which, when the turbine is relieved of load or shortly after it is relieved of pressure, causes the safety shut-off element to close if the controllable inlet element does not close or closes too slowly.
In Fig. 1 of the drawing, an embodiment of a hydropower plant according to the invention is shown in simplified form. Fig. 2 also serves to explain the effect of the inventive measure in a hydropower plant equipped with several water turbines.
According to FIG. 1, an electrical generator 1 is driven by a Francis turbine 2 with a controllable inlet guide apparatus 3. The process water flows to the turbine 2 through a line 4 with a built-in ball valve 5 serving as a safety shut-off device. The diffuser 3 of the turbine 2 is under the influence of a controller 6 with a servomotor 7 which responds to the change in speed and whose movement is transmitted via a vertical shaft 8 to a regulating ring 9 used to actuate the diffuser 3.
To operate the ball slide 5, a hydraulic servomotor 10 is used, the adjustment movement of which is carried in a known manner by means of a rack and tooth segment on the rotating body of the ball slide 5 via. The inflow and outflow of pressure medium to and from the servomotor 10 is controlled by a control valve 11. The control valve 11 is also under the influence of the controller 6 via a control line 12,
which for this purpose can have a special safety regulator in addition to the speed regulator for actuating the guide apparatus 3.
The controller 6 is now set so that when the turbine is relieved or, better yet, for a short time afterwards, by passing on a pulse via the control line 12, it brings the control valve 11 into a position in which it executes a closing movement of the servomotor 10 Ball slide 5 caused. This process can, for.
B. be initiated at a speed a few percent higher than the normal operating speed, preferably at a speed that is slightly higher than that speed at which a closing movement of the nozzle 3 of the turbine is usually caused ver.
With the transmission mechanism from the servomotor 7 to the regulating ring 9 in a cylinder 13 ver displaceable piston 14 is connected. The cylinder 13 contains control fluid, and one of the cylinder spaces, which is denoted by 15, is in communication with the control valve 11 via a line 16. A bore 17 which connects the two cylinder chambers and acts as a throttle point is provided in the piston.
The arrangement is such that when the guide apparatus 3 closes, the piston 14 moves in the direction towards the cylinder chamber 15. In the control valve 11, it is also ensured that a pressure increase in the line 16 counteracts the influence of the regulator 6 via the control line 12. Because of the throttling of the outflow of the control fluid from the cylinder chamber 15 through the bore 17, the pressure in the cylinder chamber 15 and in the control line 16 rises when the diffuser 3 closes, and the more rapidly the diffuser 3 moves emotional.
The bore 17 is now dimensioned so that with a normal reaction of the diffuser 3, the pressure increase is sufficient to hold the control valve 11 in its original position against the influence of the regulator 6 or to bring it back to its original position if it had already moved. The result is that the safety shut-off element, namely the ball slide 5, is only caused to close when the controllable inlet element, namely the diffuser 3, does not close or closes too slowly.
If this occurs, the closing of the ball valve 5 does not take place until the normally expected highest increase in speed has been exceeded, but the ball valve 5 takes over the function of the diffuser 3 with at most a slight delay,
so that, despite the failure of the latter, the increase in speed is kept within moderate limits and an increase up to the run-through speed of the turbine is avoided.
This is of particular importance if two or more turbines are connected in parallel in the system and the controllable nozzle of one of the turbines does not close properly when the entire system is relieved. As mentioned at the beginning, as a result of the pressure increase in the supply line generated by the closing of the diffusers of the other turbines, this one turbine is also placed under an increased gradient and its run-through speed is increased above the value otherwise expected. These ratios are explained below with reference to FIG.
As a function of the time t after the discharge are calculated results for the pressure surge, d. H. the gradient increase d h (curves a1, b1, cl) and for the speed n (curves a2, bQ, c,) are plotted as a percentage of the normal gradient or the normal speed for a system with four Francis turbines.
The curves a1, a, relate to the case that the nozzles of all four turbines close properly. The horizontal line n * denotes the throughput speed with the normal usable gradient. The curve a is far below. The curve b1 indicates the gradient if the guide device of one of the turbines does not close and the safety shut-off element does not intervene either.
The pressure surge is then slightly lower, but nevertheless causes the speed of this one turbine to rise above the line n * according to curve b, which would bil the upper limit without the pressure surge. The curves cl and c @ finally relate to the case that, as described above, the safety shut-off device takes over the function of the guide apparatus which does not close properly.
The pressure surge according to curve cl is somewhat smaller than according to a1, since the safety shut-off device closes less quickly than the guide devices of the other turbines. The speed increases accordingly according to curve c. slightly above that according to curve a2, but remains significantly below the run-through speed n *.
The invention was explained above with reference to a What serkraftanlage with Francis turbines. However, it can be used in the same way for action and reaction turbines, which also includes turbines that are temporarily operated as pumps (pump turbines). To initiate the closing of the safety shut-off device or to counteract when the controllable inlet device is working properly, mechanical or electrical control means of a known type can also be used instead of hydraulic control means.