ES2627314T3 - Procedimiento de determinación del punto de operación de una maquina hidráulica e instalación para la conversión de energía hidráulica - Google Patents

Procedimiento de determinación del punto de operación de una maquina hidráulica e instalación para la conversión de energía hidráulica Download PDF

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Abstract

Procedimiento para la determinación del punto de operación de una máquina (20) hidráulica en un intervalo de operación considerado, tal como el modo de turbina, estando el procedimiento caracterizado porque incluye las etapas que consisten en: a) determinar dos coordenadas (N'11, T'11) de una primera serie de posibles puntos de operación de la máquina (20) hidráulica para una orientación afectada de los álabes (206) de guía de la máquina, b) medir la velocidad (N) de giro de la máquina, c) determinar el par (T) ejercido por el flujo (F) de agua en la máquina, d) calcular dos coordenadas (N11, T11) de una segunda serie de posibles puntos de operación de la máquina en función de la velocidad (N) de giro medida en la etapa b) y el par (T) determinado en la etapa c), y e) deducir dos coordenadas (N11_real, T11_real) del punto de operación que pertenece tanto a la primera como a la segunda series en dicho intervalo de operación considerado de la máquina.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento de determinacion del punto de operacion de una maquina hidraulica e instalacion para la conversion de ene^a hidraulica
La invencion se refiere a un procedimiento para determinar el punto de operacion de una maquina hidraulica que pertenece a una instalacion para la conversion de la energfa hidraulica en energfa mecanica o electrica. La invencion se refiere tambien a una instalacion para la conversion de energfa hidraulica en energfa mecanica o electrica en la que se puede implementar el procedimiento.
En el campo de la conversion de energfa hidraulica, es importante conocer el punto de operacion de una maquina hidraulica. Para este fin, algunos valores ffsicos, como el caudal o la carga neta de la instalacion, se necesitan. El problema es que estos valores ffsicos no se pueden medir adecuadamente.
De hecho, incluso si las mediciones de carga neta y de caudal son posibles en algunos casos, no son precisas y son diffciles de configurar.
El documento EP1 138 941 divulga un procedimiento para determinar la carga neta mediante la determinacion del punto de operacion actualmente medible de una maquina hidraulica, comparandolo con un valor de demanda y variando la carga neta alimentada en el regulador de la turbina hasta que los valores real y de demanda coincidan.
Por otra parte, no existe una medicion de caudal directo en las grandes plantas de energfa hidroelectrica. Los procedimientos indirectos se utilizan para determinar los valores ffsicos necesarios. Uno de estos procedimientos es el procedimiento de Winter-Kennedy, que a menudo se utiliza para realizar la medicion de la eficiencia en el sitio. Sin embargo, este procedimiento no se puede utilizar en condiciones de cafda de agua baja. Ademas, el procedimiento de Winter-Kennedy se basa en sensores de presion conectados al paso hidraulico por medio de pequenas tubenas derivadas. Estas tubenas pueden cerrarse por el polvo, moho o arena en condiciones de operacion, lo que afecta la precision de las mediciones.
La invencion pretende resolver este inconveniente proponiendo un procedimiento para la determinacion del punto de operacion de una maquina hidraulica que es mas fiable y que se puede implementar en condiciones de cafda de agua baja.
Para este fin, la invencion se refiere a un procedimiento como se define en la reivindicacion 1.
Gracias a la invencion, es posible determinar la carga neta y el caudal de la maquina hidraulica mediante la busqueda de su punto de operacion. El punto de operacion es el resultado de un calculo de algoritmo compilado por una unidad de control electronico, lo que significa que la instalacion no incluye ningun dispositivo de medicion vinculado al flujo de agua. Por lo tanto, calculos de la carga neta y del caudal son precisos para el agua "limpia", asf como para el agua "sucia", que es el agua que contiene impurezas, tales como polvo o arena.
Otros aspectos del procedimiento que son ventajosos, pero no obligatorios se especifican en las reivindicaciones 2 a 7.
La invencion se refiere tambien a una instalacion para la conversion de la energfa hidraulica en energfa mecanica o electrica tal como se define en la reivindicacion 8.
Otros aspectos de la instalacion que son ventajosos, pero no obligatorios se especifican en las reivindicaciones 9 a 11.
La invencion se explicara a continuacion en correspondencia con las Figuras, y como un ejemplo ilustrativo, sin limitar el objeto de la invencion. En las figuras:
- la Figura 1 es una seccion esquematica de una instalacion para la conversion de la energfa hidraulica en energfa electrica o energfa mecanica de acuerdo con la invencion, y
- la Figura 2 es un grafico que ilustra dos series de puntos de operacion potenciales de una maquina hidraulica que pertenece a la instalacion de la Figura 1.
