TIA Regelung Wasserkraftwerk - Hydraulische Verstellung

[D4K!ZZ4]

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Hallo Gemeinde,

ich zerbreche mir schon eine Weile den Kopf über die zukünftige Regelung unserer eigenen Wasserkraft Turbine.

Wir haben eine Francis Turbine mit Hydraulischer Leitschaufelverstellung.

Das passiert aktuell allerdings über Handtaster.

Das ganze sollte jetzt ein bisschen Dynamischer und Leistungsoptimierter passieren.

Zur Verfügung haben wir Wasserstand als Wert und Leistung des Generators.

Was würdet ihr mir empfehlen wie ich die Regelung angehe?

Nur nach Wasserstand kann ich nicht regeln da es auch auf die Wassermenge / Durchfluss ankommt, den ich allerdings auf wirtschaftliche Art und Weise nicht erfassen kann.

Jetzt dachte ich mir über die Leistung des Generators und eine Erkennung der Tendenz der Leistung.

Solange die Leistung tendenziell steigt Turbine öffnen. Sinkt die Leistung tendenziell dann schließen.

Mache ich allerdings zu weit auf oder zu weit zu sinkt die Leistung auch.

Hat von euch jemand Erfahrung mit so kleinen Wasserkraft Anlagen? Und wie ich das am aller einfachsten anpacken kann?

Vielen Dank schon mal im Vor aus.

Steuerung ist eine S7 1214C

 

[Fireman_Frank]

Vielleicht geht das mit einer 'Ausprobierschaltung'. Also jede Stunde mal die Schaufeln ein kleines Stück öffnen. Wenn die Leistung dann steigt noch ein Stück. usw. Wenn die Leistung aber zurück geht dann ein Stück in die andere Richtung.

 

[D4K!ZZ4]

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Hallo,

an sowas in die Richtung dachte ich eben schon.

Die Frage ist nur ob die Logik dann stimmt. Es kann eben sein das beim öffnen die Leistung steigt aber kann auch sein das sie sinkt.

Ggf. noch abhängig machen vom Wasserstand. Die Leistung beim öffnen sinkt nämlich nur wenn der Wasserdruck / Stand abhaut.

Vielleicht kommen noch ein paar Ideen, über weitere Vorschläge würde ich mich sehr freuen.

 

[SPS-Bitschubser]

Hallo,

an sowas in die Richtung dachte ich eben schon.

Die Frage ist nur ob die Logik dann stimmt. Es kann eben sein das beim öffnen die Leistung steigt aber kann auch sein das sie sinkt.

Ggf. noch abhängig machen vom Wasserstand. Die Leistung beim öffnen sinkt nämlich nur wenn der Wasserdruck / Stand abhaut.

Vielleicht kommen noch ein paar Ideen, über weitere Vorschläge würde ich mich sehr freuen.

Vielleicht hilft dir der Differenzdruck Wasser vor/nach Turbine.
So ermitteln die Wasserpumpen ihren Durchfluss.

 

[Heinileini]

Zur Verfügung haben wir Wasserstand als Wert und Leistung des Generators.

Was generiert denn der Generator? GleichSpannung, WechselSpannung, wie viele Phasen? Wird die Spannung gleichgerichtet? Ist die Frequenz der Spannung ein Kriterium bzw. die Drehzahl des Generators?
Misst Du Spannung und Strom? Oder woher nimmst Du die Leistung des Generators?

 

[winnman]

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Regelung wird wohl nur über den Wasserstand funktionieren, außer du kannst irgendwo im Oberlauf an einer Messschwelle separat noch mal über den dortigen Wasserstand den Zufluss messen.

Wie erfolgt die Hydraulische Verstellung der Leitschaufeln jetzt? Proportionalventil, Richtung-/Sitzventil?

Wenn jetzt über Taster gestellt wird, dann werden dort wahrscheinlich irgendwelche Magnetventile verbaut sein.

Ansatz:
Tendenz des Wasserstandes erfassen.
Totband vorgeben.
Wenn Wasserstand ober Totband, dann impulsweise Leitapparat öffnen. Geht die Tendenz dann nach unten, keine weiteren Stellbefehle.
Tendenz nach unten und Wasserstand kleiner Sollwert, dann anfangen gegenzusteuern (ev. auch erst untere Grenze Totband).

Richtung ob öffnen oder schließen abhängig von Istwert zu Sollwert.
Wirklich Verfahren nur dann wenn die Tendenz nicht passt.

Bei einfachen Anlagen die nur einen Zulauf haben und einen kleinen Staubereich, geht das ev. sogar mit einem normalen PID Regler.

