DE4220255C1 - Verfahren zum Optimieren des Wirkunggrades eines Maschinensatzes mit einer Turbine und einem Generator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Optimieren des Wirkungsgrades eines Maschinensatzes mit einer Turbine und einem Generator gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Dabei handelt es sich um eine sogenannte doppeltregulier­ te Turbine. Dies bedeutet, daß hierbei der Wirkungsgrad optimiert wird durch Einstellen der Leitradöffnung Δγ und gleichzeitig der Laufradöffnung ϕ. Dabei ergibt sich der Wirkungsgrad bekanntlich aus dem Verhältnis zwischen der vom Generator abgegebenen elektrischen Leistung zur zugeführten hydraulischen Leistung. Dabei läßt sich die an den Klemmen des Generators abgegebene elektrische Leistung verhältnismäßig einfach messen. Hingegen ist es, insbesondere bei Großausführungen, sehr aufwendig, die zugeführte hydraulische Energie zu ermitteln, da hierzu in irgendeiner Weise der Durchfluß gemessen werden muß.

Dieses Verfahren ist seit langer Zeit bekannt und wurde beispielsweise in der Fachzeitschrift "Die Wasserwirtschaft", Ausgabe 1954, Heft Nr. 4, Seite 104-105 in dem Artikel "Vereinfachtes Verfahren zum Einstellen der Kaplanturbinen auf besten Wirkungsgrad" beschrieben.

In der Praxis ermittelt man die Kurve optimalen Wirkungs­ grades an der Modellmaschine, die bei Großturbinen vor der Herstellung der Großausführung gebaut wird. Zu diesem Zweck wird zunächst für die Modellmaschine eine Optimal­ kurve des Wirkungsgrades für verschiedene Fallhöhen erstellt. Dabei geht man wie folgt vor: Bei ein und der­ selben Fallhöhe wird die Laufradöffnung ϕ konstant gehal­ ten, und es wird die Leitradöffnung Δγ variiert. Hieraus gewinnt man eine Vielzahl von steil ansteigenden Einzel­ kurven konstanter Laufradöffnung ϕ. Gleichzeitig ermittelt man den Wirkungsgrad. Dies führt zu der Aussa­ ge, für welche Leitradöffnung Δγ bei einer bestimmten Laufradöffnung ϕ der Wirkungsgrad einen Maximalwert erreicht. Das Ergebnis ist der sogenannte optimale Δγ-ϕ- Zusammenhang in Gestalt einer Kurvenschar optimaler Leitradöffnung über der Laufradöffnung mit der Fallhöhe als Parameter, der im Turbinenregler die Grundlage zur Einstellung der Turbinenöffnungen darstellt.

In der Praxis ergibt sich jedoch eine Abweichung zwischen dem Verhalten der Modellmaschine einerseits und jenem der Großausführung andererseits. Aus diesem Grunde ist es notwendig, an der Großausführung eine Anpassung vorzu­ nehmen. Man geht somit zwar von den Kurven der Modell­ maschine aus, führt aber bei der Großausführung mit Hilfe von sogenannten Indexmessungen eine Optimierung durch. Diese ist umständlich, zeitaufwendig und teuer, da sie zwangsläufig ein Messen des Durchflusses notwendig macht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das genannte Optimieren der an der Modellmaschine gewonnenen Kurven - optimaler Δγ-ϕ-Zusammenhang - derart zu gestalten, daß es schneller, einfacher und weniger aufwendig als bisher durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Durch die Erfindung wird ein Modul zur Selbstoptimierung des Δγ/ϕ-Zusammenhanges geschaffen. Dieses Modul sorgt dafür, daß die Turbine in jedem Betriebszustand die maxi­ mal mögliche Leistung bei optimalem Wirkungsgrad abgibt.

Das Modul basiert auf der Grundidee, Leitrad- und Lauf­ radöffnung so lange zu verändern, bis ein Maximum der Leistung und damit ein Maximum des Wirkungsgrades aufge­ funden ist. Dabei werden Leitradöffnung und Laufradöffnung derart verfahren, daß sich während der Suchbewe­ gung der Durchfluß und damit die hydraulische Eingangs­ leistung praktisch nicht ändert. Zu diesem Zwecke werden aus dem Turbinenkennfeld abgeleitete Kenngrößen heran­ gezogen, die hauptsächlich von der Schaufelgeometrie abhängen und die sich deshalb zwischen Modellmaschine und Großausführung nicht oder nicht wesentlich voneinander unterscheiden.

