Monitorizarea Mărimilor Electrice şi Mecanice în Scopul Determinării Punctului Optim de Funcţionare

pe Diagrama de Exploatare a unui Hidroagregat

Topic number: …….Do not indicate authors' names!

Abstract- La hidroagregatele de putere mare se impune ca funcţionarea lor să aibă loc în condiţii de randament optim al turbinei şi generatorului, aceasta constituind premisele unei exploatări eficiente. Pentru realizarea acestui deziderat se impune o monitorizare a tuturor parametrilor ce definesc punctul de funcţionare al hidroagregatului. În lucrarea de faţă se prezintă o procedură de monitorizare a mărimilor electrice şi mecanice, prin utilizarea unui sistem specializat de achiziţie şi prelucrare automată a datelor. Sistemul de achiziţie are la bază un automat programabil şi un soft specializat pentru monitorizarea şi analiza performanţelor de exploatare ale hidroagregatelor. Prin monitorizarea mărimilor ce definesc funcţionarea hidroagregatului se poate stabili punctul optim de funcţionare al acestuia pe caracteristica de exploatare.

I. INTRODUCTION

În România, şi nu numai, la majoritatea hidrocentralelor construite înainte de anul 1989 s-a avut în vedere doar producţia de energie electrică, fără a se acorda o atenţie deosebită punctului de funcţionare optim al acestora. Astfel, la majoritatea hidroagregatelor nu există posibilitatea aprecierii eficienţei utilizării acestora. Acest mod de exploatare este deficient din punct de vedere al în funcţionare cât şi din punct de vedere economic.

Monitorizarea permanentă a mărimilor electrice şi mecanice ale hidroagregatelor, precum şi sistemul de avertizare şi alarmare reduce numărul de opriri neprogramate, reduce numărul de defecte, menţine în grafic producţia de energie şi creşte siguranţa în exploatare. Un avantaj major al monitorizării constă în determinarea, de către specialişti, a punctului optim care realizează cea mai mare eficienţă a hidroagregatului.

Întrucât un hidroagregat are ca şi echipamente principale turbina şi hidrogeneratorul, în analiza eficienţei acestuia se porneşte de la analiza eficienţei turbinei, continuând cu eficienţa hidrogeneratorului.

Astfel, sistemul de achiziţie şi monitorizare măsoară şi analizează valorile parametrilor funcţionali ce caracterizează performanţele de exploatare ale hidroagregatelor, afişând poziţia punctului de funcţionare pe caracteristica de exploatare.

Sistemul permite atât vizualizarea continuă, locală, de la locul de exploatare, cât şi de la distanţă de către dispecer. Prin intermediul funcţiei data logger se poate afişa, la cerere,

istoricul modului de exploatare a hidroagregatului, în vederea unei exploatări mai eficiente.

II. PARAMETRII CARACTERISTICI AI TURBINELOR ŞI DIAGRAMA DE EXPLOATARE

Parametrii caracteristici ai turbinelor hidraulice sunt:- Debitul Q, măsurat în m3/s, reprezintă cantitatea de

apă ce trece prin turbină în unitatea de timp;- Căderea H a amenajării, măsurată în mm col H2O,

rezultă din diferenţa de energii specifice. Dacă notăm vi, pi şi zi respectiv ve, pe şi ze vitezele medii,

presiunile în centrele de greutate şi cotele acestor centre pentru secţiunile de intrare şi ieşire în turbină, atunci se numeşte energie hidraulică specifică a turbinei [1] diferenţa dintre energiile specifice de la intrare ei şi de la ieşire ee [2].

Introducând noţiunea de cote hidrodinamice Hi şi He

corespunzătoare energiilor specifice ei şi ee, căderea turbinei H sau înălţimea energetică transformată în aceasta este:

(1)unde cotele hidrodinamice de intrare Hi, respectiv de ieșire He, sunt definite cu relațiile:

(2)

(3)

În relațiile (2) și (3) g este accelerația gravitațională, ρ este densitatea apei, iar αi respectiv αe sunt coeficienții lui Coriolis, care apar datorită neuniformității curgerii apei și care nu influențează substanțial eficiența turbinei.

Căderea brută Hb este diferenţa dintre energiile specifice din lacul amonte şi aval al amenajării:

(4)iar căderea utilă Hu este energia specifică preluată de către rotorul tubinei și este definită cu relația:

(5)unde ΣhpT sunt pierderile hidraulice din turbină, exclusiv rotorul turbinei.