Nimm dir auf alle Fälle viel Zeit, das vernünftige einstellen so eines Reglers ist langwierig und kann ev. bei sehr unterschiedlichen Zulaufmengen auch verschiedene Regelparameter erfordern.

Über folgendes sollte man sich auch Gedanken machen:
Was passiert bei Netzausfall? Wie kriegt man die Turbinen in einen sicheren Zustand? Überdrehzahl, . . .
Was passiert bei Ausfall der Regelung (SPS)? Wie kriegt man die Turbinen in einen sicheren Zustand? Überdrehzahl, . . .
Wie ist der Netzentkoppelungschutz realisiertß

Funktionieren diese Funktionen auch bei Ausfall der Steuerspannung?

Und natürlich der Personenschutz der Anlage, drehende Wellen, . . . die nicht schnell durch einen Not Aus zum Stillstand kommen, . . .

 

[Benjamin]

[FONT=&]
Hat von euch jemand Erfahrung mit so kleinen Wasserkraft Anlagen? Und wie ich das am aller einfachsten anpacken kann?
[/FONT]

Was ist bei dir klein?

[FONT=&]
Zur Verfügung haben wir Wasserstand als Wert und Leistung des Generators.

Nur nach Wasserstand kann ich nicht regeln da es auch auf die Wassermenge / Durchfluss ankommt, den ich allerdings auf wirtschaftliche Art und Weise nicht erfassen kann.
[/FONT]

Ich vermute einmal, dass bei dir der Pegel konstant oder zumindest einen bestimmten Wert nicht unterschreiten darf, richtig?
Dann wäre der Wasserstand, wenn dies bei dir der Pegel vor der Turbine ist, auch genau die richtige Regelgröße.
Der Ausgang wäre dann die Position vom Leitapparat.

Wenn du eine Positionsmessung hast, dann ist dies am genauesten.

Falls nein, dann ist aber auch ein einfacher Dreipunktregler ausreichend:

• Pegel steigt
  --> Leitapparat etwas weiter auf
• Pegel sinkt
  --> Leitapparat etwas weiter zu

Die Leistung als Regelgröße für den Pegel würde ich nicht empfehlen. Hier spielen dann die Wirkungsgradbereiche der Turbine noch mit hinein.

Die Leistung könntest du aber noch als zusätzlliche Überwachung hernehmen. Wenn zu wenig Wasser vorhanden ist, kannst du die Turbine abschalten, bevor sie in unzulässige Betriebsbereiche gerät oder gar Rückleistung zieht.

 

[Fireman_Frank]

Hallo,

Die Frage ist nur ob die Logik dann stimmt. Es kann eben sein das beim öffnen die Leistung steigt aber kann auch sein das sie sinkt.

Deswegen 'Ausprobieren'. Du öffnest die Turbine ein kleines Stück und prüfst dann ob die Leistung hoch geht. Wenn nicht schließt du die Turbine wieder ein Stück. Wenn die Leistung angestiegen ist probierst du noch ein Stück mehr. Usw.

Frank

 

[Blockmove]

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Deswegen 'Ausprobieren'. Du öffnest die Turbine ein kleines Stück und prüfst dann ob die Leistung hoch geht. Wenn nicht schließt du die Turbine wieder ein Stück. Wenn die Leistung angestiegen ist probierst du noch ein Stück mehr. Usw.

Frank

Genauso wie man es eben von Hand auch macht

 

[D4K!ZZ4]

Hallo zusammen,

hier ist ja einiges an Input gekommen.

Vielen Dank erst mal.

Also zur Anlagengröße aktuell fahren wir Wasserbedingt mit ca. 5kw, maximal sind 12kw möglich.

Wir reden hier also von einem Kleinstwasserkraftwerk das ganze ist auch eher Liebhaberei als das es wirtschaftlich ist

Ich werde mal den ausprobier Ansatz verfolgen und ggf. den Wasserstand mit einem ca.Sollwert vorlagen.

Also das ich meine "probier Regelung" nur in einem Sollwertband betreibe oder > größer Min Stand.

Wie würdet ihr die Tedenz auswerten? Dachte jetzt an öffnen / schließen entscheiden alle 5 Minuten, und Werte alle Minute auf fallend oder steigend auswerten?

Grüße Christian

 

[Blockmove]

Wie würdet ihr die Tedenz auswerten? Dachte jetzt an öffnen / schließen entscheiden alle 5 Minuten, und Werte alle Minute auf fallend oder steigend auswerten?

