WO2000039458A1 - Verfahren zum anfahren eines maschinensatzes, umfassend eine pumpturbine und einen motorgenerator - Google Patents

Verfahren zum anfahren eines maschinensatzes, umfassend eine pumpturbine und einen motorgenerator Download PDF

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WO2000039458A1
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Eberhard Kopf
Lars Meier
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Voith Siemens Hydro Power Generation Gmbh & Co. Kg
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B15/00—Controlling
    • F03B15/005—Starting, also of pump-turbines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • Method for starting up a machine set comprising a pump turbine and a motor generator
  • the invention relates to a method according to feature 1 of claim 1.
  • the map of such a turbine is usually shown in a diagram in which the unit flow rate Q1 'is plotted against the unit speed n1'.
  • the characteristics of many pump turbines i. H. the lines of the vane openings, S-shaped curved. This S-shaped curvature is particularly strong in the idle area of the map and in the extreme
  • Partial load range also during the transition from phase shifting to turbine operation. This leads to the fact that in these areas with large values of n1 '- d. H. with a small fall height - stable stationary operation is not possible. In extreme cases, this can even lead to the following: If you want to synchronize and load the machine set consisting of the turbine and motor generator, this is not possible, because the turbine comes into braking mode or even into reverse pumping mode.
  • CONFIRMATION COPY DE 29 35 480 A1 describes a method for operating a pump turbine between part-load and reverse pump operation. The aim is to bring the characteristics of the pump turbine to a stable characteristic when starting up. The solution is that at least one guide vane is at least temporarily removed from the synchronous assembly and pre-opened.
  • the invention has for its object to provide a method with which a machine set, including a pump turbine and a motor generator, can be started without problems, without the risk that the
  • Turbine goes into the braking mode or into the reverse pumping mode, furthermore without increased risk of wear and without any particular mechanical or electrical effort.
  • this state is then used immediately by synchronizing the machine set.
  • the machine set is then loaded by opening the guide device.
  • the flow increases and energy is fed into the network.
  • the operating point must be shifted so far that after the pressure surge has subsided, ie after returning to the original head, the critical map area has been left.
  • the time period for performing the synchronization and loading is not very long. It is usually one to two seconds. The processes must therefore be carried out quickly. It is therefore advisable to integrate the synchronizer into the turbine controller.
  • the net head can also be temporarily changed by changing the operating point of an adjacent machine set that is connected to the same pressure pipeline.
  • the pressure wave generated propagates in the pressure pipeline at the speed of sound (i.e. at a speed of around 1200 m / s), starting from the guide vanes.
  • the pressure wave is reflected at points of discontinuity (changes in cross section, containers, etc.) and returns with a negative amplitude.
  • reflection time After the so-called reflection time, this leads to a reduction in the net fall height compared to the original value. This means that for the entire process (synchronization and loading) a maximum of half the reflection time Available. There is therefore a hurry to synchronize and load.
  • Synchronizers that are common today mostly work with very low phase change speeds between the voltage systems of the motor generator and the network. It therefore takes a relatively long time until the generator voltage and the mains voltage are in phase and until the circuit breaker can be closed. Therefore, a powerful synchronizer must be used, which - as mentioned above - is integrated in the turbine controller.
  • Tax law for changing the vane position.
  • the tax law is optimized in such a way that the pressure increase on the machine is maintained as long as possible.
  • the first solution is set out in claims 1 and 3. You could call it a "surge solution”.
  • the second solution is defined in claim 4. You could call it a "generator brake solution”.
  • the invention is explained in more detail with reference to the drawing, namely for the pressure surge and the generator brake solution.
  • a map of a turbine is shown therein.
  • the unit flow QV is plotted on the ordinate and the unit speed n1 'on the abscissa.
  • Curves 1 through 6 are constant vane opening curves.
  • the two curves 10, 20 are curves of constant net head. The normal operating range lies between these two curves.
  • Curve 30 shows the idle curve.
  • Curve 40 is a curve that can be traversed according to the invention.
