NO126753B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte for bestemmelse av den optimale Procedure for determining the optimum

skovelinnstilling i en vannturbin. blade setting in a water turbine.

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for bestemmel- The invention relates to a method for determining

se av den optimale skovelinnstilling i vannturbiner, hvor både stillingen til de faststående såvel som stillingen til de bevegelige skovler kan reguleres. Slike turbiner er f.eks. de som er kjent som Kaplan-Turbiner, Deriaz-Turbiner og Bulb-Turbiner. Med en slik fremgangsmåte kan eksempelvis både ledeapparatskovlene såvel som rotor-skoblene i en Kaplan-Turbin innstilles slik, at for en bestemt avgitt effekt fra den av turbinen drevet generator blir gjennomstrøm-ningsmengden gjennom turbinen et minimum, slik at man for hele anlegget oppnår en optimal virkningsgrad. Skovelinnstillingen kan skje på vanlig måte ved hjelp av en mekanisk, elektrisk eller see the optimal blade setting in water turbines, where both the position of the fixed as well as the position of the movable blades can be regulated. Such turbines are e.g. those known as Kaplan Turbiners, Deriaz Turbiners and Bulb Turbiners. With such a method, for example, both the guide vanes as well as the rotor vanes in a Kaplan Turbine can be adjusted so that for a specific output from the generator driven by the turbine, the amount of flow through the turbine is a minimum, so that for the entire plant a optimum efficiency. The blade setting can be done in the usual way by means of a mechanical, electric or

hydraulisk funksjonsgenerator eller ved hjelp av en funksjonsgenerator som består av en kombinasjon av de nevnte muligheter. hydraulic function generator or by means of a function generator which consists of a combination of the aforementioned possibilities.

Det er kjent å styre stillingen både til ledeapparatskovlene og rotorskovlene ved hjelp av en tredimensjonal kam, hvis form og forskyvningsmulighet er valgt slik, at i hver kamstilling vil stillingen til ledeapparatskovlene relativt stillingen til rotorskovlene gi den ønskede virkningsgrad. For dette er det nødvendig å bestemme karakteristikkene til anleggets: absolutte virkningsgrader. It is known to control the position of both the guide vanes and the rotor vanes by means of a three-dimensional cam, whose shape and displacement option are chosen so that in each cam position, the position of the vanes relative to the position of the rotor vanes will give the desired degree of efficiency. For this, it is necessary to determine the characteristics of the plant: absolute efficiencies.

Ved de hittil kjente fremgangsmåter for bestemmelse av karakteristikkene til de absolutte virkningsgrader må man foreta en nøyaktig bestemmelse av de til de forskjellige driftmåter svarende gjennomstrømningsmengder i turbinen, hvoretter karakteristikkene til de relative virkningsgrader og tilslutt karakteristikkene til minstesvingningene bestemmes. De kjente fremgangsmåtér er beheftet med den ulempe at karakteristikkene til de absolutte eller relative virkningsgrader og til minstesvingningene må bestemmes punktvis, stillingen til ledeapparatet representerer basisparameteren og stillingen til rotorskovlene representerer den foranderlige størrelse eller omvendt. Man kan så bestemme omhyllingskurven for disse, virkningsgrad- og svingningskarakteristikker og ved interpolering kan man bestemme verdipar som gir den søkte optimale innstilling. With the previously known methods for determining the characteristics of the absolute efficiencies, one must make an accurate determination of the flow rates in the turbine corresponding to the different modes of operation, after which the characteristics of the relative efficiencies and finally the characteristics of the minimum fluctuations are determined. The known methods are burdened with the disadvantage that the characteristics of the absolute or relative degrees of efficiency and of the minimum oscillations must be determined point by point, the position of the guide apparatus represents the basic parameter and the position of the rotor blades represents the variable quantity or vice versa. One can then determine the envelope curve for these, efficiency and oscillation characteristics and by interpolation one can determine value pairs that give the sought-after optimum setting.