So kannst du sicher mal starten.
Du kannst dir vielleicht mal einen Raspberry besorgen und darauf Node RED, Influx-DB und Grafana installieren.
Damit kannst du deine Messwerte einfach aufzeichnen und visualisieren.
Bei Youtube findest du da einige Tutorials darüber.

Gruß
Blockmove

 

[D4K!ZZ4]

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Du kannst dir vielleicht mal einen Raspberry besorgen und darauf Node RED, Influx-DB und Grafana installieren.

Gute Idee, von Nodered habe ich schon gelesen und wollte schon lange mal einen Grund das zu testen

Das Datenlogging vom Basiv Panel lässt sowieso zu wünschen übrig.

Grüße

 

[Onkel Dagobert]

.. Also zur Anlagengröße aktuell fahren wir Wasserbedingt mit ca. 5kw, maximal sind 12kw möglich...

Wenn die Wassermenge begrenzt ist, und wenn du diese begrenzte Menge auch optimal nutzen möchtest, dann kannst du doch so wie so nur stetig den Füllstand regeln. Die Schaufeln öffnen genau so weit, um den Füllstand auf den Sollwert zu halten. Der Durchfluss ist somit der maximal mögliche. Und die Leistung eben so? Die Leistung ist dabei primär. Ich würde es erst einmal so probieren, bevor ich mir einen komplizierten Algorithmus aus den Fingern sauge. Allerdings hatte ich mit solchen Anlagen noch nichts zu tun.

 

[Blockmove]

Gute Idee, von Nodered habe ich schon gelesen und wollte schon lange mal einen Grund das zu testen

Das Datenlogging vom Basiv Panel lässt sowieso zu wünschen übrig.

Grüße

Die Kobination Node RED, InfluxDB und Grafana nutze ich in der Zwischenzeit oft fürs Logging.
Für solche Geschichten absolut klasse geeignet.

 

[Heinileini]

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Der Durchfluss ist somit der maximal mögliche. Und die Leistung eben so? Die Leistung ist dabei primär.

Deinen Ansatz, Dagobert, mit dem Regeln auf maximalen (dem Füllstand angepassten) Durchfluss habe ich verstanden.
Aber, wenn ich den TE richtig verstanden habe, bedeutet maximaler Durchfluss eben nicht, dass damit auch maximale Leistung erreicht wird.
Was meinst Du also mit "die Leistung ist dabei primär"?

 

[Onkel Dagobert]

.. Aber, wenn ich den TE richtig verstanden habe, bedeutet maximaler Durchfluss eben nicht, dass damit auch maximale Leistung erreicht wird..

Genau das wage ich zu bezweifeln, zumindest solange die Turbine im Teillastbereich (5kW von 12kW) arbeitet. Die Leistung kann doch eigentlich nur mit der Wassermenge zunehmen. Und wenn die Wassermenge nur für 5kW ausreicht, und wenn der Durchfluss über den Füllstand geregelt wird, dann öffnen die Schaufeln auch nicht weiter wie nötig. Mehr geht doch nicht. Alles andere wäre für mein Verständnis unlogisch. Vielleicht liegt es ganz einfach daran, die Sichtweise an zu nehmen, dass die Schaufeln den Durchfluss mit sinkendem Füllstand begrenzen und nicht anders herum.

.. Was meinst Du also mit "die Leistung ist dabei primär"?

Ich meine damit, dass sich die generierte Leistung aus dem über den Füllstand geregelten Durchfluss ganz einfach ergibt. Die Leistung selbst kann gar nicht geregelt werden, wenn die Wassermenge ausgeschöpft ist. Zumindest wäre das nicht im Interesse des Betreibers. Ich glaube, man sieht es hier viel zu kompliziert. Die Schaufeln drosseln den Durchfluss. In meinen Augen ist das eine ganz einfache P-Regelung, von mir aus auch PI, aus deiner Sicht PD .

 

[D4K!ZZ4]

Vielleicht muss ich meine Beobachten noch einmal kurz erläutern und den Sachverhalt genauer erklären.

Vermutlich reicht es tatsächlich auf Max Wasserstand zu regeln. Je höher der Stand desto höher die potentielle Energie.
Verlieren tut man erst wenn es über den Überlauf verblasen wird.

Wir drehen aktuell von Hand ab und zu auf und erreichen so eine erhöhte Leistung, diese resuliert aus dem erhöhten Durchfluss. Daraufhin sinkt logisch der Stand und die Leistung nimmt langfristig ab. Ich nenne es mal Schwallbetrieb.

Ich hab aber zu wenig Daten um genaueres zu sagen.

Ich werde echt mal versuchen die Werte sauber zu loggen und über den Tag zu sehen was passiert.

