Effektivare och mer flexibel drift av vattenkraftverk med Varspeed-generatorer

Transkript

1 Effektivare och mer flexibel drift av vattenkraftverk med Varspeed-generatorer Varje turbin i ett vattenkraftverk har en optimal arbetsnkt, vid vilken varvtal, fallhöjd och vattenflöde är anpassade till varandra för att ge maximal verkningsgrad. Ju längre från denna nkt som en turbin arbetar desto sämre blir verkningsgraden. Den totala verkningsgraden kan emellertid optimeras, trots variation av fallhöjd och flöde, genom att turbinen tillåts arbeta med variabelt varvtal. Som pilotprojekt för denna princip valdes vattenkraftverket Comerto i Spanien. Kraftverket utrustades med en Varspeed-generator från ABB, en varvtalsreglerad maskin med under- och översynkron strömriktarkaskad. rojektet bekräftade att system Varspeed ger högre anläggningsverkningsgrad och tillåter bättre nätfrekvensreglering och mer flexibel effektreglering vid mpdrift. V id stora elektriska maskiner, drivna av vattenturbiner eller avsedda för drivning av mpturbiner, uppnås med varvtalstreglering högre anläggningsverkningsgrad, mer flexibel effektreglering vid mpdrift och bättre reglering av nätfrekvensen. För stora maskiner kan varvtalet regleras på flera sätt, som polomkoppling, statormatning med variabel frekvens via en laststyrd frekvensomriktare, eller via en under- och översynkron strömriktarkaskad som matar en asynkronmaskin från två håll, dvs via såväl stator som rotor. ABB har deltagit i utvecklingen av alla de tre nämnda metoderna och har under årens lopp skaffat sig omfattande erfarenheter av alla tre. De francisturbiner och propellermpar som i dag används i vattenkraftverk och mpkraftverk har löphjul med väl definierad geometri. Med hjälp av moderna datorprogram och laboratorieförsök med skalenliga modeller anpassas löphjulets konstruktion optimalt till en given fallhöjd, ett givet flöde och ett givet varvtal. Optimeringen resulterar i en mycket hög verkningsgrad, men bara vid den arbetsnkt för vilken turbinen optimerats. Vid avvikelser från den nkten sjunker verkningsgraden kraftigt. Eftersom driften av en vattenturbin är beroende av flödet och fallhöjden och därmed är utsatt för betydande växlingar, måste turbinkonstruktören göra tekniska och ekonomiska kompromisser utifrån faktiska driftförhållanden. Han måste även ta hänsyn till eventuella instabiliteter och kavitationszoner. Drift av maskinen utanför det optimala området innebär inte bara minskad verkningsgrad utan även ökad risk för kavitation eller instabilitet. Vidare gäller att en maskin som i mpdrift endast kan arbeta vid ett givet José M. Merino Ángel López Asea Brown Boveri S.A. varvtal inte har någon möjlighet att reglera mpkapaciteten och därmed den energimängd som tas från nätet. Synkronmaskiner är konstruerade för ett enda varvtal, och i en vattenkraftanläggning antingen drivs de av turbiner eller fungerar de som drivmaskiner för mpar. ABB erbjuder följande utföranden som även tillåter varvtalsreglering [1 3]: olomkopplingsbara synkronmaskiner Synkronmaskiner vars statorer matas via en laststyrd frekvensomriktare med variabel frekvens Asynkronmaskiner med släpringad rotor som kan matas med variabel frekvens från en över- och en undersynkron strömriktarkaskad ilotprojektet Comerto ABB har samlat omfattande drifterfarenheter från över- och undersynkrona strömriktarkaskader tillsammans med frekvensomriktare i system som levererats till flera olika europeiska järnvägsbolag [4]. Utgående från denna erfarenhetsskatt beslutade ABB att lansera ett pilotprojekt där fördelarna med över- och undersynkron strömriktarkaskad i vattenkraftsammanhang skulle kunna påvisas. Vattenkraftverket Comerto i Spanien valdes ut för pilotprojektet. Kraftverket