KR102343779B1

KR102343779B1 - 수력 에너지를 변환하기 위한 수력학적 기계 및 시설의 작동점을 결정하기 위한 방법

Info

Publication number: KR102343779B1
Application number: KR1020177009777A
Authority: KR
Inventors: 캉탱 알루앙; 니콜라 페리생-파베르; 르노 기욤
Original assignee: 지이 르네와블 테크놀로지즈
Priority date: 2014-09-15
Filing date: 2015-08-18
Publication date: 2021-12-24
Also published as: CN106687684A; KR20170055517A; EP2995808B8; EP2995808A1; RU2017107718A3; US10598145B2; RU2017107718A; ES2627314T3; CN106687684B; RU2717468C2; EP2995808B1; PT2995808T; US20170254313A1; WO2016041719A1

Abstract

본 방법은, 터빈 모드와 같이 고려되는 작동 범위에서 수력학적 기계의 작동점을 결정하는 것을 가능하게 하며, a) 수력학적 기계의 가이드 베인에 영향을 받는 배향에 대해 수력학적 기계의 잠재적인 작동점의 제1 세트의 2개의 좌표(N’11, T’11)를 결정하는 단계, b) 수력학적 기계의 회전 속도를 측정하는 단계, 및 c) 수류에 의해 수력학적 기계에 가해지는 토크를 결정하는 단계로 이루어진 단계들을 포함한다. 상기 방법은, d) 단계 b)에서 측정된 회전 속도(N) 및 단계 c)에서 결정된 토크의 함수로서 수력학적 기계의 잠재적인 작동점의 제2 세트의 2개의 좌표(N11, T11)를 계산하는 단계, 및 e) 수력학적 기계의 상기 고려되는 작동 범위에서 상기 제1 세트 및 상기 제2 세트 양자 모두에 속하는 작동점의 2개의 좌표(N11_real, T11_real)를 유도하는 단계로 이루어진 단계들을 더 포함한다.

Description

수력 에너지를 변환하기 위한 수력학적 기계 및 시설의 작동점을 결정하기 위한 방법{METHOD FOR DETERMINING THE OPERATING POINT OF A HYDRAULIC MACHINE AND INSTALLATION FOR CONVERTING HYDRAULIC ENERGY}

본 발명은 수력 에너지를 기계적 에너지 또는 전기적 에너지로 변환하기 위한 설비에 속하는 수력학적 기계의 작동점을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 수력 에너지를 기계적 에너지 또는 전기적 에너지로 변환하기 위한 설비로서, 이 설비 상에서 상기 방법이 실시될 수 있는 것인 설비에 관한 것이다.

수력 에너지 변환 분야에 있어서, 수력학적 기계의 작동점을 알아내는 것은 중요하다. 이를 위해, 일부 물리적 값, 예컨대 설비의 순 수두(net head) 또는 유량이 필요하다. 문제는, 이들 물리적 값을 적절하게 측정할 수 없다는 것이다.

실제로, 일부 경우에 있어서는, 심지어 순 수두 측정 및 유량 측정이 가능하다고 하더라도, 이러한 측정은 정확하지 않고, 셋업(set up)하기가 곤란하다.

더욱이, 대형 수력 전기 발전소에 대한 직접적인 유량 측정법은 존재하지 않는다. 필요한 물리적 값을 결정하기 위해서 간접적인 방법이 사용된다. 이러한 방법들 중 하나는 윈터-케네디 방법(Winter-Kennedy Method)이며, 이 방법은 현장에서의 효율 측정을 실시하기 위해 종종 사용된다. 그러나, 이러한 방법은 로우 워터폴(low waterfall) 조건 하에서는 사용될 수 없다. 게다가, 윈터-케네디 방법은, 소형 파생 파이프를 이용하여 수력학적 통로에 연결되는 압력 센서에 의존한다. 이러한 파이프는 작동 조건에서 먼지, 녹, 또는 모래에 의해 폐쇄될 수 있으며, 이는 측정 정확도에 영향을 준다.

본 발명은, 더욱 신뢰성이 있으며 로우 워터폴 조건 하에서 실시될 수 있는, 수력학적 기계의 작동점 결정 방법을 제안함으로써, 이러한 단점을 해소하는 것을 목적으로 한다.

이를 위해, 본 발명은 청구항 1에서 한정되는 바와 같은 방법에 관한 것이다.

