Automatisierte Wasserkraft

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1 Umwelt Automatisierte Wasserkraft Versuchstand für hydraulische Maschinen der Hochschule Karlsruhe auf dem neuesten Stand der Technik mit Instrumentierung und Leittechnik von Siemens Der Anwender Die heutige Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft wurde im Jahr 1878 als Großherzogliche Badische Baugewerkeschule gegründet. Aktuell sind rund Studierende eingeschrieben. In Deutschland steht der Maschinenbau an zweiter Stelle der Produktion. In Baden-Württemberg macht er über 20 % der Wirtschaft aus. Mit 125 Jahren ist der Maschinenbau die drittälteste Disziplin der Hochschule Karlsruhe. Fast Maschinenbauingenieure wurden in ihrer langjährigen Tradition ausgebildet. Im Ranking aller Studiengänge der Hochschule Karlsruhe belegt der Maschinenbau Platz 2. Das Projekt Durch die zunehmende Automatisierung benötigt die Industrie immer mehr Maschinenbauabsolventen von Fachhochschulen oder Universitäten. Um ihnen für ihr Berufsleben das notwendige Rüstzeug mit auf den Weg zu geben, hat die Fakultät Maschinenbau und Mechatronik der Hochschule Karlsruhe ihr Labor für Fluidmechanik unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Eckhard Martens umfassend modernisiert und durchgängig automatisiert. Im Versuchsstand für hydraulische Maschinen lernen die Studierenden den praktischen Umgang mit den im Prüfstand vorhandenen Maschinen. Dazu gehören Aufbau, Funktionsweise, Betriebsverhalten und Kennfelder von Drehzahlvariablen Radialkreiselpumpen, Peltonturbine, Kaplanturbine und Francisturbine. siemens.de/umwelt

2 Der Versuchsstand: Kreiselpumpe und Wasserturbinen Kreiselpumpen sind die größte Gruppe innerhalb der Strömungs arbeitsmaschinen. Ihre Aufgabe besteht darin, ein Fluid zu heben, zu transportieren oder umzuwälzen. Aus den unterschiedlichen Anforderungen nach Volumenstrom, Förderhöhe und Fluidkonsistenz ergibt sich die Ausführung des Laufrads. Das Betriebsverhalten von Pumpen wird in Kennfeldern beschrieben. In einem Praktikumsversuch nehmen die Studen ten die Kennlinie einer einstufigen Blockkreiselpumpe radialer Bauart mit spezifischer Drehzahl auf. Der Antriebs motor lässt sich durch einen aufgebauten Frequenz umrichter im Drehzahlstellerbetrieb von bis /min variabel ansteuern. Ziel des Versuches ist es, die entscheidenden Größen für das Kennfeld der Pumpe zu ermitteln: Volumenstrom, spezifische Förder arbeit, Strömungsleistung, elektrische Leistung, Wirkungsgrad, Drehzahl, Haltedruckhöhe sowie Bypassvolumenstrom. Die Maschine ist durch Drosselung, Drehzahlregelung und einen Bypass regelbar. Während der messtechnischen Untersuchung tritt bei entsprechendem Ansaugdruck Kavitation auf. Um dieses Phänomen beobachten zu können, wurde am Saugstutzen der Pumpe ein aus Plexiglas gefertigter Rohrstutzen angebracht. In den Versuchen zu Pelton- und Kaplanturbine messen die Studenten die Größen Volumenstrom, Druckdifferenz, Temperatur, Wellendrehmoment und Drehzahl und berechnen die Größen hydraulische und mechanische Leistung, Wirkungsgrad und Schnellläufigkeit. Die erstellten Diagramme zeigen: Spezifische Stutzenarbeit und Fallhöhe über dem Volumenstrom, sowie Wellenleistung, Wellenmoment, hydraulische Leistung und Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Drehzahl. Aus den verschiedenen Vorläufern an Aktionsturbinen entwickelt, bereichert die Peltonturbine das Feld der Wasserturbinen in Richtung kleiner Volumenströme bei großen Fallhöhen, also zu niedrigen spezifischen Drehzahlen. Diese Art von Turbine kommt in Speicher- und Hochdruckkraftwerken bis zu Fallhöhen von m und Volumenströmen von 60 m³/s zum Einsatz. Bei Laufraddurchmessern oberhalb von 5 m kann sie Leistungen von über 250 MW erbringen. Ihr Wirkungsgrad liegt bei 92 % bis 95 %. Im Versuch wird die Nettofallhöhe der Peltonturbine durch einen Kreiselpumpensatz erzeugt. Bild 1 Topologie der Anlage, SIMATIC PCS 7 Kaplanturbine 2

