KR20010056616A - A real-time efficiency monitoring system of hydro-turbine generator and pump motor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 유체기계 설비에 사용중인 수차발전기와 펌프모터의 효율 및 유량을 실시간으로 감시할 수 있는 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a system capable of monitoring in real time the efficiency and flow rate of aberration generators and pump motors used in fluid machinery.
종래의 유체기계 설비에 사용되고 있는 수차발전기나 펌프모터의 유량 및 효율을 측정하는데 사용되는 방법으로는 초음파 유량계를 설치하여 유량을 측정하는 방법이 있었으나, 초음파유량계를 이용하는 경우 유량 측정의 정확도를 기하기 위해서는 통상적으로 유량계 설치위치를 기준으로 상류측으로 배관직경의 10배, 하류측으로 배관직경의 5배 정도의 직선배관이 확보되어야만 했기 때문에 현재의 발전소 등에서는 거의 설치가 불가능하였고, 신규로 건설되는 발전소에 설치하더라고 유량계 설치위치를 기준으로 상·하류측으로 상기의 직선구간을 확보해야만 하기 때문에 건설비가 과다하게 소요되며, 이의 정확도 유지 및 관리에도 많은 비용이 소요되는 단점이 있었다. 따라서, 이에 대한 보완책으로 일정비율로 축소한 모형수차를 제작해 여기에서 얻어진 결과를 기초로 하여 이론적인 상사(相似)법칙에 의해 유량을 계산하였다. 이로 인해 실제의 정확한 유량이 산출되지 않아 효율 산정시에도 애로가 많았으며, 유량계의 설치비가 고가여서 초기 투자비용 및 유지관리비용이 많아 들어가는 단점이 있었다.In order to measure the flow rate and efficiency of the aberration generator or the pump motor used in the conventional fluid machinery, there was a method of measuring the flow rate by installing an ultrasonic flow meter. In general, since straight piping about 10 times the pipe diameter on the upstream side and 5 times the pipe diameter on the downstream side had to be secured, it was almost impossible to install in the current power plant. Even though it is installed, the above-mentioned straight section must be secured to the upstream and downstream sides based on the flowmeter installation position, and the construction cost is excessively expensive. Therefore, as a countermeasure, a model aberration reduced to a certain ratio was produced, and the flow rate was calculated by the theoretical similarity rule based on the result obtained here. As a result, the actual exact flow rate was not calculated, and there were many difficulties in calculating the efficiency. The installation cost of the flowmeter was high, and the initial investment cost and maintenance cost were high.
또 다른 측정방법으로는 차압식유량계에 의해 유량을 측정하였으나, 이는 유량산출의 기초가 되는 유량지수(n)가 기계적인 구성에 의해 교정이 불가하여 최초에 기계에 셋팅된 유량지수값(통상 0.5를 사용함)만을 사용할 수 밖에 없었기 때문에 절대유량으로 교정되지 않아 실질적인 유량에 대한 정확도가 떨어지고, 특히 이와 같은 종래의 방법은 수차발전기 및 펌프모터의 가동중에는 그 효율을 확인할 수 없는 문제점이 있었다.As another measurement method, the flow rate was measured by a differential pressure flow meter. However, the flow rate index (n), which is the basis of the flow rate calculation, cannot be calibrated by a mechanical configuration, and thus the flow rate value initially set on the machine (typically 0.5) Since only the use of)) is not calibrated to the absolute flow rate, the accuracy of the actual flow rate is lowered, in particular, such a conventional method has a problem that the efficiency can not be confirmed during operation of the water turbine generator and the pump motor.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 기존에 유량계 설치가 불가하여 유량 및 효율을 산출할 수 없었던 장소에 용이하게 설치가 가능하고, 기존의 설비에 적용하여 유량 및 효율을 측정 할 수 있는 수차발전기의 실시간 효율 감시시스템을 제공하는데 있다.The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, the object of the present invention can be easily installed in a place where it was not possible to calculate the flow rate and efficiency because it was previously impossible to install the flow meter, It is to provide a real-time efficiency monitoring system of water turbine generator that can measure flow rate and efficiency by applying.
