DE2165635B2

DE2165635B2 - Regeleinrichtung zum optimalen Einstellen der Laufschaufeln von Wasserturbinen

Info

Publication number: DE2165635B2
Application number: DE2165635A
Authority: DE
Inventors: Fritz Loeffelmann; Winfried Dipl.-Ing. Dr. Speth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-12-30
Filing date: 1971-12-30
Publication date: 1975-06-19
Also published as: AT322473B; JPS4873628A; NO134714B; NO134714C; DE2165635A1; US3848171A; BR7209192D0; SE383386B; IT972761B; FR2167179A5; CH563527A5

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung zum optimalen Einstellen der Laufichaufeln von Wasserturbinen unter Ermittlung der Streckenverstärkung zwischen der Laufschaufelstellung und dem Wirkungsgrad oder der Verlustleistung der Wasserturbine und mit einem von der Streckenverstärkung beaufschlagten Extremalwertreglei, dessen Ausgangssignal über ein Stellglied die Laufschaufein verstellt.

Eine derartige Einrichtung ist im Zusammenhang mit der selbsttätigen Regelung von Kaplanturbinen auf maximalen Wirkungsgrad gemäß der deutschen Patentschrift 935540 bekanntgeworden. Dort wird vorgeschlagen, die Laufschaufeln mittels eines Zeitschaltwerkes in regelmäßigen Zeitabschnitten ständig um einen vorgegebenen festen Betrag zu verstellen, die daraufhin eintretende Wirkungsgradveränderung EU beobachten und daraus die Streckenverstärkung fcwischen Laufschaufelstellung und Wirkungsgrad in Form des Differentialquotienten des Wirkungsgrades nach der Laufschaufelstellung zu berechnen und die Laufschaufelsteilung dann so lange zu verändern, bis dieser Differentialquotient zu Null wird. Hierbei sind neben einem Zeitschaltwerk relativ komplizierte Auswerte- und Rechenschaltungen erforderlich und vor allem kommt die Verstelleinrichtung nie zur Ruhe, da sie dauernd die in regelmäßigen Zeitabschnitten eingeleiteten Probier- bzw. Prüfschrnte ausführen muß.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die jeweils dem optimalen Wirkungsgrad der Wasserturbine zugeordnete Laufschaufelstellung bei sich beliebig ändernden Betriebsparametern ebenfalls selbsttätig herbeizuführen und dabei aber ohne ein Prüfsignal und mit einer wesentlich einfacheren Anordnung auszukommen.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß zur Ermittlung der Streckenverstärkung eine an sich bekannte, einen speichernden Quotientenbildner in Form eines über einen Multiplizierer rückgekoppelten Integrators enthaltende Identifizierungsschaltung vorgesehen ist. \ls Identifizierungsschaltung kann 635

hierbei eine gemäß der deutschen üftenlegungsschrift 1 815964 bekannte Schaltung zur Streckenversiarkunesidentifizierung verwendet werden bei welcher der Dividendeneingang des Quotientenbildners über ein Vorhaltglied vom Ausgang der zu identifizierenden Strecke und der DivLsoreingang vom Sireckeneingangssignal über ein weiteres Vorhalteglied und eine Streckennachbildung beaufschlagt ist.

Eine gute Langzeitkonstanz dieses speichernden Quotientenbildners ergibt sich gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, wenn sein Integrator aus einem Stellmotor besteht, der mit dem Schleifer eines an einer konstanten Spannung liegenden Potentiometers mechanisch gekoppelt ist. Als zweckmäßig erweist es sich wenn eine Vorsteuerung der Laufschaufelstellung erfolgt, indem das Stellglied mit einer die Leitschaufelstellung beeinflussenden Größe zusätzlich beaufschlagt ist. Damit können auch gewisse Sonderbetriebsfälle, wie /. B. das Anfahren einwandfrei beherrscht werden.

Im folgenden soll die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher veranschaulicht werden.

Im Diagramm der Fig. 1 gibt die voll ausgezogene Kurve die Abhängigkeit des Wirkungsgrades η der Wasserturbine vom Anstellwinkel « ihrer Laufschaufeln wieder. Diese Abhängigkeit gelte für einen bestimmten Satz von Betriebsparametern. Andern sich diese, so wird sich auch der Verlauf der Wirkungsgradkurve ändern, stets wird jedoch jeweils bei einem, fallweise verschiedenen Winkel a„_pl der Laufschaufeln die Wirkungsgradkurve ein Maximum aufweisen, was regelungstechnisch auch so ausgedrückt werden kann, daß bei einem solchen Arbeitspunkt der Verstärkungsfaktor zwischen Laufschaufelstellung bzw. Anstellwinkel <i und Wirkungsgrad Null ist. Für einen solchen Arbeitspunkt mit maximalem Wirkungsgrad wäre dann die Verlustleistung N_v der Wasserturbine ein Minimum, wie dies aus dem Verlauf der gestrichelt gezeichneten Verlustleistungskurve hervorgeht. Die Lage des optimalen Arbeitspunktes, entsprechend a_o „ ist nun in starkem Maße veränderlich von zuvor erwähnten Betriebsparametern.

