RO114181B1

RO114181B1 - Automatic device optimizing the functioning of hydraulic turbines with simple control

Info

Publication number: RO114181B1
Application number: RO96-00416A
Authority: RO
Inventors: Razvan Toculescu
Original assignee: Razvan Toculescu
Priority date: 1996-02-29
Filing date: 1996-02-29
Publication date: 1999-01-29

Abstract

The invention refers to an automatic device for optimising the performance of hydraulic turbines with simple control, which contains two water level gauges (TLam si TLav) which measure the water level upstream and downstream from a water power station, and whose level difference represents the gross head (Hbr). The values thus measured are converted into electrical signals which are transmitted to an algebraic adder (S) in the control room. The adder (S) calculates the difference between the two signals, the result being an electrical signal proportional with the gross head (Hbr), which is applied to one of the inputs to a calculation block (BC), which determines the value of the net head (Hnm>) by deducting the value of the load losses, that are proportional to the square value of the output (Q) turbined by the hydraulic turbine (TbH), from the value of the gross head (Hbr). This output is then transformed into an electrical signal by a dynamic flow transducer (TDD) and applied to the calculation block (BC) via its second input. The calculated value of the net head (Hnm>) obtained at the exit is taken by a process computer (CP) with high-capacity RAM memory and microprocessor (μP) for calculating the value of the set output (Qprescris), knowing the operating diagram of the hydraulic turbine (TbH), whose values are initially introduced in the ROM memory of the process computer (CP). This supplies the calculated value of the set output (Qprescris) to a functional transformer (TRF) which shall transmit, via a hydraulic servo motor (SVH), the set opening value (a0subscris>) necessary to open the blades of the control device (AD) of the hydraulic turbine (TbH), which engages the synchronous generator (GS) in order to deliver the electrical power into the national energy system (SEN).

Description

Invenția se referă la un dispozitiv automat pentru optimizarea funcționării turbinelor hidraulice cu simplu reglaj, destinat creșterii producției de energie electrică, în centralele hidroelectrice echipate cu turbine cu simplu reglaj (Francis sau diagonale) și generatoare sincrone.The invention relates to an automatic device for optimizing the operation of hydraulic turbines with simple adjustment, intended to increase the production of electricity, in hydroelectric power stations equipped with turbines with simple adjustment (Francis or diagonals) and synchronous generators.

în scopul creșterii producției de energie electrică, în centralele hidroelectrice, este cunoscută metoda impunerii de instrucțiuni de funcționare, în regim nominal, în vederea obținerii unui randament optim, care, datorită condițiilor de variație a parametrilor hidraulici, debit afluent și căderea brută (diferența de nivel dintre cotele apelor din amonte și din aval de centrală) prezintă dezavantajul că, nu pot fi respectate decât cu aproximație, de către personalul de exploatare.In order to increase the production of electricity, in hydroelectric power stations, the method of imposing operating instructions is known, in nominal regime, in order to obtain an optimum efficiency, which, due to the conditions of variation of the hydraulic parameters, tributary flow and gross fall (difference of level between the water levels upstream and downstream of the power plant) has the disadvantage that, they can only be respected by the operation personnel.