  • Curve 50 is the idle curve shifted with the aid of the generator brake.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfahren eines Maschinensatzes, umfassend eine Pumpturbine und einen Motorgenerator, mit den folgenden Merkmalen: die Strömung im Druckrohr der Turbine wird verzögert, um einen Druckanstieg im Druckrohr zu erzeugen; der Maschinensatz wird synchronisiert, das heißt, es werden die Phasen von Generator- und Netzspannung in Übereinstimmung gebracht; der Maschinensatz wird durch Einspeisen von elektrischer Energie ins Netz oder anderweitig (z.B. mittels Generatorbremse) belastet.

Description

Verfahren zum Anfahren eines Maschinensatzes, umfassend eine Pumpturbine und einen Motorgenerator
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Merkmal 1 von Anspruch 1.
Das Kennfeld einer solchen Turbine wird meist in einem Diagramm dargestellt, bei dem der Einheitsdurchfluß Q1 ' über der Einheitsdrehzahl n1 ' aufgetragen wird. Bei vielen Pumpturbinen sind die Kennlinien, d. h. die Linien der Leitschaufelöffnungen, S-förmig gekrümmt. Diese S-förmige Krümmung ist besonders stark im Leerlaufbereich des Kennfeldes sowie im extremen
Teillastbereich, außerdem beim Übergang vom Phasenschieben zum Turbinenbetrieb. Dies führt dazu, daß in diesen Bereichen bei großen Werten von n1 ' - d. h. bei kleiner Fallhöhe - ein stabiler stationärer Betrieb nicht möglich ist. Dies kann in Extremfällen sogar zu Folgendem führen: Will man den aus Turbine und Motorgenerator bestehenden Maschinensatz synchronisieren und belasten, so ist dies nicht möglich, weil nämlich die Turbine in den Bremsbetrieb oder sogar in den Rückwärtspumpbetrieb gelangt.
Als Abhilfe hat man versucht, die instabilen Kennfeldbereiche zu meiden. Dies kann dadurch geschehen, daß man das Absperrorgan nur teilweise öffnet, was bereits im Leerlauf größere Leitschaufelöffnungen notwendig macht. Damit ist ein erhöhter Verschleiß am Absperrorgang verbunden. Auch hat man schon versucht, durch asymmetrische Einstellung der einzelnen Leitschaufeln das Maschinenkennfeld selbst temporär zu verändern. Diese Lösung setzt voraus, daß die Leitschaufeln asymmetrisch einstellbar sind. Bei Maschinen, die nur einen Leitradring haben, aber keine Leitrad- Einzelservomotorsteuerung, ist diese Lösung nur mit großem Aufwand verwirklichbar.
BESTÄΓIGUNGSKOPIE DE 29 35 480 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer Pumpenturbine zwischen Teillast- und Rückwärtspumpenbetrieb. Dabei geht es darum, die Kennlinien der Pumpenturbine beim Anfahren auf eine stabile Charakteristik zu bringen. Die Lösung besteht darin, daß wenigstens vorübergehend wenigstens eine Leitschaufel aus dem synchronen Verband herausgenommen und vorgeöffnet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein Maschinensatz, umfassend eine Pumpturbine und einen Motorgenerator, problemlos angefahren werden kann, ohne daß die Gefahr besteht, daß die
Turbine in den Bremsbetrieb oder in den Rückwärtspumpbetrieb übergeht, ferner ohne erhöhte Verschleißgefahr sowie ohne besonderen mechanischen oder elektrischen Aufwand.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Die Erfinder haben folgendes erkannt:
Die genannte S-Charakteristik der Linien konstanter Leitschaufelöffnungen ist bei großer Netto-Fallhöhe nur schwach ausgeprägt oder überhaupt nicht vorhanden. Es muß somit dafür gesorgt werden, die Turbine wenigstens vorübergehend in diesen Kennfeldbereich zu bringen. Gemäß der Erfindung geschieht dies dadurch, daß die Netto-Fallhöhe vorübergehend zu einem scharfen Anstieg gebracht wird. Dies kann durch plötzliches Verzögern der im Druckrohr strömenden Wassermassen geschehen. Die Verzögerung der
Strömung führt zwangsläufig zu einem plötzlichen Druckanstieg oberhalb der Maschine, und damit zu einem Erhöhen der Netto-Fallhöhe.