tillhör Iberdrola S.A., ett företag som delvis finansierade projektet via den spanska energileverantörsföreningen IE. Vattenkraftverket Comerto ligger i den övre delen av floden Carrión i Velilla de Rio Carrión, provinsen alencia. Huvudsakliga anläggningsdata är följande: Fallhöjd mellan 102 och 63 m Två maskiner utrustade med var sin francisturbin med horisontell axel, konstruerade för driftvarvtalet 600 r/min Nominellt flöde på 12 m 3 /s per maskin Generatorer med märkeffekten 12,5 MVA Vattenkraftverket är i drift sedan 1967 och är via en 3 km lång ledning på 46 kv kopplat till det luftisolerade ställverket vid ABB Tidning 3/

2 n min % 82 % m 3 /s % 86 % ett fossilt eldat kraftverk i närheten. Kraftverket får sitt vatten från Carrión-flodens största vattenmagasin med en kapacitet på 95 miljoner m 3. Anläggningen byggdes ursprungligen för bevattningsändamål, med elkraftproduktion som sekundärt syfte. Vattenuttaget från magasinet styrs av myndigheterna och anpassas i första hand till lantbrukets behov. Bevattningssäsongen sträcker sig i regel från 1 april till 1 oktober. Under övrig tid får magasinet återfyllas. Denna årsvariation hos vattentillgången måste beaktas vid utvecklingen av pilotprojektet. Högre effekt genom varvtalsreglerad drift En vattenkraftmaskin kännetecknas enligt [5] av följande värden: Varvtalet n 11 = n D / H (1) Flödet 11 = /(D 2 H ) (2) I dessa ekvationer betecknar H den nominella fallhöjden, det nominella flödet, n B.e.p. = 87 % η D det nominella varvtalet och D turbinlöphjulets diameter. Med dessa värden som grund kan verkningsgradsförloppet för en vattenturbin eller för en propellermp i turbindrift framställas i form av ett diagram som visas i 1. Om storheterna H,, n och D i ekvationerna (1) och (2) ersätts med aktuella värden, resulterar värden på n 11 och 11 som ligger nära den optimala arbetsnkten, dvs den nkt där energiomvandlingen är optimal. Om värdena för storheterna och n är oförändrade, men fallhöjden H minskar till 60% av sitt nominella värde, kan vi i diagram 1 se att arbetsnkten förskjuts längs linjen A och att verkningsgraden minskar från 87% till 80%. Om varvtalet minskas till 88% av det nominella värdet, förskjuts arbetsnkten från A till B, vilket medför att verkningsgraden ökar till 83%. Verkningsgraden kan ökas ytterligare genom att vattenflödet minskas. Arbetsnkten kan därmed för- A C B Diagrammet visar verkningsgradsförloppet för en propellermp som drivs som turbin. Om arbetsnkten förskjuts till A (med oförändrat flöde och oförändrat varvtal), dvs fallhöjden minskar till 60% av sitt nominella värde, sjunker verkningsgraden från 87% till 80%. Om varvtalet minskas till 88% kan verkningsgraden ökas till 83% (nkt B). Genom att minska flödet kan verkningsgraden förbättras ytterligare (nkterna C och D). n 11 Varvtal (ekvation (1) B.e.p. Optimal arbetsnkt 11 Flöde (ekvation (2) η Verkningsgrad 1 skjutas från B till C eller D. Genom att anpassa turbinens varvtal får operatören alltså en ny möjlighet att optimera verkningsgraden. Verkningsgradens förlopp vid mpdrift är liknande. I mpar med fast mphjulsgeometri är möjligheterna att styra mpeffekten via t ex ledskovlarna begränsade, men uppfordringshöjd, flöde och axeleffekt kan lätt påverkas via mpens varvtal. Som tumregel kan följande relationer användas: Ändring av uppfordringshöjd H = k h n 2 (3) Ändring av flöde = k q n (4) Ändring av effekt = k p. n 3 (5) där k h, k q och k p är proportionalitetskonstanter. 2 visar uppfordringshöjden, som funktion av flödeskurvor för fyra olika varvtal mellan 1,015 och 0,925. Diagrammet visar hur en mp som arbetar mot ett konstant statiskt tryck kan styras med hänsyn till det ledningsbetingade dynamiska tryckfallet. 