New ï¿½ï¿½PowerPoint-Prï¿½sentation · 2014. 12. 3. · Title: ï¿½ï¿½PowerPoint-Prï¿½sentation Author: Benno Created Date: 12/2/2014 8:10:38 PM

u hfm.tugraz.at

Wirkungsgrad- und Anlagenmessung

Helmut JABERG o.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.

Institutsvorstand

Institut für Hydraulische Strömungsmaschinen

Technischen Universität Graz

27. November 2014

Mark GUGGENBERGER Dipl.-Ing.

Universitätsassistent

Ungenaue Wirkungsgradmessungen entscheiden über Wirtschaftlichkeit


27.11.2014

HFM - Institute for Hydraulic Fluid Machinery

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• Wurden die projektierten Daten eingehalten?

• Erreicht die Anlage die garantierten Werte?

• Sind Verbesserungspotentiale vorhanden?

• Treten Komplikationen (Kavitation, Vibration, Lärm, …) im Betrieb auf?

Messung ? ✓

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

Wirkungsgrad = Nutzen/Aufwand



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• Konventionelle Messung: Hydraulischer Wirkungsgrad = Abgeführte Leistung

Zugeführte Leistung

2 21 2

1 2 1 2 1 2( ) c (T ) ( )2

m abs abs p

v vE a p p T g z z

2 21 2 1 2

1 2( )2

abs absh

p p v vE g z z

𝜂ℎ𝑦𝑑𝑟𝑎𝑢𝑙𝑖𝑠𝑐ℎ =𝑃𝑚𝑒𝑐ℎ

𝜌 ∙ 𝑄 ∙ 𝑔 ∙ 𝐻=𝑃𝑚𝑒𝑐ℎ

𝑚 ∙ 𝐸ℎ

𝐻 =𝑝𝑎𝑏𝑠1 − 𝑝𝑎𝑏𝑠2

𝜌 ∙ 𝑔+𝑣12 − 𝑣2

2

2 ∙ 𝑔+ 𝑧1 − 𝑧2

• Thermodynamische Messung: Hydraulischer Wirkungsgrad = Verlustbehaftete Strömung

Verlustfreie Strömung

𝜂ℎ𝑦𝑑𝑟𝑎𝑢𝑙𝑖𝑠𝑐ℎ =𝑃𝑚𝑒𝑐ℎ

𝑚 ∙ 𝐸ℎ=𝑚 ∙ 𝐸𝑚𝑚 ∙ 𝐸ℎ

Problem: ungenaue Durchflussmessung

keine Durchflussmessung erforderlich!

𝑃𝑚𝑒𝑐ℎ =𝑃𝑒𝑙

𝜂𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟

27.11.2014

Durchflussmessung in großen Querschnitten

Wirkungsgradmessung mit Messflügeln


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• Messung des Geschwindigkeitsfeldes in einem ebenen Querschnitt

• Abtasten des Querschnitts nach einem Raster (sequenziell/simultan)

3,04 m

Abhängig

vom

Durchfluss

0,2 m

0,1 m

Kraftwerk Pucioasa (Rumänien)

3 Kaplanturbinen mit je 300 kW

27.11.2014

Integration des Geschwindigkeitsfeldes ergibt Durchfluss

Wirkungsgradmessung mit Messflügeln


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• Kalibrierte Flügelräder mit genormten Durchmessern

• Integration des Geschwindigkeitsfeldes mit numerischen Methoden

• Berücksichtigung der Randzonen

OTT C31

Q = 2,935 m³/s

OTT Z400 Quelle: Turboinstitut

27.11.2014

Laufzeitdifferenz ergibt Durchfluss

Wirkungsgradmessung mit akustischer Durchflussmessung


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• Mehrpfadige Anordnung für höhere Genauigkeit

• Numerische Optimierung durch Analyse des Geschwindigkeitsprofils

27.11.2014

Clamp-On-Sensoren für mehr Flexibilität

Wirkungsgradmessung mit akustischer Durchflussmessung


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• Verschiedene Anordnungen für unterschiedliche Rohrdurchmesser

• Sehr flexibel mit Clamp-On-Sensoren: keine Störung des Betriebs!