Fig. 2 zeigt die grundsätzliche Struktur des Strekkenabschnittes der Wasserturbine, der den Anstellwinkel ο der Laufschaufeln als Eingangsgröße und den Wirkungsgrad η der Wasserturbine als Ausgangsgröße hat. Ein Zeitkonstantenglied 1 repräsentiert dabei die mechanische und/oder elektrische Trägheit der Verstelleinrichtung. Mit der multiplikativ wirkenden Größe K - versinnbildlicht durch ein von dieser Größe beaufschlagtes Multiplizierglied 2 - ist die zu identifizierende Streckenverstärkung, mit L eine additiv wirkende Störgröße, beispielsweise die Belastung bezeichnet. Sowohl der Verstärkungsfaktor K als auch die Störgröße L sind in der Regel betriebsmäßigen Änderungen unterworfen.

In Fig. 3 ist eine Kaplan-Turbine 3 mit Laufschaufeln 4 angedeutet, welche aus einem höherliegenden Wasserreservoir 5 mit Wasser beaufschlagt ist. Je nach dem Sollwert N* der benötigten Leistung werden über einen Leistungsregler 6 und ein Stellglied 7 die Leitschaufeln 8 im Sinne einer mehr oder weniger großen öffnung verstellt. Mit der Turbinenwelle 9 ist ein Drehstromgenerator 10 gekuppelt, der in ein mit R, S, T bezeichnetes Drehstromnetz einspeist. An seine Ausgangsklemmen ist zur Erfassung seiner Wirkleistung ein wattmetrisches Meßinstrument 11 angeschlossen, dessen Ausgangsgröße N_ah den Istwert des

Leistungsreglers 6 bildet.

Damit die geforderte elektrische Leistung N* bei einem möglichst großen Wirkungsgrad η abgegeben wird, ist ein Regler 12 vorgesehen, dessen Ausgangsgröße « über ein vorzugsweise elektrohydraulisches Stellglied 13 den Anstellwinkel α der Laufschaufeln 4 vorstellen kann. Auf den Eingang des Stellgliedes 13 kann zusätzlich eine Vorsteuerung in Fon« des über einen Funktionsgenerator FG geführten Ausgangssignals λ des Leistungsreglers 6 wirken, welches die Stellung der Leitschaufeln bestimmt. Der Funktionsgenerator kann in an sich bekannter Weise mittels vorgespannter Schwellwertdioden realisiert werden und weist eine solche Zuordnung zwischen seiner Eingangsgröße λ und seiner Ausgangsgröße α' auf, daß ein gesicherter, wenn auch nicht optimaler, Betrieb gewährleistet ist. Der Sollwert des die Vorsteuerung im Sinne einer optimalen Einstellung ergänzenden Reglers 12 besteht in dem Wert Null, während ihm als Istwert über eine Schaltbrücke 14 das Ausgangssignal einer mit /5 bezeichneten Identifizierungsschaltung zugeführt ist. Die Identifizierungsschaltung dient in an sich bekannter Weise dazu, die Verstärkung der Strecke bzw. des Übertragungssystems zu finden, welches durch die Größe α als Eingangsgröße und den Wirkungsgrad η als Ausgangsgröße, entsprechend der Darstellung gemäß Fig. 2, definiert ist. Die Eingangsklemme 16 der Identifizierungsschaltung IS ist über eine weitere Schaltbrücke 18 mit dem Ausgang euies Dividierers 19 verbunden, welcher eingangsseitig von der am Ausgang des Meßinstruments 11 abgenommenen, der abgegebenen Leistung N_ab proportionalen Spannung, und von einer der aufgenommenen Leistung N_aul proportionalen Spannung beaufschlagt wird. Letztere wird in einem Multiplizierer 20 gebildet, dem eingangsseitig einer mittels eines Wasserstandsgebers 21 ermittelten, der Fallhöhe H proportionalen Spannung h und vom Ausgangssignal m eines Durchflußmengenmessers 22 beaufschlagt ist. Der Durchflußmengenmesser ist als sogenannter Druckunterschiedszähler ausgebildet und benutzt den beim Wasserdurchfluß auftretenden Druckunterschied am normalen und einem verengten Rohrquerschnitt. Das Produkt aus Fallhöhe und Hurchflußmenge ist der aufgenommenen Leistung proportional. Der mit dem an der Ausgangsklemme 15 der Identifizierungsschaltung auftretenden Spannung, d.h. also mit einer Spannung, weiche dem (statischen) Verstärkungsfaktor K zwischen α und η proportional ist, beaufschlagt .; Regler 12 wird also so lange ein« Verstellung des Anstellwinkels α der Laufschaufeln 4 bewirken, bis ein derartiger Arbeitspunkt erreicht ist, bei welchem diese Verstärkung K gleich dem ihm zugeführten Sollwert, d.h. zu Null wird. Dies ist aber, wie aus Fig. 1 hervorgeht, gerade der Arbeitspunkt, in welchem die geforderte elektrische Leistung N* beim günstigsten, d.h. größten Wirkungsgrad, abgegeben wird. Der Regler 12 ist demnach als ein Extremal-