본 발명의 또 다른 목적은 절대유량계 등을 이용 수시로 교정이 가능하여 유량 및 효율의 정확도를 향상할 수 있으며, 초기 투자비와 유지관리비가 저렴한 수차발전기의 실시간 효율감시시스템을 제공하는데 있다.Still another object of the present invention is to provide a real-time efficiency monitoring system of the aberration generator, which can be calibrated from time to time using an absolute flowmeter and the like, thereby improving the accuracy of the flow rate and efficiency, and the initial investment cost and the maintenance cost are low.
도 1은 본 발명에 따른 전체시스템의 개략도,1 is a schematic diagram of an overall system according to the present invention;
도 2는 본 발명에 따른 검출부의 구성도,2 is a block diagram of a detection unit according to the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 자료처리공정도이다.3 is a data processing process chart according to the present invention.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명※ Brief description of symbols for main parts of the drawings
10 : 검출부 11 : 방수위수두트랜스듀서10: detection unit 11: waterproof head head transducer
12 : 수차입구압트랜스듀서 13 : 차압수두트랜스듀서12: aberration inlet pressure transducer 13: differential pressure head transducer
14 : 전력검출기 20 : 변환부14: power detector 20: converter
30 : 연산부 35 : 감시모니터30: calculating unit 35: monitoring monitor
40 : 저장·출력부 50 : 수차발전기40: storage and output unit 50: aberration generator
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 수차발전기의 실시간 효율감시시스템은 절대유량을 산출하기 위해 수류의 차압을 감지하여 감지된 차압을 전기적인 신호로 변환 검출하는 차압검출트랜스듀서와, 수차의 케이싱 입구에 설치되어 유입되는 수류의 압력을 감지하고, 감지된 수압을 일정한 크기의 전기적 신호로 변환 검출하는 수차입구압트랜스듀서와, 수차의 흡출관에서 방출된 수두를 측정하기 위해 설치되는 방수위트랜스듀서와, 수차발전기의 출력을 검출하기 위한 전력검출기로 이루어지는 검출부; 상기 검출부에서 검출된 전기적인 신호를 컴퓨터에서 처리가능한 디지털 신호로 변환 처리하는 변환부; 상기 변환부에서 출력된 신호가 인터페이스를 통해 전송되어 프로그램화 되어 입력된 계산식에 의해 유량과 정낙차를 산정하는 단계와, 산정된 정낙차와 유량을 이용해 유효낙차를 산출하는 단계와, 산출된 유효낙차와 상기 검출부에서 검출된 발전기의 출력을 이용해 발전기의 효율을 산출하는 단계가 각각 순서대로 실행되도록 하는 연산부; 상기 연산부에서 산출된 유량과 효율의 데이터가 실시간으로 감시모니터에 디스플레이됨과 동시에 디스플레이된 각각의 데이터는 컴퓨터에 자동으로 저장되어 데이터베이스화되고, 데이터의 필요시 출력장치를 통해 출력이 가능하도록 이루어지는 저장·출력부로 구성된다.In order to achieve the above object, the real-time efficiency monitoring system of the aberration generator according to the present invention is a differential pressure detection transducer for detecting the differential pressure of the water flow to convert the detected differential pressure into an electrical signal to calculate the absolute flow rate, A water inlet pressure transducer installed at the inlet of the casing to sense the pressure of the incoming water flow and convert the detected water pressure into an electrical signal of a certain size, and a water level installed to measure the head discharged from the draft tube of the aberration. A detector comprising a transducer and a power detector for detecting an output of the aberration generator; A converting unit converting the electrical signal detected by the detecting unit into a digital signal processable by a computer; Calculating a flow rate and a fixed drop using a calculated equation inputted by the signal outputted from the converter through a program, and calculating a valid drop using the calculated positive drop and the flow rate; An operation unit configured to calculate the efficiency of the generator using the drop and the output of the generator detected by the detection unit, respectively; The flow rate and efficiency data calculated by the operation unit are displayed on the monitoring monitor in real time, and the displayed data is automatically stored in a computer and made into a database, and the data can be output through an output device when necessary. It consists of an output part.
