Hensikten og nytteverdi med å kjøre modelltester av turbiner og pumpeturbiner. Av: Jan Otto Haugen & Henning Lysaker

Transkript

1 Hensikten og nytteverdi med å kjøre modelltester av turbiner og pumpeturbiner Av: Jan Otto Haugen & Henning Lysaker

2 Innhold Laboratorietester med fysiske modeller av turbiner og pumper er i dag det beste verktøy man har for å etterprøve teorier og numeriske analyser av de reelle fysiske forhold. Modelltester blir også benyttet for å sikre og bevise for kraftverkeiere/kunden at gitte turbingarantier vil holde mål. Det å ha bygd en modell kan være en sikkerhet om noe uforutsett skulle oppstå på prototype. En modelltest kan brukes til å gi opplæring av kraftverksansatte og til å gi økt innsikt i egen maskinpark. Det å investere i en modell kan komme til nytte ved en senere oppgradering av maskinen. Foredraget vil beskrive hensikt og nytteverdi, og det vil bli gitt noen eksempler på konkrete modelltester og deres nytteverdi Foredraget vil også beskrive kort noen av de laboratorieteknikker som benyttes i dag.

3 Kort om Rainpower Laboratories Organisert som et eget AS i Rainpower ASA Har oppdrag for Rainpower Norway AS og andre turbinfabrikanter 9 ansatte i 2009 / Omsetning ca 18 mill. NOK Komplett laboratorie med engineering, produksjon, montasje, geometrikontroll, kalibrering, testing, analyse og rapportering. 1 testrigg for Francis, Pumper, Kaplan & Pumpeturbiner. 1 testrigg for vertikale Pelton turbiner 1 testrigg for horisontale Pelton turbiner Sporbarhet på alle måleparametere til nasjonale referanser Kan måle alle stasjonære og dynamiske parametere Tilfredstiller de siste internasjonale standarder for model testing Referanser til over MW utbygde prototyper Historikk: Opprettet i 1984 som Sintef Strømningsmaskiner Oppkjøpt i 1995 av Kværner Energy Oppkjøpt i 1999 av GE Hydro Opprettet 4.November 2007 som eget selskap.

4 Modelltester Historikk i Norge De første tester på prototyper ble utført i Myrens verksted i 1902, og første prøvestand for modellturbiner ble oppført ved Kværner, Lodalen i Prøvene på Solbergfoss ved Vannkraftlaboratoriet, NTH i viste: Kværners modell målte betydelig høyere ved oppstartenn de hadde tilbydd (De kjente ikke sin egen teknologi) Kværner var i stand til å øke virkningsgraden ca 7% gjennom modelltestene Kværner fikk verifisert sin teknologi og hadde trygghet i senere tilbud Verdien av denne modelltesten sies å ha spart inn kostnadene ved hele Vannkraftlaboratoriet ved NTNU Hvorfor gjør vi så modelltester i 2009?

5 Hvorfor kjøre modelltester For kunden: 1. Sikre at garantier oppnås (..ikke bare virkningsgrad..) 2. Mulighet til å videreutvikle modellen om det oppdages ekstra potensiale under modell testen 3. Sikkerhet ved eventuelle problemer på prototype 4. Opplæring av kraftverksansatte 5. Nytteverdi ved eventuelle senere oppgraderinger For leverandøren: 1. Sikre at garantier oppnås (Minimere risiko for bøter, kundetilfredshet) 2. Utvikle ny teknologi 3. Verifisere resultater av numeriske beregninger 4. Prøve ut ny produksjonsteknologi 5. Test modellen utenfor normale driftsområder 6. Utnytte teknologien i kommende prosjekter

6 Undersøkelser på en turbinmodell Francis/Kaplan Effekt Virkningsgrad Kavitasjon innløp/avløp Karakteristikker/ Reguleringsstabilitet Ruseturtall Radielle og Aksielle krefter Trykkpulsasjoner/Stabilitet Ledeskovl krefter Strømningsmønster (Pitot, LDV, Visualisering) Effekt av luftinnslipp For pumpeturbiner kommer i tillegg: Pumpekarakteristikk Driftsdata i pumpe modus For Kaplan også kombinasjonsprøver Pelton Effekt Virkningsgrad Karakteristikker Ruseturtall Krefter på deflektor Visualiseringstester

