DE2165635A1

DE2165635A1 - Anordnung zum optimalen einstellen der laufschaufeln von wasserturbinen

Info

Publication number: DE2165635A1
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: 1973-07-12
Also published as: CH563527A5; FR2167179A5; NO134714C; SE383386B; IT972761B; NO134714B; US3848171A; DE2165635B2; BR7209192D0; AT322473B; JPS4873628A

Description

Anordnung zum optimalen Einstellen der Laufschaufeln von Wasserturbinen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum optimalen Einstellen der Laufschaufeln von Wasserturbinen. Bisher war zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades eine manuelle Einstellung des Anstellwinkels der Laufschaufeln üblich oder eine feste Zuordnung zwischen der Leitschaufelstellung und dem Anstellwinkel der Laufschaufeln getroffen, wobei aber eine Reihe von empirisch ermittelten Zusammenhängen zwischen den einzelnen Betriebeparametern, wie z.B.. Durchflußmenge, Fallhöhe oder abgegebener elektrischer Leistung der Wasserturbine berücksichtigt werden mußte, was eine laufende und nicht eben einfache Neujustage bei sich ändernden Betriebeparametern erforderlich machte und in den meisten Fällen den optimalen Wirkungsgrad überhaupt nicht erreichen ließ.. Es ist Aufgabe der Erfindung, die jeweils dem optimalen Wirkungsgrad der Wasserturbine zugeordnete Laufschaufelstellung bei sich beliebig ändernden Betriebsparametern selbsttätig herbeizuführen.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß zur Ermittlung der Streckenverstärkung zwischen Laufschaufeistellung und Wirkungsgrad oder der Verlustleistung der Wasserturbine eine an sich bekannte Identifizierungsschaltung vorgesehen ist, deren Ausgangsgröße als Istwert einem Extremalwert— regler zugeführt ist, dessen Ausgangssignal über e,in Stellglied die Laufschaufeln verstellt. Als Identifizierungsschaltung kann hierbei eine im Zusammenhang mit der adaptiven Drehzahlregelung bekannte Anordnung verwendet werden oder auch, eine gemäß der deutschen Offenlegungsschrift 1 815

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bekannte Schaltung zur Streckenverstärkungsidentifizierung, welche einen speichernden Quotientenbildner enthält, dessem ." Dividendeneingang über ein Vorhaltglied der Ausgang der zu identifizierenden Strecke und dessem Divisoreingang ihr Eingangssignal über ein weiteres Vorhaltglied sowie einer Streckennachbildung zugeführt ist, wobei der Quotientenbildner selbst in Form eines über einen Multiplizierer gekoppelten Integrators ausgebildet ist. Eine gute Langzeitkonstanz dieses speichernden Quotientenbildners ergibt sich nun, wenn dieser Integrator aus einem Stellmotor besteht, der mit dem Schleifer eines an einer konstanten Spannung liegenden Potentiometers mechanisch gekoppelt ist. Eine große Genauigkeit ergibt sich, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Extremalwertregler Integralverhalten aufweist. Als zweckmäßig erweist es sich, wenn eine Vorsteuerung der Laufschaufeisteilung erfolgt, indem gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung das Stellglied mit einer die Leitschaufelstellung beeinflussenden Größe zusätzlich beaufschlagt"ist. Damit können auch gewisse Sonderbetriebsfälle, wie z.B. das Anfahren einwandfrei beherrscht werden.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher veranschaulicht werden.

Im Diagramm der Fig. 1 gibt die voll ausgezogene Kurve die Abhängigkeit des Wirkungsgrades /, der Wasserturbine vom Anstellwinkel ocihrer Laufschaufeln wieder. Diese Abhängigkeit gelte für einen bestimmten Satz von Betriebsparametern. Ändern sich diese, so wird sich auch der Verlauf der Wirkungsgradkurve ändern, stets wird jedoch jeweils bei einem, fallweise verschiedenen WinkelOC , der Laufschaufeln die Wirkungsgradkurve ein Maximum aufweisen, was regelungstechnisch auch so ausgedrückt werden kann, daß bei einem solchen Arbeitspunkt der Verstärkungsfaktor zwischen Lauffschaufelstellung bzw. Anstellwinkel Oi und Wirkungsgrad Null ist. Für einen

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solchen Arbeitspunkt mit maximalem Wirkungsgrad wäre dann die Verlustleistung ET der Wasserturbine ein Minimum, wie dies aus dem Verlauf der gestrichelt gezeichneten Verlustleistungskurve hervorgeht. Die Lage des optimalen Arbeitspunktes, entsprechend C^₀-Q+* i^s"t nun in starkem Maße veränderlich von zuvor erwähnten Betriebsparametern.

Fig. 2 zeigt die grundsätzliche Struktur des Streckenabschnittes der Wasserturbine, der den Anstellwinkel (Xder Laufschaufeln als Eingangsgröße und den Wirkungsgrad Y? 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.