Dispozitivul, conform invenției, înlătură dezavantajul de mai sus, prin aceea că, realizează automat optimizarea funcționării turbinelor hidraulice cu simplu reglaj, dispozitivul având în alcătuire două telelimnimetre, pentru măsurarea cotelor apelor din amonte și din aval ,de o centrală hidroelectrică, și a căror diferență de nivel reprezintă căderea brută, valorile măsurate fiind convertite în semnale electrice, care se transmit în camera de comandă, unui sumator algebric, ce realizează diferența celor două semnale, la ieșire obținându-se unsemnal electric proporțional cu căderea brută aplicat pe una din intrările unui bloc de calcul, care determină valoarea căderii nete, prin scăderea din valoarea căderii brute, a valorii pierderilor de sarcină proporționale cu pătratul valorii debitului turbinat de turbina hidraulică, debit transformat în semnal electric, de către un traductor dinamic de debit, și aplicat blocului de calcul, pe cea de a doua intrare, valoarea calculată a căderii nete obținută la ieșire fiind preluată de un calculator de proces cu memorie ROM de mare capacitate și microprocesor .pentru calcularea valorii debitului prescris, cunoscută fiind diagrama de funcționare a turbinei hidraulice ale cărei valori sunt inițial introduse în memoria ROM a calculatorului de proces, acesta furnizând valoarea calculată a debitului prescris unui transformator funcțional, care va transmite, prin intermediul unui servomotor hidraulic, valoarea prescrisă de deschidere necesară deschiderii palelor aparatului director ,al turbine hidraulice, care antrenează generatorul sincron pentru debitarea puterii electrice, în sistemul național energetic.The device, according to the invention, removes the disadvantage of the above, in that it automatically achieves the optimization of the operation of the hydraulic turbines with simple adjustment, the device having two telemetry meters, for measuring the upstream and downstream quotas, of a hydroelectric power station, and whose difference of level represents the gross fall, the measured values being converted into electrical signals, which are transmitted in the control room, to an algebraic adder, which realizes the difference of the two signals, at the output obtaining an electrical signal proportional to the gross fall applied to one of the inputs. of a calculation block, which determines the value of the net fall, by subtracting from the value of the gross fall, the value of the load losses proportional to the square of the value of the flow turbine flow by the hydraulic turbine, flow transformed into electrical signal, by a dynamic flow transducer, and applied to the block of computing, that of the second input, the calculated value of the net fall obtained at the output being taken from a process computer with high capacity ROM and microprocessor. for calculating the prescribed flow value, known as the operating diagram of the hydraulic turbine whose values are initially introduced into memory. ROM of the process computer, which provides the calculated value of the prescribed flow to a functional transformer, which will transmit, by means of a hydraulic actuator, the prescribed opening value required to open the blades of the steering apparatus, of the hydraulic turbines, which drive the synchronous generator for the electric power flow, in the national energy system.

Avantajul principal al utilizării acestui dispozitiv este creșterea producției de energie electrică .într-o centrală hidroelectrică echipată cu turbine cu simplu reglaj, (Francis sau diagonale] și generatoare sincrone, în condițiile existente ale nivelului apei din lacul de acumulare.The main advantage of using this device is the increase of the electricity production. In a hydroelectric power station equipped with turbines with simple adjustment (Francis or diagonals) and synchronous generators, under the existing conditions of the water level in the accumulation lake.

Se dă, în continuare, un exemplu de realizare a invenției, în legătură cu fig. 1-3, care reprezintă:The following is an example of an embodiment of the invention, in connection with FIG. 1-3, which represents:

- fig.1, schema-bloc a dispozitivului automat pentru optimizarea funcționării turbinelor hidraulice, cu simplu reglaj;- Fig. 1, block diagram of the automatic device for optimizing the operation of the hydraulic turbines, with simple adjustment;

- fig.2, reprezentarea grafică, plană, a diagramei de funcționare a turbinei hidraulice, cu simplu reglaj;- fig.2, the graphical, flat representation of the diagram of the operation of the hydraulic turbine, with simple adjustment;

- fig.3, diagrama de structură a algoritmului, implementat în calculatorul de proces, cu care este prevăzut dispozitivul.- Fig. 3, the structure diagram of the algorithm, implemented in the process computer, with which the device is provided.