3 Bild 2: Kaplanturbine, Schaltschrank mit SIMATIC-Komponenten und Panel im Hintergrund Bild 3: Messumformer 2 x Ventilblock, Blen denmessung Links: 2 x SITRANS P DSIII Differenz druck messumformer für die Messblenden Rechts: Messumformer SITRANS FM MAG6000 für den Durchflussmesser MAG5100W Die Kaplanturbine wurde als letzte der drei Haupttypen von Turbinen entwickelt und ergänzt das Feld der Wasserturbinen in Richtung großer Volumenströme bei niedrigen Fallhöhen mit hohen spezifischen Drehzahlen. Sie wird häufig in Fluss- oder Laufwasserkraftwerken bis zu Fallhöhen von 80 m und Volumenströmen von m³/s eingesetzt. Bei Laufraddurchmessern oberhalb 8 m erbringt sie Leistungen von über 100 MW. Der Wirkungsgrad beträgt 92 % bis 95 %. Die notwendige Wasser energie für die Kaplanturbine wird im Labor für Fluid mechanik durch einen Dieselpumpensatz realisiert. Im Labor für Fluidmechanik führt die Hochschule auch Auftragsstudien für die Industrie, d. h. für Hersteller von Turbinen durch. Des Öfteren werden Projektarbeiten zu Umgestaltung und Ausbau der Anlage vergeben. Für die nächste Zukunft sind die Eingliederung eines Propellerpumpenprüfstandes und der Austausch des Dieselmotors durch drehzahlgeregelte Elektromotoren geplant. Bild 4: P101, P102, SITRANS P DSIII Relativdruckmessungen Nennbereich 16 bar, vor und hinter Ventil. Vier Messpunkte zur Mittelung. Die Druckmessungen und das Ventil dienen zur Einregelung eines bestimmten Drucks, um z. B. die Turbinen mit einem fest gelegten (simulierten) Höhenniveau zu beaufschlagen 3

4 Die Technik Nach der Modernisierung des Labors für Fluidmechanik des Studiengangs Maschinenbau der Hochschule Karlsruhe zählen nun auch das Prozessleitsystem SIMATIC PCS 7, die digitale Kommunikation mittels HART, PROFIBUS DP und PROFIBUS PA und der Vergleich verschiedener Durchflussmessverfahren zu den Lehrinhalten. So wurden zusätzlich zu den vorhandenen Blendenmessungen ein Vortex-, ein hoch genauer Magnetisch-Induktiver Durchflussmesser (MID) sowie eine hydrostatische Differenzdruckmessung installiert. Damit die Studenten jeden einzelnen Versuchsschritt mitverfolgen können, wird das Visualisierungssystem SIMATIC WinCC von Siemens über einen Beamer auf eine Leinwand projiziert. Leistungsumfang von Siemens Industry Solutions, Deutschland, Region Südwest war die komplette Neumontage inklusive Lieferung von Sensorik, Aktorik, Schaltanlage, SIMATIC PCS 7, Engineering und Inbetriebnahme. Installierte Messtechnik Die Versuche werden anhand der Messdaten verschiedener Durchflussmessverfahren ausgewertet und überwacht. Des Weiteren können die Messgeräte hinsichtlich ihrer Genauigkeit verglichen werden, da sie in vier parallel angeordneten Rohren eingebaut sind: Rohr 1: Nennweite DN 100, SITRANS FX300 Vortex Durchflussmesser Rohr 2: Nennweite DN 100, SITRANS FM MAG 5100W und dahinter eine SITRANS FO Blendenmessung Rohr 3 und 4: Nennweite DN 200, SITRANS FO Blendenmessung Die langen, geraden Einlaufstecken im Versuchsstand für hydraulische Maschinen ermöglichen einen guten Vergleich der verschiedenen Durchflusstechnologien. Das Ergebnis: Mit einer Genauigkeit von ± 0,20 % vom Messwert erzielt der MID SITRANS FM MAG 5100W mit dem Messumformer MAG 6000i die höchste Genauigkeit, gefolgt vom SITRANS FX300 Vortex-Durchflussmesser mit ± 0,6 % vom Messwert. Die Auswertung der Blendendurchflussmessungen erfolgt mit SITRANS P DSIII Differenz druckmessgeräten (nomineller Messbereich mbar). Installierte Automatisierungstechnik mit SIMATIC ET 200M Das modulare Peripheriesystem SIMATIC ET 200M IM eignet sich besonders für anwendungsspezifische und komplexe Automatisierungsaufgaben. Bei hochkanaligen Anwendungen im Schaltschrank ist die SIMATIC ET 200M erste Wahl. Bild 6: Hydrostatische Druckmessung SITRANS P DSIII Vorteile der SIMATIC ET 200M Geringer Verdrahtungsaufwand Hohe Anlagenverfügbarkeit Hot Swapping Austausch während des Betriebs ohne Spannungsunterbrechung Modularer und redundanter Aufbau möglich Kanalgenaue Diagnosefunktionen Die Feldgeräte sind über analoge und digitale Ein-/ Ausgabe gruppen (4-20 ma, HART oder PROFIBUS PA) angebunden. Für die Anbindung an PROFINET oder PROFIBUS stehen verschiedene Interfacemodule zur Verfügung. Sie sind sowohl in Standard anwendungen als auch sicherheitsgerichteten Anwendungen einsetzbar. An die Schnittstellen zum Prozess lassen sich bis zu 12 hochkanalige Signal module (z. B. 64 digitale Eingänge) und Funktionsmodule sowie Kommunikationsprozessoren der SIMATIC S7-300 anschließen. Die SIMATIC ET 200M unterstützt auch Baugruppen mit erweiterten Nutzdaten, wie z. B. HART-Baugruppen mit HART-Nebenvariablen. 4