La Figura 1 representa una instalacion 2 para la conversion de la energfa hidraulica en energfa mecanica o electrica. La instalacion 2 incluye una maquina hidraulica. En el ejemplo, esta maquina hidraulica es una turbina 20 Francis que utiliza energfa hidraulica para establecer un eje 201 en giro alrededor de un eje Z201. En el ejemplo considerado, el eje 201 se fija a un rotor no representado de un alternador para producir electricidad.
La turbina 20 incluye una voluta 200 que se soporta por bloques 22 y 24 de hormigon. Una tubena de carga no representada se extiende entre un deposito corriente arriba no representado y la voluta 200. Esta tubena de carga genera un flujo F de agua forzado para alimentar la turbina 20. La turbina 20 incluye un conducto 202 que esta rodeado por la voluta 200 y que incluye alabes 208 entre los que se hace fluir el agua en condiciones de operacion. Como resultado, el conducto 202 gira alrededor de un eje Z202 que se superpone con el eje Z201 de giro.
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Un distribuidor se dispone alrededor del conducto 202. Incluye una pluralidad de alabes 206 de grna moviles que se distribuyen uniformemente alrededor del conducto 202. Un distribuidor previo se dispone corriente arriba de y alrededor del distribuidor. El distribuidor previo se forma por una pluralidad de alabes 204 fijos distribuidos uniformemente alrededor del eje Z202 de giro del conducto 202.
Una tubena 26 de aspiracion se dispone debajo del conducto 202 y se adapta para evacuar el agua corriente abajo.
Los alabes 206 de grna del distribuidor tienen cada uno un paso ajustable alrededor de un eje Z206 paralelo al eje Z202 de giro del conducto 202. En consecuencia, se pueden girar alrededor del eje Z206 para regular el caudal de agua. Los alabes 206 de grna se orientan todos con el mismo angulo con respecto a una posicion cerrada. En otras palabras, los mismos estan sincronizados. La apertura de los alabes de grna, que es el grado de apertura de los alabes de grna con relacion a su posicion cerrada, se conoce ya que es un parametro que se controla.
El diagrama de colina de una turbina es una coleccion de puntos de operacion que son cada uno definido por un cuadruple de los valores N11, T11, Q11, Y en los que Y es la apertura de los alabes 206 de grna. En una Y dada Y= Y_real, una curva de "iso-apertura" se puede extraer del diagrama de colina. Para facilitar la comprension, los tripletes de los valores N'11, T'11, Q'11 se refieren a toda la coleccion de puntos de operacion de una curva de iso- apertura. Lostripletes de los valores N'11, T'11, Q'11 forman una primera serie de posibles puntos de operacion.
La Figura 2 muestra una curva C1 de iso-apertura ejemplar. En esta Figura, los puntos de operacion se colocan solamente en funcion de sus ejes de coordenadas a lo largo de N11 y sobre sus coordenadas a lo largo del eje T11. La curva de iso-apertura se representa en lmea de puntos. Se sabe que, en la apertura de los alabes de grna considerada, el punto de operacion de la turbina 20 esta en algun lugar en la curva C1 de iso-apertura. La serie de posibles puntos N'11, T'11, Q'11 de operacion se actualiza si, por cualquier razon, la apertura de los alabes de grna cambia.
A continuacion, se explica un procedimiento para determinar el punto de operacion de la turbina 20. El punto de operacion de la turbina 20 es un punto que tiene por coordenadas N11_real, T11_real, Q11_real.
En la Figura 2, el cuadrante superior derecho se corresponde con el modo de turbina, en el que se necesita determinar el punto de operacion de la maquina. El modo de turbina corresponde al cuadrante en el que N11 y T11 son ambos positivos.
Por definicion, T11, N11 y P11 son parametros caractensticos de la maquina hidraulica 20. Lo mismos vienen dados por las siguientes ecuaciones:
imagen1
(Ecuacion 1)
imagen2
(Ecuacion 2)
imagen3
(Ecuacion 3)
en las que T es el par ejercido por el flujo F de agua en el conducto 202, N es la velocidad de giro de la turbina 20, D es el diametro del conducto 202, H es la carga neta de la instalacion 2 y Q es el caudal de la instalacion 2.
Basandose en las ecuaciones anteriores, T11 puede expresarse en funcion de N11, como se presenta en la siguiente ecuacion:
imagen4
(Ecuacion 4)
La velocidad N de giro de la turbina 20 se puede determinar mediante la medicion de la frecuencia del alternador
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acoplado al eje 201. El par T de torsion ejercido por el flujo F de agua en la maquina 20 se puede calcular tomando como base la ecuacion de momento dinamico aplicada al eje 201 de la maquina 20. Esta ecuacion se detalla a continuacion:
imagen5
(Ecuacion 5)
en la que J es el momento de inercia del eje 201 y M es el par ejercido por el alternador sobre el eje 201.
