Überwachung eines Wasserkraftwerks mit HBM: Wirkungsgradmessungen an Turbinenblättern

Verbesserung des Wirkungsgrads eines Wasserkraftwerks zur Erzeugung nachhaltiger Energie

In diesem Artikel erfahren wir wie der Wirkungsgrad eines bestehenden Wasserkraftwerks durch den Einsatz moderner Dehnungsmessstreifen (DMS)-Technologie und des Messverstärkersystems PMX um 10% erhöht werden konnte. Das Wasserkraftwerk Eisernes Tor 1 (serbisch Đerdap I) ist der größte Staudamm in der Donau und eines der größten Wasserkraftwerke Europas. Es liegt im Bereich des Taldurchbruchs Eisernes Tor zwischen Rumänien und Serbien.

Das Projekt zum Bau eines großen Staudamms in der Donau, der von beiden Ländern genutzt werden sollte, wurde 1964 als Joint Venture der Regierungen von Rumänien und Jugoslawien in Angriff genommen. 1972, im Jahr seiner Fertigstellung, war das Wasserkraftwerk das größte weltweit mit zwölf Turbinen und einer Leistung von 2.052 MW, die mit jeweils 1.026 MW zu gleichen Teilen auf beide Länder aufgeteilt wurde.

Die Stauanlage „Eisernes Tor“/Đerdap-Schlucht. Quelle: Shutterstock:

Bisherige Mechanisierungslösungen stoßen an ihre Grenzen

Nach mehr als 30 Jahren Betriebsdauer wurde 2009 in Serbien mit der Sanierung von 6 Turbinen begonnen. Das Ziel war die Steigerung der installierten Leistung sowie des Wirkungsgrads um 10%.

Bei den in Đerdap I installierten Turbinen handelt es sich um alte Kaplanturbinen mit verstellbaren Schaufeln; die althergebrachte Konstruktion erforderte Veränderungen und Optimierung. Das Ziel war, durch umfangreiche Tests von Betriebszuständen herauszufinden, wann das Verhältnis von Stromerzeugung zu Wasserverbrauch am besten war.

Dazu erstellte das nach Nikola Tesla benannte Belgrader Institut IEENT in Zusammenarbeit mit dem MFB (der Fakultät für Maschinenwesen der Universität Belgrad) und dem Technischen Forschungszentrum TRC PRO ein Konzept zur Echtzeit-Wirkungsgradmessung unter Betriebsbedingungen.

Um die höchste Leistungssteigerung zu erzielen, wurden die Stromerzeugung der Turbine und die mechanische Ausführung der Turbinenschaufeln nach neusten technischen Standards berechnet und konstruiert.

Measurement experts during their work
Team von Fachleuten, das die Messungen durchführt. Bild: TRC
Turbine runner
Vorbereitung und Umbau des Turbinenrads mit neuen Schaufeln. Source: TRC

Zuverlässige Sensortechnik

Zur Grundausstattung für die Messung gehören Dehnungsmessstreifen (DMS), die direkt an der Eingangsstufe des Turbinenrads installiert werden. DMS bieten den Vorteil einer hohen Langzeitstabilität. Dies ist wichtig für dieses Projekt, da sie in der Anlage rund um die Uhr in Betrieb sind und es ineffizient wäre, den Turbinenbetrieb für eine Rekalibrierung zu stoppen.

  • Die erste Messung mit DMS diente zur Ermittlung des Drehmoments.
  • Die zweite Messung mit DMS diente der Ermittlung der Axialkraft und Drehzahl an der Turbine in der Eingangsstufe.

DMS zum Messen von Drehmoment und Axialkraft wurden an der Welle zwischen Turbinenrad und Generator (über dem Turbinenrad und unter dem Generator) angebracht. Sie wurden an vier Achsen platziert (Ansicht von oben: vier Messstellen mit gleichmäßigem Abstand am Umfang).

Für die Drehmomentmessung wählten die Ingenieure DMS des Typs HBM XY41-3/700. Zwei DMS-Vollbrücken arbeiten in Parallelschaltung.

Für die Messung der Axialkraft wählten die Ingenieure DMS des Typs XY31-3/350. Vier DMS-Vollbrücken arbeiten hier in Parallelschaltung.

Strain gauge installed on axis 1
Achse 1
Strain gauge installations on axis 2
Achse 2
Strain gauge installations on axis 3
Achse 3
Strain gauge installations on axis 4
Achse 4

Nach der Installation der DMS auf der Welle wurden sie als elektrische Schutzmaßnahme mit einer speziellen Beschichtung versehen. Zum Schutz der DMS-Messung in dieser rauen Umgebung vor elektromagnetischen Störungen (EMI) wurden die Messstellen am Schluss mit einer Abdeckung versehen.

Da die Turbinenwelle sich im Betrieb dreht, mussten die Ingenieure einen sicheren Weg finden, das sehr kleine von den DMS gelieferte Signal an das Messverstärkersystem PMX zu übertragen. Zusätzlich wurde ein Telemetriesystem installiert, das die Messsignale berührungslos von der drehenden Welle an den Empfänger sendet.

Mit HBM zum Laufen gebracht

Shaft connecting turbine wheel and generator
Welle zur Verbindung von Turbinenrad und Generator (dort sind die DMS installiert)

Das Mess- und Steuerungssystem muss verschiedene Aufgaben erfüllen wie beispielsweise schnelle und zuverlässige Messungen, einfache Einrichtung, Echtzeitberechnungen, Diagnosedaten, keine zusätzliche Software-Installation und effiziente Preisgestaltung. Diese können mit dem PMX measurement and control system erfüllt werden. 

