DD269183A1

DD269183A1 - Regeleinrichtung fuer klein-wasserturbinen

Info

Publication number: DD269183A1
Application number: DD87310906A
Authority: DD
Inventors: Volker Schulz; Uwe Clausen; Wolfgang Rabe
Original assignee: Rostock Energiekombinat
Priority date: 1987-12-21
Filing date: 1987-12-21
Publication date: 1989-06-21

Abstract

Die vorgeschlagene Einrichtung eignet sich zur Regelung von Klein-Wasserturbinen und kann daher zur Modernisierung bestehender oder bei der Neuerrichtung von Klein-Wasserkraftanlagen eingesetzt werden. Die Erfindung ist insbesondere dort einsetzbar, wo ueber laengere Zeitraeume Klein-Wasserkraftanlagen, die mit Propeller-, Francis- oder Kaplanturbinen ausgeruestet sind, wachfrei betrieben werden sollen. Ziel der Erfindung ist es, eine elektro-hydraulische Regeleinrichtung fuer Klein-Wasserkraftanlagen zu entwickeln, die den wachfreien Betrieb derartiger Anlagen ermoeglichen, um damit das nur wenig genutzte Energiepotential der kleinen Wasserlaeufe besser der volkswirtschaftlichen Nutzung zu erschliessen. Diese Aufgabe wird dadurch geloest, dass aus an sich bekannten elektronischen und elektro-hydraulischen Bausteinen eine Regeleinrichtung realisiert wird, welche unter Beruecksichtigung des Wasserangebotes den Leitapparat bei Propeller- und Francisturbinen bzw. die Fluegelverstellung bei Kaplanturbinen mittels Servomotoren derart veraendert, dass ein optimaler Netzparallel- oder Inselbetrieb moeglich wird und der ausserdem, kraft seines hohen Automatisierungsgrades, ueber laengere Zeitraeume wachfrei ist.

Description

Titel der Erfindung

Elektro-hydraulische Regeleinrichtung für Klein-Wasserturbinen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung von Klein-Wasserturbinen und kann daher zur Modernisierung bestehender oder bei der Neuerriohtung von Klein-Wasserkraftanlagen eingesetzt werden. Die Erfindung ist irabesondere dort einsetzbar, wo über länger« Zeiträume Klein-Wasserkraftanlagen, die mit Propeller-, Francis- oder Knplanturbinen ausgerüstet sind, wachfrei betrieben werden aollen.

Charakteristik der bekannten teohnisohen Lösungen

Bei bereits stillgesetzten wie auoh bei noch in Betrieb befindlichen Klein-Wasserkraftanlagen flir die Erzeugung von Elektroenergie waren una sind hydro-mechanische Regeleinrichtungen für die Verstellung der Leitapparate bzw. der Kaplanschen Verstelleinrichtungen im Einsatz.

Diese Regeleinrichtungen sind Gebilde, die aus einer Vielzahl mechanischer Einzelteile bestehen und deren hoho Zuverlässigkeit nur durch ständige Wartung und Pflege gewährleistet werden kann. Klein-Wasserkraftanlagen mit soloher Ausrüstung erfcjdern auch aus diesem Grunde Wachpersonal. Sie sind nicht für den wachfreien Betrieb konzipiert« Die Instandsetzung bzw. der Ersatz der vorhandenen hydro-mechanisohen Regeleinrichtungen erfordern einen hohen gesellschaftlichen Aufwand. In der Auslegungsschrift Nr. 2165635 wird eine elektronische Regeleinrichtung zur optimalen Einstellung der Laufschaufeln von Wasserturbinen beschrieben, die das Ziel hat, aus einem veränderlichen Oberwasseratand elektr. Leistung mit höchsten