이하, 명세서에 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 수차발전기의 실시간 효율감시시스템의 상세한 설명을 하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings in the specification will be described in detail the real-time efficiency monitoring system of the aberration generator according to the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 전체시스템의 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 검출부의 설치구성도이며, 도 3은 본 발명의 시스템에 의한 수류(水流)의 제반 여건 감지 및 데이터의 변환·검출, 연산의 처리공정을 도시하고 있다.1 is a schematic diagram of an entire system according to the present invention, FIG. 2 is an installation configuration diagram of a detection unit according to the present invention, and FIG. 3 is a general condition detection of water flow by the system of the present invention and conversion and detection of data. The process of arithmetic operation is shown.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 시스템의 전체 구성은 수차발전기 (50)가 설치된 근처에 각각의 센서(Transducer)가 설치되어 수두 및 수압을 감지하고, 감지된 신호의 크기에 따라 그 각각의 신호에 해당하는 크기의 일정한 전기적인 신호를 나타내는 검출부(10)와, 이 검출부(10)에서 일정한 전류 크기로 나타나는 신호를 컴퓨터에서 처리 가능한 디지털신호로 변환시키는 변환부(20)와, 상기 변환부(20)를 통해 입력된 각각의 신호가 프로그램화 되어 기입력된 계산식에 따라 연산 처리되어 유량(Q)과 정낙차(HS), 유효낙차(He) 및 효율()을 산출하는 연산부(30)와, 이 연산부(30)에서 연산된 데이타가 실시간으로 감시모니터(35)에 디스플레이 되고, 디스플레이된 데이터가 컴퓨터에 저장 또는 출력장치를 통해 출력되도록 하는 저장·출력부(40)로 구성된다.As shown in the figure, the overall configuration of the system according to the present invention, each sensor (Transducer) is installed in the vicinity of the aberration generator 50 is installed to detect the head and water pressure, respectively according to the magnitude of the detected signal A detector 10 for indicating a constant electrical signal of a magnitude corresponding to a signal of?, A converter 20 for converting a signal represented by a constant current magnitude in the detector 10 into a digital signal that can be processed by a computer, and the conversion Each signal inputted through the unit 20 is programmed and processed according to a previously inputted calculation formula to flow rate Q, positive drop H S , effective drop H e , and efficiency ( Calculating unit 30 and the data calculated by the calculating unit 30 are displayed on the monitoring monitor 35 in real time, and a storage / output unit for displaying the displayed data on a computer or output through an output device. It consists of 40.
이를 다시 상술하면, 상기 검출부(10)는 도 2의 설치구성도에 도시된 바와 같이, 수차발전기(50)가 설치된 곳에서 수차발전기(50)로 유입되는 수류의 수차입구압을 측정하기 위해 수차발전기(50)의 케이싱 입구에 수차입구압 트랜스듀서 (Transducer; 12)가 설치되고, 수차발전기(50)를 통해 수차의 흡출관에서 방출된 수류의 수두를 측정하기 위해 방수위(放水位)트랜스듀서(Tail Water Level:TWL, 11)가 설치되며, 수차발전기(50)의 케이싱 내부의 일정지점에 설치되는 차압(差壓)수두트랜스듀서(13)가 각각 설치되어 구성되며, 상기 수차발전기(50)의 동작시 발생되는 출력을 검출하기 위한 전력검출기(14)가 설치된다.In detail, the detection unit 10 aberration to measure the aberration inlet pressure of the water flow flowing into the aberration generator 50 from where the aberration generator 50 is installed, as shown in the installation configuration of FIG. A water inlet pressure transducer (12) is installed at the casing inlet of the generator (50), and the water level transformer is used to measure the head of the water flow discharged from the draft tube of the water through the water generator generator (50). A tail water level (TWL) 11 is installed, and a differential pressure head transducer 13 installed at a predetermined point inside the casing of the aberration generator 50 is installed and configured, respectively. A power detector 14 for detecting the output generated during the operation of 50 is provided.