본 발명으로 인해, 수력학적 기계의 작동점을 획득함으로써 수력학적 기계의 유량 및 순 수두를 결정하는 것이 가능하다. 상기 작동점은 전자 제어 유닛에 의해 컴파일(compile)되는 알고리즘 계산으로부터 얻어지며, 이는, 수류에 연결되는 어떠한 측정 디바이스도 전술한 설비에 포함되지 않는다는 것을 의미한다. 따라서, 순 수두 계산 및 유량 계산은 “깨끗한” 물(clean water)에 대해서 정확할 뿐만 아니라, 먼지 또는 모래와 같은 불순물을 함유한 물인 “더러운” 물(dirty water)에 대해서도 정확하다.

유리하지만 강제하는 것은 아닌 상기 방법의 추가적인 양태는, 청구항 2 내지 청구항 7에서 특정된다.

본 발명은 또한 청구항 8에서 한정되는 바와 같이 수력 에너지를 기계적 에너지 또는 전기적 에너지로 변환하기 위한 설비에 관한 것이다.

유리하지만 강제하는 것은 아닌 상기 설비의 추가적인 양태는, 청구항 9 내지 청구항 11에서 특정된다.

본 발명은 이하에서 도면에 대응하게 설명될 것이지만, 본 발명의 대상을 한정하지 않으면서 예시적인 예로서만 설명된다.
도 1은 본 발명에 따라 수력 에너지를 전기적 에너지 또는 기계적 에너지로 변환하기 위한 설비의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 설비에 속하는 수력학적 기계의 잠재적인 작동점의 2가지 세트(series)를 예시하는 그래프이다.

도 1은 수력 에너지를 기계적 에너지 또는 전기적 에너지로 변환하기 위한 설비(2)를 나타낸 것이다. 이 설비(2)는 수력학적 기계를 포함한다. 이러한 예에 있어서, 상기 수력학적 기계는, 축(Z201)을 중심으로 회전하는 샤프트(201)를 세팅(setting)하기 위해 수력 에너지를 이용하는 프란시스 터빈(Francis turbine; 20)이다. 고려하는 예에 있어서, 샤프트(201)는, 전기 생산을 위해 교류발전기의 도시되지 않은 로터에 고정된다.

터빈(20)은, 콘크리트 블록(22 및 24)에 의해 지지되는 볼류트(200; volute)를 포함한다. 도시되지 않은 상류 저수지와 볼류트(200) 사이에는 도시되지 않은 펜스톡(penstock)이 연장된다. 이러한 펜스톡은 터빈(20)에 동력을 공급하도록 강제되는 수류(F)를 발생시킨다. 터빈(20)은, 볼류트(200)에 의해 둘러싸이고 블레이드(208)들을 포함하는 러너(runner; 202)를 포함하며, 작동 조건에서는 상기 블레이드들 사이로 물이 흐르게 된다. 결과적으로, 러너(202)는, 회전 축선(Z201)과 중첩되는 축선(Z202)을 중심으로 회전한다.

상기 러너(202) 주위에는 분배기가 배치된다. 분배기는, 러너(202) 주위로 고르게 분배되는 복수 개의 가동 가이드 베인(guide vane; 206)을 포함한다. 상기 분배기의 상류에 상기 분배기 주위로 사전 분배기(pre-distributor)가 배치된다. 사전 분배기는, 러너(202)의 회전 축선(Z202)을 중심으로 고르게 분배되는 복수 개의 고정 베인(204)에 의해 형성된다.

흡입 파이프(26)가 러너(202) 아래에 배치되고, 흡입 파이프는 하류에서 물을 배출하도록 되어 있다.

분배기의 가이드 베인(206)들은, 러너(202)의 회전 축선(Z202)에 대해 평행한 축선(Z206)을 중심으로 각각 조정 가능한 피치를 갖는다. 결과적으로, 가이드 베인들은 물의 유량을 조절하기 위해 축선(Z206)을 중심으로 선회될 수 있다. 가이드 베인(206)들은 폐쇄 위치에 대해 모두 동일한 각도로 배향된다. 다시 말하면, 가이드 베인들은 동기화되어 있다. 가이드 베인의 폐쇄 위치에 대한 가이드 베인의 개방 정도인, 가이드 베인 개방도는, 제어되는 파라메타인 것으로 알려져 있다.

