ITUB20155292A1 - Metodo per la valutazione automatica in-linea dell?efficienza di una turbina kaplan - Google Patents

Description

METODO PER LA VALUTAZIONE AUTOMATICA 1N-L1NEA

DELL’EFFICIENZA DI UNA TURBINA KAPLAN

Campo deH’invenzione

La presente domanda descrive un metodo e un sistema per ia valutazione automatica dell’efficienza di una turbina idraulica di tipo Kaplan, da eseguirsi in-iinea, durante il regolare esercizio della turbina, allo scopo di ottimizzarne il rendimento in ogni condizione di esercizio.

Stato dell’arte

Le turbine Kaplan sono utilizzate in numerosi impianti idroelettrici e si distinguono dagli altri tipi di turbine idrauliche a elica per il fatto di avere pale i! cui orientamento può essere variato ai variare delia portata dell’acqua, così da mantenere sempre al massimo il rendimento dell’impianto. Costruttivamente, questo tipo di turbina comprende un condotto a forma di chiocciola che convoglia l’acqua in ingresso ad alimentare un distributore; tale distributore imprime una rotazione al flusso di acqua rispetto a una girante munita di pale che viene così investita dall’acqua e messa in movimento.

La turbina Kaplan è generalmente dotata di una doppia regolazione, ossia è in grado di regolare, indipendentemente l’uno dall’altro, sia l’angolo φ delle pale della girante, come accennato sopra, sia anche l’angolo a di apertura de! distributore, allo scopo di adattarli alia portata momentanea dell’acqua così da ottenere in ogni momento il massimo rendimento dall’impianto.

Durante il normale funzionamento di un impianto idroelettrico con una turbina Kapian l’azionamento deila turbina avviene tramite l’angolo a di apertura del distributore mentre un regolatore di turbina provvede a posizionare l’angolo φ di apertura delle pale della girante secondo una relazione fissa che viene definita “curva di coniugazione” o CAM. Tale curva può essere indipendente dal salto idraulico di funzionamento della turbina, essendo in questo caso definita come CAM bidimensionale o CAM 2D, oppure può essere legata ai valore misurato per ii salto idraulico, nel qual caso essendo definita come CAM tridimensionale o CAM 3. In altre parole, ne! primo caso per un determinato angolo di apertura del distributore, la posizione delle pale deila girante dipenderà solo dail’angolo di apertura del distributore, mentre ne! secondo caso dipenderà anche da! salto idraulico, e risponde dunque meglio a quella che può essere la situazione reale di esercizio.

Per una determinata turbina Kaplan le relazioni tra apertura del suo distributore, orientamento delle pale e salto idraulico dovrebbero essere stabilite grazie a test eseguiti sull’impianto dove la turbina si trova installata, in modo da ricercare le relazioni tra queste grandezze aile quali corrisponde la massima efficienza della turbina, normalmente intesa come massima efficienza dell'insieme turbina e generatore. Si tratta di test cosiddetti “index test”, volti a determinare l’andamento delle curve di efficienza, e ricercarne il massimo, al variare delia geometria delia macchina e deile condizioni di esercizio, come salto idraulico e portata dei flusso di acqua.

In una situazione ideale ii produttore della turbina Kaplan dovrebbe fornire la curva 3D iniziale, ricavata nel corso dì simulazioni, che dovrebbe poi essere ottimizzata con index test effettuati nelle condizioni reali di esercìzio; in realtà, in una consistente quota di impianti idroelettrici attualmente in funzione ed equipaggiati con turbine Kaplan, la curva di coniugazione CAM è di tipo 2D, indipendente dal salto idraulico e di provenienza incerta, ed in più non sono effettuati index test in esercizio, così che non si sa se la macchina lavori o meno in condizioni ottimali di efficienza. La quasi totalità delie turbine Kaplan in funzione attualmente non possiede inoltre una curva di coniugazione 3D, e ciò può avere forti ripercussioni sull’efficienza della macchina in quanto te turbine Kaplan sono in statiate in impianti con basso salto idraulico, per cui le variazioni percentuali di salto dovute alle differenti condizioni idrauliche di esercizio, possono essere anche molto elevate in termini percentuali rispetto al salto nominale, con conseguenti notevoli variazioni nei valori di efficienza. Esiste quindi l’esigenza di creare tali curve CAM 3D in condizioni di esercizio mediante index test.