7 Krav til Modellen & Oppskalering til prototype Model oppbygning Må tilfredstille IEC60193/ed2 Tilpasses Laboratoriets dimensjoner Turbinprodusenten kan ha krav til presisjon og dimensjoner som går utover IEC normen Model turbinen kan bygges med fleksibilitet, slik at man lett kan endre på komponenter Model instrumentering/visualisering IEC60193/ed2 krav Kontraktuelle krav Leverandørens krav Analyse av resultater / Oppskalering til prototype Turtall, H,Q, Alpha (Affinitetsligningene) Radielle/Aksielle krefter (Direkte skalering) Virkningsgrad, Effekt (IEC60193/ed2) Trykkpulsasjoner (Erfaring) Kavitasjon (Basert på visualisering og erfaring)

8 Eks. A: Sikre at garantier oppfylles Videreutvikle modell Modellen oppfyllte kontraktuelle krav ved oppstart RP så et ytterligere potensiale Studier av både kurveform, hastighetsprofiler og kavitasjon er gjort for å optimalisere prototypen. I dette tilfelle var det ugunstig samspill mellom sugerør og løpehjul. Gjennom mindre modifikasjoner av løpehjulet ble det oppnådd en betydlig virkningsgradsforbedring som blir implementert på prototypen For større prosjekter er slike oppdagelser som dette nok til å spare inn kostnadene ved modelltesten RP 246 Rev MultiPlot version 3.0 = 0.1 [%] Δη Final model configuration Red line Initial model test- Black line Guarantee points ΔPMP = 20 [MW] Δ

9 Eks: B Horisontal 2 stråle Pelton Modelltester - høyere virkningsgrad og effekt

10 Eks. B Horisontal 2 stråle Pelton Modelltester - høyere virkningsgrad og effekt Etter oppgradering med modelltester Etter oppgradering uten modelltester Garantier Turbin før oppgradering

11 Eks. C: Prototype problematikk Problemer med innfasing av pumpeturbin Ikke mulig å fase inn pumpeturbinen i pumpedrift på maks fallhøyde Problematikken var i dette tilfelle ikke avduket under modelltest Stor risiko og kostbart å gjøre endringer på prototype Har imidlertid derved en modell av anlegget og kan ta denne opp for å prøve ut utbedringer Utfordringen var å øke løftehøyde uten å forringe turbin virkningsgrad, kavitasjonsegenskaper (I normal drift) og holde seg innenfor effektgrensene I dette tilfellet ble modellen utviklet gjennom flere modifikasjoner og siden implementerte man de samme endringer på prototype med suksess. Utebedringen ble gjennomført uten tap av virkningsgrad i turbin eller pumpedrift, og med bedring av kavitasjonsegenskaper og løsning av problemet med innfasing i pumpedrift. Dette er problematikk det er vanskelig å løse uten modelltest og en usikker ombygning av en prototype som krever en del nedetid bør unngås.

12 Eks. C: Prototype problematikk Problemer med innfasing av pumpeturbin Innfasing av pumpe på for høy løftehøyde Ikke mulig å fase inn pumpeturbinen i pumpedrift på maks fallhøyde Problematikken var i dette tilfelle ikke avduket under modelltest Stor risiko og kostbart å gjøre endringer på prototype Har imidlertid derved en modell av anlegget og kan ta denne opp for å prøve ut utbedringer

13 Eks. C: Prototype problematikk Problemer med innfasing av pumpeturbin Resultat etter modifikasjon

14 Eks. D: Oppgradering Studier av nye komponenter Eksempel på resultat av CFD/modell utvikling i laboratoriet ~8% ~14% ~100MW

15 Eks. D: Oppgradering Studier av nye komponenter For å oppnå et slikt resultat (som vist på forrige side)er det tatt i bruk: Geometrioppmåling av prototype Bygd modell av prototypen CFD analyser Studier av strømningsfelt med Laser/Pitot Studier av interaksjon mellom stag/ledeskovler/løpehjul ved hjelp av visualisering på modell Utskifting av komponent for komponent på modell Implementering på prototype God overenstemmelse mellom modell og prototype Oppgraderingsutgifter innspart på få måneder

16 Eks. E: Oppgradering Utnyttelse av eldre modell ved oppgradering Eksisterende pumpeturbin fra 60-tallet Modellen tatt opp igjen 40 år senere Gjenbruk av alt bortsett fra nye ledeskovler og løpehjul Effekten økt ca 25% & verifisert i modell I denne konkrete testen var det en uklar kontakt med krav til effekt bundet opp mot drift av mange aggregater over en tidsperiode som involverte reservoardata. Gjennom modelltesten ble avvik oppdaget og modellen ytterligere oppgradert for å møte de reelle krav. Uten kundens direkte involvering i modelltest ville trolig ikke dette blitt avdekket før prototype igangkjøring. Positiv effekt på virkningsgrad i turbin og pumpedrift i tillegg til stor økning i tilgjengelig effekt.