터빈의 힐차트(hillchart)는, Y가 가이드 베인(206)의 개방도일 때, 4개 1조의 값(N11, T11, Q11, Y)에 의해 각각 형성되는 작동점들을 모은 것이다. Y=Y_real로 주어지면, “등방 개방(iso-opening)” 곡선이 힐차트로부터 추출될 수 있다. 이해를 돕기 위해, 3개 1조의 값(N’11, T’11, Q’11)은 등방 개방 곡선의 작동점들을 모두 모은 것이다. 3개 1조의 값(N’11, T’11, Q’11)은 잠재적인 작동점들의 제1 세트를 형성한다.

도 2는 등방 개방 곡선의 예(C1)를 도시한 것이다. 이 도면 상에서, 작동점은 오직 N11 축을 따르는 작동점들의 좌표 및 T11 축선을 따르는 작동점들의 좌표에만 의존하여 위치 결정된다. 등방 개방 곡선은 점선으로 도시되어 있다. 고려되는 가이드 베인 개방도에 있어서, 터빈(20)의 작동점은 등방 개방 곡선(C1) 상의 어느 지점이라는 것을 알게 된다. 잠재적인 작동점(N’11, T’11, Q’11)의 세트는, 어떠한 이유로든 가이드 베인 개방도가 변하면 업데이트된다.

이하에서, 터빈(20)의 작동점을 결정하는 방법을 설명할 것이다. 터빈(20)의 작동점은, 좌표 N11_real, T11_real, Q11_real을 갖는 점이다.

도 2 상에서, 우측 상방의 4분면은 터빈 모드(turbine mode)에 대응하며, 여기서는 수력학적 기계의 작동점을 결정하기 위해 이 4분면이 필요하다. 터빈 모드는, N11 및 T11 양자 모두가 양수인 4분면에 대응한다.

정의에 따라, T11, N11 및 Q11은 수력학적 기계(20)의 특징적인 파라메타이다. 이러한 파라메타는 다음의 등식에 의해 주어진다.

T11=T/(D³*H) (등식 1)

N11=(N*D)/√H (등식 2)

Q11=(Q*D²)/√H (등식 3)

여기서 T는 수류(F)에 의해 러너(202)에 가해지는 토크이며, N은 터빈(20)의 회전 속도이고, D는 러너(202)의 직경이며, H는 설비(2)의 순 수두이고, Q은 설비(2)의 유량이다.

위 등식에 기초하면, T11은 다음의 등식으로 제시된 바와 같이 N11의 함수로서 표현될 수 있다.

T11={T/(D⁵*N²)}*N11² (등식 4)

터빈(20)의 회전 속도(N)는 샤프트(201)에 결합된 교류발전기의 주파수를 측정함으로써 결정될 수 있다. 수류(F)에 의해 기계(20)에 가해지는 토크(T)는 기계(20)의 샤프트(201)에 적용되는 동적 운동량 등식에 기초하여 계산될 수 있다. 이 등식은 아래에 설명된다.

(π/30)*J*(dN/dt)=M+T (등식 5)

여기서 J는 샤프트(201)의 관성 모멘트이며, M은 교류발전기에 의해 샤프트(201)에 가해지는 토크이다.

이때, 등식 4에 기초하여 잠재적인 작동점의 제2 세트의 2개의 좌표(N11, T11)를 계산하는 것이 가능하다. 도 2 상에서, 작동점은, N11 축선을 따르는 작동점들의 좌표 및 T11 축선을 따르는 작동점들의 좌표의 함수로서 위치 결정된다. 그래프의 명확성을 위해, 제2 세트의 잠재적인 작동점은 실선으로 곡선(C2)으로 제시된다. 잠재적인 작동점의 이러한 제2 세트는, 상기 세트가 터빈의 회전 속도(N) 및 수류(F)에 의해 러너(202)에 가해지는 토크(T)에 좌우되기 때문에 동적이다. 결과적으로, 잠재적인 작동점의 제2 세트는, 회전 속도(N) 변동 및/또는 토크(T) 변동의 함수로서 업데이트된다.

상기 제2 세트는 러너(202)의 특정 회전 속도(N) 및 수류(F)에 의해 러너(202)에 가해지는 특정 토크(T)에서의 터빈(20)의 잠재적인 작동점을 포함한다. 달리 말하면, 결정된 회전 속도(N) 및 토크(T)에 있어서, 터빈(20)의 작동점은 제2 세트의 작동점들을 연결하는 곡선(C2) 상의 어떤 지점이라는 것을 알게 된다.