L’esecuzione degli index test con procedura manuale comporta tuttavia notevoli costi, sia in termini di risorse impegnate nell’esecuzione dei test sia in termini di perdita di produzione a causa de! blocco deH’impianto e della sua indisponibilità durante l’esecuzione dei test. Va detto che tale indisponibilità dell’impianto o comunque la sua permanenza in una modalità di prova ad esercizio limitato, può prolungarsi anche per lungo tempo, nel casi di impianti legati a bacini con andamento stagionale dove sarà molto lungo il tempo di attesa per avere a disposizione i dati relativi all’intera escursione dei salti idraulici. A fronte di taii costi, spesso i gestori degii impianti preferiscono rimandare o addirittura non eseguire tali index test off-iine, con la conseguenza di non poter ottimizzare l’efficienza delia turbina nella situazione reale di esercizio dell’impianto. Sì perdono però in questo modo guadagni ben più elevati in termini di energia elettrica persa a causa della non ottimale efficienza delfini pianto. Per quanto è a conoscenza della Richiedente non sono state proposte ad oggi soluzioni tecniche che permettano di eseguire index test in linea di turbine Kaplan, l’esigenza di poterli invece eseguire durante il regolare funzionamento delle turbine è pertanto tuttora molto sentita alio scopo di ottimizzare il rendimento delle turbine e più in generate i’efficienza degli impianti.

Sommario dell'Invenzione

La presente invenzione si propone quindi di fornire un metodo migliorato per determinare in modo automatico la posizione ottimale dell'angolo di apertura dei distributore e dell’angolo di orientamento delle pale di una turbina Kaplan in un impianto idroelettrico, alla quale posizione corrisponde la massima efficienza di detta turbina.

La presente invenzione si propone inoltre di fornire un metodo per ricostruire in modo continuo un modello numerico index di una turbina Kaplan in un impianto idroelettrico nell'intorno delle sue normali condizioni di funzionamento mediante esecuzione di index test in linea in un intervallo di tempo sufficiente a registrare l’intera escursione dei salti idraulici di esercizio.

La presente invenzione si propone inoltre di fornire un sistema per realizzare i metodi detti sopra.

La presente invenzione è applicabile a qualsiasi turbina Kaplan in un impianto idroelettrico e, come spiegato in maggior dettaglio più avanti, può essere realizzata con costi relativamente bassi e strumentazione dotata di sicurezza intrinseca e adattabile a qualsiasi tipo di impianto preesistente.

Scopo principale della presente invenzione è dunque quello di fornire un metodo che permetta di eseguire in modo automatico index test per una turbina Kaplan in linea, senza dover limitare in alcun modo l’esercizio dell’Impianto idroelettrico di cui la turbina fa parte.

Questo e altri scopi vengono raggiunti dai sistema e dal metodo per !a determinazione automatica deila posizione ottimale dell'angolo di apertura dei distributore e dell'angolo di orientamento delle paie di una turbina Kapian in un impianto idroelettrico secondo la presente invenzione, le cui caratteristiche essenziali sono definite dalle rivendicazioni indipendenti qui annesse. Ulteriori importanti caratteristiche del metodo secondo l'invenzione sono definite nelle rivendicazioni dipendenti pure annesse qui.

Breve descrizione dei disegni

Le caratteristiche e i vantaggi del metodo per la valutazione dell'efficienza di una turbina Kaplan in un impianto idroelettrico secondo l’invenzione, risulteranno più chiaramente dalla descrizione che segue di sue forme realizzale fatta a titolo esemplificativo e non limitativo con riferimento ai disegni annessi in cui:

- la Figura 1 mostra uno spaccato di una tipica turbina Kaplan in un impianto idroelettrico;

- la Figura 2 mostra un diagramma di flusso del metodo di costruzione di un modello index di una turbina Kaplan secondo l’invenzione in una sua forma realizzai iva esemplificativa;

- le Figure 3, 4 e 5 mostrano modelli index di una turbina Kaplan realizzati con il metodo dell’invenzione.