17 Eks. F: Utnyttelse av erfaring fra modelltester også til utvikling av småturbiner Kostnadene med modelltester er i mange tilfeller for høy for småturbin prosjekter Rainpower som investerer i en del modeltester kan utnytte dette som underlag på noen av sine småturbiner. Dette er med på å sikre god kvalitet t også for leveranser av mindre enheter selv om det ikke er kjørt modeltest spesifikt på produktet som blir levert.

18 Eks. G: Ny produksjonsteknologi Eks: Modul basert løpehjul utviklet og testet i 2004 Testing og utprøving skjer på modell før evnt. Prototype tilvirkning.

19 Eks. H: Økt kunnskap blandt kraftverksansatte Under gjennomføring av modelltest har vi hatt en kunde som gjennom samtaler med designer har blitt oppmerksom på feil kjøremønster på dellast på en Pelton turbin. Kjøremønsteret er endret med en økning10% i virkningsgrad på dellastkjøring. Vi har hatt eksempler på at man har gjort mindre utbedringer på roterende eller stasjonære deler som er kritisk for f.eks virkningsgrad/ kavitasjon. I samtale med kraftverkspersonale har vi blitt kjent med at det under revisjoner er blitt gjort endringer på kompenentene på turbinene som kan være av avgjørende betydning for egenskapene. Det er mange eksempler på at kunden har fått økt kunskap om kritiske vedlikeholdsparametere. Det er viktig driftpersonale forstår hensikten og presisjonskravene på de ulike komponentene i turbinene.

20 Eks. i: Utvikling av ny teknologi Rainpower Norway AS bruker laboratoriet aktivt for å utvikle ny teknologi. Siden RP ble dannet er det gjort et stort arbeide med å utvikle teknologi fra bunnen av. 3 Modelltester er gjennomført/ gjennomføres for Francis mellomtrykk m. Denne modellserien er døpt Rainpower Storm. Modeller er testet både ved NTNU og Turbinlaboratoriet. Laboratoriet er brukt til å optimalisere og verifisere egenskapene til turbinene. I ett av prosjektene er det avholdt overleveringsprøve, og det vil bli en ny i Prototypene bygges/ vil bli bygd i Kina og sikre Rainpower også prototype referanse på disse designene. Videre pågår det utvikling både på Pelton og høytrykk Francis

21 Eks. i: Utvikling av ny teknologi Overleveringsprøve på Pankou i 2008

22 Økonomi Om man vha en modelltest øker virkningsgraden med 0.2% vil dette på ett 100 MW aggregat utgjøre ca:0.2%* kw*(365 dager* 24 timer)*70% (driftstid på snitteffekt 100MW)* 0.3 NOK/kW (Kraftpris)=ca 0.37 mill. NOK/år. Verdi over 20 år er ca 7.4 mill NOK. (Konservativt) Pris på modelltest er normalt mellom 2 og 6 millioner NOK avhengig av hva slags type modell man ønsker og hvor mye tid man bruker til utvikling De virkelig store gevinstene kan man finne i sikkerhet for å unngå feil & mangler ved prototypen, økt kunnskap og mulig avduking av ekstra potensiale under modelltesten.

23 Konklusjon En modelltest er en sikkerhet for å få et produkt som tilfredstiller kundens krav En modelltest kan gi økt utbytte utover det som er garantert En modelltest kan gi økt kunnskap En modell er en trygghet om noe uforutsett skulle skje på prototype En modell har verdi for eventuelle senere oppgraderinger Så for fremtidige prosjekter: Sett av tid til for at leverandøren skal kunne vurdere om det er nødvendig med modelltest. En modelltest kan gi flere positive effekter for begge parter

24 Takk for oppmerksomheten