터빈(20)의 실제 작동점의 2개의 좌표는 이제 제1 세트 및 제2 세트 양자 모두에 속하는 지점을 결정함으로써 유도된다. 이러한 실제 작동점은 등방 개방 곡선(C1)과 곡선(C2) 사이의 교차점에 위치하게 된다. N11_real은 N11 축을 따르는 실제 작동점의 좌표를 나타내며, T11_real은 T11 축을 따르는 실제 작동점의 좌표를 나타낸다. 실제로, 실제 작동점의 2개의 좌표(N11_real 및 T11_real)는 수치적으로 내삽될 수 있다. 실제 작동점은, 본 예에서는 터빈 모드인, 상기 기계의 고려되는 작동 범위에서 유도된다. 등식 1 및 등식 2에 기초하면, 실제 작동점의 좌표(N11_real 및 T11_real)에 대한 결정은 설비(2)의 순 수두(H)의 계산을 가능하게 한다. 이러한 순 수두 계산은, 순 수두의 직접 측정이 가능하지 않거나 또는 정확하지 않을 때면 언제든지 매우 유용하다. 예를 들면, 순 수두 계산은 S-특성(S-characteristics)을 갖는 수력학적 기계의 순 수두를 안정화시키는 것을 목적으로 하는 루프 제어 시스템에 통합될 수 있다. S-특성은, 터빈 모드에서의 펌프-터빈 시동 중에 또는 하이 워터폴(high waterfall) 조건 하에서의 프란시스 터빈의 경우에 나타날 수 있다.

N11_real 및 T11_real에 대해 알게 되면, 힐차트의 내삽을 이용하여 제3의 좌표 Q11_real을 결정하는 것이 가능하게 된다. 터빈(20)을 통과하는 수류(F)의 유량(Q)은 이제 등식 3에 기초하여 계산될 수 있다.

순 수두(H) 및 유량(Q)을 결정하기 위한 알고리즘의 계산 단계는, 터빈 제어기에 통합될 수 있는, 도시되지 않은 전자 제어 유닛에 의해 자동적으로 행해진다.

실제 작동점의 4개 1조(N11_real, Q11_real, T11_real, Y)와 관련되는 일부 부분 도함수가 또한 계산될 수 있다. 예를 들면, 상기 일부 부분 도함수는

등이다. 이들 도함수는 작동점의 4개 1조 값에 대해 고유한 것이며, 터빈(20)의 제어 매개변수, 예컨대 가이드 베인 배향을 결정하기 위한 입력으로서 사용된다.

본 발명의 도시되지 않은 변형예에 있어서, 이중 조절형 터빈, 예컨대 카플란 터빈(Kaplan turbine) 또는 벌브 터빈(Bulb turbine)의 작동점을 결정하기 위해 유사한 방법이 실시될 수 있다. 이중 조절형 터빈은, 가동 블레이드를 갖춘 허브(hub)를 포함한다. 허브 주위를 순환하는 물의 유량은 또한 일련의 가이드 베인으로 인해 조절된다. 이러한 경우에 있어서, 잠재적인 작동점의 제1 세트(N’11, T’11)는, 이중 조절형 터빈의 가동 블레이드에 영향을 받는 배향에 대해 그리고 가이드 베인에 영향을 받는 개방도에 대해 결정된다. 앞서 설명한 방법을 이용하면, 이중 조절형 터빈을 통해 흐르는 물의 유량 및 순 수두를 획득하기 위해 동일한 계산이 행해질 수 있다.

도시되지 않은 변형예에 있어서, 샤프트(201)의 회전은 기계적 디바이스에 동력을 공급하기 위해 사용된다. 이때, 설비(2)는 수력 에너지를 기계적 에너지로 변환한다.

도시되지 않은 변형예에 있어서, 상기 방법은 펌프 상에서 또는 펌프-터빈 상에서 실시될 수 있다.

도시되지 않은 변형예에 있어서, 작동점이 결정되는 작동 범위는 펌프 모드에 대응한다.

본 발명의 다양한 실시예 및 변형예의 기술적 특징들이 이상에 설명되어 있으며, 이들 특징은 본 발명의 신규의 실시예를 형성하기 위해 함께 조합될 수 있다.