Ved de kjente fremgangsmåter er det således nødvendig med en punktvis tilnærmet bestemmelse av karakteristikkene ved hjelp av en tilnærmet bestemmelse av omhyllingskurvene og tilsvarende interpoleringer, og tiltross for det store arbeidsoppbud får man bare et unøyaktig resultat. With the known methods, a point-by-point approximate determination of the characteristics is thus necessary by means of an approximate determination of the envelope curves and corresponding interpolations, and despite the large amount of work involved, only an inaccurate result is obtained.

Oppfinnelsen tar sikte på å eliminere de nevnte ulemper og å tilveiebringe en fremgangsmåte for bestemmelse av den optimale skovelinnstilling i en vannturbin på en rask og enkel måte. Ifølge oppfinnelsen er det derfor tilveiebragt en fremgangsmåte som angitt i krav 1. The invention aims to eliminate the aforementioned disadvantages and to provide a method for determining the optimal blade setting in a water turbine in a quick and simple way. According to the invention, a method as stated in claim 1 is therefore provided.

Ved den nye fremgangsmåten bortfaller den punktvise opptegning av virkningsgrad- eller svingningskarakteristikkene, den tilnærmede bestemmelse av omhyllingskurvene og gjennomføringen av interpoleringene, da innstillingen kan skje direkte med bibehold av en bestemt konstant, av generatoren, som drives av turbinen, til nettet angitt effekt, helt til det er oppnådd en minimal gjennom-strømningsmengde, hvilket ifølge formelen''} = P c , ved et With the new method, the point-by-point recording of the efficiency or oscillation characteristics, the approximate determination of the enveloping curves and the execution of the interpolations are omitted, as the setting can be done directly, maintaining a certain constant, of the generator, which is driven by the turbine, to the power indicated by the grid, completely until a minimal amount of flow through has been achieved, which according to the formula''} = P c , at et

QHQH

konstant fall H og én konstant effekt P , motsvarer en drift med en optimal virkningsgrad. constant drop H and one constant power P , corresponds to an operation with an optimal degree of efficiency.

Blir denne innstilte, fastholdte effekt-skalverdi endret, så kan man på denne måten bestemme den optimale innstilling av skovlene for hele det aktuelle driftsområde. If this set, fixed output target value is changed, then the optimal setting of the vanes for the entire operating area in question can be determined in this way.

Fastholdingen av den innstilte, av generatoren til nettet avgitte effekt-skalverdi, kan eksempelvis skje manuelt. I The retention of the set power target value transmitted by the generator to the grid can, for example, be done manually. IN

så tilfelle blir en parameter som påvirker størrelsen til den av generatoren avgitte effekt, regulert manuelt, mens med en annen parameter den av generatoren avgitte effekt reguleres ved endring av den gjennom turbinen gående gjennomstrømningsmengde, helt til denne når et minimum ved den fastsatte effekt-skalverdi. Ifølge et ytterligere trekk ved oppfinnelsen kan den innstilte effekt-skalverdi holdes konstant på en automatisk måte ved innkobling av en effektregulator i stedenfor for turbin- turtallregulatoren. Da forenkles gjennomføringen av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, og det hele skjer hurtigere. in such a case, a parameter that affects the size of the power emitted by the generator is regulated manually, while with another parameter the power emitted by the generator is regulated by changing the amount of flow passing through the turbine, until this reaches a minimum at the set power target value . According to a further feature of the invention, the set power target value can be kept constant in an automatic manner by switching on a power regulator instead of the turbine speed regulator. The implementation of the method according to the invention is then simplified, and the whole thing happens more quickly.

Denne effektregulator kan ifølge oppfinnelsen sam-virke med et avfølingssystem"som erstatter turbin- turtallregulatoren med effektregulatoren når de ekstra forstyrrelsesverdier overskrider en bestemt terskelverdi-. Da kobles eff ektregulatoren helt automatisk inn i stedet for turbin- turtallregulatoren, og det er derfor ikke nødvendig med noen individuell overvåking eller innkobling. According to the invention, this power regulator can cooperate with a sensing system "which replaces the turbine speed regulator with the power regulator when the additional disturbance values exceed a certain threshold value. Then the power regulator is switched on completely automatically instead of the turbine speed regulator, and it is therefore not necessary to any individual monitoring or engagement.

