Nielsen_Turbiner_Virkningsgrader_og_Slukeevne.pdf
NVE seminar 18. mars 2014 Småkraftdagene Turbiner Virkningsgrader og slukeevne Torbjørn K. Nielsen Vannkraftlaboratoriet, NTNU • Vannkraftlaboratoriet • Hydrauliske maskiner og systemer Vannkraftlaboratoriet totalrenovert 2004 • Nye pumper og rør • Kalibreringssystemer • Oppfyller IEC normene Laboratoriet brukes flittig av Master-studenter og PhD-stipendiater Turbiner er noe gamle greier Historikk – moderne tid 1750 J.A. Segner 1750 Leonard Euler 1827 Fourneyron 1840 Henschel/Jonval Jonval 1849 Francis 1849 Fink 1890 Pelton 1913 Kaplan Reaksjonsturbinen Turbin teori Radialturbin, 30-40 Hp, D=0.5 m Aksialturbin Sugerør Francis turbin Ledeapparat for lastregulering Impulsturbinen Pelton Propellerturbin Kaplan Pelton turbin Francis turbin Kaplan turbine Source: Canadian Hydro Components Ltd. Turbintype Bestemmes av fartstallet: 2 gH e Q 2 gH e Fallhøyde [m] Pelton Francis He - effektiv fallhøyde [m] Q - vannføring [m3/s] g - gravitasjons aks. [m/s2] – vinkelfrekvens, dvs turtall 2 n 60 Kaplan n er turtall Fartstallet bestemmer turbinens aksielle geometri *0.1 * 0.2 * 0.4 * 1.0 For mye tap Velger Pelton KAPLAN: FRANCIS: PELTON: * 1.5 - 2.5 * 0.2 - 1.2 * 0.05 - 0.15 * 2.5 Eksempel He = 50m Q = 15 m3/s n= 750 o/min P= 6,7 MW 2 750 rad 78.6 60 sek 78.6 2 g 50 18 1.73 2 g 50 Kaplan Endrer turtallet til 375 o/min 2 375 rad 44.88 60 sek 44.88 2 g 50 18 0.87 2 g 50 Francis Virkningsgrader Effekt ut Effekt inn Effekt ut Effekt inn-Tap Effekt inn Effekt inn Hydraulisk energi Tilgjengelig fra naturen P = rgQH H 3m kg m m [ ] 3 2 m s s H = fallhøyde Q – vannføring r – tetthet g – gravitasjons aks. Nm ] [ = [W ] = s Effekt transformering Hydraulisk effekt Mekanisk roterende effekt Elektrisk effekt Turbin Vannvei Generator r gQH B r gQH e M UI (Vannføring x Brutto fallhøyde) (Moment x Turtall) (Vannføring x Effektiv fallhøyde) (Spenning x Strøm) Virkningsgrader Vannvei: Effekt ut 1- Falltap H Brutto Effekt inn Turbin: t Effekt ut Effekt inn P M turbin r gQH e r gQH e Generator: t Pgen Pturbin Totalvirkningsgrad Vannvei Generator Turbin total turbin generator vannvei Qopt system Qopt turbin Q Måling av turbinvirkningsgrad Pgenerator gen Pturbin t r gQH e r gQH e Målinger: Generatoreffekt Fallhøyde Vannføring Generatoreffekt Energi = Effekt x Tid [Kwh] Lese av kWh-måleren over et tidsintervall Pgen kWh 3600 Tid i sekunder Pturbin Pgen gen kW kW gen er gitt av generatorleverandør Fallhøyde Falltap Effektiv fallhøyde: H e Hbrutto - Falltap He Turbinen skal ikke ha skylda for falltapet Turbin Måle effektiv fallhøyde er relativt enkelt Måling av vannføring Dette er problemet! Metoder: Winther – Kennedy Ultralyd Flygel Gibson Overfall Ved fallhøyder over 100 m kan mfl virkningsgraden måles direkte med termodynamisk metode Temperatur og trykk foran og bak turbinen måles. Temperaturforskjellen skyldes tapet Winter-Kennedy Relativ måling k * Q h hvor * Q Pgen / gen r gH e * Antatt toppvirkningsgrad for turbinen h *Q 25 Q Q k h Ultralyd a = lydhastighet c Acoustic paths Receiver Transmitter c f (tmedstrøms , tmotstrøms , L) Q ci dAi A Flygel • Måler hastighet i et punkt • Vannføring må beregnes ved å integrerer over arealet: Q ci dAi A Gibson (Pressure-time) Apenstock c Areal Closing time tl gA Q Areal L Overfall H Q CH 3/2 B Hvor: C er en geometriavhengig konstant: C = 1.71 – 1.84 B er kanalens bredde Må kalibreres 29 29 Termodynamisk måling Usikkerhet i temperaturmålingene • Spesifik varmekapasitet for vann, Cp = 4200 J/kg K • Med 10% tap ved fallhøyde 100 m: T = 0.02oC E Cp T g H n g Hn T Cp Ved fallhøyder under 100 m mulig, men ikke anbefalt 31 Slukevne Hvor stor vannføring man kan få gjennom turbinen Funksjon av: Åpningsgrad og fallhøyde En turbin er en nesten perfekt strupning, dvs den struper hele fallhøyden og omdanner hydraulisk effekt til roterende effekt H c Toricellis teorem: Hastighet Vannføring: c 2 gH Q Ac A 2 gH Åpningsgrad Pr. deff Q 2 gH Qdesign 2 gH design Ved design fallhøyde Q Høyere fallhøyde Laver fallhøyde =1 Q=Qdesign Qdesign H design H 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? Takk for oppmerksomheten 35
© Copyright 2025