Wirkungsgradmessungen und Anlagenoptimierung im Kraftwerk Wettingen

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1 ewz Wirkungsgradmessungen und Anlagenoptimierung im Kraftwerk Wettingen Thomas Staubli André Abgottspon SWV Tagung Hotel Arte, Olten Mittwoch, 19. Nov Niederdruckanlagen liefern 55% der hydroelektrischen Energieproduktion der Schweiz - Viele alte Anlagen: laufen sie optimal? - Wirkungsgrad vielfach noch nie gemessen - Laufkraftwerke: Wirkungsgrad = Produktion = Geld - Die Durchflussmessung stellt eine grosse Herausforderung dar: kurze Einläufe Einlaufkrümmer keine optimal geeignete Messmethode 1

2 Nutzen von Durchfluss- und Wirkungsgradmessungen - Garantienachweis bei erneuerten Anlagen - Bestandsaufnahme bei bestehenden Anlagen - Optimierung des Maschinenmanagements - Potenzialabschätzung für Erneuerungsprojekte - kontinuierliche Durchflussmessung Betriebsoptimierung Wirkungsgradmonitoring KW Wettingen der EWZ Inbetriebnahme Kaplanturbinen - Leistung je 8.5 MW - Fallhöhenvariation m 2

3 Durchflussmessung im KW Wettingen - Mit welcher Methode kann der Durchfluss für eine Wirkungsgradmessung bestimmt werden? Bestehende Differenzdruckmessung an Turbinenspirale = Winter Kennedy Indexmessung p Q 2 Entscheid der EWZ: akustische Durchflussmessung Unkonventionelle Installation Durchflussintegration mit CFD-Unterstützung (Form der Geschwindigkeitsverteilung) Installation der ADM Bestimmung der Pfadgewichtungen 666 3

4 Bestimmung des Volumenstromes D w i L v ax D Q 4 w L v i proj, i ax, i 2 i 1 = Referenzdurchmesser = Gewichtung der individuellen Pfade = Pfadlänge = aus Laufzeitdifferenz bestimmte axiale Geschwindigkeit CFD Simulationen Bestimmung der individuellen Pfadgewichtungen Untersuchung der Integrationsunsicherheit 4

5 Stromlinien im Simulationsgebiet beschleunigte Strömung Installation der ADM-Sensoren 5

6 Vergleich CFD-Geschwindigkeiten und ADM-Messung keine Betriebsabhängigkeit der Verteilung Vergleich CFD-Geschwindigkeiten und ADM-Messung: Geschwindigkeitsverteilungen für MG1, MG2, MG3 - Abweichungen sind gering - MG 1 zeigt untypischen Verlauf Integrationsunsicherheit < 1% 6

7 Ablauf der Messkampagnen Juni 2012 Nov Juli 2014 Entscheid der EWZ: akustische Durchflussmessung (ADM) - CFD Untersuchung für die ADM durchgeführt - Durchführung der ersten Messkampagne Bestandsaufnahme Optimierungspotential erkannt Justierung der Stellorganmechanik - Durchführung der zweiten Messkampagne Erfolgskontrolle - Optimierungsstudie mit aktuellen Messdaten Hinterlegung der aktuellsten Parameter (u.a. Umschaltpunkte) Nov Bestandsaufnahme (erste Messkampagne) - Messungen der Propellerkurven im Einmaschinenbetrieb - Messung der einzelnen Pfadgeschwindigkeiten zur Validierung der numerischen Simulationen (CFD) 7

8 Bestandsaufnahme (erste Messkampagne) - Resultate Bestandsaufnahme (erste Messkampagne) - Resultate 8

9 Manuelle Positionsmessungen - Spiel im Übertragungsmechanismus des Leitapparats Juli 2014: Erfolgskontrolle (zweite Messkampagne) - Messungen der Propellerkurven im Mehrmaschinenbetrieb - Überprüfung der Justierungsarbeiten - Überprüfung der korrekten Implementation der Gewichtungen der einzelnen akustischen Pfade 9

10 Erfolgskontrolle (zweite Messkampagne) - Resultate Erfolgskontrolle (zweite Messkampagne) - Resultate 10

11 Optimierungsstudie - Optimales Maschinenmanagement von Ein- und Mehrmaschinenbetrieb bei Q = konstant (Wehrregulierung) - Optimale Volumenströme für die Umschaltung bei Ein- und Mehrmaschinenbetrieb Optimierungsstudie Resultate optimale Aufteilung 1 Maschinengruppenbetrieb: MG3 bringt mehr Leistung Wirkungsgrad [%] MG 3 MG 2 MG 1 1. Priorität Durchfluss [m 3 /s] 11

12 Optimierungsstudie Resultate optimale Aufteilung 2 Maschinengruppen in Betrieb Leistungserhöhung MG Kombination a 1 a 2 P mittel im Vergleich zur 50% / 50% Aufteilung % 54 % kw 5.5 kw % 49 % kw 0.2 kw % 53 % kw 2.7 kw ca. 250 kw Leistungserhöhung 2 % bei einer mittleren Leistung von 12.5 MW Optimierungsstudie Resultate Umschaltbetriebe 2 auf 3 Maschinengruppenbetrieb 500 Differenzleistung Ptot 2 MB -Ptot 3 MB [kw] % der maximalen 2 MG Betrieb optimal Leistung im 2 MG Betrieb ca. 250 kw 3 MG Betrieb optimal 73 m 3 /s 86 m 3 /s Umschaltbereich Umschaltbereich bestehend optimal Durchfluss [m 3 /s] 12

13 Schlussfolgerungen / Erkenntnisse aus Messkampagnen - Überprüfung der Stellorganpositionen erlaubte Spiel in Regulierungsmechanik zu detektieren. - Die erreichte Wirkungsgraderhöhung durch die Justierungen liegt im Mittel über einen grossen Betriebsbereich bei 4.4 %. - Auch nach der Justierung konnten unterschiedliche Wirkungsgrade zwischen den MG nachgewiesen werden (MG %, MG %). - Die optimierten Umschaltpunkte beim 1 auf den 2 und beim 2 auf den 3 MG Betrieb wurden eruiert. Generelle Schlussfolgerungen / Erkenntnisse für Niederdruckanlagen mit mehreren Maschinen 1. Es sind Wirkungsgradmessungen für jede MG notwendig um einerseits Unterschiede in den Formen der einzelnen Wirkungsgradkurven aufzuzeigen und um die absoluten Wirkungsgradniveaus miteinander zu vergleichen. 2. Es sind unabhängige Volumenstrommessungen für jede MG notwendig. Erfahrungsgemäss muss davon abgeraten werden, gleiche z.b. Winter-Kennedy Koeffizienten für jede MG anzunehmen. 13