Ved.en særlig fordelaktig utførelsesform av frem-' gangsmåten ifølge oppfinnelsen virker effektregulatoren på turbinen ved hjelp av en parameter som påvirker størrelsen til den av generatoren avgitte effekt, og avfølingssystemet virker ved hjelp av en andre parameter som -direkte påvirker den gjennom turbinen gående gjennomstrømningsmengde, helt til det oppnås en minimal gjennomstrøm-ningsmengde for den før forstyrrelsen foreliggende effekt-skalverdi. Denne minimale gjennomstrømningsmengde er innstilt når endringen med hensyn på den andre, av avfølingssystemet påvirkede parameter har nådd en minimalverdi som begrenses av -en av verdien til den første parameter, ved hjelp av hvilken effekten til turbinen endres, avhengig terskelverdi, idet driften opptas igjen under anvendelse av turtallregulatoren etter at mlnimalverdien er nådd. I dette -tilfelle kan fremgangsmåten tjene som grunnlag for bruk av en grenseverdiregulator, som periodisk erstatter turtallregulatoren, når endringer i over- og undervannsstanden overskrider visse grenseverdier eller når det ved lastvariasjoner opptrer endringer i ledeapparatets skovelåpninger. Anlegget kan derved tilpasses de foreliggende betingelser og man In a particularly advantageous embodiment of the method according to the invention, the power regulator acts on the turbine by means of a parameter that affects the magnitude of the power emitted by the generator, and the sensing system works by means of a second parameter that -directly affects the amount of flow passing through the turbine , until a minimum flow rate is achieved for the power scale value present before the disturbance. This minimum flow rate is set when the change with regard to the second parameter affected by the sensing system has reached a minimum value that is limited by -one of the value of the first parameter, by means of which the power of the turbine is changed, depending on the threshold value, as the operation is taken up again under application of the speed regulator after the mlnimal value has been reached. In this case, the method can serve as a basis for using a limit value regulator, which periodically replaces the speed regulator, when changes in the upstream and downstream water levels exceed certain limit values or when, due to load variations, there are changes in the vane openings of the guide apparatus. The facility can thereby be adapted to the current conditions and man

er sikret en maksimal virkningsgrad uavhengig av de på turbinen innvirkede- forstyrrelser. maximum efficiency is ensured regardless of the disturbances affecting the turbine.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere under henvisning til tegningen hvor fremgangsmåten er vist ved hjelp av blokkskjemaer. Fig. 1 viser et blokkskjema for den for bestemmelsen av den optimale innstilling anvendte effektregulator, og Fig. 2 viser et blokkskjema med et- for gjennomføring-en av fremgangsmåten anvendt grenseverdireguleringssystem. The invention will be explained in more detail with reference to the drawing where the method is shown using block diagrams. Fig. 1 shows a block diagram for the power regulator used to determine the optimal setting, and Fig. 2 shows a block diagram with a limit value control system used for carrying out the method.

Ved det i fig. 1 viste blokkskjema anvendes, den såkalte Winter-Kennedy-metode for bestemmelse av den g jennom turbinen gående gjennomstrømningsmengde, etter formelen Q = K ^^h hvor ^ h er piezometriske trykkfall mellom to på turbinens spirallhus valgte punkter. Effektregulatoren er betegnet med 1, turbinen er betegnet med 2, generatoren med 3> en effektgiver med 4> og en forbruker er betegnet med 5. Stillingen av ledeapparatets skovler er betegnet med a og stillingen av rotorskovlene er symbolisert med ( p . By that in fig. The block diagram shown in 1 is used, the so-called Winter-Kennedy method for determining the flow rate passing through the turbine, according to the formula Q = K ^^h where ^ h is the piezometric pressure drop between two selected points on the turbine's spiral casing. The power regulator is denoted by 1, the turbine is denoted by 2, the generator by 3> a power generator by 4> and a consumer is denoted by 5. The position of the guide vanes is denoted by a and the position of the rotor blades is symbolized by ( p .