3 visar de resulterande flödena, liksom effektinställningsområdet som funktion av varvtalet. Av dessa diagram framgår tydligt att en mp som arbetar vid ett fast varvtal endast har en arbetsnkt och att den inte kan påverkas på något sätt. Arbetsnkten är skärningsnkten mellan anläggningens karakteristiska kurva S och kurvan för lyfthöjden H som funktion av flödet. Drift med variabelt varvtal tillåter inte bara ett betydligt bredare driftområde för tryck och flöde, utan förebygger även kavitation och instabila förhållanden som kan ha negativ inverkan på såväl anläggningen som på vattnets flora och fauna [3]. Viktiga tekniska data för pilotprojektet Comerto För pilotprojektet Comerto ersattes rotorn med utpräglade poler i en av de båda befintliga vattenkraftgeneratorerna med en 34 ABB Tidning 3/1996

3 nykonstruerad släpringad växelströmsrotor. I sammanhanget tillämpades en metod som blir nyttig även för framtida moderniseringsprojekt av denna typ. Av uppenbara skäl kunde märkeffekten från generatorn inte förändras. De inskränkningar som en tvåvägsmatad maskin medför med avseende på magnetiseringsströmmen ledde dock till konstaterandet att effektfaktorn vid normal drift ska ligga på 1. å så sätt begränsas inte möjligheterna att utnyttja maskinen för mpdrift. Rotorn matas via tre transformatorer från en tyristorbaserad direktomriktare enligt 4. För pilotprojektet gäller följande nominella data: Märkeffekt 10 MW Effektfaktor 1 Synkront varvtal 600 r/min Varvtalsreglerområde ±10 % Vad den elektriska utrustningen beträffar krävdes ytterligare förändringar. Dessa gällde bland annat det redan nämnda bytet från en rotor med utpräglade poler till en turborotor 5 med trefaslindning och släpringar, den nya rotorkaskaden med frekvensomriktare (i detta fall en direktomriktare) samt installation av tre växelströmstransformatorer som anpassar spänningen på strömriktarens 50 Hz-sida till generatorspänningen 13,8 kv. Vidare måste ett nytt styrsystem för anläggningen installeras. H n = 15 n = 00 n = n = S umpdrift med variabelt varvtal. De karakteristiska kurvorna för total uppfordringshöjd och axeleffekt gäller vid optimal öppning hos ledskovlarna. H Uppfordringshöjd S Karakteristisk anläggningskurva Flöde Reglerområde för flöde n umpvarvtal Reglerområde för axeleffekt Axeleffekt De båda regulatorerna utbyter information via analoga och digitala in- och utgångar. För att så mycket som möjligt begränsa ändringskostnaderna regleras turbinen av den ursprungliga hydromekaniska regula- Axeleffektreglering med inställbart varvtal. Resultaten gäller vid hydrauliskt system med statisk uppfordringshöjd. Flöde n umpvarvtal Axeleffekt torn, vilken anpassats speciellt för ändamålet. I kraftverket Comerto kan varvtalsbörvärdet ställas in manuellt på manöverpanelen, så att driften kan styras vid olika varvtal inom arbetsområdet. 2 3 Reglering Det reglerkoncept som valts för vattenkraftverket Comerto bygger på följande principer: Varvtalsreglering via turbinen Effektreglering via asynkronmaskinen Under normal drift fördelas den huvudsakliga reglerfunktionerna på två regulatorer, var och en med vissa specifika uppgifter. Funktionerna för reglering av direktomriktaren och asynkronmaskinen har realiserats i den ena regulatorn, medan den andra tar hand om generella regleruppgifter samt turbinreglering. n ABB Tidning 3/

