Virkningsgradsmålinger av Peltonturbin med termodynamisk målemetode ved Grunnåi kraftverk

Abstract

Virkningsgraden beskriver en vannkraftturbins tilstand og ytelse, og det er viktig for både eiere og leverandører at denne kan måles så nøyaktig som mulig. Masteroppgaven omhandler virkningsgradsmålinger for Pelton turbiner basert på gjennomførte målinger ved Grunnåi kraftverk i april 2022. Metoden for målingene er den termodynamiske målemetoden. Grunnleggende elementer ved målemetoden er undersøkt, med særlig fokus på energifordelingen. Det er foretatt analyser av hvorvidt det er forsvarlig å utføre målinger i avløpet utenfor måleområdet, satt til 4-10 turbindiametere nedstrøms for turbinen, av den internasjonale elektrotekniske kommisjon (IEC41) [1]. Det er undersøkt hvor stor innflytelse ulike varmefenomener har i en åpen kanal ettersom varmeoverføring med omgivelsene er grunnen til å ikke foreta målinger lengre enn 10 turbindiametere unna. For å ta hensyn til at den spesifikke mekaniske energien endrer seg fra punkt til punkt i avløpets tverrsnitt, ble temperaturen i områder med større hastighet vektet tyngre enn områder med lavere hastighet. Videre ble de vektede virkningsgradsresultatene sammenlignet med de uvektede.

I avløpet ble målingene registrert ved å benytte et horisontalt rektangulært rør med fire hastighets- og temperatursensorer. Disse ble regulert i fire ulike høyder, og dekket dermed 16 punktmålinger per tverrsnitt. Prosedyren ble gjentatt for fire avstander i avløpet; henholdsvis 2, 4, 7 og 11 turbindiametere (D) nedstrøms for turbinen. Resultatene viser at bestpunkt (BEP) ligger på mellom 40% - 60% last for de ulike avstandene, med en absolutt måleusikkerhet på mellom 0,69% - 0,7%. Målingene ved 4D og 7D samsvarer med tidligere forskning, og ved å benytte de som referanse, framkommer det at 2D og 11D ligger innenfor usikkerheten på de fleste driftspunkt. De vektede- og uvektede resultatene viser, med unntak av 11D, at vekting har mindre effekt lenger ned i avløpet. Dette kan forklares med at vannet gradvis blir mer blandet, som tyder på at målinger nærmere enn IEC41-anbefalingene burde bli vektet. Virkningsgraden ved 11D viser avvik fra de andre avstandene. Dette kan skyldes at bjelkestengselet, som skulle holde vannivået oppe, var plassert i nærheten av 11D og kan ha ført til manglende gjennomstrømning nær bunnen. Det at vekting utgjør en forskjell ved 11D kan skyldes en sving i utløpet oppstrøms for denne avstanden, som kan medføre en mindre uniform energifordeling. Ved å betrakte varmelednings- og strålingseffekt, viste det at virkningsgraden ved 11D hadde fått en maksimal økning på 0,045% om vannet ikke hadde blitt påvirket av omgivelsene. Dette kan indikere at varmeoverføring fra omgivelsene er neglisjerbar selv ved denne avstanden.

The efficiency describes the condition and performance of a hydropower turbine, and it is important for both owners and suppliers that this can be measured as accurately as possible. This master's thesis deals with efficiency measurements for Pelton turbines based on completed measurements at Grunnåi power plant in April 2022. The method of measurements is the thermodynamic measurement method. Basic elements of the measurement method have been investigated, with a particular focus on the distribution of energy. Analyses have been carried out on whether it can be justified to carry out measurements in the drain outside the measuring range, set at 4-10 turbine diameters (D) downstream of the turbine, by the International Electrotechnical Commission (IEC41) [1]. It has been investigated how much influence different heat phenomena have in an open channel as heat transfer with the surroundings is the reason why measurements should not take place further away than 10 turbine diameters. To take into account that the specific mechanical energy changes from one point to another in the cross section of the drain, temperature within areas with a greater speed was weighted heavier than areas with a lower speed. Furthermore, the weighted efficiency results were compared to the unweighted ones.

In the drain, the measurements were recorded using a horizontal rectangular tube with four velocity and temperature sensors. These were regulated at four different heights, thus covering 16 point measurements per cross section. The procedure was repeated for four distances in the drain; 2, 4, 7 and 11 turbine diameters respectively. The results show that the best efficiency point (BEP) is between 40% - 60% load for the various distances, with an absolute measurement uncertainty between 0.69% - 0.7%. The measurements at 4D and 7D correspond to previous research, and by using them as a reference, it becomes evident that 2D and 11D are within the uncertainty at most operating points. With the exception of 11D, the weighted and unweighted results show that weighting has less effect further down the drain. This can be explained by the fact that the water gradually becomes more mixed, which indicates that measurements closer than the IEC41 recommendations should be weighted. The efficiency of 11D shows deviations from the other distances. This may be because the beam fence, which was supposed to keep the water level up, was located near 11D and may have led to a lack of flow near the bottom. The fact that weighting makes a difference at 11D may be due to a turn upstream of this distance, which may result in a less uniform energy distribution. By considering heat conduction and radiation, it showed that the efficiency of 11D had received a maximum increase of 0.045% if the water had not been affected by the surroundings. This may indicate that heat transfer from the surroundings is negligible even at this distance.