A continuacion, es posible calcular las dos coordenadas N11, T11 de una segunda serie de posibles puntos de operacion basandose en la ecuacion 4. En la Figura 2, los puntos de operacion se posicionan en funcion de su coordenada a lo largo del eje N11 y de su coordenada a lo largo del eje T11. Para la claridad del grafico, los puntos de operacion posibles de la segunda serie estan representados por una curva C2 en lmea solida. Esta segunda serie de posibles puntos de operacion es dinamica ya que depende de la velocidad N de giro de la turbina y del par T ejercido por el flujo F de agua en el conducto 202. Como resultado, la segunda serie de posibles puntos de operacion se actualiza en funcion de la variacion de la velocidad N de giro y/o de la variacion del par T.
La segunda serie incluye los puntos de operacion posibles de la turbina 20 a una cierta velocidad N de giro del conducto 202 y a un par T de torsion determinado ejercido por el flujo F de agua en el conducto 202. En otras palabras, se sabe que a una velocidad N de giro y a un par T determinados, el punto de operacion de la turbina 20 esta en algun lugar en la curva C2 que une los puntos de la segunda serie.
Dos coordenadas del punto de operacion real de la turbina 20 a continuacion, se pueden deducir mediante la determinacion del punto que pertenece tanto a la primera como a la segunda serie. Este punto de operacion real se encuentra en la interseccion entre la curva C1 de iso-apertura y la curva C2. N11_real denota la coordenada del punto de operacion real a lo largo del eje N11 y T11_real denota la coordenada del punto de operacion real a lo largo del eje T11. En la practica, las dos coordenadas N11_real y T11_real del punto de operacion real se pueden interpolar numericamente. El punto de operacion real, se deduce en el intervalo de operacion considerado de la maquina, que esta en modo de turbina en el ejemplo. Tomando como base la ecuacion 1 o 2, la determinacion de las coordenadas N11_real, T11_real del punto de operacion real permite calcular la carga H neta de la instalacion 2. Este calculo de la carga neta es especialmente util cuando una medida directa de la carga neta no es posible o no es exacta. Por ejemplo, el calculo de la carga neta puede integrarse en un sistema de control de bucle destinado a la estabilizacion de la carga neta de una maquina hidraulica con S-caractensticas. S-caractensticas se pueden encontrar durante la puesta en marcha de una bomba-turbina en el modo de turbina o con una turbina de Francis bajo condiciones de cafda de agua alta.
El conocimiento de N11_real y T11_real permite determinar la tercera coordenada Q11_real por medio de una interpolacion del diagrama de colina. El caudal Q del flujo F de agua que pasa a traves de la turbina 20 se puede calcular despues tomando como base la ecuacion 3.
Las etapas de calculo del algoritmo para la determinacion de la carga H neta y del caudal Q se realizan automaticamente por una unidad de control electronico no representada que puede estar integrada en el controlador de la turbina.
Alguna derivada parcial asociada al cuadruple N11_real, Q11_real, T11_real, Y del punto de operacion real, puede
rjwn , Sun , <fru ,
ademas calcularse. Por ejemplo, algunas derivadas parciales son - Las mismas son
intrrnsecas al cuadruple de valores de puntos de operacion y se utilizan como entrada para determinar los parametros de control para la turbina 20, tal como la orientacion alabes de grna.
En realizacion no representada alternativa de la invencion, un procedimiento similar se puede implementar para determinar el punto de operacion de una turbina doblemente regulada, tal como una turbina Kaplan o una turbina de Bulbo. Una turbina doblemente regulada incluye un cubo equipado con alabes moviles. El caudal de agua que circula alrededor del cubo se regula tambien gracias a una serie de alabes de grna. En este caso, la primera serie de posibles puntos N'11, T'11 de operacion se determina para la orientacion afectada de los alabes moviles de la turbina doblemente regulada y para la apertura afectada de los alabes de grna. Utilizando el procedimiento descrito anteriormente, el mismo calculo se puede hacer para obtener la carga neta y el caudal de agua que fluye a traves de la turbina doblemente regulada.
En una realizacion alternativa no representada, el giro del eje 201 se utiliza para alimentar un dispositivo mecanico. La instalacion 2 convierte, a continuacion, la energfa hidraulica en energfa mecanica.
En una realizacion alternativa no representada, el procedimiento se puede implementar en una bomba o una bomba- turbina.
En una realizacion alternativa no representada, el intervalo de operacion en el que se determina el punto de operacion corresponde al modo de bomba.