Dispozitivul, conform invenției (fig.2), comandă deschiderea optimă a palelor aparatului director AD, al unei turbine hidraulice TbH, care antrenează un generator sincron GS pentru debitarea puterii electrice de la centrala hidroelectrică în sistemul național energetic SEN .dispozitivul având în alcătuire, două telelimnimetre TLam și TLav, care măsoară cota apei în amonte, respectiv, în aval de centrala hidroelectrică, valorile măsurate fiind convertite în semnale electrice, care se transmit în camera de comandă, unui sumator algebric S ,ce realizează diferența celor două semnale, la ieșire obținându-se un semnal electric proporțional cu căderea brută H_br .reprezentând diferența de nivel dintre cotele apei din amonte și din aval de centrala hidroelectrică, semnal aplicat pe unaThe device, according to the invention (fig. 2), controls the optimal opening of the blades of the AD steering apparatus, of a hydraulic turbine TbH, which drives a synchronous GS generator for the flow of electrical power from the hydroelectric power station in the national energy system SEN. two telamimimeters TLam and TLav, which measure the share of water upstream, respectively, downstream of the hydroelectric power station, the measured values being converted into electrical signals, which are transmitted in the control room, to an algebraic adder S, which realizes the difference of the two signals, at output obtaining an electrical signal proportional to the gross fall H _br. representing the difference in level between the water levels upstream and downstream of the hydroelectric power station, signal applied to one

RO 114181 Bl dintre intrările unui bloc de calcul BC , care determină valoarea căderii nete H_n ^m, prin scăderea din valoarea căderii brute H_br , a valorii pierderilor de sarcină, proporționale cu pătratul valorii debitului turbinat Q :RO 114181 Bl between the entries of a calculation block BC, which determines the value of the net fall H _n ^m , by subtracting from the value of the gross fall H _br , the value of the load losses, proportional to the square of the value of the turbine flow Q:

(1) H_n ^m = Hbr-KxQ²coeficientul de proporționalitate K, fiind o constantă specifică fiecărei centrale hidroelectrice, debitul turbinat Q ,de turbina hidraulică TbH .fiind transformat în semnal electric de către un traductor dinamic de debit TDD și aplicat blocului de calcul BC, pe cea de a doua intrare, valoarea calculată a căderii nete Hn^mobținute la ieșire, fiind preluată de un calculator de proces CP, cu memorie ROM de mare capacitate și un microprocesor μΡ. pentru calcularea valorii debitului prescris Q_prescris , cunoscută fiind diagrama de funcționare a turbinei hidraulice TbH, ale cărei valori sunt introduse în memoria ROM a calculatorului de proces CP , acesta furnizând valoarea calculată a debitului prescris Q_prescns · unui transformator funcțional TRF care va transmite, prin intermediul unui servomotor hidraulic SVH , valoarea prescrisă de deschidere a₀P^rescns .necesară deschiderii palelor aparatului director AD al turbine hidraulice TbH ,care antrenează generatorul sincron GS pentru debitarea, de la centrala hidroelectrică, în sistemul național energetic SEIM , a puterii electrice pentru care s-a obținut un randament mărit.(1) H _n ^m = Hbr-KxQ ² the proportionality coefficient K, being a specific constant for each hydroelectric power station, the turbine flow Q, the hydraulic turbine TbH. Being transformed into an electrical signal by a dynamic TDD flow transducer and applied to the calculation BC, on the second input, the calculated value of the net fall Hn ^m obtained at the output, being taken over by a CP process computer, with high capacity ROM memory and a microprocessor μΡ. for calculating the prescribed flow rate Q _prescribed , known as the operating diagram of the hydraulic turbine TbH, the values of which are entered in the ROM memory of the CP process computer, providing the calculated value of the prescribed flow Q _prescns · to a TRF functional transformer that will transmit, by means of a hydraulic actuator SVH, the prescribed value of opening of ₀ P ^rescns. necessary to open the blades of the AD steering apparatus of the TbH hydraulic turbines, which drives the synchronous GS generator for the charge, from the hydroelectric power station, in the national energy system SEIM, of the electric power for which has increased yield.