Das heißt also, es läßt sich an der Modellmaschine bei gegebener Fallhöhe H eine Zuordnung f von Leitradöffnung Δγ zu Laufradöffnung ϕ derart finden, daß der Durchfluß Q konstant bleibt, also daß Δγ = f(ϕ) mit H = konstant und Q = konstant gilt.

Da diese Zuordnung f im wesentlichen durch die Schaufelgeometrie der Turbine bestimmt ist, ist sie mit großer Präzision von der Modellmaschine auf die Großausführung zu übertragen. - Wie bekannt ist, gilt dieser Schluß für die Übertragung der Wirkungsgradoptimalkurve von Modellmaschine auf Großausführung nicht. - Es ist damit also die Möglichkeit eröffnet, bei gegebener Fallhöhe H die Laufradöffnung ϕ und Leitradöffnung Δγ koordiniert durch die Funktion Δγ = f(ϕ) so zu verändern, daß der Durchfluß Q konstant bleibt, also auch die Eingangsleistung in die Turbine konstant bleibt.

Ändert sich bei dieser Einstellungsänderung von Δγ und ϕ nun die leicht und genau zu messende Ausgangsleistung am Generator, so entspricht dies auch einer Änderung des Wirkungsgrades der Turbine mit gleichem Vorzeichen. Es ist auf diese Weise also eine schrittweise Näherung an den optimalen Wirkungsgrad der Großausführung möglich, ohne daß in der Großausführung der Durchfluß Q gemessen werden muß.

Zur Verwirklichung der Erfindung geht man von der an der Modellmaschine erstellten Optimalkurve aus, nämlich der Kurve optimaler Leitradöffnung Δγ über dem Durchfluß be­ ziffert mit der Laufradöffnung ϕ. Ausgehend von einem ersten Punkt fährt man auf der genannten Kurve unter Ver­ änderung des Laufradwinkels ϕ eine bestimmte Strecke entlang, bis zu einem zweiten Punkt. Nun verläßt man die Kurve der optimalen Leitradöffnung Δγ, behält jedoch die dort gegebene Laufradöffnung ϕ bei, und zwar so lange, bis man zu einem dritten Punkt gelangt, bei dem der Durchfluß wieder denselben Wert hat, wie bei dem ersten Punkt.

Dabei dient der zweite Punkt nur als Rechenhilfsmittel zur Erleichterung der Berechnung von Punkt 3. Der Arbeitspunkt der Maschine wird direkt von Punkt 1 nach Punkt 3 verändert. Anschließend vergleicht man, ob sich die elektrische Leistung durch die Veränderung der Turbinenöffnungen vergrößert hat. Falls ja, wird die Veränderung der Laufradöffnung in dieselbe Richtung ver­ größert und auf die oben beschriebene Weise ein neuer Arbeitspunkt ermittelt. Falls nicht, wird die Veränderung der Laufradöffnung entsprechend verkleinert. Nach einer verhältnismäßig geringen Zahl von Suchpunkten läßt sich somit die für den jeweiligen Durchfluß und die jeweilige Fallhöhe optimale Kombination von Leitrad- und Laufradöffnung ermitteln.

Damit erspart man sich das mühevolle aufwendige und nicht immer genaue Messen des Durchflusses. Alle notwendigen Meßeinrichtungen sind bereits vorhanden, daß keine zu­ sätzlichen Vorkehrungen mehr getroffen werden müssen. Die elektrische Leistung ist ebenfalls gegeben. Deshalb ist die erfindungsgemäße Lösung äußerst preiswert.

Ein besonderer Vorteil des oben beschriebenen Verfahrens besteht darin, daß selbst größere Verschiebungen der Kurven Leitradöffnung Δϕ über dem Durchfluß Q bei kon­ stanter Laufradöffnung ϕ keinerlei Einfluß auf die Funk­ tion des Suchsystems haben. Voraussetzung ist lediglich, daß die Steigungen dieser Kurven genau bekannt sind.

Das Optimierungsmodul berücksichtigt unter anderem folgende Überlegungen:

Die Δϕ/ϕ-Korrektur darf nicht zu häufig geschehen und auch nicht mit zu großen Ausschlägen arbeiten, um
a - die Anlage ruhig zu halten und
b - zu frühen Verschleiß der Regeleinrichtungen zu ver­ meiden.