Der erste Schritt war die Nutzung des PMX als Vierkanalmessverstärker für Spannungseingänge. Am ersten Eingang lag die Spannung des Telemetriesystems für die Drehmomentmessung an, das die auf der Turbine installierten DMS nutzt, am zweiten Eingang das Telemetriesystem zur Axialkraftmessung in der Turbine und am dritten die Drehzahl. Alle Signale werden mit einer Messrate von 19,2 kHz abgefragt, was eine hohe Messbandbreite und die Auswertung der Messsignale garantiert.

Alle Einstellungen am PMX‐System erfolgen über die Standard-Ethernet-Schnittstelle und den internen PMX-Server. Dieses Lösung hat den Vorteil, dass Einstellungen über das Machinennetzwerk oder sogar aus der Ferne erfolgen, wenn das zusätzliche WLAN verfügbar ist. So hatte jeder Ingenieur in Echtzeit Einblick in die Anwendung und den Status der Prüfung. Eine integrierte Bedienersteuerung verhinderte unsichere Bedienvorgänge.

Protected measuring point
Geschützte Messstelle (eine von vier) mit Telemetriesystem.
Electric cabinet with HBM
Schaltschrank mit PMX

Leistungsstarke Echtzeitberechnung mit den „Smart Functions“ von PMX

Im zweiten Schritt mussten die gewünschten und relevanten Informationen in Echtzeit berechnet werden. Das kann mit Hilfe der Smart Functions von PMX geschehen. Die Arbeit mit diesen Funktionen ist auch für Bediener ohne weitergehende Softwarekenntnisse kein Problem. Sie bieten verschiedene mathematische Funktionen wie  Taschenrechner, Logikfunktionen und Prozessauswertungen bis zu Regelfunktionen wie PID-Regler.

Anhand folgender Formel kann die mechanische Leistung berechnet werden:

 

Einheiten: P: W; M: NM; n: min-1 

PMX Screenshot Webserver
PMX-Webserver-Übersicht mit Messsignalen, berechneten Signalen und Eingangs-/Ausgangssignalen.
PMX web server: Power calculations
PMX-Webserver mit den Leistungsberechnungen

Sichere Installation und Diagnose

Um den Messverstärker PMX zusätzlich vor Staub und elektromagnetischen Störungen zu schützen, wurde er in einem Schaltschrank montiert, in dem sich auch die Versorgung des Telemetriesystems befindet. 

Die Scheibe im Schrank erlaubt einen direkten Blick auf den PMX und die Diagnose-LEDs. Dank dieser einfachen und schnellen Anzeige können potenzielle Fehler am Gerät sowie der Status der Messung ermittelt werden. Für die Service-Ingenieure ist dies ein großer Vorteil, da sie ohne den Einsatz zusätzlicher Prüfmittel schnell Informationen erhalten.

In der PMX-Logdatei ist eine detaillierte, tiefer gehende Diagnose gespeichert. Die Datei ist im internen Speicher des PMX abgelegt. Sie enthält alle aufgetretenen Geräte- und Messfehler sowie jegliche Änderungen der Parametrierung durch den Bediener. Dadurch kann der gesamte Prüf- und Messvorgang zu 100% abgedeckt werden.

„Der PMX-Webserver erwies sich als ein sehr nützliches Werkzeug für Parametrierung, Konfiguration und Steuerung. Wir haben keine zusätzliche Software benötigt und konnten den Standard-Webbrowser auf unserem PC, Tablet oder Smartphone nutzen. Außerdem steht er im gesamten Kraftwerksbereich ständig in Echtzeit zur Verfügung“, sagt Hotimir Licen von TRC PRO.

Prozess-Datenerfassung und -auswertung

Im Pflichtenheft definierte das Ingenieurteam eine anwenderfreundliche, robuste und leistungsstarke Software für Datenerfassung und -auswertung, die alle Messsignale sowie die Berechnungskanäle des PMX-Systems mit voller Geschwindigkeit erfassen soll. Diese Kanäle werden in Echtzeit berechnet, d.h. mit derselben Geschwindigkeit wie die Messsignale. Zusätzlich muss die Software alle Daten visualisieren und speichern sowie auf Anforderung einen Bericht in Druckform erzeugen.

Alle Daten wurden mit der Datenerfassungs-Software catman von HBM erfasst: 

catman data acquisition software screenshot
Screenshot aus catman in einer Anwendung mit Drehmoment- und Axialkraftmessung während der Datenerfassung mit PMX
Screenshot of the catman software
Screenshot aus catman in einer Anwendung mit Drehmoment- und Axialkraftmessung während der Datenerfassung mit PMX
Recording in catman (Screenshot)
Aufzeichnung in catman bei Inbetriebnahme der Turbine A4: Drehmoment, Axialkraft, Drehzahl und berechnete Leistung

Nach Abschluss des Projekts A4 wurden Wirkungsgradtests durchgeführt und neue Turbinenkenndaten ermittelt.

Turbine and generator number A4
Turbine und Generator Nummer A4, wo Messungen durchgeführt werden. (Quelle: TRC PRO)
Team of technical experts
Team von Fachleuten, die die Messungen durchführen

Hier nochmals die Highlights der implementierten messtechnischen Lösung von HBM:

  • Schnelle und einfache Aufstellung
  • Einfaches Einstellen und aussagekräftige Diagnose
  • Hohe Auflösung, Genauigkeit und Geschwindigkeit
  • Berechnungskanäle im Gerät
    • Dynamische Signale und gefilterte Signale
    • Drehmomentberechnung aus Dehnungsmessungen
    • Kraftberechnung aus Dehnungsmessungen
    • Leistungsberechnung aus Drehmoment- und Drehzahlmessung
    • Entwicklung einer Web-Visualisierungs-App für Datenspeicherung ohne PC und Visualisierung auf einem PC, Tablet oder Smartphone (jedes beliebige Gerät mit dem Webbrowser)
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