Pentru calcularea valorii debitului prescris Q_prsscns .microprocesorul μΡ va executa iterativ, un algoritm de calcul ce constă în rezolvarea unui sistem de două ecuații:For calculating the value of the prescribed flow Q _{prsscns. The} microprocessor μΡ will execute iteratively, a calculation algorithm that consists in solving a system of two equations:

.J η. = η/Η_η,Ο], k= 1,/V l DH_n - H_n ^m reprezentând diagrama de funcționare, a cărei reprezentare grafică este redată în fig.2, aceasta fiind dată de producător și constă, atât în exprimarea valorică, cât și reprezentarea grafică a randamentelor η_χ, ale turbinei hidraulice TbH în funcție de valoarea căderii nete H_n și de un debit Q. într-o reprezentare grafică plană având axele de coordonate (Q,H), randamentele % sunt date de conturul unor suprafețe închise, concentrice, care descresc către o suprafață minimă tinzând către zero, dar care nu este atinsă niciodată, la contururile unor suprafețe descrescătoare corespunzând randamente crescătoare 77, < η₂ <, .... q_k. Astfel ,1a conturul suprafeței de arie maximă îi corespunde un randament, minim.de η₁ = , iar conturului suprafeței de arie minimă îi corespunde un randament, maxim,de η₂ = jj_mgx. 0 paralelă orizontală dusă din punctul H_r ^m de pe axa ordonatei OH , la axa abscisei OQ, va intersecta, în două puncte, liniile de contur ale randamentelor. Din mulțimea punctelor de intersecție obținute, se vor reține acele puncte de intersecție care corespund celui mai bun randament (mai mare). Perpendicularele coborâte din aceste puncte de intersecție, pe axa abscisei OQ ,vor conduce la obținerea debitelor Q_n și Q_3k, ,care corespund unui randament .maxim,de % = r/_mgx. Valoarea debitului prescris Q_prescris este maximum, acestor debite:.J η. = η / Η _η , Ο], k = 1, / V l DH _n - H _n ^m representing the operating diagram, whose graphical representation is shown in fig.2, this being given by the manufacturer and consists, both in the value expression , as well as the graphical representation of the yields η _χ , of the hydraulic turbine TbH depending on the value of the net fall H _n and a flow rate Q. In a flat graphical representation having the coordinate axes (Q, H), the yields% are given by the contour closed, concentric surfaces, which decrease to a minimum surface tending to zero, but which is never reached, at the contours of decreasing surfaces corresponding to increasing yields 77, <η ₂ <, .... q _k . Thus, 1a the contour of the maximum area surface corresponds to a yield, minimum of η ₁ =, and the contour of the minimum area surface corresponds to a maximum yield of η ₂ = _{dd mgx} . A horizontal parallel drawn from the point H _r ^m on the axis of the ordinate OH, to the axis of the abscissa OQ, will intersect, in two points, the contour lines of the yields. From the set of intersection points obtained, those intersection points corresponding to the best (highest) yield will be retained. The perpendiculars descended from these points of intersection, on the axis of the abscissa OQ, will lead to the flow rates Q _n and Q _3k , which correspond to a maximum yield of% = r / _mgx . Q _prescribed value is more than the prescribed flow rate, this flow:

[3] Qp_rescris= max [Q, , Q₃] Transpunerea în algoritm a metodei grafice (fig.3) constă în rezolvarea sistemului de două ecuații (1). Pentru o valoare calculată a căderii nete măsurate H_n ^m ,se vor obține întotdeauna ,două soluții reale Q₁ , Q₃ r R .corespunzând valorilor debitelor de funcționare Q_1k și Q_3k .memorate în memoria ROM a calculatorului de proces CP. Iterația algoritmului continuă până în momentul în care nu se vor mai obține soluții reale, pentru sistemul de două ecuații (1) , ultimele soluții reale Q₇ , Q_se R , calculate, dând valoarea debitului prescris ^prescris .conform relației (3), reprezentând, maximum valorilor debitelor de funcționare Q_n și Q_Sk.[3] Qp _rescris = max [Q,, Q ₃ ] The transposition in the algorithm of the graphical method (fig.3) consists in solving the system of two equations (1). For a calculated value of the measured net fall H _n ^m , two real solutions Q ₁ , Q ₃ r R will always be obtained, corresponding to the values of operating rates Q _1k and Q _3k. Stored in the ROM memory of the CP process computer. The iteration of the algorithm continues until no real solutions will be obtained for the system of two equations (1), the last real solutions Q ₇ , Q _s and R, calculated, giving the value of the prescribed flow ^ prescribed. According to the relation (3) , representing, maximum values of operating rates Q _n and Q _Sk .