Randamentul hidraulic al turbinei este:

(6)

- Puterea P disponibilă din punct de vedere hidraulic, măsurată în kW sau MW, se defineşte ca lucrul mecanic efectuat în unitatea de timp:

(7)

În relația (7) G este unitatea de greutate a debitului de apă ce trece prin turbină, iar γ este un coeficient ce ține seama de tipul turbinei (γ=5-9)[4].

Puterea utilă Pu a turbinei este definită cu relația:

(8)unde η este randamentul total al acesteia este:

(9)În relația (9) ηm este randamentul mecanic ce depinde de pierderile prin frecări mecanice şi de ventilație, iar ηv este randamentul volumetric dat de pierderile de debit, q, pe lângă rotor şi prin labirinţi.

- Randamentul η al turbinei reprezintă gradul de transformare a energiei hidraulice în energie mecanică, fiind definit cu relația:

(10)

- Turația nT, măsurat în rot/min, reprezintă numărul de rotații efectuat de rotorul turbinei în unitatea de timp.

- Înălţimea geometrică de aspiraţie Hs, are legătură cu fenomenul de cavitaţie și este definită ca diferenţa pe verticală între cota planului de referinţă al rotorului şi cota nivelului apei în aval de turbină.

Diagrama de exploatare a unei turbine reprezintă dependența căderii H de debitul Q, H=f(Q). În Fig. 1 este prezentată o diagramă de exploatare preluată din programul de achiziție și monitorizare unde peste diagrama de exploatare sunt suprapuse curbele randamentului turbinei, a puterii turbinei, a deschiderii aparatului director şi a cursei servomotorului.

Fig. 1. Schema bloc a sistemului de achiziție.

III. SISTEMUL DE ACHIZIŢIE ŞI MĂRIMILE DE ACHIZIŢIONAT

Sistemul de achiziţie are în componenţă următoarele echipamente:

- o sursă de alimentare neîntreruptibilă UPS;

- automatul programabil cu rol de interfaţă de proces împreună cu softul de aplicaţie;

- calculator PC cu monitor M pentru comanda şi vizualizarea informaţiilor;

- set de traductoare, montate pe hidroagregat, pentru monitorizarea parametrilor caracteristici, separat de traductoarele ce monitorizează funcţionarea hidroagregatului;

- cablu serial ce asigură legătura dintre automatul programabil (AP) şi calculator;

- cabluri de legătură dintre traductoare şi sistemul de achiziţie.

Monitorizarea şi analiza parametrilor funcţionali se face pentru o turbină de tip Francis. Datele nominale ale amenajării hidroenergetice sunt: înălțime – 125,5 m; înălțimea de retenție – 110 m, debit - XXXX

Parametrii achiziţionaţi prin sistemul de achiziţie şi monitorizare sunt:

- nivelul amonte sau presiunea în camera spirală, monitorizat printr-un traductor de tip GS-4003, cu domeniul de măsură 60 bar şi valoarea semnalului de ieşire (4÷20) mA;

- nivelul în aval, monitorizat printr-un traductor tip MJK7050, cu domeniul de măsură (0÷10) m şi valoarea semnalului de ieşire (4÷20) mA;

- cursa aparatului director, monitorizată printr-un traductor de tipul PCS-S-1, cu domeniul de măsură (0- 1000) m şi valoarea semnalului de ieşire (4÷20) mA;

- presiune pe prizele Winter Kenedy, care oferă informaţii despre debitul turbinat, monitorizată prin XXXX, cu domeniul de măsură (0÷250) mbar şi valoarea semnalului de ieşire (4÷20) mA;

- puterea la bornele hidrogeneratorului este monitorizată prin intermediul traductor de putere TP. Informația despre putere este preluată de la sistemul de achiziție propriu al hidroagregatului.

Traductorul de nivel amonte camera spirală TPCS se amplasează pe peretele de la nivelul turbinei, traductorul de nivel aval TN se amplasează pe canalul de fugă la nivelul sălii mașinilor, traductorul de poziție al aparatului director TSAD se amplasează direct pe servomotorul de acționare al aparatului director la nivelul turbinei, traductorul diferențial de presiune TQWK se amplasază pe peretele stâng la nivelul turbinei, iar sistemul de achiziție al puterii împreună cu automatul programabil se amplasează în sala mașinilor.

