Academic literature on the topic 'Kaplanturbin'

I det nordiska synkrona elkraftsystemet måste last och produktion momentant vara i balans med avseende på effekt. Balansen erhålls genom primärreglering där reglerkraft upphandlas av svenska kraftnäts balanstjänst. Reglerkraften är en effektreserv för automatisk reglering vid plötslig förändring i elkraftsbalansen. E.ON vattenkraft har kaplanturbiner som bidrar med reglerstyrka till primärregleringen vilket innebär att turbinen ständigt pådragsregleras. Kaplanturbinen har i förhållande till Francis och Peltonturbinen fler reglersystem som påverkas vid en pådragsändring. Man har tidigare misstänkt att detta påverkar kaplanturbinens verkningsgrad negativt, då dess olika reglersystem svarar olika bra på den hårdare driften som primärreglering medför. Syftet med detta arbete var att besvara frågan kring hur stor denna negativa verkningsgradförändring är. För att besvara frågan utformades en metodik som kan delas upp i tre steg. Förstudie, loggning samt Analys &amp; resultatberäkning. Förstudien innebär att variationer på elkraftsystemet karläggs samt undersöka hur kaplanturbinen kan tänkas reagera på dessa.  Därefter simuleras dessa variationer på en kraftstation samtidigt som dess reaktioner loggas av egen anpassad mätutrustning. Utifrån mätdata beräknas verkningsgrader för varje utförd reglering som viktas efter dess förekomst vid normal drift. Parallellt med denna beräkning görs en skild analys av reglerfelen för att kunna verifiera att resultatet av den viktade verkningsgraden är rimlig. Metodiken genomfördes på data från en mätning på Edenforsens kraftstation. Resultatet visar att det under regleringer uppkommer reglerfel i form av felkombinering. Orsaken beror dock ej främst av reglersystemens olika snabbheter utan av hysteres i reglersystemet tillhörande turbinens löphjul. Reglerfelet innebar som mest en felkombinering uppemot 0,54°, vilket är att anses som mycket högt. Detta kan resultera i en försämrad verkningsgrad mellan 0 och 0,3 %. Den viktade verkningsgraden landade på 0,3 % relativt optimal drift. Rapporten ger även en utvärdering av metodiken och förslag på hur den kan förbättras. Metodikens svagaste länk är flödesmätningen varför fler mätningar bör göras för att statistiskt säkerställa resultatet. De moment som fungerat bra har vidareutvecklats till förslag på en alternativ metod. Slutligen ges även förslag på hur reglerfelet kan kringgås.<br>In the Nordic electric power system the power output must always, instantaneous be consumed. This is upheld by the load frequency regulation. In E.ON hydropower this type of regulation is partly produced by the Kaplan turbine. This means that the turbine is constantly in regulation. Because the different construction of the Kaplan compared with for example Francis and Pelton, the Kaplan has a regulation system for the runner blade. This regulation system and the system for the guide vanes react individually and differently on a regulation change, with the result that the guide vanes and the runner blades will be unsynchronized. The purpose of this exam work is to examine this reaction and how big lost in efficiency this carry. To four fill this purpose a method in three steps is created, divided into pre-study, data collection and analysis &amp; results. The pre-study includes a study in the variation of the electric power system and how the Kaplan will react to these.  Later, under the data collection phase this variation is simulated while the data is collected by specially made measurement equipment. From the data collected under the data collection phase, an analysis and result calculation can be made. The data is collected from Edensforsens hydro power plant and the result is that the runner blade and the guide vanes are almost always wrongly synchronized during load frequency regulation. But this fault is not mainly caused by different regulation speed but due to hysteres in the runner blade regulation system. The highest point of error is 0,54°, which is considered a lot. . Unsynchronized runner blades leads to an efficiency loss of 0,3 % compared with fully synchronization. The results are not statistically significant.   The report also makes suggestion on how the method can be improved, an alternative method and how the regulation errors can be avoided.