Descrizione dettagliata

Grazie al metodo dell’invenzione, per ogni condizione di lavoro imposta a una turbina Kapian in un impianto idroelettrico dall’esterno tramite potenza (P) o portata (Q) del flusso di acqua, e per ogni condizione di salto idraulico (H) presente nell’impianto viene individuata una coppia di valori degli angoli a e φ, che sono rispettivamente l’angolo di apertura del distributore e l’angolo di apertura delie pale deila girante, a cui corrisponde la massima efficienza di generazione di energia elettrica.

Con particolare riferimento alla figura 1 , è illustrata la struttura di una turbina Kaplan 1, in cui sono visibili una girante 2 che ruota intorno ad un asse 3 ed è munita di pale regolabili 4 e termina verso il basso con un’ogiva 5, destinata a contenere tutti quei meccanismi che consentono la regolazione delle pale; una struttura con voluta a spirale 6 ha lo scopo di accelerare l’acqua In ingresso alla turbina e di distribuirla uniformemente alia periferia deila turbina stessa da cui l’acqua arriva al distributore 7 munito anch’esso di paie regolabiii 8, così da indirizzare la corrente di acqua all’ingresso deila girante con il giusto angolo.

I! metodo proposto in questa invenzione per ottimizzare l’efficienza dì una turbina di questo tipo, determinandone in modo automatico ia posizione ottimale di apertura del distributore a e dell’angolo di orientamento delle pale φ alla quale corrisponde Sa massima efficienza della turbina, comprende i seguenti stadi:

i) monitorare l’esercizio della turbina controllando la posizione dell’angolo di apertura del distributore e la posizione dell’angolo di orientamento delie pale della turbina mediante un apposito regolatore secondo una curva di coniugazione 2D CAM o 3D CAM di detta turbina;

ii) misurare uno dei parametri operativi della turbina e individuare quando la turbina opera in condizioni di stato stazionario caratterizzato da valori di tale parametro operativo entro un intervallo predeterminato per un tempo predeterminato;

iii) raggiunte tali condizioni di stato stazionario, variare arbitrariamente Sa posizione dell’angolo di apertura del distributore mantenendo fissa la posizione di detto angolo di orientamento delle paie e misurare, per ogni valore dell’angolo di apertura del distributore, i valori dei parametri operativi delta turbina;

iv) calcolare con una procedura di calcolo automatica ottimizzata i valori index di efficienza per ogni set di valori misurati allo stadio iii) e identificare, per ogni set di valori dei parametri operativi deila turbina, i valori degii angoli di apertura del distributore e dì apertura delle paie ai quali corrisponde ii valore massimo di efficienza.

Il parametro operativo deila turbina che può essere misurato per l’individuazione deilo stato stazionario allo stadio ii) del presente metodo può essere la portata Q oppure Sa potenza P della turbina, mentre il set di parametri operativi delia turbina allo stadio iv) può comprendere ad esempio portata, potenza e salto idraulico, e consiste preferibilmente di tali tre parametri. I metodi di misura di tali grandezze possono essere molteplici e dipendono dalla configurazione defiimpìanto e dalla strumentazione a disposizione, si tratta dì metodi noti a qualsiasi tecnico esperto del settore che potrà di volta in volta scegliere il metodo di misura che meglio si confà al contesto dell’impianto e detta strumentazione. Una descrizione dettagliata di questi metodi si può ad esempio trovare nella normativa di riferimento CEI EN 60041 .

