IHS. Leistungsausbeute bei einfach, doppelt und dreifach regulierten Turbinen. V. Brost, H. Reinhardt

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1 Leistungsausbeute bei einfach, doppelt und dreifach regulierten Turbinen V. Brost, H. Reinhardt Brost, Reinhardt, Folie 1

2 Überblick Möglichkeiten der Regelbarkeit von Turbinen - einfach: Leitapparat - doppelt: Leitapparat, Laufrad - dreifach: Leitapparat, Laufrad, Drehzahl Betriebsverhalten von einfach regulierten Turbinen - Probleme in Überlast und Teillast - Darstellung im Einheitskennfeld Verbesserung des Betriebsverhaltens durch Mehrfachregulierung - Verbesserung durch Leit- und Laufradverstellung - Darstellung im Einheitskennfeld - Potenzial bei zusätzlicher Drehzahlanpassung Vergleich für eine typische Axialturbine Brost, Reinhardt, Folie 2

3 Einteilung der Regulierungsmöglichkeiten doppelt dreifach reguliert Leitapparat Propellerturbine Öffnung a 0 Kaplanturbine Laufrad Winkel ϕ Frequenzumrichter Moment M Kaplanturbine, drehzahlvariabel Brost, Reinhardt, Folie 3

4 Kennfeld, Bestpunkt, Nennpunkt schematisches Kennfeld eines axialen Schnellläufers (H klein, Q groß, z.b. Propellerturbine) Nennpunkt Bestpunkt, BEP maximaler Wirkungsgrad (η opt, Q opt, H opt ) Nenndurchfluss Q N Nennfallhöhe H N möglicher Betriebsbereich Brost, Reinhardt, Folie 4

5 Betriebsverhalten, einfach reguliert Betrieb im Bestpunkt (maximaler Wirkungsgrad) An- und Abströmung schaufelkongruent w 1 v m u 1 v 1 w 2 u 2 = u 1 v 2 = v m drallfreie Abströmung nach dem Laufrad Brost, Reinhardt, Folie 5

6 Betriebsverhalten, einfach reguliert Betrieb in Teillast (Q/Q N < 1) Anströmung auf Saugseite w 1 v m v 1 u 1 w 2 v u2 > 0 v 2 u 2 =u 1 Drall in Laufraddrehrichtung Brost, Reinhardt, Folie 6

7 Betriebsverhalten, einfach reguliert Betrieb in Überlast (Q/Q N > 1) Anströmung auf Druckseite w 1 v m v 1 u 1 v u2 < 0 w 2 v 2 v m Drall entgegen Laufraddrehrichtung u 2 Brost, Reinhardt, Folie 7

8 Betriebsverhalten, doppelt reguliert Kaplan-Turbinen: Verstellung von Leitradöffnung a 0 und Laufradwinkel ϕ Propellerkurven: veränderliche Leitradöffnung, fester Laufschaufelwinkel Einhüllende Wirkungsgradkurve an die Propellerkurven bei optimalem Zusammenhang von Leitradöffnung a 0 und Laufradwinkel ϕ durch die Laufradverstellung kann weitgehend Drallfreiheit am Austritt erreicht werden, Fehlanströmung am Eintritt wird hingenommen Brost, Reinhardt, Folie 8

9 Betriebsverhalten, doppelt reguliert die Darstellung von allen einhüllenden Wirkungsgradkurven über die Einheitsdrehzahl n 11 ergibt eine Fläche in der n 11 - Q 11 -Ebene in der Draufsicht bilden die Konturlinien der Fläche die Linien gleichen Wirkungsgrades (Muscheldiagramm) Wirkungsgrad η Einheitsdurchfluss Q Einheitsdurchfluss Q Einheitsdrehzahl n Einheitsdrehzahl n Wirkungsgrad η Einheitsdrehzahl n Einheitsdurchfluss Q 1 Brost, Reinhardt, Folie 9

10 Schaufelverstellung Kaplan Laufschaufeln maximal offen, ϕ max Laufschaufeln geschlossen, ϕ min Laufschaufelverstellung mit Stellkreuz auf einzelne Schubstangen und Lenker aufwändige, teuere Mechanik, rentabel durch die höhere Energieausbeute infolge des besseren Teillastverhaltens im Laufe des Betriebs Brost, Reinhardt, Folie 10

11 Typische Kleinwasserkraftturbine Wasserwirtschaftliche Erhebungen liefern als Planungsgrundlage die Durchfluss-Dauerlinie und die Fallhöhen-Dauerlinie. Die Ausbaugrößen definieren den Nennpunkt für die Auslegung der Turbine. Ausbaufallhöhe H N =27,5 m Nenndrehzahl n N =429 U/min Fallhöhe h [m], Durchfluss Q [m 3 /s] Q H P Leistung P [kw] Ausbauleistung P N =3800 kw Ausbaudurchfluss Q N =15 m 3 /s Tage Ausbauzeit T A Brost, Reinhardt, Folie 11

12 Betrieb mit Frequenzumrichter Turbine auf n 11,N =118,6 U/min ausgelegt Ziel für Betrieb die Fallhöhe schwankt um H Änderung der Einheitsdrehzahl durch H muss ausgeglichen werden: n D n11 1 n11 = H n H / 11, N H N benötigte Änderung der Drehzahl, um mit n 11,N zu fahren: n D n n 11 = H / H N H nn zusätzliche Leistungseinbußen durch Frequenzumrichter, η F =0,98 Wirkungsgrad η Drehzahl 0.2 Nenneinheitsdrehzahl n 11,N doppelt dreifach Einheitsdurchfluss Q 11 gsgrad η Brost, Reinhardt, Folie 12

13 Wirkung bei unterschiedlicher Fallhöhenschwankung Wirkungsgrad η doppelt dreifach Wirkungsgrad η doppelt dreifach Einheitsdurchfluss Q Einheitsdrehzahl n Einheitsdurchfluss Q Einheitsdrehzahl n 11 Drehzahlanpassung bei geringer (links) und starker Fallhöhenschwankung (rechts) Fallhöhe H Einh.drehzahl n11 Drehzahl n min max min max min max % m % m % U/min % U/min % U/min % U/min ,8 20, ,3 34, ,9 105, ,8 138, ,3 366, ,4 483,5 stark gering Brost, Reinhardt, Folie 13

14 Vergleich der Jahresenergiemenge theoretische Jahresenergiemenge E a,th aus Dauerliniendaten tatsächlich erzielbare Jahresenergiemenge E a mit Wirkungsgrad aus dem Kennfeld zeitlich gewichteter Jahreswirkungsgrad η anno Nutzungsgrad als Verhältnis E a zu E a,th E a [MWh] E a,th [MWh] η anno [-] E a /E a,th [-] Kaplan (doppelt) 26832, ,2 0,938 0,943 Kaplan + FU (dreifach) 24450, , , ,2 0,942 0,930 0,946 0,934 stark gering sehr hoher Nutzungsgrad durch doppelt regulierte Turbine Dreifachregulierung nur sinnvoll bei sehr großen Fallhöhenschwankungen Brost, Reinhardt, Folie 14