Spelplanen för energiproducenter kommer inom de kommande årtionden förändras och företagen kommer ställas inför stora utmaningar. Kärnkraften kommer att fasas bort till 2040 enligt ett Regeringsbeslut, något som kommer kräva en utbyggnad av de förnyelsebara energikällorna som vind- och solkraft. Det är energikällor som har betydligt större variation där väder påverkar produktionen samtidigt som det är svårt att planera och prognostisera. Det kan således tillkomma och falla bort elproduktion på nätet under kort tid om det som exempel skulle sluta blåsa under en timme. Ett fungerande elsystem bygger på att det alltid ska finnas en balans mellan elproduktion och elanvändning. Denna balans mäts i frekvens på elnätet och Norden har en nominell frekvens på 50,0Hz, något som påverkas av ett underskott eller överskott av antingen produktion eller konsumtion. En utbyggnad i vind- och solkraft kan således ställa högre krav på vattenkraften som med sin goda planeringsförmåga fungerar utmärkt som frekvensreglerande kraftkälla. Inom vattenkraftsproduktion finns det två produktkategorier som energiproducenter kan sälja sin producerade el som normal drift och frekvensreglering, där den förstnämna är den som majoriteten av intäkterna står för. Eftersom det finns stora kostnader relaterade till slitage som uppstår i en turbin vid drift är det i Skellefteå Krafts intresse att studera de kostnader som är orsakade av frekvensreglering. För detta har olika utjämningsfunktioner utnyttjats för att klassificera data som antingen normal drift eller frekvensreglering, för att sedan beräkna vad frekvensregleringen motsvarar i slitage på ett aggregat. Skellefteå Kraft har i Augusti 2019 implementerat ett system som lagrar driftdata. Då en förväntad livslängd av en kaplanturbin är mellan 40 och 50 år krävdes det då mer data för att kunna dra rimliga slutsatser. Eftersom en begränsning finns gällande mängden av data, används omsamplinstekniken Block bootstrap för simulering av driftdata, vilket är nödvändigt för att kunna utföra en livslängdsanalys. Slutsatsen var att trots att frekvensreglering stod för drygt 95% av slitaget stod det endast för 8-9% av intäkterna, men att det ändå hade en vinstmarginal på 2-3 gånger kostnaden. En livslängdssimulering på 40 år medförde ett slitage på drygt 420 mikrometer för det Yttre löpskoveltappslagret (det lager som slits mest), vilket ligger inom rimligt slitage med hänsyn till designvärdet.

I takt med att allt mer intermittent elkraft används i det nordiska nätet ökar även behovet av reglerkraft. Detta för att hålla nätet stabilt och att last och produktion momentant är i balans. I Sverige används framförallt vattenkraft för att reglera nätstabiliteten. Detta sker genom att aggregat med frekvensreglering ökar effekten vid låg frekvens och sänker effekten vid hög frekvens.Projektet utreder huruvida ett dödband, en inställning som ignorerar små avvikelser, hjälper att reducera onödigt slitage på grund av frekvenstyrningen i en Kaplanturbin. De yttre löpskoveltapplagren har konstaterats vara extra utsatta och projektet har därför inriktat sig specifikt på att beräkna nötningen för dessa. Utifrån tidigare mätningar på en Kaplanturbin simulerades ett dödband i MATLAB. I programmet beräknades reducerad lagernötning, och antalet lastväxlingar över en tid på 40 år. Dessutom beräknades en genomsnittlig avvikelse i reglerkraft vid användning av dödband samt försämrad verkningsgrad om ett dödband på endast löphjulet används. Det kunde utifrån dem resultaten konstateras att ett dödband motsvarande 0.5 % av öppningsintervallet på löpskovlarna var mest fördelaktigt.Dödbandsinställningen applicerades sedan på ett av Skellefteå Krafts aggregat och drift med och utan dödband jämfördes. Mätningen påvisade att antal lastväxlingar reducerades kraftigt och stämde bra överens i praktiken med det uppskattade värdet från simuleringen. Glidsträckan för de undersökta lagren reducerades av dödbandet men lagren fästa i ledkransen minskade mer än de yttre löpskoveltapplagren. Glidsträckan beräknad från den praktiska mätningen med dödbandet nådde inte heller upp i samma reduktion som uppskattades från simuleringen.Slutligen konstaterades att frekvensstyrning påverkar nötningen i yttre löpskoveltapplagren substantiellt och att dödband är en lovande teknik för att reducera detta. Antalet lastväxlingar skulle minska markant och verkningsgradsförlusten om dödbandet endast verkar på löphjulet var mycket små.<br>Due to the growth of intermittent power in the Nordic grid the need for regulating power has increased. For a secure grid it is necessary to keep a stable balance between load and production. In Sweden hydropower is mainly used to regulate the grid stability. A power station equipped with frequency regulation increases the power output when the frequency is low and decreases the power when the frequency is high.This project researches if a regulation setting called dead band, which ignores small deviations, can reduce unnecessary wear in a Kaplan turbine equipped with frequency regulation. The outer turbine blade bearings have been ascertained to be the most exposed component in regards of wear and tear related to frequency regulation. This project has thus concentrated on these bearings. From earlier measurements on a Kaplan turbine a dead band was simulated in MATLAB. The amount of wear on the bearing was calculated as well as the number of blade regulations over a span of 40 years. Moreover a mean deviation of regulating power was calculated as well as reduced efficiency in relation to a dead band only applied to the runner. From these calculations a dead band representing 0.5 % of the opening interval for the runner was deemed most appropriate.The dead band setting was then installed in one of Skellefteå Krafts power station and the propulsion with and without dead band was compared. The test proved that the number of turbine blade regulations was substantially reduced and on par with the simulated values. The bearing gliding of the investigated bearings was reduced by the dead band setting but the gliding of the guide vane bearings was further reduced than that of the outer rotor blade trunnion bearings. Moreover, the gliding distance calculated from the practical testing did not reach the same level of reduction as the estimated results from the simulation.Finally it was concluded that wear correlated from frequency regulation is substantial but that the dead band setting shows a lot of promise in reducing this wear. The number of turbine blade regulations is distinctively decreased by the setting and the efficiency losses are very low if the dead band is applied only to the runner.