상기 검출부(10)의 수차입구압트랜스듀서(12)와 방수위(放水位) 트랜스듀서 (11) 및 차압(差壓)수두트랜스듀서(13)에서는 입구압과 수두 및 차압에 따른 수류의 감지된 신호 크기에 의해 각각 4∼20㎃의 범위에서 각각의 입구압, 수두, 차압에 해당하는 전류값으로 그 크기를 출력하며, 이렇게 출력된 전기적 신호가변환부(PLC; Programmable logic controller; 20)에 전달된다. 변환부(20)에서는 상기 검출부(10)로부터 전달받은 각각의 전기적 신호를 컴퓨터에서 사용가능한 16비트 디지털신호로 변환 출력하게 되며, 변환부(20)에서 출력된 신호는 인터페이스(25)를 통해 연산부(30)로 전송되고, 연산부(30)에서는 프로그램화되어 입력된 계산식에 의해 유량(Q), 정낙차(H), 유효낙차(He) 및 효율()이 연산처리되어 산출된다.The aberration inlet pressure transducer 12, the waterproof position transducer 11, and the differential pressure head transducer 13 of the detector 10 detect water flow according to the inlet pressure, the head, and the differential pressure. According to the signal magnitude, the magnitude is output as current values corresponding to inlet pressure, head pressure, and differential pressure in the range of 4 to 20 mA, respectively. The output electrical signal is converted into a programmable logic controller (PLC). Is passed on. The conversion unit 20 converts and outputs each electric signal received from the detection unit 10 into a 16-bit digital signal usable by a computer, and the signal output from the conversion unit 20 is calculated through the interface 25. And the flow rate Q, the positive drop H, the effective drop H e and the efficiency ( ) Is calculated and calculated.
상기 연산부(30)는 상기 변환부(20)에서 송신된 신호의 크기에 따라 프로그램화 되어 입력된 계산식에 의해 유량(Q)과 정낙차(HS)를 산정하고, 산정된 정낙차 (HS)와 유량(Q)을 이용해 유효낙차(He)를 산출하며, 산출된 유효낙차(He)와 상기 검출부(10)에서 검출된 발전기의 출력을 이용해 발전기의 효율을 산출하는 단계가 입력된 계산식에 의해 각각 순서대로 실행된다.The calculation unit 30 calculates the flow rate Q and the static drop H S by a calculation formula that is programmed according to the magnitude of the signal transmitted from the conversion unit 20, and the calculated positive drop H S ) with the step of the effective use of the flow rate (Q) is calculated a head (H e), using the output of the detected generator in the calculated effective head (H e) and the detecting section 10 calculates the efficiency of the generator input Each calculation is executed in order.
컴퓨터의 연산부(30)에 입력되어 사용되는 계산식은 아래와 같다.The calculation formula used to be input to the computing unit 30 of the computer is as follows.
즉, 유량 Q ＝ k·Δhn--------- (1)That is, the flow rate Q = k Δ h n --------- (1)
여기서, Δh는 상기 차압(差壓)수두 트랜스듀서(13)에서 얻어진 차압수두로서 단위는 m이며, k 및 n은 각각 효율시험에서 얻어진 유량상수 및 유량지수이며, 유량지수는 통상 0.49∼0.51범위내에서 적용된다. 그리고, 정낙차Where Δh is the differential pressure head obtained from the differential pressure head transducer 13, and the unit is m, k and n are the flow rate constant and the flow rate index obtained in the efficiency test, respectively, and the flow rate index is usually in the range of 0.49 to 0.51. Is applied within. And static drop
HS= Hi- HTWL+ TCL -------- (2)로서H S = H i -H TWL + TCL -------- (2)
Hi는 수차발전기(50)의 케이싱 입구압력으로서, 수차입구압트랜스듀서(12)를통해 4∼20㎃ 사이의 일정한 전류크기로 표시되며, HTWL는 방수위 수두로서 이 값 또한 방수위 트랜스듀서(11)에 의해 4∼20㎃ 사이의 일정한 전류크기로 표시되며, TCL은 수차설치표고(단위; m)이다.H i is the casing inlet pressure of the aberration generator 50, and is expressed by a constant current magnitude between 4 and 20 mA through the aberration inlet pressure transducer 12, and H TWL is the waterproof head. Indicated by the producer 11 as a constant current magnitude between 4 and 20 mA, the TCL is the aberration installation elevation in m.