Alto stadio iii) le variazioni operate deii’angoto di apertura dei distributore sono preferibilmente tali da escludere comunque valori index risultanti per l’efficienza non significativi, in quanto corrispondenti a zone di turbolenza e instabilità, così come valori potenzialmente pericolosi per l'integrità delle componenti meccaniche della turbina, in quanto corrispondenti a zone con fenomeni di cavitazione o forti vibrazioni. Sulla base di tali variazioni, per ogni valore assunto dall’angolo di apertura del distributore, sono poi misurati i valori dei parametri operativi della turbina grazie ad un algoritmo di campionamento che, raggiunto un numero predeterminato di valori campionati, attiva la successiva fase di calcolo automatico.

Secondo l’invenzione la procedura di calcolo automatica ottimizzata allo stadio iv) può essere ad esempio un metodo di regressione polinomiale multivariabile di secondo o di terzo grado, oppure un metodo di approssimazione delle funzioni basato suiì’utiiizzo di reti neurali appositamente progettate, messo in atto grazie ad un adatto sistema computerizzato, pure oggetto di questa invenzione.

Il sistema dell’invenzione comprende in particolare mezzi di elaborazione di dati per calcolare in modo automatico i valori index di efficienza per set di valori dei parametri operativi della turbina e per identificare, per ogni set di questi valori, I valori degli angoli di apertura del distributore e di apertura delle pale ai quali corrisponde il valore massimo di efficienza; e mezzi di archiviazione dei dati predeterminati della turbina e dei dati misurati e calcolati nel metodo dell’invenzione sopra descritto.

Con i! metodo deil’invenzione è quindi possibile determinare per ogni condizione di lavoro di una turbina Kaplan in un impianto idroelettrico che è imposta dall’esterno tramite fa potenza P o la portata Q, e per ogni condizione di salto idraulico H presente in quell’impianto, una coppia di valori degli angoli oc e φ, che sono rispettivamente l’angolo di apertura del distributore e l’angolo di apertura delie pale della girante, per la quale si ottiene la massima efficienza η di generazione di energia elettrica, calcolata tramite la seguente relazione:

η = k<■>P/(Q H)

tn cus:

k è una costante che dipende dada forza dì gravità e dada densità dell’acqua, funzione della temperatura e delta pressione di esercizio,

P è ia potenza,

Q è la portata, e

H è i! salto idraulico deìl'impianto in questione.

Grazie a questo metodo si potrà inoltre costruire per ogni turbina in un determinato impianto un modello index che rappresenta una mappatura completa della turbina e dei valori ottimali degli angoli di cui sopra identificati in un intervallo di tempo sufficiente a registrare l’intera escursione dei saiti idraulici. In questo caso il metodo sopra descritto esegue index test in automatico nell’intorno di predeterminate condizioni di funzionamento della turbina, che sono ad esempio (e condizioni indicate nelle normative che codificano gii index test per le turbine Kaplan, ad esempio la normativa GEI EN 60041. Tale mappatura potrà essere implementata eventualmente anche su un regolatore di turbina già presente nell’impianto, così da posizionare automaticamente gli angoli della turbina ai valori ottimali indicati nel modello per ogni data condizione di lavoro. Il sistema di controllo del regolatore basato sul presente metodo si distacca dalla turbina nel momento in cui sopraggiunga una causa esterna, da ricercare ad esempio tra le seguenti cause:

- arresto, scatto o blocco della turbina;

- variazione deife condizioni di lavoro imposta da un operatore di centrale o da un centro di teiecontroilo remoto, in caso di esercizio a potenza costante e impianti a bacino;

- azione del regolatore dì portata o di livello in caso di impianti ad acqua fluente. Nei casi detti sopra il presente sistema si disconnette immediatamente dal controllo delia turbina, restituendo la stessa ai modo normale di controllo. Se la causa è legata a una condizione di emergenza che blocca ad esempio la turbina, procedure di sicurezza indipendenti dal presente sistema garantiranno inoltre il blocco e fa messa in sicurezza del generatore. Se invece<(>a causa è una variazione delle condizioni di lavoro, il sistema potrà riprendere la procedura di ottimizzazione nelle nuove condizioni di lavoro variate.