Claims

터빈 모드와 같이 고려되는 작동 범위에서 수력학적 기계(20)의 작동점을 결정하기 위한 방법으로서,
a) 수력학적 기계의 가이드 베인(206; guide vane)에 영향을 받는 배향에 대해 수력학적 기계(20)의 잠재적인 작동점들의 제1 세트(series)의 2개의 좌표(N’11, T’11)를 결정하는 단계;
b) 수력학적 기계의 회전 속도(N)를 측정하는 단계;
c) 수류(F)에 의해 수력학적 기계에 가해지는 토크(T)를 결정하는 단계;
d) 단계 b)에서 측정된 회전 속도(N) 및 단계 c)에서 결정된 토크(T)의 함수로, 수력학적 기계의 잠재적인 작동점의 제2 세트의 2개의 좌표(N11, T11)를 계산하는 단계;
e) 수력학적 기계의 상기 고려되는 작동 범위에서 상기 제1 세트 및 상기 제2 세트 양자 모두에 속하는 작동점의 2개의 좌표(N11_real, T11_real)를 유도하는 단계
로 이루어진 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 방법은,
단계 e) 다음의 단계 f)로서, 단계 e)에서 유도된 작동점(N11_real, T11_real)의 2개의 좌표 및 단계 b) 또는 단계 c)에서 정해진 회전 속도(N) 또는 토크(T)에 기초하여, 수력학적 기계(20)에서 나타나는 순 수두(H; net head)를 계산하는 단계를 포함하는 것인 단계 f)
를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서, 상기 방법은,
단계 e) 다음의 단계 g)로서, 단계 e)에서 유도된 작동점의 2개의 좌표(N11_real, T11_real)에 기초하여, 수력학적 기계(20)의 작동점의 제3 좌표(Q11_real)를 계산하는 단계를 포함하는 단계 g)
를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제3항에 있어서, 상기 방법은,
단계 f) 및 단계 g) 다음의 단계 h)로서, 단계 f)에서 계산된 순 수두(H) 및 단계 g)에서 계산된 작동점의 제3 좌표(Q11_real)에 기초하여, 수력학적 기계(20)를 통과하는 물의 유량(Q)을 계산하는 단계를 포함하는 것인 단계 h)
를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제3항에 있어서, 상기 방법은,
기계 작동점의 좌표(N11_real, Q11_real, T11_real)와 관련되는 일부 부분 도함수를 계산하는 단계를 포함하는 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 단계 d)에서, 내삽에 의해 실제 작동점(N11_real, T11_real)이 유도되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수력학적 기계는 이중 조절형 터빈(double-regulated turbine)이며, 상기 이중 조절형 터빈은 가동 블레이드가 갖춰진 허브를 포함하고, 단계 a)에서, 잠재적인 작동점의 제1 세트의 2개의 좌표(N'11, T'11)는 또한 수력학적 기계의 가동 블레이드에 영향을 받는 배향에 대해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
수력학적 기계(20)를 포함하며 수력 에너지를 기계적 에너지 또는 전기적 에너지로 변환하기 위한 설비(2)로서,
- 수력학적 기계의 가이드 베인(206; guide vane)에 영향을 받는 배향에 대해 수력학적 기계(20)의 잠재적인 작동점들의 제1 세트(series)의 2개의 좌표(N'11, T'11)를 결정하기 위한 수단;
- 수력학적 기계의 회전 속도(N)를 측정하기 위한 수단;
- 수류(F)에 의해 수력학적 기계에 가해지는 토크(T)를 결정하기 위한 수단;
- 회전 속도(N)를 측정하기 위한 수단에 의해 측정된 회전 속도(N) 및 토크(T)를 결정하기 위한 수단에 의해 결정된 토크(T)의 함수로, 수력학적 기계의 잠재적인 작동점의 제2 세트의 2개의 좌표(N11, T11)를 계산하기 위한 수단;
- 터빈 모드와 같이 수력학적 기계의 고려되는 작동 범위에서 상기 제1 세트 및 상기 제2 세트 양자 모두에 속하는 작동점의 2개의 좌표(N11_real, T11_real)를 유도하기 위한 수단
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 설비.
제8항에 있어서, 상기 수력학적 기계는 프란시스 터빈(20; Francis turbine)인 것을 특징으로 하는 설비.
제8항에 있어서, 상기 수력학적 기계는 펌프 터빈인 것을 특징으로 하는 설비.
제8항에 있어서, 상기 수력학적 기계는 이중 조절형 터빈(double-regulated turbine)이며, 상기 이중 조절형 터빈은 가동 블레이드가 갖춰진 허브를 포함하고, 작동점의 제1 세트의 2개의 좌표(N’11, T’11)를 결정하기 위한 수단은, 수력학적 기계의 가동 블레이드에 영향을 받는 배향을 또한 고려하는 것을 특징으로 하는 설비.