Automatul programabil este de tipul SITOP SIMATIC S7-300, fabricat de firma Siemens și are în componență următoarele module:

- sursa de alimentare de tipul SITOP POWER 2,5 funcţionând la două nivele de tensiune: (120÷230) V c.a. sau (110÷350) V c.c. şi care furnizează la ieşire tensiunea de 24 V c.c. la un curent de sarcină de 2,5 A c.c.;

- modulul SIMATIC S7-300 care are 10 intrări digitale, 6 ieșiri digitale, unitatea centrală este de tip CPU 313C, memorie de 16 kbyte;

- modulul SM-331 AI 8x16 biți;- modulul SM-332 AO 2x12 biți;

Schema bloc a sistemului de achiziţie este prezentată în Fig. 2.

Pentru achiziția de date s-a utilizat limbajul Vizual Basic prin intermediul căruia a fost creat programul PrelDate.

Fig. 2. Schema bloc a sistemului de achiziție.

Programul conține în meniul principal două obțiuni:- „Date primare” din care se selectează turbina analizată;- „Curbe caracteristice” [3] prin intermediul căruia se

pot trasa următoarele caracteristici: ηPL=f(QP), H=f(QP), α=f(QP), β=f(QP), q=f(QP), ηPL=f(H), QP=f(H), α=f(H), β=f(H), q=f(H), unde ηPL este randamentul turbinei, QP este debitul turbinat, H este căderea, q este consumul specific, α este deschiderea aparatului director,măsurată în grade, iar β este deschiderea rotorului, măsurată în grade.

Curbele pot fi trasate pentru toate valorile parametrului putere PG dacă este selectată opţiunea „Total” sau pentru un domeniu impus a parametrului PG, dacă este selectată opţiunea „Parțial”. Calculul caracteristicilor se bazează pe curbe spline generate prin polinoame cubice de interpolare.

Obțiunea caracteristici include patru sub-obțiuni: mersul în gol, domeniul de funcționare, intersecții, grila P-H.

- Sub-obțiunea mersul în gol Q0=f(H) permite divizarea caracteristicii pe un intreval Hmin la Hmax cu un pas de căutare ales de utilizator.

- Sub-obțiunea „Domeniu de funcționare” prin intermediul căreia se pot calcula următoarele valori: H, Q0, PG

min, PG max, PG opt, QP min, QP max, QP opt q min, q max, q opt, η PL min, η PL

max, η PL opt. Min și max reprezintă valorile minime/maxime ale punctelor Q, H ale intersecţiei curbelor domeniului de funcţionare cu diagrama de exploatare, iar opt reprezintă valorile optime. Softul permite vizualizarea grafică a curbelor domeniului de funcţionare şi suprapunerea acestora peste curbele H=f(Q) cu parametru PG (Fig. 3). În figură se pot observa cele 9 puncte de intersecţie dintre diagrama de exploatare şi XXXX, care reprezintă XXXX, precum şi curba de funcţionare în gol.

- Sub-obțiunea „Intersecţii” prin intermediul căreia se vor calcula curbele de intersecţie dintre diagrama de exploatare şi parametrul de intersecţie activat, care poate fi H, Q, α, β. În Fig. 4 sunt prezentate curbele obţinute prin intersecţia cu un parametru constant şi anume puterea hidraulică utilă de 180 MW.

Fig. 3. Curbe domeniu de funcţionare suprapuse peste curbe H=f(QP) cu parametru PG.

Fig. 4. Curbe obţinute prin intersecţia cu un parametru constant.

- Sub-obțiunea „Grila P-H” prin intermediul căreia se vor calcula punctele de intersecţie dintre parametrii putere şi cădere cu valorile minime şi maxime definite, calculele făcându-se cu un anume pas ales al puterii P şi al căderii H.

Pentru fiecare punct de intersecţie aplicaţia calculează valoarea randamentului ηPL, a debitului, QP, deschiderea aparatului director α, a rotorului β, consumul specific q.

IV. REZULTATE EXPERIMENTALE

Mărimile ce au fost achiziţionate online, utilizând softul „PrelDate” elaborat de Centrul de Cercetări în Hidraulică, Automatizări şi Procese Termice –CCHAPT din cadrul Universităţii Eftimie Murgu din Reşiţa, sunt: puterea activă, tensiunea şi curentul la hidrogenerator, presiunea în amonte, nivelul în amonte, presiunea pe prizele Winter-Kenenedy, prsiunea servomotor aparat director, cursa servomotorului aparatului director, nivelul în aval.

În Table I sunt prezentate rezultatele obţinute în urma prelucării achiziţiilor.

TABLE IPUNCTE DE MĂSURĂ ACHIZIȚIONATE ON-LINE

Nr. crt.

Cădere Debit Putere η turb η genDesch ap. dir.