5 SIMATIC PDM Tool mit Mehrwert SIMATIC PDM (Process Device Manager) ist ein integriertes Werkzeug von STEP 7 und ein integraler Bestandteil des Engineering-Systems des Prozessleitsystems SIMATIC PCS 7. Mit der PCS 7 Maintenance Station kann direkt im Leitsystem die schnelle und einfache Integration aller Feldgeräte von Siemens und vielen anderen Herstellern durchgeführt werden. Diese Lösung ermöglicht eine einheitliche und durchgängige Projektierung, Parametrierung, Inbetriebnahme, Diagnose und Wartung von intelligenten Feldgeräten und Automatisierungskomponenten. Dies erhöht nicht nur die Sicherheit, sondern spart auch noch Investitions-, Ausbildungs- und Folgekosten. Bild 7: SITRANS FX300 VORTEX Durchfluss messer Anwender können Feldgerätedaten einstellen, ändern, auf Plausibilität prüfen, verwalten und simulieren. Darüber hinaus lassen sich auch ausgewählte Prozesswerte, Alarme und Zustandssignale online beobachten. Das System unter stützt auch Feldgeräte-spezifische Funktionen wie Simu lation, Messkreistest, Kennlinieneingabe, Kalibrie rungsfunktionen, Dokumentation etc. Alle Feldgeräte parameter lassen sich online, stoßfrei und ohne Stopp des PROFIBUS-Masters ändern. Anwendernutzen Nach dem erfolgreichen Abschluss des Projektes verfügt der Hydraulikprüfstand im Labor für Fluidmechanik über das modernste Prozessleitsystem und die modernste Instru mentierung der gesamten Hochschule Karlsruhe. Das System wird fakultätsübergreifend zur Lehre genutzt. Mit den topaktuellen Lerninhalten sind die Studenten für ihr zukünftiges Arbeitsleben bestens gerüstet. Dank der durchgängigen Automatisierung und der Möglichkeit des dezentralen Zugriffs, kann der Praktikumsleiter nun über ein Remote Desktop die Versuche komfortabel aus der Ferne bzw. von seinem zwei Stockwerke entfernten Büro aus steuern und überwachen, ohne ständig vor Ort sein zu müssen. Weitere Vorteile der Durchgängigkeit: Installation/Einrichtung und Parametrierung der Geräte sowie Messwertaufnahme der Daten können direkt im Rechner erfolgen. Das universelle Werkzeug SIMATIC PDM (Process Device Manager) erlaubt eine universelle, herstellerübergreifende Projektierung, Parametrierung, Inbetriebnahme, Diagnose und Wartung der intelligenten Feldgeräte und Automatisierungskomponenten. Bild 8: SITRANS FX300 VORTEX, Anschluss der Messblende 5

6 Statement Das PCS 7-System ist klar strukturiert und lässt sich einfach bedienen. Seit der Inbetriebnahme laufen Automatisierungssystem und Messgeräte stabil und fehlerfrei. Die Anlage, die auf zwei Stockwerke verteilt ist, ist auf den ersten Blick sehr komplex und relativ unübersichtlich. Das Visualisierungssystem WinCC ermöglicht es uns nun, den Studenten den Hydraulikprüfstand wesentlich besser zu demonstrieren und zu erläutern Till Hensgen, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachbereich Fluidmechanik der Fakultät Maschinenbau und Mechatronik Bild 9 Ventilblock Blendenmessung mit Differenzdruckmessumformer SITRANS P DSIII für Messblenden Bild 10: Auslitergefäss mit hydrostatischer Druckmessung SITRANS P DSIII Siemens AG Industry Sector Sensors and Communication Process Instrumentation KARLSRUHE DEUTSCHLAND Änderungen vorbehalten 06/2012, Siemens AG Die Informationen in dieser Case Study ent halten Beschreibungen bzw. Leistungsmerkmale, welche im konkreten Anwendungsfall nicht immer in der beschriebenen Form zutreffen bzw. welche sich durch Weiterentwicklung der Produkte ändern können. Die gewünschten Leistungsmerkmale sind nur dann verbindlich, wenn sie bei Vertragsschluss ausdrücklich vereinbart werden. Lie fer möglichkeiten und technische Änderungen vorbehalten. Alle Erzeugnisbezeichnungen können Marken oder Erzeugnisnamen der Siemens AG oder anderer, zuliefernder Unternehmen sein, deren Benutzung durch Dritte für deren Zwecke die Rechte der Inhaber verletzen kann.