HFM: Rittmeyer Risonic, max. 8 Pfade

2 MHz / 500kHz Sensoren

Rohrdurchmesser von 0,3 bis 4 m messbar!

Kraftwerk Arundabach

2-düsige Pelton

mit 675 kW

27.11.2014

Verluste äußern sich in Temperaturerhöhung

Thermodynamische Wirkungsgradmessung


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• Temperaturerhöhung ist Maß für den Wirkungsgrad

• Keine Durchflussmessung notwendig

Kraftwerk Trieben

6-düsige Pelton

mit 12 MW

𝜂ℎ𝑦𝑑𝑟𝑎𝑢𝑙𝑖𝑠𝑐ℎ =𝐸𝑚𝐸ℎ

𝑬𝒉 =𝒑𝟏𝟎 − 𝒑𝟐𝟎

𝝆 +𝒗𝟏𝟎

𝟐 − 𝒗𝟐𝟎𝟐

𝟐+ 𝒈(𝒛𝟏𝟎 − 𝒛𝟐𝟎)

𝑬𝒎 = 𝒂 𝒑𝟏𝟏 − 𝒑𝟐𝟏 + 𝒄𝒑 𝑻𝟏𝟏 − 𝑻𝟐𝟏 +𝒗𝟏𝟏

𝟐 − 𝒗𝟐𝟏𝟐

𝟐+ 𝒈 𝒛𝟏𝟏 − 𝒛𝟐𝟏 + 𝜹𝑬𝒎

27.11.2014

Hochpräzise Temperaturmessung



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• HFM setzt Temperatursensoren für ozeanographischen Einsatz ein – direkte Messmethode

• Absolut parallele Datenverarbeitung für höchste Genauigkeit (0,001 K)

27.11.2014

Einflüsse der Umgebung



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• Berücksichtigung von Korrekturfaktoren nach IEC 60041 notwendig:

• Wärmeeinfluss der Messkammer

• Wärmeübergang Rohrleitung/Turbinengehäuse

• Temperaturänderung im Zulauf (Messgrenze: 5 mK/Minute)

• Direkter Wärmeaustausch mit Umgebungsluft

• Bis Fallhöhen > 100 m einsetzbar

Kraftwerk Kaunertal

2-düsige Pelton in Tandemanordnung mit 40 MW

Kraftwerk Bodendorf

Francis mit 30 MW

27.11.2014

Digitale Messwertverarbeitung



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• 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

27.11.2014

Weitere Methoden zur Wirkungsgradmessung



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• Indexmethode (relativer Wirkungsgrad)

• Gibson-Methode (Druck-Zeit-Methode)

• Magnetisch induktive Durchflussmessung

• Volumetrische Durchflussmessung

• ….

Indexmessung: Kraftwerk Reisach

Francis mit 34 MW

Quelle: ABB

27.11.2014

Vergleich von Messunsicherheiten



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Messmethode Erwarteter systematischer Fehler Kommentar

Wirkungsgradmessung

mit Messflügeln fη ≈ 1,3-2,5%

In geschlossenen Querschnitten genauer als

in offenen Kanälen

Wirkungsgradmessung

mit akustischer

Durchflussmessung fη ≈ 1,0-2,5%

Mit 8 innen liegenden Pfaden

und CFD-Optimierung genauer als

mit Clamp-On-Sensoren

Thermodynamische

Wirkungsgradmessung fη ≈ 0,6-1,3% 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

• Gewöhnliche Randbedingungen: Betrieb in Volllast

• Konfidenzintervall 95% Quelle: IEC 60041, IEC 62006

27.11.2014

u hfm.tugraz.at

Vielen Dank

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Institut für Hydraulische

Strömungsmaschinen

der Technischen Universität Graz

Kopernikusgasse 24/4

A-8010 Graz Austria/Europe

Tel.: +43 (0) 316 873 - 7571

Fax: +43 (0) 316 873 - 7577

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