4 Driftområdet för anläggningen som hel- 46 kv het framgår av --diagrammet 6. G kv S1 Som maskinvara för regleringen utnyttjas ABBs snabba programmerbara regulator SR, ett bussorienterat mikroproces- S 52-2 sorbaserat system med gränssnitt och övervakningsmodul [6]. 200 kva TA 3 x 4170 kva Tillämpningsprogramvaran i SR-systemet har tagits fram i användarvänlig FULA-teknik. Detta funktionsblockbaserade programmeringsspråk är objektorien- 230/133 V terat och erbjuder en effektiv grafisk pro- S2 S 52-2 grammeringsmiljö som kan utnyttjas på vanliga persondatorer kv 125 V TR CC rincipschema för Varospeed-generator i vattenkraftverket Comerto, Spanien 3 x 2338 kva Hz 10 MW 600 m 1 G1 Konventionell synkronmaskin TR Transformator G 2 Varspeed-generator för direktomriktare CC Direktomriktare S1, S2 Frånskiljare TA Lokalkrafttransformator S 52 2 Effektbrytare Rotorn till Varspeed-generatorn under montering i kraftverket Comerto 5 G 2 4 Vibrationsegenskaper Som tidigare nämnts gäller ett antal icke energirelaterade randvillkor för vattenkraftverket Comerto, framför allt det lokala jordbrukets vattenbehov. å grund av förseningar i tillverkningen av vissa utrustningsdetaljer kom mindre tid än beräknat att stå till förfogande för monterings- och inställningsarbeten inför den planerade driftsättningen. De i projektet ingående företagen beslutade därför att låta maskinen delvis arbeta i asynkrondrift under den tid som stod till förfogande Under driftsättningen konstaterades otillåtet stora vibrationer i statorhuset och statorplåtpaketet. Vibrationerna utgjorde den kombinerade effekten av två faktorer: Generatorns statorlindning är utförd som delspårslindning, vilket innebär att subharmoniska frekvenser härrörande från statorlindningen uppträder. I de ursprungliga synkronmaskinerna orsakade fenomenet relativt små exciterande krafter. Då synkronrotorn hade ersatts av en asynkron rotor blev det emellertid nödvändigt att minska luftspalten så att magnetiseringsströmmen skulle bli så liten som möjligt. Den mindre luftspalten innebar större påverkan från subharmoniska frekvenser, med större exciterande krafter och ökad svängningsamplitud som följd. 36 ABB Tidning 3/1996

5 Den mekaniska resonansfrekvensen hos statorhus och statorplåtpaket i den ursprungliga maskinen låg mycket nära 100 Hz och sammanföll med de exciterande krafternas frekvens. Eftersom maskinen måste fungera under bevattningssäsongen 1993 kopplades statorlindningen om på så sätt att de av subharmoniska frekvenser orsakade vibrationerna reducerades, varvid även de exciterande krafterna minskade. Visserligen uppnåddes på detta sätt en lägre vibrationsnivå, men ändå dubbelt så hög som tillåts enligt normen. För att minska vibrationsamplituden drevs maskinen under sommaren 1993 vid 60% av sin märkeffekt. För att reducera vibrationerna till tillåten nivå genomfördes en rad undersökningar och provningar 7. Dessa visade att det förelåg en styv mekanisk koppling mellan statorhus och plåtpaket, och att vibrationerna alltså skulle kunna minskas endast genom att flänsarna på statorhuset förstärktes. å varje fläns svetsades ett radiellt förstärkningselement fast. Samtliga ändringsarbeten på statorhuset utfördes på plats. Vibrationstest efter denna modifiering visade att resonansfrekvensen hade flyttats till 110 Hz och att vibrationsegenskaperna vid 100 Hz därför hade blivit betydligt bättre. Den största vibration som uppmättes på statorhuset till den varvtalsreglerade maskinen uppgick till 10 mm/s ett värde som är fullt jämförbart med de 7,5 mm/s som uppmättes på synkronmaskinen. Värdena ligger väl under de i normen fastlagda gränsvärdena för denna typ av maskiner. Då en generator moderniseras enligt Varspeed-metoden kan alltså vibrationsproblem uppstå om rotorn förändras vid oförändrad statorkonfiguration. ABB har samlat omfattande erfarenheter inom detta område och har tillgång till all mätoch analysutrustning som behövs för att kunna bedöma möjligheterna att lyckas med ett moderniseringsprojekt med 4 Mvar MW 0 andra ord att svara på frågan om det lönar sig att bygga om en befintlig maskin så att den kan köras med variabelt varvtal. Effektdiagram för pilotprojektet Comerto unkt 1 8 Aktiv effekt Reaktiv effekt rovningsnkter vid 100% varvtal Vibrationsprov på Varspeed-generatorn i vattenkraftverket Comerto Driftsättning Den offererade tidplanen för Comertoprojektet, fram till driftsättning av Varspeed-generatorn i mars 1994, uppgick till 6 7 ABB Tidning 3/