상기 식(1),(2)에 의해서 구해진 유량(Q)과 정낙차(HS)의 산출단계가 끝나면, 프로그램 실행순서에 따라 상기 유량(Q)과 정낙차(HS)를 이용해 유효낙차(He)를 산출하는 단계가 진행되는데, 유효낙차를 구하는 식은After the calculation step of the flow rate Q and the static free fall H S obtained by the above formulas (1) and (2) is completed, the effective drop using the flow rate Q and the static free drop H S according to the program execution order (H e ) is calculated, and the effective drop is
로서, A1과 A2는 수차의 입·출구 단면적(㎡)이며, g는 중력가속도(m/sec2)이다.Where A 1 and A 2 are the inlet and outlet cross-sectional areas (m 2) of the aberration, and g is the gravitational acceleration (m / sec 2 ).
이와 같이, 프로그램화 되어 내장된 상기 식(1)과 식(3)을 이용해 유량(Q)과 유효낙차(He)가 산정된 경우에는 상기 유량(Q)과 유효낙차(He), 그리고 수차발전기 (50)로부터 얻어낸 발전기출력(PG)을 가지고 수차발전기의 효율을 산출하게 된다.Thus, the programmatic the formula (1) and flow rate (Q) and the effective head (H e) is is the flow rate (Q) and the effective head (H e) if the estimated using a 3 built-in are, and The generator output P G obtained from the aberration generator 50 is used to calculate the efficiency of the aberration generator.
수차발전기의 효율은The efficiency of the generator
에 의해 계산된다.Is calculated by.
상기 식(1) 내지 식(4)에 따라 연산부(30)에서 계산된 유량(Q)과 효율()은 컴퓨터에 설정된 일정한 간격별(1∼2초)로 반복 실행되어 얻어진 결과는 실시간으로 감시모니터(35)에 디스플레이 되고, 감시모니터(35)에서 디스플레이된 데이터는 컴퓨터의 기억장치(40)에서 계속해서 누적되어 기억되고, 필요한 데이터는 출력장치(45)를 통해 출력되어 수차발전기(50)의 운용의 효율성을 산정하는 데이터로 사용할 수 있으며, 누적된 데이터의 관리로 설비의 효율적인 관리 시스템을 정착시켜 수차발전기(50)의 발전생산성을 향상시킬 수 있다.The flow rate Q and the efficiency (calculated by the calculating part 30 according to said Formula (1)-Formula (4) ( ) Is repeatedly executed at regular intervals (1 to 2 seconds) set in the computer, and the result obtained is displayed on the monitoring monitor 35 in real time, and the data displayed on the monitoring monitor 35 is stored in the storage device 40 of the computer. Accumulated and stored continuously, the necessary data is output through the output device 45 can be used as the data for calculating the efficiency of the operation of the water turbine generator 50, and the management of the accumulated data to establish an efficient management system of the facility It is possible to improve the power generation productivity of the water turbine generator (50).