Con riferimento alia figura 2 annessa, dove è rappresentato un diagramma di flusso dei presente metodo di costruzione di un modello continuo di turbina, ia mappatura ottimizzata dell’efficienza neìllntorno dei massimo in funzione degli angoli di apertura del distributore e dì inclinazione delie pale, dei parametri di salto idraulico e potenza, come indicato sopra, è effettuata come segue:

1. si parte da un valore iniziale di guess dell’angolo di orientamento delie pale, cp_guess, con H e P fissati;

2. si determina i! valore dell’altro angolo di apertura del distributore a guess in funzione dei valori di input che massimizzano l’efficienza in modo da iniziare l’esplorazione della superficie 3D nell’intorno del massimo di efficienza;

3. a partire dai valori determinati ai punto 1 . si inizia una scansione o mappatura ottimizzata in a, basata sui valori propri del gradiente di efficienza e vincolando l’intervallo entro il 5% dello scostamento dai valore massimo di efficienza rilevato, violando temporaneamente il vincolo di mantenere la potenza P costante.

4. si inizia Sa scansione (mappatura) ottimizzata nell’angolo φ in modo tale da soddisfare sempre ii vincolo in potenza P costante, e il vincolo sul valore minimo accettabile in efficienza. La procedura di scansione ottimizzata si basa su una logica combinata sul gradiente dell’efficienza e una logica “fuzzy” per non incorrere in punti di stagnazione. ( criteri di blocco delia scansione si basano o su! raggiungimento di un valore massimo di φ o sui non miglioramento dell’efficienza per un numero stabilito di iterazioni (punti scansionati).

I passi sopra descritti generano una serie di dati contenenti nell’ordine di scansione preferito i dati relativi agli angoli e al salto idraulico, quindi i dati relativi alla grandezza da mappare, efficienza, potenza o portata. Tale insieme di dati è poi utilizzato per fornire il modello contìnuo index de! funzionamento reale della turbina Kaplan. Nelle figure 3 e 4 sono illustrati degli esempi di modello continuo ricavato con il metodo della presente invenzione per diversi set di parametri. In figura 3 è rappresentata la curva di rendimento ottenuta sulla base di 314 punti di lavoro scansionati ad un dato valore de! salto, mentre ìa figura 4 riporta la medesima curva continua del rendimento ma vengono evidenziati tre diversi percorsi a potenza costante che gli angoli φ e a hanno seguito per raggiungere il punto a massimo rendimento partendo da un valore inferiore.

Un primo vantaggio de! sistema e de! metodo secondo la presente invenzione è dato dalia possibilità di eseguire gli index test per turbine Kaplan direttamente in-iinea, senza dover bloccare rimpianto per tempi che, specie nei casi di impianti idroelettrici legati a bacini con andamento stagionale, sarebbero molto lunghi per poter disporre dell’intera escursione di salti idrauiici.

Un ulteriore vantaggio è dato dal fatto che la procedura è completamente automatizzata grazie all’uso dell’algoritmo di campionamento e alle procedure di calcolo automatico sopra descritte in dettaglio. Rispetto ai metodi noti di esecuzione di index test per questo tipo di turbine, che sono manuali e richiedono l’impiego di numerose risorse, il presente metodo è quindi molto più semplice e comodo, oltre ad implicare costi inferiori. Dall’altra parte, anche ii sistema che consente di realizzare ii presente metodo non prevede l’utilizzo di tecnologie costose, dunque non va a pesare sui costi complessivi del metodo dell’invenzione, che presenta un indubbio vantaggio economico rispetto ai metodi noti.