Den fastsatte effekt-skalverdi Pc holdes konstant The set power target value Pc is kept constant

ved hjelp av effektregulatoren 1 som påvirkes- av den fra generatoren 3 avgitte effekt over effektgiveren 4 og regulerer stillingen til skovlene a. Stillingen til rotorskovlene <p reguleres helt til det har innstilt seg en minimal gjennomstrømningsmengde, dvs. at man har en minimalverdi av trykkdifferansen A h, slik. at det oppnås en optimal virkningsgrad for den bestemte effekt. Selvfølgelig er det også with the help of the power regulator 1 which is affected by the power emitted from the generator 3 over the power generator 4 and regulates the position of the vanes a. The position of the rotor vanes <p is regulated until a minimal amount of flow has been set, i.e. that you have a minimal value of the pressure difference Ah, like that. that an optimal degree of efficiency is achieved for the specific effect. Of course it is too

mulig å la regulatoren 1 regulere;-, stillingen til rotorskovlene p ( y mens stillingen til skovlene a i ledeapparatet reguleres manuelt. possible to let the regulator 1 regulate;-, the position of the rotor blades p (y) while the position of the blades a in the guide apparatus is regulated manually.

Nøyaktigheten i fremgangsmåten er avhengig av ømfintligheter^ til effektregulatoren og av den nøyaktighet hvormed vanngjennomstrømningsmengden kan bestemmes. For bestemmelse av vanngjennomstrømningsmengden kan det anvendes en vilkårlig egnet kjent metode. The accuracy of the method depends on the sensitivities of the power regulator and on the accuracy with which the water flow rate can be determined. Any suitable known method can be used to determine the water flow rate.

. En fremgangsmåte, ved hvilken en parameter må instilles manuelt, er naturligvis beheftet med den ulempe at det for bestemmelsen av den optimale drift kreves en lengere tid. Man kan imidlertid også anvende den nye fremgangsmåte også for én helt automatisk bestemmelse av den optimale drift. Da anvendes det en grenseverdiregulator som periodisk erstatter turbin- turtallregulatoren . A method, in which a parameter must be set manually, naturally has the disadvantage that a longer time is required to determine the optimal operation. However, the new method can also be used for a completely automatic determination of the optimal operation. A limit value regulator is then used which periodically replaces the turbine speed regulator

'Denne grenseverdiregulator består av en effektregulator som innvirker rp;., på.turbinens ledeapparat, og av et avfølingssystem som virker inn på turbinens ledeapparat, og av et avfølingssystem som virker inn på turbinens rotor, eller man har en effektregulator som virker på turbinens rotor, og et avfølingssystem som virker på turbinens ledeapparat . This limit value regulator consists of a power regulator that influences rp;., on the turbine's control device, and of a sensing system that acts on the turbine's control device, and of a sensing system that acts on the turbine's rotor, or you have a power regulator that acts on the turbine's rotor , and a sensing system that acts on the turbine's control device.

Et blokkskjema for en slik fremgangsmåte er vist i A block diagram of such a method is shown in

fig. 2. I dette blokkskjema er koblingselementet betegnet med 1, 2 fig. 2. In this block diagram, the connecting element is denoted by 1, 2

og 3j en regulator er betegnet med 4> et proposjonalledd er betegnet med 5> en reverserbar servomotor med 6, en signalgenerator med 7>and 3j a regulator is denoted by 4> a proportional element is denoted by 5> a reversible servo motor by 6, a signal generator by 7>

et differensieringsledd med 8, et tilpassingsledd med 9> en effekt- a differentiation term with 8, an adaptation term with 9> an effect-

giver med 10, en datalagrer med 11, en vannstandsgiver med 12 og 13, transmitter with 10, a data logger with 11, a water level transmitter with 12 and 13,

en forskyvningsgiver med 14, turbinen med 15> synkrongeneratoren med l6, mens forbrukernettet er betegnet med 17. a displacement generator with 14, the turbine with 15> the synchronous generator with l6, while the consumer network is designated with 17.

