Turbiner - Virkningsgrader og slukeevne

Transkript

1 NVE seminar 18. mars 2014 Småkraftdagene Turbiner - Virkningsgrader og slukeevne Torbjørn K. Nielsen Vannkraftlaboratoriet, NTNU

2 Vannkraftlaboratoriet Hydrauliske maskiner og systemer

3 Vannkraftlaboratoriet totalrenovert 2004 Nye pumper og rør Kalibreringssystemer Oppfyller IEC normene Laboratoriet brukes flittig av Master-studenter og PhD-stipendiater

4

5

6

7 Turbiner er noe gamle greier

8 Historikk moderne tid 1750 J.A. Segner Reaksjonsturbinen 1750 Leonard Euler Turbin teori 1827 Fourneyron Radialturbin, Hp, D=0.5 m 1840 Henschel/Jonval Aksialturbin Jonval Sugerør 1849 Francis Francis turbin 1849 Fink Ledeapparat for lastregulering 1890 Pelton Impulsturbinen Pelton 1913 Kaplan Propellerturbin Kaplan

9 Pelton turbin

10 Francis turbin

11 Kaplan turbine

12 Source: Canadian Hydro Components Ltd.

13 Fallhøyde [m] Turbintype Pelton Francis Bestemmes av fartstallet: 2gH 2gH e Q H e - effektiv fallhøyde [m] Q - vannføring [m 3 /s] g - gravitasjons aks. [m/s 2 ] vinkelfrekvens, dvs turtall e Kaplan 2 n 60 n er turtall

14 Fartstallet bestemmer turbinens aksielle geometri * 0.1 * 0.2 * 0.4 * 1.0 * 2.5 For mye tap Velger Pelton KAPLAN: * FRANCIS: * PELTON: *

15 Eksempel He = 50m Q = 15 m 3 /s n= 750 o/min P= 6,7 MW rad sek g50 2g50 Kaplan Endrer turtallet til 375 o/min g50 2g50 rad sek 0.87 Francis

16 Virkningsgrader Effekt ut Effekt inn Effekt ut Effekt inn Effekt inn-tap Effekt inn

17 Hydraulisk energi Tilgjengelig fra naturen P = rgqh H H = fallhøyde Q vannføring r tetthet g gravitasjons aks. = [ kg m m 3 m ] m 3 s 2 s [ Nm ] = [W ] s

18 Effekt transformering Hydraulisk effekt Mekanisk roterende effekt Elektrisk effekt Vannvei Turbin Generator r r gqh gqh M UI B e (Vannføring x Brutto fallhøyde) (Moment x Turtall) (Spenning x Strøm) (Vannføring x Effektiv fallhøyde)

19 Virkningsgrader Effekt inn Effekt ut Vannvei: 1- Turbin: Falltap H Brutto Effekt ut Effekt inn t M rgqh e Generator: t P P gen turbin Pturbin rgqh e

20 Totalvirkningsgrad Vannvei Generator Turbin total turbin generator vannvei Q opt system Q opt turbin Q

21 Måling av turbinvirkningsgrad t Pturbin rgqh e P generator gen rgqh e Målinger: Generatoreffekt Fallhøyde Vannføring

22 Generatoreffekt Energi = Effekt x Tid [Kwh] Lese av kwh-måleren over et tidsintervall P gen kwh 3600 Tid i sekunder kw P turbin P gen gen kw gen er gitt av generatorleverandør

23 Fallhøyde H e Falltap Effektiv fallhøyde: H H -Falltap e brutto Turbinen skal ikke ha skylda for falltapet Turbin Måle effektiv fallhøyde er relativt enkelt

24 Måling av vannføring Dette er problemet! Metoder: Winther Kennedy Ultralyd Flygel Gibson Overfall mfl Ved fallhøyder over 100 m kan virkningsgraden måles direkte med termodynamisk metode Temperatur og trykk foran og bak turbinen måles. Temperaturforskjellen skyldes tapet

25 Winter-Kennedy Relativ måling k * Q * hvor Q h P * gen r / gh gen e Antatt toppvirkningsgrad for turbinen h * Q Q Q k h 25

26 Ultralyd c a = lydhastighet Receiver Transmitter Acoustic paths c f ( t, t, L) Q medstrøms motstrøms A c i da i

27 Flygel Måler hastighet i et punkt Vannføring må beregnes ved å integrerer over arealet: Q c da i i A

28 Gibson (Pressure-time) A penstock c Areal Closing time t l Q g A L Areal

29 Overfall H Q CH 3/2 B Hvor: C er en geometriavhengig konstant: C = B er kanalens bredde Må kalibreres 29 29

30 Termodynamisk måling

31 Usikkerhet i temperaturmålingene Spesifik varmekapasitet for vann, Cp = 4200 J/kg K Med 10% tap ved fallhøyde 100 m: T = 0.02 o C E Cp T g H T g H Cp n n Ved fallhøyder under 100 m mulig, men ikke anbefalt 31

32 Slukevne Hvor stor vannføring man kan få gjennom turbinen Funksjon av: Åpningsgrad og fallhøyde H c En turbin er en nesten perfekt strupning, dvs den struper hele fallhøyden og omdanner hydraulisk effekt til roterende effekt Toricellis teorem: Hastighet c 2gH Vannføring: Q Ac A 2gH

33 Åpningsgrad 2 Pr. deff Q Q design 2gH gh design Ved design fallhøyde Q Q H design design H Laver fallhøyde Høyere fallhøyde = 1 Q=Q design

34 Konsekvens Kun ved merkefallhøyden får man den virkningsgradskurven og vannføring som er oppgitt av turbinleverandør Ved laver fallhøyde oppnås ikke full vannføring og det blir betydelig mindre effekt Effekt Vannføring x Fallhøyde Ved høyere fallhøyde får man mer enn full effekt Overbelastning av generator Konsesjon?

35 35 Takk for oppmerksomheten