Claims

Revendicăriclaims

(1) H_n ^m = H_br - KxQ² 25 coeficientul de proporționalitate (/<) fiind o constantă specifică fiecărei centrale hidroelectrice, debitul turbinat (Q) de turbina hidraulică (TbH) fiind transformat în semnal electric, de către un traductor 3 o dinamic de debit (TDD) și aplicat blocului de calcul (BC), pe cea de a doua intrare, valoarea calculată a căderii nete [H_n ^m] obținute la ieșire, fiind preluată de un calculator de proces (CP) ,cu memorie 3 5 ROM de mare capacitate și microprocesor (μΡ), pentru calcularea valorii debitului prescris (Q_presc„_s), cunoscută fiind diagrama de funcționare a turbinei hidraulice (TbH) ,ale cărei valori sunt 40 introduse în memoria ROM, a calculatorului de proces (CP), acesta furnizând valoarea calculată a debitului prescris (Q_prescns) ,unui transformator funcțional (TRF) care va transmite, prin intermediul 45 unui servomotor hidraulic (SVH), valoarea prescrisă de deschidere (a_o ^prescns) necesară deschiderii palelor aparatului director (AD), al turbine hidraulice (TbH) ,care antrenează generatorul sincron (GS) pentru debitarea, de la centrala hidroelectrică, în sistemul național energetic (SEN), a puterii electrice pentru care s-a obținut un randament mărit.(1) H _n ^m = H _br - KxQ ² 25 the proportionality coefficient (/ <) being a specific constant for each hydroelectric power station, the turbine flow (Q) of the hydraulic turbine (TbH) being transformed into an electrical signal, by a transducer 3 a dynamic flow (TDD) and applied to the calculation block (BC), on the second input, the calculated value of the net fall [H _n ^m ] obtained at the output, being taken over by a process computer (CP), with memory 3 5 High capacity ROM and microprocessor (μΡ), for calculating the prescribed flow rate (Q _presc ' _s ), known as the hydraulic turbine (TbH) operating diagram, whose values are 40 entered in the ROM of the process computer (CP), which provides the calculated value of the prescribed flow (Q _prescns ), to a functional transformer (TRF) which will transmit, via 45 a hydraulic actuator (SVH), the prescribed opening value (of _a ^prescns ) required to open the blades. of the director (AD), of the hydraulic turbine (TbH), which drives the synchronous generator (GS) for the discharge, from the hydroelectric power station, in the national energy system (SEN), of the electrical power for which an increased efficiency was obtained.

1. Dispozitiv automat pentru optimizarea funcționării turbinelor hidraulice cu simplu reglaj, ce comandă deschiderea optimă a palelor aparatului direcRO 114181 Bl tor (AD) ,al unei turbine hidraulice (TbH), care antrenează un generator sincron (GS) pentru debitarea puterii electrice, de la centrala hidroelectrică, în sistemul național energetic (SEI\1), caracterizat 5 prin aceea că are în alcătuire două telelimnimetre (TLam și TLav), care măsoară cota apei în amonte, respectiv, în aval de centrala hidroelectrică, valorile măsurate fiind convertite în semnale io electrice, care se transmit în camera de comandă, unui sumator algebric (S), ce realizează diferența celor două semnale, la ieșire, obținându-se un semnal electric, proporțional cu căderea brută [H_br] 15 reprezentând diferența de nivel dintre cotele apei din amonte și din aval de centrala hidroelectrică, semnal aplicat pe una dintre intrările unui bloc de calcul (BC), care determină valoarea căderii 2 o nete [H_n ^m] ,prin scăderea din valoarea căderii brute [H_br], a valorii pierderilor de sarcină, proporționale cu pătratul valorii debitului turbinat (Q):1. Automatic device for optimizing the operation of the hydraulics turbines with simple adjustment, which controls the optimal opening of the blades of the device direcRO 114181 Bl tor (AD), of a hydraulic turbine (TbH), which drives a synchronous generator (GS) for the electric power flow, of at the hydroelectric power station, in the national energy system (SEI \ 1), characterized in that it has two telemetry meters (TLam and TLav), which measure the share of water upstream, respectively, downstream of the hydroelectric power station, the measured values being converted into electrical signals, which are transmitted in the control room, to an algebraic adder (S), which realizes the difference of the two signals, at the output, obtaining an electrical signal, proportional to the gross fall [H _br ] 15 representing the difference in level between water quotas upstream and downstream of the hydroelectric power station, signal applied to one of the inputs of a calculation block (BC), which determines value of the fall 2 a net [H _n ^m ], by subtracting from the value of the gross fall [H _br ], the value of the load losses, proportional to the square of the value of the turbine flow (Q):