6 lighet som den ursprungliga synkron H A n 160 % maskin som arbetar parallellt med Varspeed-generatorn. å grund av sin stora flexibilitet utnyttjas Varspeed-generatorn i första hand då kraftverket drivs med dellast. 40 H (m) (MWx10) A (%) s 2400 Varvtalsförändring vid konstant effekt 24 månader. Eftersom bevattningsprogrammet innebar inskränkningar i driften under vissa tider av året måste driftsättningen genomföras i två faser: Asynkrondrift av maskinen sommaren 1993 Drift med variabelt varvtal efter bevattningsperioden 1993 Den kompletta Varspeed-generatorn driftsattes i mars I samband därmed genomfördes följande provningar: rovning av varvtalsregulator rovning av synkronisering och infasning Mätning av aktiv och reaktiv effekt Lastfrånslagsprov rovning av utrustning för generering av varvtalsbörvärde vid olika uteffekter rovning av till- och frånslagsföljd rovning av fjärrmanövrering rovningresultaten bekräftar de goda driftegenskaperna hos totalsystemet, från vattenvägar till elnät. I 8 visas ett oscillogram som illustrerar varvtalets förändringar vid konstant uteffekt. Drifterfarenheter ilotprojektet Comerto har nu varit i drift i tre år. Resultaten från perioden med t H Fallhöjd A Öppning hos turbinledskovlar Aktiv effekt n Varvtal 80 asynkrondrift 1993 var av förståeliga skäl mindre rika på information än de resultat som samlades in under 1994, då den ombyggda generatorn arbetade med variabelt varvtal. Anläggningen överlämnades till Iberdrola S.A och under det året registrerades ca 2500 drifttimmar. Även drifttiden med asynkrondrift uppgick till ca 2500 timmar. Under den tiden samlades värdefull erfarenhet med asynkrongeneratorn på 10 MW, eftersom maskinen kontinuerligt fick arbeta på en vibrationsnivå som var dubbelt så hög som den enligt normen högsta tillåtna. En noggrannare undersökning genomfördes 1994, eftersom generatorn under det året uteslutande arbetade vid variabelt varvtal. Under denna tid registrerades 2885 drifttimmar med en genomsnittlig effekt på 7602 kw. Sedan början av 1995 arbetar Varspeed-generatorn i Comerto utan någon som helst driftmässig inskränkning vibrationsproblemen är alltså fullständigt lösta. De driftstörningar som hittills noterats är obetydliga och har alla kunnat lösas med mindre justeringar på utrustning och programvara. I dag uppvisar den ombyggda Varspeed-generatorn samma tillgäng- n 8 Referenser [1] Stemmler, H.; Vögele, H.; Galasso, G.: ump-turbines with pole changing or variable speed motor generators. CICEM, [2] Terens, L.; Schäfer, R.: Variable speed in hydropower generation utilizing static frequency converters. Water ower 93. roceedings of the International Conference on Hydro ower, pp Nashville, Tennessee, August [3] Käling, B.; Schütte, T.: Adjustable speed for hydropower applications. ASME Joint International ower Generation Conference. hoenix, Arizona, 2 6 October [4] Brugisser, W. L.: Größte rotierende Netzkupplungs-Umformer für Bahnnetze die Anlage Kerzers und Seebach, Schweiz. Brown Boveri Mitt. 65 (1978) 11, [5] Raabe, J.: Hydro ower. The design, use and function of hydromechanical, hydraulic and electrical equipment, VDI Verlag, Düsseldorf, [6] Steimer,.; Hartmann.; errin, C.; Rufer, A.: SR världens mest kraftfulla styrsystem med generering av programschema. ABB Tidning 2/93, Författarnas adress José M. Morino Ángel López Asea Brown Boveri S.A. División Imasde.O. Box 1271 E Bilbao Fax: ABB Tidning 3/1996