Tn Pig. 3 ist eine Kaplan-Turbine 3 mit Laufschaufeln 4 angedeutet, welche aus einem höherliegenden Wasserreservoir 5 mit Wasser beaufschlagt ist. Je nach dem Sollwert Ii* 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, Ί) bezeichnetes Drehstromnetz einspeist. An seine Ausgangeklemmen ist zur Erfassung seiner Wirkleistung ein wattmetrisches Meßinstrument 11 angeschlossen, dessen Ausgangsgröße Έ , den Istwert des Leistungsreglers 6 bildet.

Damit die geforderte elektrische Leistung ΪΓ* bei einem mög-

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liehst großen Wirkungsgrad f£ abgegeben wird, ist ein Regler 12 vorgesehen,, dessen Ausgangsgröße Q^ über ein vorzugsweise elektrohydraulisches Stellglied 13 den Anstellwinkel c?C der Laufschaufeln 4 verstellen kann. Auf den Eingang des Stellgliedes 13 kann zusätzlich eine Versteuerung in Form des über einen Funktionsgenerator FG geführten Ausgangssignals A 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 X und seiner Ausgangsgröße OO 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 IS bezeichneten Identifizierungsschaltung zugeführt ist. Die Identifizierungs-

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Schaltung dient in an sich, bekannter Weise dazu, die Verstärkung der Strecke bzw. des Übertragungssystems zu finden, welches durch die Größe OC alsEingangsgröße und den Wirkungsgrad 0 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 eines Dividierers 19 verbunden, welcher eingangsseitig von der am Ausgang des Meßinstruments 11 abgenommen, der abgegebenen leistung N -. proportionalen Spannung,und von einer der aufgenommenen Leistung N .» 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 Ausgangesignal m eines Durchflußmengenmessers 22 beaufschlagt ist. Der Durchflußmengenmesser ist als sogenannter Druekunterschiedszähler ausgebildet und benutzt den beim Wasserdurchfluß auftretenden Druckunterschied am normalen und einem verengten Rohrctuerschnitt. Das Produkt aus Fallhöhe und Durchflußmenge ist der aufgenommenen Leistung proportional. Der mit dem an der Ausgangsklemme 15 der Identifizierungsschaltung auftretenden Spannung, d.h. also mit einer Spannung, welcher dem (statischen) Verstärkungsfaktor K zwischen Qi und f? proportional ist, beaufschlagte Regler 12 wird also solange eine Verstellung des Anstellwinkels ex. der Laufschaufeln 4 bewirken, bis ein derartiger Arbeitspunkt erreicht ist, bei welchem diese Verstärkung K gleich dem ihm zugeführten Sollwert, d.h. zu Hull 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 Extremalwertregler anzusprechen.

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Werden die mit 18 und 14 "bezeichneten Schaltbrüeken in ihre waagerechte Stellung gebracht, dann wird der Eingangsklemme der Identifizierungsschaltung eine der Verlustleistung des Maschinensatzes proportionale Spannung N . welche in einem Operationsverstärker 23 als Differenz zwischen aufgenommener und abgegebener Leistung ermittelt wird, zugeführt. Da nunmehr das Ausgangssignal der Identifizierungsschaltung dem Eingang des Extremalwertreglers 12 nicht mehr additiv sondern subirsäckbr zugeführt wird, kehrt sich der Regelsinn ua,er wird nun eine derartige Verstellung des Anstellwinkelsotder laufschaufeln 4 bewirken, welche zu einem Minimum der Verlustleistung N führt, wodurch wiederum selbsttätig der optimale Arbeitspunkt eingestellt ist.

Pig. 4 zeigt nähere Einzelheiten zum Aufbau der Identifizierungsschaltung IS. 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 solange verstellt, als das Ausgangssignal 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 G- . Die Streckennachbildung M ist ein vollständiges Modell der zwischen qL und η liegenden

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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 Pig. 2 diesem nachgeordnete Eingriffsstelle für eine additiv wirkende Störgröße. Die beiden Yorhaltglieder 24 und 31 sind von gleichem Aufbau, so daß mit der in Pig. 4 dargestellten Anordnung in an sich bekannter Weise an der Ausgangsklemme 15 ein der Verstärkung der betrachteten Strecke entsprechende Spannung erscheint. .

4 Patentansprüche
4 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

Anordnung zum optimalen Einstellen der Laufschaufeln von Wasserturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der StreckenverStärkung (K) zwischen der Laufschaufeist ellung ((X) und dem Wirkungsgrad ( l£ ) oder der Verlustleistung (N ) der Wasserturbine (3) eine an sich bekannte Identifizierungsschaltung (IS) vorgesehen ist, deren Ausgangsgröße (K) als Istwert einem Extremalwertregler (12) zugeführt ist, dessen Ausgangssignal über ein Stellglied (13) die laufschaufeln (4) verstellt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

der Extremalwertregler (12) Integralverhalten aufweist.
3. Anordnung insbesondere nach Anspruch 1 mit einer einen speichernden Quotientenbildner in Form eines über einen Multiplizierer rückgekoppelten Integrators enthaltende Identifizierungsschaltung (IS), dadurch gekennzeichnet, daö der Integrator aus einem Stellmotor (27) besteht, der mit dem Schleifer eines an einer konstanten Spannung (P) liegenden Potentiometers (29) mechanisch gekuppelt ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (13) mit einer die leitschaufelstellung beeinflussenden Größe ( /\ ) zusätzlich beaufschlagt ist.

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