Die Frage ist nur was ist wenn die Turbine fast ganz zu ist, Wirkungsgrad dann eben auch nicht der beste. Stand steigt minimal bis zum Überlaufen?

Oder ist über dem Tag gesehen wirklich das beste immer auf maximalstand zu regeln, diesem zu halten und somit die Leistung zu erhöhen?

Grüße

 

[Heinileini]

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1. Die Leistung kann doch eigentlich nur mit der Wassermenge zunehmen.
...
2. Ich glaube, man sieht es hier viel zu kompliziert. Die Schaufeln drosseln den Durchfluss.

Zu 1.:
Das würde ich auch erwarten. Ebenso, dass die Stellung der Schaufeln eher in Abhängigkeit der Drehzahl zu optimieren wäre. Darum hatte ich versucht die Themen Drehzahl und die Art des Generators anzukratzen.
Zu 2.:
Sind die Schaufeln überhaupt geeignet, den Durchfluss zu begrenzen bzw. ganz zu stoppen?

1. Ich hab aber zu wenig Daten um genaueres zu sagen.
2. Ich werde echt mal versuchen die Werte sauber zu loggen und über den Tag zu sehen was passiert.
3. Die Frage ist nur was ist wenn die Turbine fast ganz zu ist, Wirkungsgrad dann eben auch nicht der beste. Stand steigt minimal bis zum Überlaufen?
4. Oder ist über dem Tag gesehen wirklich das beste immer auf maximalstand zu regeln, diesem zu halten und somit die Leistung zu erhöhen?

Zu 1.:
Wir auch. Schwankt evtl. auch die Leistung, die benötigt wird oder kannst Du pausenlos so viel Leistung einspeisen, wie der Wasserstand hergibt?
Gibt es z.B. Tageszeiten, zu denen Du bevorzugt viel (bzw. wenig oder keine) Leistung einspeisen solltest?
Zu 2.:
Das kann nicht verkehrt sein.
Zu 3.:
Wie meinst Du das? Die Leistung "künstlich" zu begrenzen, um wieder einen höheren Pegel zu erreichen, bei dem man entsprechend mehr Leistung produzieren kann?
Zu 4.:
Hmmm, was ist denn der Maximalstand? Wenn Du darauf regeln willst, muss dieser Maximalstand auf jeden Fall geringer sein als der Stand, bei dem der einsetzende Überlauf der Regelung ins Handwerk pfuscht!
Sonst wird der Überlauf zu einer Störgrösse, die den Regler ganz konfus macht.
Ansonsten ist diese Frage eher ein Thema der Taktik und des Vohersehens der zu erwartenden Zuflüsse, als ein Thema der Regelungstechnik.
Kannst Du denn mit der Verstellung der Schaufeln den Durchfluss auch komplett stoppen? Oder "nur" den Wirkungsgrad der Turbine optimieren?

 

[repök]

Hallo,
ich würde versuchen den Wasserstand mit der möglichen Leistung der Turbine in ein Verhältnis zu setzen, und das dann als Führungsgrösse verwenden.
Ich denke dass sich der Wasserstand nur langsam ändert, dadurch könnte man ein schwingen verhindern, bzw dem rechtzeitig entgegenwirken.

Ist in jedem Fall ein interessantes Hobby.

 

[Thomas_v2.1]

Ich frage mich nach dem Grund warum bei niedrigem Wasserspiegel ein weiteres Öffnen der Leitschaufeln zu einer Verringerung der Leistung führen. Gibt es ein Datenblatt zu der Turbine? Vielleicht bewegt man sich bei zu geringem Druck / Durchfluss außerhalb des Nennbereichs der Turbine, und das Wasser "plätschert" bei zu weit geöffneten Leitschaufeln nur noch auf das Laufrad.

Ich hatte mal ein Turboverdichter mit Vor- und Nachleitapparat zu programmieren. Da gab es vom Hersteller (KKK) ein dreidimensionales Kennfeld das auf Basis von Prüfstandsläufen erstellt wurde, aus dem in Abhängigkeit von Parametern wie Volumenstrom und Verdichtungsarbeit die optimalen Stellungen interpoliert berechnet wurde.

Da du bei dir nur eine Stellgröße hast, wäre der oder zumindest ein lokaler optimaler Betriebspunkt mit einem relativ einfach zu programmierenden Extremwertregler zu finden. Das war schon mal Thema und ich hatte dazu auch mein ein kleines Testprogramm geschrieben:
https://www.sps-forum.de/programmie...raenderlichen-wertes-bilden-3.html#post411066