As a consequence of increasing wind power installations in the Nordic grid the last years, the need for regulating power has become larger. In the Nordic grid, regulating power is mainly provided by hydro power. One part of the regulating power is called frequency control, which ensures that the grid frequency is stable and close to 50 Hz. However, setting the turbine into frequency controlled operation may cause stress and wear of the components in the mechanical control system. Frequency controlling implies large and frequent servo forces and longer travelling distance of the sliding bearings in the Kaplan turbine. Based on one selected Kaplan turbine, Selsfors G1, measurements and MATLAB calculations have been performed in order to determine forces and movements of the linkage system. With these forces and movements as input, stresses and fatigue have been determined as well as sliding distances, bearing pressures and wear of bearings during a typical lifetime of 40 years. The results indicate that no severe wear exists on the bearings during 40 years of service. This is valid for Selsfors G1, where self-lubricating greaseless Orkot bearings are installed. The wear is much smaller than the largest allowed bearing clearance, as long as the bearings are mounted correctly and free from dirt and oil. For turbines with grease or oil lubricated bearings, the result might differ. The highest average stresses have been recorded in the links in the runner. A very simple Finite Element Analysis has been made for the links, to estimate risk of fatigue. The stresses are much lower compared to the fatigue limit, and thus the risk of fatigue is considered very small. In situations where wear and large load changes after all are problems, a change in the turbine regulator settings is recommended. A dead band reduces the sliding distances of the bearings and the amount of load changes remarkably, but causes on the other hand lower turbine efficiency and worse quality of the frequency control.