Wirkungsgrad zu erzeugen, wobei jedooh keine ge2ielte Anpassung d^r momentanen Leistung der Turbine an dae Wasserangebot eines Fließgewässers vorhanden ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine elektro-hydrauliaohe Regeleinrichtung für Klein-Wasserturbinen zu entwickeln, die den waohfreien Betrieb von Klein-Waaserkraftanlagen ermöglicht und den gesellschaftlichen Aufwand beim Weiterbetrieb, bei der Instandsetzung bestehender Klein-Wasserkraftanlagen sowie bei Neuerrichtungen verringert.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung für die elektro-hydraulische Regelung von Klein-Wasserturbinen zu entwickeln, die bei noch in Betrieb befindlichen oder neu zu er/richtenden Klein-Wnsserkraftui:lagen für die Erzeugung von Elektroenergie eingesetzt werden kann. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein hydraulischer Servomotor zur Flügelverstellung bei Kaplanturbinen oder zur Verstellung des Leitapparates bei Francis- oder Propellerturbinen von einer elektro-hydraulisohen Einheit so beeinflußt wird, daß im Inselbetrieb eine Frequenzkonstanz mittels einer Drehzahlregelung und im Netzparallelbetrieb eine Regelung der erzeugten elektrischen Leistung in Abhängigkeit des Wasaerengebotes gewährleistet ist. Im Netzparallelbetrieb findet die vorzeichenbehaftete Addition eines von einer Referenzspannungsquelle gelieferten Leistu.ngsaollwertes mit einem Pegelsignal in einem Summierpunkt mit dem Ziel statt, die momentane Leistung der Klein-Wasserkraftturbine dem Oberwasserpegel anzupassen und dadurch eine Pegelkonstanthaltung einerseits und eine Energieerzeugung mit hohem Wirkungsgrad andererseits zu erwirken. Das am Ausgang des Summierverstärkers anstehende Ausgangssignal, als resultierende Flihrungogröße, wird im nachfolgenden Regelverstärker mit dem Ist-Wertsignal, welches einer Winkelgröße der Flügel dee Kaplan-Laufrades oder dem Öffnungsgrad des Leitapparates proportional ist, verglichen. Die Regelabweichung bewirkt bei einem Servo- oder Pro· portionalventil eine Auslenkung des Steuerkolbens und damit die Druckölbeaufschlagung des Servomotors. Dieser bewirkt das weiter^ Öffnen bzw. Schließen des Leitapparates bei Propeller- und

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Franoisturbinen oder die ents[reohende FlUgelveretellung bei Kaplanturbinen. Dieser Regelvorgang ist beendet, wenn sioh der Leistungs-Sollwert mit dem Leistungs-Istwert, weloher dem Winkel-Istwert proportional ist, im Gleichgewichtszustand befindet.

Im Inselbetrieb, bei welchem die Frequenz und Amplitude nioht von einem übergeordneten taktgebenden Energienetz vorgegeben werden, wird die Turbinendrehzahl mittels einer Drehzahlregelung konstant gehalten und damit in bestimmten Grenzen Lastunabhängigkeit erreicht. Das von einer Referenzspannungsquelle bereitgestellte Sollwertsignal wird in einem Drehzahlregelverotärker mit dem Signal eines Drehzahl-Istwertgebers verglichen und anschließend verstärkt. Die am Ausgang anstehende Regelabweichung bewirkt in dem nachfolgenden Servo- oder Proportionalventil eine entsprechende Auslenkung des Steuerkolbens, der einen Servomotor ansteuert, was wiederum die Flügelverstellung bei Kaplanturbinen oder die Veränderung des üffnungsgrades eines Leitapparates zur Folge hat.

Dieser Vorgang ist erst im Gleichgewichtszustand beendet, wenn sich der Drehzahl-Sollwert und der Drehzahl-Istwert in Übereinstimmung befinde

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Beispieles beschrieben werden

In der Zeichnung bedeuten:

Fig. 1: Blockschaltbild einer leistungsgeregelten Kaplanturbine

Fig. 2: Signalflußplan einer leistungsgeregelten Kaplanturbine für den Netzparallelbetrieb

Fig. 3: Signalflußplan einer drehzahlgeregejiten Kaplanturbine für den Insalbetrieb

Die vorgeschlagene elektro-hydraulische Regeleinrichtung soll anhand einer leistungsgeregelten Kaplanturbine zur Elektroenergieerzeugung im Netzparallelbetrieb mit einem Asynchrongenerator näher erläutert werden. Dabei wird davon ausgegangen, daß sich die Leistung der Turbine dem zur Verfügung stehenden Wasserangebot anpaßt, mit dem Ziel, den Oberwasserpegel weitestgehend konstant und möglichst hoch zu halten, um mit hohem Wir-