Gemäß der Erfindung wird dieser Zustand sodann unverzüglich ausgenutzt, in dem der Maschinensatz synchronisiert wird. Anschließend wird der Maschinensatz durch Öffnen des Leitapparates belastet. Dies hat zur Folge, daß der Durchfluß vergrößert und Energie in das Netz eingespeist wird. Der Arbeitspunkt muß dabei soweit verschoben werden, daß nach Abklingen des Druckstoßes, d. h. nach Rückkehr zur ursprünglichen Fallhöhe, der kritische Kennfeldbereich verlassen wurde.
Die Zeitspanne zum Durchführen des Synchronisierens und Belastens ist nicht sehr groß. Sie beträgt in der Regel eins bis zwei Sekunden. Die Vorgänge müssen demgemäß schnell erfolgen. Deshalb ist es zweckmäßig, das Synchronisiergerät in den Turbinenregler zu integrieren.
Ferner ist es zweckmäßig, den genannten Druckstoß durch Verstellen der Leitschaufeln zu erzeugen. Demgemäß wird der Anstellwinkel der Leitschaufeln kurzzeitig verringert und damit die Strömung im Druckrohr verzögert.
Umfaßt eine Anlage zwei oder mehrere Maschinensätze, so kann man die Netto-Fallhöhe auch dadurch temporär verändern, das man den Arbeitspunkt eines benachbarten Maschinensatzes, der an dieselbe Druckrohrleitung angeschlossen ist, verändert.
Beim Synchronisieren nach dem Erzeugen des Druckstoßes ist folgendes zu beachten: Die erzeugte Druckwelle breitet sich mit Schallgeschwindigkeit, (das heißt mit einer Geschwindigkeit von rund 1200 m/s) in der Druckrohrleitung aus, ausgehend von den Leitschaufeln. Die Druckwelle wird an Unstetigkeitsstellen (Querschnittsänderungen, Behältern usw.) reflektiert und kehrt mit negativer Amplitude zurück. Dies führt nach der sogenannten Reflexionszeit zu einer Absenkung der Netto-Fallhöhe gegenüber dem ursprünglichen Wert führen. Dies bedeutet, daß für den gesamten Vorgang (Synchronisieren und Belasten) maximal die halbe Reflexionszeit zur Verfügung steht. Es ist somit bezüglich des Synchronisierens und Belastens Eile geboten.
Auch bei der Auswahl des Synchronisiergerätes ist auf diesen Sachverhalt Bedacht zu nehmen. Heute übliche Synchronisiergeräte arbeiten meist mit sehr geringen Phasen-Änderungsgeschwindigkeiten zwischen den Spannungssystemen von Motorgenerator und Netz. Es vergeht somit eine relativ große Zeitspanne, bis Generatorspannung und Netzspannung in Phase sind und bis der Leistungsschalter geschlossen werden kann. Deshalb muß ein leistungsfähiges Synchronisiergerät verwendet werden, das - wie oben erwähnt - in den Turbinenregler integriert wird.
Wichtige Maßnahmen, die entweder für sich allein oder in Kombination angewandt werden können, sind die folgenden:
* Vorausberechnung von Druck-, Drehzahl- und Phasenverlauf
* gleichzeitige Überwachung sämtlicher relevanter hydraulischer und elektrischer Größen
* Steuern der Leitschaufelstellung in einer Weise, daß die Vergrößerung der Netto-Fallhöhe und die Synchronisierung gleichzeitig erfolgen können
* Einsetzen der Generatorbremse als unterstützendes Element, um ein Gegenmoment und damit ein Verschieben des Arbeitspunktes im Kennfeld zu erreichen; * Einflußnahme auf die Form der Druckwelle mittels des
Steuergesetzes zum Verändern der Leitschaufelstellung. Dabei wird das Steuergesetz derart optimiert, daß die Druckerhöhung an der Maschine so lang wie möglich erhalten bleibt. Es gibt insgesamt drei grundlegende erfindungsgemäße Lösungen. Die erste Lösung ist in den Ansprüchen 1 und 3 festgehalten. Man könnte sie "Druckstoß-Lösung" nennen.
Die zweite Lösung ist in Anspruch 4 definiert. Man könnte sie "Generatorbremsen-Lösung" nennen.