Vattenkraftens bidrag till den svenska elproduktionen blir allt viktigare i takt med att andelen förnyelsebarakällor som ansluts till elnätet ökar. I dag består Sveriges elmix av ca 45% vattenkraft, där den fungerar som både bas- och reglerkraft. Med ett system som byggs upp med fler intermittenta källor (sol och vind) och färre synkrona generatorer (kärnkraft) behöver vattenturbinerna verka inom ett större driftområde och omställningarna mellan driftsätt spås ske oftare längre fram. En mer varierad drift av turbinerna bidrar inte bara till en reglerbar elproduktion utan också till mer slitage på delarna i turbinen. Det är därför av intresse att undersöka hur turbinens delar påverkas vid olika driftsätt. Företaget Uniper är den tredje största elproducenten i Sverige, med 76 hel- och delägda vattenkraftverk. I ett av dessa kraftverk har sprickbildning i den kring gjutna betongen i löphjulskammare och sugröret uppkommit. Ett antal åtgärder har vidtagits, bland annat genom att byta ut betong och förbättra svetsfogar, utan att sprickbildningen upphört. I en vattenturbin är flödet icke stationärt, vilket innebär att tryckstötar och vattenfenomen uppkommer under drift. Dessa bidrar till slitage och kan vara en orsak till sprickbildning. Syftet med detta examensarbete var därför att öka förståelsen kring vilka tryck och spänningar som uppkommer i löphjulskammaren för en kaplanturbin utan sprickbildning vid olika driftfall. Detta genom att utföra tryck- och spänningsmätningar i löphjulskammaren på turbin G2 i Moforsens vattenkraftverk, samt analysera de uppmätta värdena och jämföra resultaten mot FEM-beräkningar. Eftersom det är begränsat med tidigare arbeten inom området var målet med arbetet att kunna använda resultaten och jämföra det mot resultat från det kraftverk som berörs av sprickbildning. Mätutrustningen som användes under mätningarna var töjningsgivare, accelerometrar och tryckgivare. Mätningarna utfördes under olika driftförhållanden, där insamlat data från stationär körning mellan 20 MW och 50 MW med steg om 5 MW, lastkörning, snabbstopp och normalstopp analyserades. Utifrån analysen av de uppmätta värdena kunde det konstateras att den dominanta frekvensen för både tryck- och töjningssignalerna var bladpassagefrekvensen. Den tryckökning som observerades vid skovelpassagen antog en sågtandsform för de uppmätta värdena efter att en kurvanpassning utförts. Kurvanpassning genomfördes eftersom vissa mätsignaler från tryckgivarna genererade orimligt höga mätvärden som tros komma från den stående vågens frekvens i givaren och röret. För stationär drift över 30 MW var de uppmätta värdena lägre än det ansatta värdet i FEM-beräkningarna. Där den minsta skillnaden var för givaren placerad i höjd med skovelbladet på 35% respektive 16%, när skovelbladet var 100% respektive 50% öppet. Samma tendens fanns vid jämförelse av töjning mellan de uppmätta och beräknade värdena. Där var dock skillnaden för 50% öppnat skovelblad 9% respektive 1% för tangentiell och axiell töjning och för 100% öppen 32% respektive 40%. Nästa steg i arbetet är att genomföra liknande mätningar på de kraftverk som berörs utav sprickbildning och sedan jämföra de resultaten mot de resultat som uppkommit i detta arbete. Det möjliggör en undersökning mellan vilka tryck- och spänningsskillnader det finns för två turbiner med liknande egenskaper, där den ena berörs av sprickbildning.

I denna rapport utreds olika metoder för att kunna reglera vattennivån i vattenkraftverket Avesta Lillfors i Dalarna. Två kraftverk ligger endast 900 m uppströms och detta gör att svarstiderna blir korta och regleringen blir lätt nervös. Att använda sig av vattennivåreglering i ett kraftverk för-enklar dess styrning då anpassning till inflödet sker automatiskt. En flödestabell har tagits fram genom mätningar i turbinen, med hjälp av Winter-Kennedy-metoden. Denna tabell används för att kunna fram-koppla regulatorn och därmed dämpa stora variationer i inflödet. Dessu-tom har en modell av älven skapats och testats med en återkopplad PID-regulator. Utefter dessa tester har lämpliga parametrar tagits fram, som ger önskad stabilitet, noggrannhet och snabbhet. Simuleringar har även gjorts med reglermetoden Fuzzy logic.<br>This report evaluates different methods to create a stable regulation of the water level in the hydro power plant Avesta Lillfors, in county Dalar-na. Another pair of plants are located just 900 m up the stream, which is why the regulation has to act fast. If the water level can be regulated and automatically adjust to the incoming flow, it facilitates the control of the plant. A flow chart is created from measurements in the turbine, using the Win-ter-Kennedy method. The results are used for feedforward control. A PID-regulator with feedback is also simulated in a model of the river. This helps finding the parameters that provide a stable, accurate and fast regu-lation. Fuzzy logic control has also been simulated.

In a risk situation the flow through a hydropower turbine must be reduced under a short amount of time. The reduction in flow causes low pressures in the region called draft tube under the runner in the turbine. If the pressure drops below vapor pressure the water in the turbine may evaporate and form large cavities. The phenomenon called water column separation describes the situation when these cavities of vapor forms and eventually collapses which may damage the unit and canbe a danger to personnel at site. Different types of flow reducing maneuvers are tested before commissioning turbines in order to detect dangerously low pressures but these measurements can be difficult to interpret. The measured draft tube pressure can be filtered numerous ways and in addition other measured or calculated parameters must be studied to fully understand the consequence of a measured emergency stop. In this paper the different ways of filtering and interpreting the measurements from stops in Kaplan turbines were analyzed. The results show that the choice of filtering method can significantly impact the interpretation of a stop and that the filter parameters often used do not result in equivalent results. The standard way to filter draft tube pressure with moving average filters is shown to result in much higher draft tube pressures than low-pass filters and the filter parameter used needs to be further investigated to correctly isolate pressures caused by water column separation. The main difference between different companies when it comes to these measurements are the used cutoff frequency when using low-pass filters and the sampling frequency of measurements.

