Wirkungsgradund Anlagenmessung

Transkript

1 Wirkungsgradund Anlagenmessung Institut für Hydraulische Strömungsmaschinen Technischen Universität Graz Helmut JABERG o.univ.-prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Institutsvorstand Mark GUGGENBERGER Dipl.-Ing. Universitätsassistent 27. November 2014 u hfm.tugraz.at

2 Wirkungsgrad- und Anlagenmessung 2 Ungenaue Wirkungsgradmessungen entscheiden über Wirtschaftlichkeit? Messung Wurden die projektierten Daten eingehalten? Erreicht die Anlage die garantierten Werte? Sind Verbesserungspotentiale vorhanden? Treten Komplikationen (Kavitation, Vibration, Lärm, ) im Betrieb auf? Aktuelle Normen: IEC 60041: FIELD ACCEPTANCE TESTS TO DETERMINE THE HYDRAULIC PERFORMANCE OF HYDRAULIC TURBINES, STORAGE PUMPS AND PUMP-TURBINES IEC 62006: HYDRAULIC MACHINES ACCEPTANCE TESTS OF SMALL HYDROELECTRIC INSTALLATIONS

3 3 Wirkungsgrad- und Anlagenmessung Wirkungsgrad = Nutzen/Aufwand Konventionelle Messung: Hydraulischer Wirkungsgrad = Abgeführte Leistung Zugeführte Leistung η hydraulisch = P mech ρ Q g H = P mech m E h Problem: ungenaue Durchflussmessung H = p abs1 p abs2 ρ g P mech = P el η Generator + v 1 2 v g + z 1 z 2 Thermodynamische Messung: Hydraulischer Wirkungsgrad = Verlustbehaftete Strömung Verlustfreie Strömung 2 2 v1 v2 m abs1 abs2 p η hydraulisch = P mech = m E m E a( p p ) c (T T ) g( z z ) m E h m E h pabs1 pabs2 v1 v E 2 h g( z1 z2) 2 keine Durchflussmessung erforderlich!

4 4 Wirkungsgradmessung mit Messflügeln Durchflussmessung in großen Querschnitten Messung des Geschwindigkeitsfeldes in einem ebenen Querschnitt Abtasten des Querschnitts nach einem Raster (sequenziell/simultan) Abhängig vom Durchfluss Kraftwerk Pucioasa (Rumänien) 3 Kaplanturbinen mit je 300 kw 0,1 m 3,04 m 0,2 m

5 Wirkungsgradmessung mit Messflügeln 5 Integration des Geschwindigkeitsfeldes ergibt Durchfluss Kalibrierte Flügelräder mit genormten Durchmessern Integration des Geschwindigkeitsfeldes mit numerischen Methoden Berücksichtigung der Randzonen Q = 2,935 m³/s Quelle: Turboinstitut OTT Z400 OTT C31

6 6 Wirkungsgradmessung mit akustischer Durchflussmessung Laufzeitdifferenz ergibt Durchfluss Mehrpfadige Anordnung für höhere Genauigkeit Numerische Optimierung durch Analyse des Geschwindigkeitsprofils

7 7 Wirkungsgradmessung mit akustischer Durchflussmessung Clamp-On-Sensoren für mehr Flexibilität Verschiedene Anordnungen für unterschiedliche Rohrdurchmesser Sehr flexibel mit Clamp-On-Sensoren: keine Störung des Betriebs! Kraftwerk Arundabach 2-düsige Pelton mit 675 kw HFM: Rittmeyer Risonic, max. 8 Pfade 2 MHz / 500kHz Sensoren Rohrdurchmesser von 0,3 bis 4 m messbar!

8 8 Thermodynamische Wirkungsgradmessung Verluste äußern sich in Temperaturerhöhung Temperaturerhöhung ist Maß für den Wirkungsgrad Keine Durchflussmessung notwendig η hydraulisch = E m E h E m = a p 11 p 21 + c p T 11 T 21 + v v 21 + g z 2 11 z 21 + δe m E h = p 10 p 20 ρ + v 10 2 v g(z 10 z 20 ) Kraftwerk Trieben 6-düsige Pelton mit 12 MW

9 9 Thermodynamische Wirkungsgradmessung Hochpräzise Temperaturmessung HFM setzt Temperatursensoren für ozeanographischen Einsatz ein direkte Messmethode Absolut parallele Datenverarbeitung für höchste Genauigkeit (0,001 K)

10 10 Thermodynamische Wirkungsgradmessung Einflüsse der Umgebung Berücksichtigung von Korrekturfaktoren nach IEC notwendig: Wärmeeinfluss der Messkammer Wärmeübergang Rohrleitung/Turbinengehäuse Temperaturänderung im Zulauf (Messgrenze: 5 mk/minute) Direkter Wärmeaustausch mit Umgebungsluft Bis Fallhöhen > 100 m einsetzbar Kraftwerk Bodendorf Francis mit 30 MW Kraftwerk Kaunertal 2-düsige Pelton in Tandemanordnung mit 40 MW

11 11 Wirkungsgrad- und Anlagenmessung Digitale Messwertverarbeitung Hochpräzise durch Kalibration der gesamten Messkette (IEC-konform) Datenerfassung mit sofortiger Visualisierung der Messwerte HFM: 256 physikalische Kanäle 50,000 Hz Abtastrate pro Kanal Netzwerkfähig Fernüberwachung in Echtzeit

12 12 Wirkungsgrad- und Anlagenmessung Weitere Methoden zur Wirkungsgradmessung Indexmethode (relativer Wirkungsgrad) Gibson-Methode (Druck-Zeit-Methode) Magnetisch induktive Durchflussmessung Volumetrische Durchflussmessung. Quelle: ABB Indexmessung: Kraftwerk Reisach Francis mit 34 MW

13 13 Wirkungsgrad- und Anlagenmessung Vergleich von Messunsicherheiten Gewöhnliche Randbedingungen: Betrieb in Volllast Konfidenzintervall 95% Messmethode Erwarteter systematischer Fehler Kommentar Quelle: IEC 60041, IEC Wirkungsgradmessung mit Messflügeln Wirkungsgradmessung mit akustischer Durchflussmessung Thermodynamische Wirkungsgradmessung fη 1,3-2,5% fη 1,0-2,5% fη 0,6-1,3% In geschlossenen Querschnitten genauer als in offenen Kanälen Mit 8 innen liegenden Pfaden und CFD-Optimierung genauer als mit Clamp-On-Sensoren Genauer für Fallhöhen > 200 m Gibson Methode fη 1,5-2,3 % Genauer für gleichmäßigen Querschnitt Volumetrische Methode fη 1,5 % - Magnetisch induktive Durchflussmessung fη 1,5 % für kleine Rohrdurchmesser (< DN500), benötigt ideale Bedingungen

14 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Institut für Hydraulische Strömungsmaschinen der Technischen Universität Graz Kopernikusgasse 24/4 A-8010 Graz Austria/Europe Tel.: +43 (0) Fax: +43 (0) Web: u hfm.tugraz.at