Under drift styres turbinen av en vilkårlig egnet turtallregulator som sikrer maskinsatsens turtall og belastning i samsvar med den tillatte statiske reguleringskarakteristikk. En endring av nettfrekvensen medfører en belastning eller en avlastning av maskins at sen-. Turtallregulatoren virker på skovlene a i lede-apparatét og virker over proposjonalleddet på rotorskovlene cp , Proposjonalleddet erstatter kammen som man har ved de kjente ut-førelser og som der tjener til å bestemme den relative stilling mellom ledeapparatekovlene og rotorskovlene. During operation, the turbine is controlled by an arbitrarily suitable speed regulator which ensures the machine set's speed and load in accordance with the permitted static regulation characteristic. A change in the mains frequency entails a load or a load on machines that sen-. The speed regulator acts on the vanes a in the guide apparatus and acts over the proportional joint on the rotor blades cp , The proportional joint replaces the cam that is present in the known designs and which serves to determine the relative position between the guide apparatus vanes and the rotor blades.

Ved en belastningsendring av maskinsatsen blir det utsendt et signal hvorved koblingsleddet 1 omkobles. Turtallregulatoren settes da ut av drift og effektregulatoren såvel som koblingselementet 2 kobles inn. Koblingselementet 2 kobler ut proposjonalleddet 5 °S kobler inn avfølingssystemet, som virker på turbinens motorskovler. Videre innkobles koblingselemert et 3> som tilveiebringer en tilbakekoblingsf orbindelse med ef f ektregulator-en, og samtidig får også signalgeneratoren 7 en startpuls, slik at denne signalgenerator gjennom den reverserbare servomotor 6 virker på turbinen. In the event of a load change on the machine set, a signal is sent whereby the coupling link 1 is switched. The speed regulator is then put out of operation and the power regulator as well as the coupling element 2 are switched on. The coupling element 2 disengages the proportional link 5 °S engages the sensing system, which acts on the turbine's motor blades. Furthermore, switching element 3> is switched on, which provides a feedback connection with the power regulator, and at the same time the signal generator 7 also receives a start pulse, so that this signal generator acts on the turbine through the reversible servo motor 6.

Dersom den gjennom turbinen gående gjennomstrøm-ningsvannmengde øker ved en endring av rotorskovlene cp , så vil tilpassingsleddet 9 endre retningen til denne endring, helt til det oppnås en verdi dQ/dp , hvilken verdi i tilstrekkelig grad nærmer seg en terskelverdi som bestemmes i avhengighet av virkningsgraden, If the amount of flow-through water passing through the turbine increases due to a change in the rotor blades cp , then the adjustment link 9 will change the direction of this change, until a value dQ/dp is reached, which value sufficiently approaches a threshold value which is determined depending on efficiency,

idet denne terskelverdi kan være avhengig av driftsmåten, av skovlenes as this threshold value may depend on the mode of operation, on the blades

a stilling i ledeapparatet eller av turbineffekten. a position in the control apparatus or of the turbine effect.

Når den for dQ/dø> ønskede verdi er nådd vil leddet When the desired value for dQ/dø> is reached, the joint will

9 gi et.signal som slukker signalet P, hvoretter koblingselementene 9 give a signal that extinguishes the signal P, after which the switching elements

1> 2 og 3 igjen går tilbake til utgangsstillingene, i hvilken den vanlige turtallregulator er innkoblet. 1> 2 and 3 again return to the initial positions, in which the normal speed regulator is engaged.