This master thesis examines technical requirements for small hydro power plants (HPP) to operate proximate parts of the power grid in island mode. The work examines how small hydropower can be modified and complemented with additional technologies to achieve sufficient frequency control capabilities. A case study was performed within the concession area of power grid operator Ålem Energy. One of the HPPs, located in Skälleryd, is owned by Ålem Energy and became the focal point of the study. Relevant parts of the concession area were surveyed for properties such as system inertia, electric load and available power. Furthermore, a model of Kaplan turbine 1 in Skälleryd HPP was created with the purpose of studying the benefits of bypassing regulation control from the wicket gates directly to the runner. The method was tested in an off-grid islanding test. Frequency control of the turbine was tested powering electric heaters and, using a new method, controlling a virtual power grid. Finally, a theory was developed to estimate the transient disturbance resilience (TDR) of a power grid. The theory was applied to the HPP in Skälleryd to suggest modifications for the plant to achieve sufficient islanding capabilities. The survey of the power system revealed a promising potential for the HPPs to operate in island mode, especially at later stages when the grid spans several HPPs for more system inertia. The available power from the HPPs was however strongly seasonal which imposes flexibility on a future plan of action for engaging the grid in island mode. The method of controlling the turbine power from the runner proved to have several difficulties. Firstly, the current hydraulics system was not able to freely control the runner as the hydrodynamic forces on the runner blades were too large. Secondly, the method was found to be unstable due to inherent amplification of speed deviations. Furthermore, the low inertia at Skälleryd is likely detrimental to the lone frequency control of the turbine. Therefore other methods for improving frequency control were suggested. The developed theory for TDR was used to create charts describing the TDR for various combinations of system inertia and regulation speed. By studying the proprieties of Skälleryd HPP in the charts the necessary modifications could be rationally chosen. A frequency regulating dummy load was found to be the simplest option. A control scheme was suggested with the dummy load performing primary frequency control and the turbines at Skälleryd performing secondary control, restoring the dummy load to its nominal state.

Företaget Uniper som är en elproducent och äger vattenkraftverk över hela Sverige har upptäckt nya sorter av skador i kammaren till en av av deras Kaplanturbiner. Skador förekommer i form av sprickbildningar i ett område som kallas för sugröret. Röret består av rostfritt stål och är omgivet av förankringsstag, armeringsjärn och betong. Företaget anlitade konsultbolaget Sweco som analyserade det utsatta området med FEM-beräkningar. Konsultbolagets slutsatser kring sprickbildningen var att de ansågs bero på en fel utförd svets eller dåliga förhållanden vid utförandet av tidigare reparationer. Sweco upptäckte även att konstruktionen vid stora tryckdifferenser, mer specifikt vid driftstopp, skapar utåtriktade momentana krafter mot betongen, vilket kan med stor sannolikhet orsaka utmattningsbrott. Utifrån de framtagna data om rörets beteende valde bolaget att förnya den kringgjutna betongen att samt svetsa ihop områdena som hade bildat sprickor för att minimera spridningen. Reparationen eliminerade inte  sprickbildningen då det fortsätter ännu idag att förekomma små sprickor i kammaren.    I detta projektarbete analyserades sugrörskonans beståndsdelar med andra metoder som tidigare inte har använts av företaget Sweco. Detta i syfte att få en helhetsbild av orsakerna till det som har skapat sprickor i kammaren. De genomförda simuleringarna i konan delades upp i fall A – F för att identifiera de mest utsatta områdena.   Det framkom att svetsförbandet mellan sugrörskonan och nedre löphjulskammaren var de svagaste punkterna i konstruktionen. Utsatta området förstärktes med förstärkningsring runt röret som visade 45 % minskning av spänningsvärdet i jämförelse med tidigare fall som hade samma förutsättningar. Med en kompletterande detalj i sugröret som föreslås av detta projektarbete anses rörelsen minska vilket även minimerar risken till sprickbildningar.