Unabhängig hiervon gibt es eine dritte Lösung. Diese ist in den Ansprüchen 5 bis 7 definiert.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert, und zwar für die Druckstoß- und die Generatorbremsen-Lösung. Darin ist ein Kennfeld einer Turbine dargestellt. Auf der Ordinate ist der Einheitsdurchfluß QV aufgetragen und auf der Abszisse die Einheitsdrehzahl n1 '.
Die Kurven 1 bis 6 sind Kurven konstanter Leitschaufelöffnung. Die beiden Kurven 10, 20 sind Kurven konstanter Netto-Fallhöhe. Zwischen diesen beiden Kurven liegt der normale Betriebsbereich.
Die Kurve 30 zeigt die Leerlauf-Kurve.
Die Kurve 40 ist eine Kurve, die gemäß der Erfindung durchfahren werden kann.
Kurve 50 ist die mit Hilfe der Generatorbremse verschobene Leerlaufkurve.
Diese liegt für alle Leitschaufelöffnungen außerhalb des kritischen Bereiches. Hierbei ist ein konventionelles Synchronisieren und Belasten möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Anfahren eines Maschinensatzes, umfassend eine Pumpturbine und einen Motorgenerator, mit den folgenden Merkmalen:
1.1 die Strömung im Druckrohr der Turbine wird verzögert, um einen Druckanstieg im Druckrohr zu erzeugen;
1.2 der Maschinensatz wird synchronisiert, das heißt es werden die Phasen von Generator- und Netzspannung in Übereinstimmung gebracht; 1.3 der Maschinensatz wird durch Einspeisen von elektrischer Energie ins
Netz oder anderweitig (z. B. mittels Generatorbremse) belastet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einzelne oder alle Leitschaufeln zum Zwecke der Druckerhöhung wenigstens teilweise geschlossen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Maschinensätze vorgesehen sind, die von ein und demselben Druckrohr gespeist werden, und daß zwei oder mehrere Maschinensätze zum Unterstützen des Anfahrens des anderen
Maschinensatzes herangezogen werden.
4. Verfahren zum Anfahren eines Maschinensatzes, umfassend eine Pumpturbine und einen Motorgenerator, mit den folgenden Merkmalen: 4.1 es wird ein (regulierbares) Moment mit Hilfe der Generatorbremse aufgebracht;
4.2 der Maschinensatz wird synchronisiert, d.h. es werden die Phasen von Generator- und Netzspannung in Übereinstimmung gebracht;
4.3 der Maschinensatz wird durch Einspeisen elektrischer Energie ins Netz belastet.
5. Verfahren zum Anfahren eines Maschinensatzes, umfassend eine Pumpturbine und einen Motorgenerator, mit den folgenden Merkmalen:
5.1 der Drehzahlverlauf und die Phase der Generatorspannung werden über eine Vorwärtssimulatioπ im voraus berechnet; 5.2 die Maschine wird zunächst bis auf eine Drehzahl unterhalb der
Nenndrehzahl beschleunigt; 5.3 der Zeitpunkt des Beginns der weiteren Beschleunigung wird derart festgelegt, daß die Spannungssysteme des elektrischen Verbundnetzes sowie des Generators dann in Phase sind, wenn der Generator die Nenndrehzahl erreicht.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl, auf welche die Maschine beschleunigt wird, so nahe wie möglich bei der Nenndrehzahl liegt, daß sich aber der Leerlaufpunkt außerhalb des kritischen Kennfeldbereiches befindet.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer Vorwärtssimulation von Drehzahlverlauf und Phase der Generatorspannung der Zeitpunkt des Anfahrens so gewählt wird, daß nach der Beschleunigung des Maschinensatzes beim Erreichen der
Nenndrehzahl die Spannungssysteme des elektrischen Verbundnetzes sowie des Generators in Phase sind und somit ein Synchronisieren mit direkt anschließendem Belasten möglich ist, wobei die Leitschaufelöffnung ständig als Ergebnis der Vorwärtssimulation angepaßt wird.
PCT/EP1999/010268 1998-12-29 1999-12-22 Verfahren zum anfahren eines maschinensatzes, umfassend eine pumpturbine und einen motorgenerator WO2000039458A1 (de)

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