2. Dispozitiv, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că pentru calcularea valorii debitului prescris (Q_prescris) .microprocesorul (pP) va executa iterativ, un algoritm de calcul ce constă în rezolvarea unui sistem de două ecuații:Device according to claim 1, characterized in that for calculating the value of the prescribed flow (Q _prescribed ). The microprocessor (pP) will execute iteratively, a calculation algorithm that consists of solving a system of two equations:

i y = ^H_n,Q], k = 1 ,N reprezentând diagrama de funcționare a turbinei hidraulice (TbH), dată de randamentele (%) acesteia,în funcție de valoarea căderii nete [H_n] și de un debit (Q), din a căror reprezentare grafică plană se cunoaște faptul că, reprezintă conturul unor suprafețe închise, concentrice, care descresc către o suprafață minimă tinzând către zero, dar care nu este atinsă niciodată, la contururile unor suprafețe descrescătoare, corespunzând randamente crescătoare [rp < η₂ <, .... g_k], conturului suprafeței de arie maximă, corespunzându-i un randament minim [η. = rj_min], iar conturului suprafeței de arie minimă, corespunzându-i un randament maxim [η₂ = astfel, încât pentru o valoare calculată a căderii nete măsurate [H_n ^m] se vor obține întotdeauna două soluții reale (Q, , Q₂ e R) corespunzând valorilor debitelor de funcționare [Q_n și QaJ .memorate în memoria ROM ,a calculatorului de proces (CP), iterația algoritmului, continuând până în momentul în care, nu se vor mai obține soluții reale pentru sistemul de două ecuații (1), ultimele soluții reale (Q₇ , Q_ae<), calculate, dând valoarea debitului prescris (Q_prescns), conform relației:iy = ^ H _n , Q], k = 1, N representing the operating diagram of the hydraulic turbine (TbH), given by its yields (%), depending on the value of the net fall [H _n ] and a flow (Q) , from whose flat graphical representation it is known that, it represents the contour of closed, concentric surfaces, which decrease to a minimum surface tending to zero, but which is never reached, to the contours of decreasing surfaces, corresponding to increasing yields [rp <η ₂ <, .... g _k ], the contour of the area of maximum area, corresponding to a minimum yield [η. = rj _min ], and to the contour of the minimum area surface, corresponding to a maximum yield [η ₂ = such that, for a calculated value of the measured net fall [H _n ^m ], two real solutions (Q,, Q will always be obtained) ₂ e R) corresponding to the values of the operating rates [Q _n and QaJ. Stored in the ROM memory, of the process computer (CP), the iteration of the algorithm, continuing until the moment, no real solutions for the system of two equations will be obtained. (1), the last real solutions (Q ₇ , Q _a e <), calculated, giving the value of the prescribed flow (Q _prescns ), according to the relation:

(3) Q_prescris = max (O, , O_s) reprezentând, maximum valorilor debitelor de funcționare [Q_1k și Q_2k](3) Q _prescribed = max (O,, O _s ) representing, maximally the operating flow values [Q _1k and Q _2k ]

Președintele comisiei de examinare: ing. Popescu LiviaThe chairman of the examination committee: Eng. Popescu Livia

Examinator: ing. Apostol CristinaExaminer: Eng. Apostol Cristina