Hierfür sind mehrere Vorkehrungen getroffen worden.

Das Suchsystem ist nicht dauernd aktiv. Sobald für einen Arbeitspunkt das Optimum gefunden ist, bleibt das System so lange in Ruhe, bis sich die Maschine in einem neuen Arbeitspunkt befindet.

Zu einer Korrektur des voreingestellten Δγ/ϕ-Zusammen­ hangs genügt die Aufzeichnung eines relativ groben Rasters an Arbeitspunkten, zwischen denen interpoliert werden kann.

Den Zeitpunkt, wann genügend Daten vorhanden sind, kann der Benutzer selbst bestimmen. Fehlende Meßpunkte werden durch Interpolation aufgefüllt.

Die notwendigen Sprünge in den Δγ/ϕ-Bewegungen können so klein gehalten werden, daß sie beim normalen Betrieb der Anlage kaum erkennbar sind. Im übrigen ändert sich durch die durchflußneutrale Suchbewegung ohnehin nichts am Zufluß bzw. Abfluß der Anlage.

Als Option ist vorgesehen, daß das System erkennt, ob ein Arbeitspunkt bereits optimiert wurde. Das heißt, daß die gespeicherten Korrekturwerte automatisch eingestellt werden und ein erneuter Suchvorgang unterbleibt. Der Suchvorgang, der zum Auffinden und Korrigieren der not­ wendigen Arbeitspunkte führt, nennt sich Optimierungs­ phase.

Eine weitere Optimierungsphase kann sowohl manuell wie auch automatisch eingeleitet werden. Im automatischen Modus lassen sich die Abstände, in denen die einzelnen Optimierungsphasen eingeleitet werden, (z. B. 1 Jahr) programmieren.

Das Optimierungsmodul erlaubt es außerdem, gezielt ausge­ wählte Betriebspunkte auf Optimierung zu untersuchen, indem die Turbine in einen bestimmten Betriebspunkt gefahren wird und das Modul durch einen "Single-Shot" die Korrekturspeicherung durchführt.

Die langjährige Aufnahme der Veränderung im Maschinen­ verhalten prädestiniert das Optimierungsmodul auch als ein Gerät für den Einsatz mit Diagnosefunktionen.

Es versteht sich, daß der Generator in verschiedenen Aus­ führungsformen Verwendung finden kann, beispielsweise als Synchronmaschine.

Bei der Ermittlung des optimalen Δγ/ϕ-Zusammenhanges im Modellversuch wird auf den Wirkungsgrad des Generators keine Rücksicht genommen. An sich stellt dies einen Fehler dar, der jedoch vernachlässigbar ist.

Wird hingegen gemäß der Erfindung der oben erwähnte Such­ vorgang durchgeführt, so wird der Wirkungsgrad des Gene­ rators berücksichtigt.

Die Erfindung ist anhand einiger Diagramme näher erläutert.

Darin zeigt Fig. 1 vor allem zwei Kurven: Kurve I zeigt den Verlauf der optimalen Leitradöffnung Δγ über dem Durchfluß Q. Wie man sieht, wird Kurve I von Kurven I′ geschnitten. Diese Kurven sind Kurven konstan­ ter Laufradöffnung ϕ bei unterschiedlichen Leitradöffnun­ gen Δγ.

Für diese Kurven I′ werden die Wirkungsgrade ermittelt. Dabei entstehen sogenannte Propellerkurven II′. Die Maximalwerte dieser Propellerkurven liegen in der Kurve II, die den Verlauf des optimalen Wirkungsgrades dar­ stellt. Zu den genannten Maximalwerten des Wirkungsgrades gehört eine optimale Kombination der Laufradöffnung und der Leitradöffnung.

Fig. 2 zeigt eine Kurvenschar von drei Kurven als Ergebnis der Messungen, die in Fig. 1 dargestellt sind. Diese drei Kurven zeigen eine optimale Kombination von Leitradwinkel Δγ über dem Laufradwinkel ϕ, und zwar jeweils für eine bestimmte Fallhöhe.