Las caractensticas tecnicas de las diferentes realizaciones y de las realizaciones alternativas de la invencion descrita aqm anteriormente se pueden combinar juntos para generar nuevas realizaciones de la invencion.

Claims (11)

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    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento para la determinacion del punto de operacion de una maquina (20) hidraulica en un intervalo de operacion considerado, tal como el modo de turbina, estando el procedimiento caracterizado porque incluye las etapas que consisten en:
    a) determinar dos coordenadas (N'11, T'11) de una primera serie de posibles puntos de operacion de la maquina (20) hidraulica para una orientacion afectada de los alabes (206) de grna de la maquina,
    b) medir la velocidad (N) de giro de la maquina,
    c) determinar el par (T) ejercido por el flujo (F) de agua en la maquina,
    d) calcular dos coordenadas (N11, T11) de una segunda serie de posibles puntos de operacion de la maquina en funcion de la velocidad (N) de giro medida en la etapa b) y el par (T) determinado en la etapa c), y
    e) deducir dos coordenadas (N11_real, T11_real) del punto de operacion que pertenece tanto a la primera como a la segunda series en dicho intervalo de operacion considerado de la maquina.
  2. 2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque incluye una etapa f) posterior a la etapa e) que consiste en calcular la carga (H) neta sometida a la maquina (20) hidraulica basandose en las dos coordenadas del punto (N11_real, T11_real) de operacion deducidas en la etapa e) y en la velocidad (N) de giro o el par (T) determinado en la etapa b) o c).
  3. 3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, caracterizado porque incluye una etapa g) posterior a la etapa e) que consiste en calcular, basandose en las dos coordenadas (N11_real, T11_real) del punto de operacion deducidas en la etapa e), una tercera coordenada (Q11_real) del punto de operacion de la maquina (20).
  4. 4. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 2 y 3, caracterizado porque incluye una etapa h) posterior a las etapas f) y g) que consiste en calcular el caudal (Q) de agua que pasa a traves de la maquina (20) basandose en la carga (H) neta calculada en la etapa f) y la tercera coordenada (Q11_real) del punto de operacion calculada en la etapa g).
  5. 5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 3 o 4, caracterizado porque incluye ademas una etapa que consiste en calcular alguna derivada parcial asociada a las coordenadas (N11_real, Q11_real, T11_real) del punto de operacion de la maquina.
  6. 6. Procedimiento de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, caracterizado porque, en la etapa d), el punto de operacion real (N11_real, T11_real) se deduce por interpolacion.
  7. 7. Procedimiento de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, caracterizado porque la maquina hidraulica es una turbina doblemente regulada, que comprende un cubo equipado con alabes moviles y porque, en la etapa a), las dos coordenadas (N'11, T'11) de la primera serie de posibles puntos de operacion se determinan tambien para una orientacion afectada de los alabes moviles de la maquina.
  8. 8. Instalacion (2) para convertir la energfa hidraulica en energfa mecanica o electrica, que comprende una maquina (20) hidraulica y caracterizada porque incluye, ademas:
    - medios para determinar dos coordenadas (N'11, T'11) de una primera serie de posibles puntos de operacion de la maquina (20) hidraulica para una orientacion afectada de los alabes (206) de grna de la maquina,
    - medios para medir la velocidad (N) de giro de la maquina, y
    - medios para determinar el par (T) ejercido por el flujo (F) de agua en la maquina,
    - medios para calcular dos coordenadas de una segunda serie de puntos (N11, T11) de operacion potenciales de la maquina en funcion de la velocidad (N) de giro medida en la etapa b) y el par (T) determinado en la etapa c), y
    - medios para deducir dos coordenadas (N11_real, T11_real) del punto de operacion que pertenece tanto a la primera como la segunda series en un intervalo de operacion considerado de la maquina, tal como el modo de turbina.
  9. 9. Instalacion de acuerdo con la reivindicacion 8, caracterizada porque la maquina (20) hidraulica es una turbina Francis.
  10. 10. Instalacion de acuerdo con la reivindicacion 8, caracterizada porque la maquina hidraulica es una bomba- turbina.
  11. 11. Instalacion de acuerdo con la reivindicacion 8, caracterizada porque la maquina hidraulica es una turbina doblemente regulada, que comprende un cubo equipado con alabes moviles y porque los medios para determinar las dos coordenadas (N'11 T'11) de la primera serie de puntos de operacion consideran tambien una orientacion afectada de los alabes moviles de la maquina.
ES14290276.6T 2014-09-15 2014-09-15 Procedimiento de determinación del punto de operación de una maquina hidráulica e instalación para la conversión de energía hidráulica Active ES2627314T3 (es)

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