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kungsgrad elektrische Leistung zu erzeugen. In einem Suraraierverstärker 1 erfolgt die Summierung und Verstärkung dea Leistungseollwertes eines Sollwertgebers 2 mit dem Pegelsignal, daß von einem Wegsensorö'lwasserpegel 3 bereitgestellt wird. Die am Ausgang des Summierverstärkers 1 vorhandene resultierende FUhrungsgröße wird im Regelverstärker-FlUgelverstellung 4 mit dem Winkel-Istwert der Flügel des Kaplan-Laufrades 5, welcher mittels Weg'jensor-FlUgelverstellung 6 gewonnen wird, verglichen und verstärkt. Das Ausgangssignal des Regelverstärkers - Flügelverstellung 4 ist der Sollvert flir einen internen Lageregelkreis, der vorzugsweise bei Steuerventilen 8 zur Verbesserung der Kennwerte Anwendung findet. Den Lage-Istwert liefert ein Wegsensor-Steuerventil 12. Das Steuerventil 8 wird von einer Leistungsstufe des Lagereglers 7 angesteuert. Im AusfUhrungsbeispiel wurde als Steuerventil 8 ein lagegeregeltes Proportional-Wegeventil mit zwei Endstellungen, welches d den Servomotor 9 mit einem den Sollwert proportionalen Ölstrora versorgt, eint. )setzt. Die Kolbenstange des Servomotors 9 steht in direkter Verbindung mit der Kaplanschen Verstelleinriclitung einerseits und dem Wegsensor-FlUgelverstellung 6 andererseits. Die Drehzahl und das Drehmoment des Kaplan-Laufrades 5 werden im Getriebe 13 gewandelt und stehen somit der Schwingmasse 14» dem Generator 10 und dem Drehzahlgeber 11 zur Verfügung. Ein Absinken des Oberwasserpegeis hat eine Reduzierung des magnetischen Flusses im Steuermagneten des Steuerventils 8 zur Folge und wirkt damit in einer die Auslenkung der FlUgel des Kaplan-Laufrades 5 beschränkenden Weise.

Das Hydraulikaggregat 15 in Verbindung mit dem Druckbegrenzungsventil 16 gewähr lc let et die Z^i^ilouolluue, üci 'uenuoxgotm Hydraulischen Energie*.

Claims

Erfindungsansprüohe

!.Regeleinrichtung für Klein-Waseerturbinen für die Erzeugung von Elektroenergie unter Anwendung an sich bekannter elektronischer und elektro-hydraulisoher Baugruppen dadurch gekennzeichnet, daß im Ne^parallelbetrieb vorzugsweise eine Leistungsregelung in Abhängigkeit vom Wasserangebot bei Kaplanturbinen der Art stattfindet, daß in einem Summierverstärker (1) die Summierung und Verstärkung des Leistungssollwertes eines Sollwertgebers (2) mit dem Pogelsignal, von einem Wegsensor-Oberwasserpegel (3) bereitgestellt, erfolgt und die resultierende FUhrungsgröße den Sollwert fUr einen naohgesohnlteten Regelverstäxker - Flügelverstellung (4) darstellt und hier der Vergleich mit dem Stellungs-Istwert der Flügel des Kaplan-Laufrades (5), von dem Wegsensor Flügelverstellung (6) bereitgestellt, stattfindet mit anschlies· sender Leistungsverstärkung im Lageregler mit Leistungsstufe (7) und damit eine vom Oberwasserpegel abhängige Magnetkraft in der Steuerspule des Steuerventils (8) erzeugt, mit der Folge, daß ein entsprechender Ölstrom die Lage der Kolbenstange eines Servomotors (9) beeinflußt, der wiederum mit den Flügeln des Kaplan-Laufrades (5) und d?m Wegsensor - Flügelverstellung (6) in Wirkverbindung steht, wodurch letztlioh eine Absenkung des Oberwasserpegels die FlUgelauslenkung deu Kaplan-Laufrades (5) beschränkt.
2· Regeleinrichtung für Klein-Wasserturbinen nach Anspruoh 1 daduroh gekennzeichnet, daß im Inselbetrieb in Ermangelung eines übergeordneten taktgebenden Netzes eine Drehzahlregelung der Kplanturbine der Art stattfindet, daß ein Vergleich des Drehzahlsollwertes eines Sollwertgebers v'2) in einem

Regelverstärker - Drehzahl 17 mit dem Drehzahl-Istwert des Generators (10), vom Drehzahlgeber (11) bereitgestellt, erfolgt und das leistungsverstärkte Ausgangseignal eine dem Drehzahl-Sollwert proportionale Magnetkraft in der Steuerspule de& Steuerventils (8) hervorruft, welohes den Servomotor (9) in entsprechender Weise mit einem ülstrom beaufsohlagt und der duroh eine Flügelverstellung die Momentandifferenz zwischen Soll- und Istwert in einer die Differenz vermindernden Riohtung verändert.

Regeleinrichtung für Klein-Wassorturbinen naoh Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Wirkungsprinzip der Leistungsregelung wie auoh der Drehzahlregelung für Propeller- und Franoisturbinen mit verstellbaren Leitapparaten in gleicher Weise anwendbar ist, wobei in diesem Fall eine Wirkverbindung zwischen dem Servomotor (9), dem verstellbaren Leitapparat und dem den Öffnungsgrad des Leitapparates erfassenden Wegsensor besteht.
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