Ved en endring av vannstanden i overvannet eller i undervannet over en bestemt terskelverdi utsendes det på nytt et signal P som innføres i systemet, hvoretter det igjen skjer en bestemmelse av den til den innstilte effekt-skalverdi svarende minimale gjennomstrømningsmengde, hvoretter igjen turtallregulatoren kan begynne å arbeide. In the event of a change in the water level in the upper water or in the lower water above a certain threshold value, a signal P is sent out again and introduced into the system, after which a determination of the minimum flow rate corresponding to the set power target value takes place, after which the speed controller can again start to work.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for bestemmelse av den optimale skovelinnstilling i en vannturbin som driver en generator'og hvor såvel stillingen til de faststående skovler som stillingen til de bevegelige skovler kan reguleres, karakterisert ved at turtallregulatoren til turbinen periodisk settes ut av drift, at det for den av generatoren til nettet avgitte effekt konstaritholdes en skalverdi, idet en parameter som bestemmer den av generatoren avgitte effekt innstilles på en bestemt verdi og en andre parameter reguleres slik i avhengighet' av den gjennom turbinen gående gjénnom-strømningsmengde at det ved den innstilte effekt-skalvérdi oppnås en minimal gj-ennomstrømningsmengde, og ved at deretter den innstilte effekt-skalverdi endres og det hele gjentas helt til på denne måten hele det aktuelle driftsområde er undersøkt med hensyn på mulighetene for optimal drift.1. Method for determining the optimal blade setting in a water turbine that drives a generator' and where both the position of the fixed blades and the position of the movable blades can be regulated, characterized in that the speed regulator of the turbine is periodically put out of operation, that for the the power delivered by the generator to the grid is kept constant at a target value, as a parameter that determines the power delivered by the generator is set to a specific value and a second parameter is regulated in such a way, depending on the amount of flow passing through the turbine, that at the set power target value a minimum flow rate is achieved, and by then changing the set power target value and the whole thing is repeated until in this way the entire operating area in question has been examined with regard to the possibilities for optimal operation. 2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den innstilte effekt-skalverdi automatisk holdes konstant ved innkobling av en effektregulator istedenfor turbin- turtallregulatoren. 2. Method according to claim 1, characterized in that the set power target value is automatically kept constant when a power regulator is switched on instead of the turbine speed regulator. 3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 og 2, karakterisert ved at effektregulatoren samvirker med et avfølingssys-tem som bevirker den periodevise erstatning av turbin- turtallregulatoren med effektregulatoren når de tillatte forstyrrelsesverdier overskrider en bestemt terskelverdi. 3. Method according to claims 1 and 2, characterized in that the power regulator cooperates with a sensing system which causes the periodic replacement of the turbine speed regulator with the power regulator when the permitted disturbance values exceed a certain threshold value. 4. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at effektregulatoren virker på turbinen ved hjelp av en parameter som påvirker størrelsen til den av generatoren avgitte effekt og at avfølingssystemt virker ved hjelp av en andre paramter som direkte påvirker den gjennom turbinen gående gjennom-strømningsmengde, helt til det er oppnådd en minimal gjennomstrøm-ningsmengde for den før forstyrrelsene foreliggende effekt-skalverdi, hvilken minimale gjennomstrømningsmengde er innstilt når endringen med hensyn på den andre, av avfølingssystemet påvirkede parameter har nådd en minimalverdi som begrenses av en av verdien til den første parameter, som benyttes ved endringen av turbinens effekt, avhengig terskelverdi, og ved at driften opptas med anvendelse av turtallregulatoren etter at denne minimalverdi er nådd. 4. Method according to one of claims 1-3, characterized in that the power regulator acts on the turbine by with the help of a parameter that affects the size of the power produced by the generator and that the sensing system works with the help of a second parameter that directly affects the amount of flow passing through the turbine, until a minimum amount of flow is achieved for the power present before the disturbances -set value, which minimum flow rate is set when the change with regard to the second parameter affected by the sensing system has reached a minimum value that is limited by one of the values of the first parameter, which is used when changing the turbine's power, depending on the threshold value, and by the fact that the operation is recorded using the speed regulator after this minimum value has been reached. 5- Fremgangsmåte ifølge krav 4>karakterisert ved at en minimal gjennomstrømningsmengde er innstilt når endringen av gjennomstrømningsmengden med hensyn på endringen av den andre, av avfølingssystemet påvirkede parameter har nådd en minimalverdi som begrenses av en av generatorens effekt-skalverdi avhengig terskelverdi. 5- Method according to claim 4>characterized in that a minimum flow rate is set when the change in the flow rate with respect to the change of the second parameter affected by the sensing system has reached a minimum value that is limited by a threshold value dependent on the generator's output scale value. 6. Fremgangsmåte ifølge krav 4>karakterisert ved at den minimale gjennomstrømningsmengde er innstilt når det inntrer et analytisk minimum for den funksjon som ved en konstant effekt fra generatoren beskriver endringen av den gjennom turbinen strømmende gjennomstrømningsmengde i avhengighet av avfølingspara-meteren .6. Method according to claim 4> characterized in that the minimum flow rate is set when an analytical minimum occurs for the function which, at a constant power from the generator, describes the change in the flow rate flowing through the turbine in dependence on the sensing parameter.