La presente invenzione è stata fin qui descritta con riferimento a una forma preferita di realizzazione. È da intendersi che possano esistere altre forme di realizzazione che afferiscono al medesimo nucleo inventivo, come definito dall’ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un metodo per determinare in modo automatico la posizione ottsma!e dell’angolo dì apertura del distributore e dell’angolo di orientamento delle pale di una turbina Kaplan in un impianto idroelettrico, alla quale posizione corrisponde la massima efficienza di detta turbina, detto metodo comprendente gli stadi di: i) monitorare l’esercizio di detta turbina controllando la posizione dell’angolo di apertura de! distributore e la posizione dell'angolo di orientamento delle pale dì detta turbina mediante un apposito regolatore secondo una curva di coniugazione 2D CAM o 3D CAM di detta turbina; ii) misurare uno dei parametri operativi di detta turbina e individuare quando detta turbina opera in condizioni di stato stazionario caratterizzato da valori di detto parametro operativo entro un intervallo predeterminato per un tempo predeterminato; iii) raggiunte dette condizioni di stato stazionario, variare arbitrariamente la posizione di detto angolo di apertura del distributore con la posizione di detto angolo di orientamento delle pale fisso e misurare, per ogni valore di detto angolo di apertura dei distributore, I valori dei parametri operativi di detta turbina; iv) calcolare con una procedura di calcolo automatica ottimizzata i valori index di efficienza per ogni set di valori misurati allo stadio iii) e identificare, per ogni set di valori dei parametri operativi della turbina, i valori di detti angoli di apertura de! distributore e di orientamento delle pale ai quali corrisponde il valore massimo di efficienza.
2. 2. Il metodo secondo la rivendicazione 1 , in cui detto parametro operativo misurato ailo stadio il) è scelto tra portata e potenza di detta turbina.
3. 3. lì metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto stadio iti) è condotto In modo che detti valori index di efficienza siano compresi in un predeterminato intervallo di valori così da escludere valori non significativi o valori corrispondenti a stati potenzialmente pericolosi per detta turbina ai fini della determinazione dei valori ottimali di efficienza in quanto corrispondenti a zone di turbolenza e instabilità.
4. 4. Il metodo secondo la rivendicazione 1 , in cui allo stadio iii) la misura dei valori dei parametri operativi della turbina per ogni valore dell’angolo di apertura de! distributore comprende il campionamento di detti valori misurati grazie ad un algoritmo di campionamento che, ai raggiungimento di un predeterminato numero minimo di valori campionati, attiva ia procedura di calcolo automatico ottimizzata alio stadio iv).
5. 5. Il metodo secondo la rivendicazione 1 , in cui detta procedura di calcolo automatica ottimizzata aiìo stadio iv) è scelta tra un metodo di regressione polinomiale muitivariabile di secondo o terzo grado e un metodo di approssimazione delle funzioni basato su una rete neurale appositamente progettata.
6. 6. I! metodo secondo una qualsiasi delie precedenti rivendicazioni, in cui detto set di parametri operativi della turbina allo stadio iv) comprende portata, potenza e salto idraulico.
7. 7. Un metodo per costruire in modo continuo un modello numerico index di una turbina Kaplan in un impianto idroelettrico nelllntorno di sue predeterminate condizioni di funzionamento mediante esecuzione di index test in linea secondo il metodo come definito nelle rivendicazioni 1-6, in un intervallo di tempo sufficiente a registrare l’intera escursione dei salti idraulici di esercizio.
8. 8. I! metodo secondo Sa rivendicazione 7, in cui dette predeterminate condizioni di funzionamento sono le condizioni indicate nelle normative che codificano gli index test per le turbine Kaplan.
9. 9. Un sistema per determinare in modo automatico la posizione ottimale dell’angolo di apertura del distributore e dell’angolo di orientamento delie pale di una turbina Kaplan in un impianto idroelettrico, alla quale posizione corrisponde la massima efficienza di detta turbina, in un metodo come definito nelle rivendicazioni 1-6, detto sistema comprendente mezzi di elaborazione di dati per calcolare in modo automatico i valori index di efficienza per set di valori dei parametri operativi di detta turbina e identificare, per ogni set di detti valori, i valori di detti angoli di apertura de! distributore e di orientamento delle pale ai quali corrisponde il valore massimo di efficienza; e mezzi di archiviazione dei dati predeterminati di detta turbina e dei dati misurati e calcolati in detto metodo.