Putere activă

1 317.67 22.151 61.293 93.218 97.904 84.018 63.0332 316.26 15.99 44.524 89.763 97.524 57.496 45.7923 316.45 17.031 48.103 90.999 97.681 61.754 51.4514 316.80 18.67 53.714 92.669 97.779 68.432 56.2065 317.65 21.997 63.869 93.274 97.894 83.242 62.4876 317.82 22.593 65.511 93.04 97.927 86.273 64.187 317.93 22.96 64.495 92.917 97.985 88.221 66.8888 318.22 23.925 69.075 92.629 98.038 93.627 69.0819 318.23 23.929 69.085 92.628 98.032 93.646 68.83210 309.23 19.243 54.275 93.017 97.65 72.314 50.1411 307.99 21.027 59.254 93.346 97.718 80.737 53.11112 307.71 21.677 60.921 93.188 97.77 84.05 55.69513 306.79 22.22 62.14 92.975 97.818 87.179 58.31214 306.77 23.298 64.881 92.687 97.878 93.377 61.65815 307.13 24.645 68.249 92.054 97.911 101.422 63.37816 306.46 25.216 69.373 91.635 97.952 105.193 65.40117 308.90 17.344 48.057 91.477 97.534 64.337 46.09418 317.67 22.151 64.293 93.218 97.904 84.018 63.03319 316.26 15.992 44.524 89.763 97.524 57.496 45.7922Nr. Crt.

Tensiune CurentPresiune amonte

Nivel amonte

Dif. Pres.

Cursa serv

Nivel aval

1 10273.43 3509.7 32.03 265 0.1415 20.9712 2.23472 10431.32 2458.8 32.03 265 0.079 18.703 1.85633 10373.64 2747.7 32.03 265 0.0909 19.105 1.94264 10228.47 3070.8 32.03 265 0.1075 16.247 2.0165 10027.52 3498.3 32.03 265 0.1348 20.399 2.1996 10150.14 3547.3 32.03 265 0.1434 19.564 2.2347 10326.09 3620.1 32.03 265 0.1488 15.809 2.2468 10305.54 3737.0 32.03 265 0.1626 19.846 2.3039 10260.63 3742.7 32.03 265 0.1611 20.085 2.29710 0 0 31.287 265 0 0 2.18111 0 0 31.119 265 0 0 2.25212 0 0 31.078 265 0 0 2.32413 0 0 30.975 265 0 0 2.37514 0 0 30.941 265 0 0 2.41915 0 0 30.931 265 0 0 2.45616 0 0 30.851 265 0 0 2.51917 0 0 31.298 265 0 0 2.09318 10273.43 3509.7 32.03 265 0.1415 20.971 2.23419 10431.32 2458.8 32.03 265 0.079 18.703 1.856

Sistemul de achiziţie furnizează următoarele mărimi punctuale: căderea, debitul, puterea turbinei, randamentul turbinei, randamentul generatorului, deschiderea aparatului director, puterea activă calculată, debitul turbinat.

În Fig. 5 sunt prezentate curbele referitoare la randamentul și puterea turbinei, deschiderea aparatului director și cursa servomotorului pentru 144 puncte.

Fig. 5. Curbele obţinute pentru 144 puncte.

Din analiza figurii 5 se constată că randamentul maxim al turbinei este de 93,3% la o cădere Hc=326 m, când se obține o putere a turbinei de 65 MW, la o deschidere a aparatului director la 80° și o cursă a servomotorului de 180 mm.

V. CONCLUSIONS

Use either SI (MKS) or CGS as primary units. (SI units are encouraged.) English units may be used as secondary units (in parentheses). An exception would be the use of English units as identifiers in trade, such as “3.5-inch disk drive.”

Avoid combining SI and CGS units, such as current in amperes and magnetic field in oersteds. This often leads to confusion because equations do not balance dimensionally. If you must use mixed units, clearly state the units for each quantity that you use in an equation.

REFERENCES

[1] Anton, I., Câmpian, C.V., Carte, I., “Hidrodinamica turbinelor bulb şi a turbinelor pompe – bulb,” Editura Tehnică, Bucureşti, 1988.

[2] Anton, I., “Turbine hidraulice,” Editura Facla, Timişoara, 1979.[3] Zlatanovici, R., ş.a., “Determinarea diagramelor P-Q reale la HA1,2

CHE Ruieni,” ICEMENERG, București, 2002.[4] Piroi, I., ş.a., “Conversia energiei regenerabile a apei, pământului și a

deșeurilor organice,” Editura Eftimie Murgu, Reșița, 2002.