Fig. 3 zeigt wiederum Kurve I mit einer Mehrzahl von diese schneidenden Kurven I′ (siehe Fig. 1). Hierdurch wird veranschaulicht, in welcher Weise Leitradöffnung Δγ und Laufradöffnung ϕ gemeinsam derart verändert werden, daß die Veränderung durchflußneutral ist.

Man erkennt im Diagramm drei Punkte, nämlich , und . Punkt stellt die Ausgangssituation dar, wobei einer bestimmten Leitradöffnung Δγ eine bestimmte Laufradöff­ nung ϕ und ein bestimmter Durchfluß Q zugeordnet sind - siehe Tabelle im Diagramm.

Sodann wird durch Änderung der Laufradöffnung ϕ auf der Modell-Optimalkurve I der genannte zweite Punkt auf ge­ sucht, dem wiederum eine zweite Leitradöffnung Δγ und eine zweite Laufradöffnung ϕ sowie ein zweiter Durchfluß zugeordnet sind.

Schließlich wird die Modell-Optimalkurve I verlassen, und unter Beibehalten der zweiten Laufradöffnung ϕ sowie bei Veränderung der zweiten Leitradöffnung Δγ der genannte dritte Punkt ermittelt. Dieser hat denselben Durchfluß, wie der erste Punkt.

Fig. 4 ist ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Moduls. Man erkennt das Optimierungsmodul, das die betreffenden Veränderungen der Werte der Leitradöffnung Δγ und der Laufradöffnung ϕ nämlich dΔϕ und dϕ, den aus dem Regler kommenden Werten aufschaltet.

Claims (4)

1. Verfahren zum Optimieren des Wirkungsgrades eines Maschinensatzes mit einer doppeltregulierten Turbine und einem Generator, wobei:
1.1 zunächst durch Versuchsreihen der Zusammenhang zwischen dem Wirkungsgrad η, dem Durchfluß Q, der variablen Fallhöhe H, der Leitradöffnung Δγ und der Laufradöffnung ϕ an der Modellmaschine bestimmt wird, woraus sich die Modell- Optimalkurve - also die optimale Leitradöffnung als Funktion von Durchfluß und Laufradöffnung - für die jeweilige Fallhöhe ergibt;
1.2 danach wird der optimale Wirkungsgrad für einen Arbeitspunkt der Großausführung ermittelt;
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
1.2.1 ausgehend von der Modell-Optimalkurve werden solche Änderungen der Leitradöffnung Δγ und der Laufradöffnung ϕ an der Großausführung vorgenommen, daß der hierbei konstante Durchfluß der Modellmaschine auch für die Großausführung als konstant vorausgesetzt wird;
1.2.2 durch Vergleich der abgegebenen Leistungen vor und nach der Änderung wird schrittweise der Δγ/ϕ-Arbeitspunkt mit optimalem Wirkungsgrad festgestellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Großausführung gültige, tatsächliche Optimal-Zusammenhang durch Wiederholung der Verfahrensschritte 1.2.1 und 1.2.2 für verschiedene Fallhöhen und Durchflüsse bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
3.1 auf der Modell-Optimalkurve wird ein erster Punkt (1) herausgegriffen, dem eine Leitradöffnung Δγ (1), eine Laufradöffnung ϕ (1) und ein Durchfluß Q (1) zugeordnet sind;
3.2 sodann wird - rechnerisch - durch Änderung der Laufradöffnung ϕ auf der Modell-Optimalkurve ein zweiter Punkt (2) aufgesucht, der somit eine zweite Laufradöffnung ϕ, eine zweite Leitradöffnung Δϕ und einen zweiten Durchfluß (2) aufweist;
3.3 schließlich wird - nochmals rechnerisch - durch Verlassen der Modell-Optimalkurve ein dritter Punkt (3) ermittelt und zwar unter Beibehalten der zweiten Laufradöffnung ϕ (2) und unter Verändern der Leitradöffnung Δγ, so lange, bis der erste Durchfluß Q (1) - bezogen auf die gemessenen Werte der Modellmaschine - wieder erreicht wurde;
3.4 die so gewonnene Laufradöffnung ϕ und Leitradöffnung Δγ wird durch direktes Anfahren in der Großausführung eingestellt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bereits optimierte Arbeitspunkte gekennzeichnet werden und der Maschinensatz bei gleichen Randbedingungen ohne vorhergehende Optimierung direkt auf die optimierten Einstellungen gesetzt wird.