wertregler anzusprechen.

Werden die mit 18 und 14 bezeichneten Schaltbrücken in ihre waagerechte Stellung gebracht, dann wird der Eingangsklemme 16 der Identifizierungsschaltung eine der Verlustleistung des Maschinensat- zes proportionale Spannung N_v, welche in einem Operationsverstärker 23 als Differenz zwischen aufgenommener und abgegebener Leistung ermittelt wird, zugeführt. Da nunmehr das Ausgangssignal der Identifizierungsschaltung dem Eingang des Extremalwertreglere 12 nicht mehr additiv sondern subtraktiv zugeführt wird, kehrt sich der Regelsinn um, er wird nun eine derartige Verstellung des Anstellwinkels α der Laufschaufeln 4 bewirken, welche zu einem Minimum der Verlustleistung Λ/_ν führt, wodurch wiederum

ao selbsttätig der optimale Arbeitspunkt eingestellt ist.

Fig. 4 zeigt nähere Einzelheiten zum Aufbau der

Identifizierungsschaltung /S. Die Eingangsklemme 16

ist über ein Vorhaltglied 24 und einen Betragsbildner

25 mit einem Mischglied 26, beispielsweise in Form

eines Operationsverstärkers, verbunden. Der Ausgang des Mischgliedes 26 wirkt auf einen Stellmotor 27, der mittels einer Spindelmutter 28 den Schleifer eines an einer konstanten Gleichspannung P liegenden Potentiometers 29 so lange verstellt, als das Aus-

gangssignal des Mischgliedes 26 einen von Null verschiedenen Wert aufweist. Regelungstechnisch gesehen stellt dieser Stellmotor also einen Integrator dar, welcher die Eigenschaft hat, sein Ausgangssignal bei fehlendem Eingangssignal beliebig lange speichern zu

können. Dieser Integrator ist mittels eines Multiplizierers 30 rückgekoppelt. Auf den anderen Eingang dieses Multiplizierers wirkt über ein zweites Vorhaltglied 31 sowie eine Streckennachbildung 32 sowie einen Betragsbildner 33 die an der Eingangsklemme 17

anliegende, dem Anstellwinkel der Laufschaufeln proportionale Größe α. Die Streckennachbildung M ist ein vollständiges Modell der zwischen α und η liegenden Strecke, ist jedoch nicht dem Einfluß von äußeren Störgrößen unterworfen. Im vorliegenden Fall besteht die Streckennachbildung also lediglich aus einem Zeitkonstantenglied, enthält also nicht das Multiplizierglied 2 sowie die in Fig. 2 diesem nachgeordnete Eingriffsstelle für eine additiv wirkende Störgröße. Die beiden Vorhaltglieder 24 und 31 sind von

gleichem Aufbau, so daß mit der in Fig. 4 dargestellten Anordnung in an sich bekannter Weise an der Ausgangsklemme 15 eine der Verstärkung der betrachteten Strecke entsprechende Spannung erscheint.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

21 Patentansprüche:

1. Regeleinrichtung zum optimalen Einstellen tier Laufschaufeln von Wasserturbinen unter Ermittlung der Streckenverstärkung zwischen der Laufschaufcleinslellung und dem Wirkungsgrad oder der Verlustleistung der Wasserturbine und mit einem von der Streckenverstärkung beaufschlagten Extremalwertregler, dessen Ausgangssignal über ein Stellglied die Laufschaufeln verstellt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Streckenverstärkung eine an sich bekannte, einen speichernden Quotientenbildner in Form eines über einen Multiplizierer rückge- »5 koppelten Integrators enthaltende Identifizierungsschaltung (IS) vorgesehen ist.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator aus einem Stellmotor (27) besteht, der mit dem Schleifer eines an einer konstanten Spannung (P) liegenden Potentiometers (29) mechanisch gekuppelt ist.