특히, 실시간으로 얻어지는 유량(Q)과 효율()의 측정 데이터는 컴퓨터의 조작에 의해 장치 및 수류(水流)의 제반 조건 등을 감안하여 유량(Q)산정에 기초가 되는 유량지수(n)의 값을 교정해서 정확한 유량(Q)과 효율()을 산출하는 기초로 사용할 수 있다. 즉, 종래의 유량계에서는 유량지수(n)를 0.5로 셋팅해서 사용했기 때문에 기기의 정도 및 수류(水流)의 제반 여건 변경시 유량지수(n)의 교정이 불가하여 정확한 유량을 측정할 수 없었던 단점이 있었으나, 본 발명에서는 필요시에 상기 유량지수(n)를 0.49∼0.51의 범위내에서 교정하여 유량(Q) 및 효율()의 측정시 정확도를 기할 수 있다.In particular, the flow rate (Q) and the efficiency ( The measured data of) is calculated by correcting the value of the flow rate index (n) based on the flow rate (Q) calculation, taking into account the device and the various conditions of the water flow by computer operation. ) Can be used as a basis for calculating That is, in the conventional flowmeter, since the flow rate index (n) was set to 0.5, the flow rate index (n) could not be corrected when changing the accuracy of the equipment and the general conditions of the water flow. However, in the present invention, if necessary, the flow rate index (n) is calibrated within the range of 0.49 to 0.51 so that the flow rate (Q) and efficiency ( ) Can measure the accuracy.
더욱이, 상기한 각 장치는 신규로 건설되는 발전설비의 적용 뿐만 아니라 종래의 설비에도 상기한 검출부(10) 및 연산부(30)에 사용되는 프로그램을 설치하여 간편하게 적용할 수 있어 유량(Q)과 발전설비의 효율()을 측정하는데 사용할 수 있다.Moreover, the above-mentioned devices can be easily applied by installing the programs used in the detection unit 10 and the calculation unit 30 in the conventional facilities as well as the application of the newly constructed power generation equipment, so that the flow rate Q and the power generation can be applied. Equipment efficiency ( ) Can be used to measure
한편, 상술한 각 장치는 수차발전기(50) 뿐만 아니라 펌프모터의 유량 및 효율을 산출하는데도 적용될 수 있다.On the other hand, each device described above can be applied to calculate the flow rate and efficiency of the pump motor as well as the aberration generator (50).
즉, 수차발전기(50)에서 적용된 수차입구의 압력(Hi)은 펌프에서는 그 토출압력으로, 방수위의 수두(HTWL)는 펌프의 착수정의 높이를, 유효낙차(He)는 양정을, 수차 설치표고(TCL)는 펌프설치표고, 수차입출구 면적(A1,A2)은 펌프의 입출구 면적으로 변환 적용해서 그 유량 및 효율을 측정하는데 이용할 수 있으며, 여기에 이용되는 장치와 소프트웨어는 상술한 수차발전기(50)에 적용된 것과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.That is, the pressure of the aberration entrance applied from the aberration generator (50) (H i) is a pump in as the discharge pressure, the chaksujeong height of the water head (H TWL) is the pump of the water above, effective head (H e) is a pump head The aberration installation elevation (TCL) is the pump installation elevation, and the aberration inlet and outlet areas (A 1 and A 2 ) can be used to measure the flow rate and efficiency by converting and applying the inlet and outlet areas of the pump. Since the same as that applied to the above-described aberration generator 50, detailed description thereof will be omitted.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수차발전기 및 펌프모터의 실시간 감시시스템은 간단한 장치로 구성되어 수차발전기 및 펌프모터가 설치된 수력발전소에 용이하게 설치할 수 있으며, 특히 기존에 유량계를 설치하지 못했던 수력발전설비 뿐만 아니라 신규로 설치되는 수력발전설비에 손쉽게 적용할 수 있어 수차발전기 및 펌프모터의 효율적인 관리를 꾀할 수 있을 뿐만 아니라 유량지수의 교정이 가능하여 정확한 유량 및 효율을 측정하므로써 데이터를 축적하여 설비의 성능에 대한 진단을 할 수 있으며, 발전설비의 고효율성을 추구할 수 있도록 하는 유용한 효과를 제공한다.As described above, the real-time monitoring system of the aberration generator and the pump motor according to the present invention is composed of a simple device can be easily installed in a hydroelectric power station equipped with a water generator and a pump motor, in particular, hydroelectric power generation that did not install a flow meter It can be easily applied to newly installed hydroelectric power generation facilities as well as facilities to efficiently manage aberration generators and pump motors, as well as to calibrate the flow rate index to accumulate data by measuring accurate flow rate and efficiency. Diagnosis of the performance is possible, and it provides useful effects for pursuing high efficiency of power generation facilities.
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