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01-02 | 2018

Special Messtechnik &

Special Messtechnik & Analyse Turbinenwirkungsgrad zuverlässig geprüft Das Kraftwerk Fort Frances am Rainy River in Kanada. Im Jahr 1909 wurde das Fort Francis Kraftwerk in Kanada erbaut, um elektrische Energie zu erzeugen und Holz zu zerkleinern. 1954 wurden acht Kaplan-Turbinen mit einer Gesamt-Kapazität von 10 MW statt der ursprünglichen Ausrüstung installiert. 2017 folgte die Abnahmemessung einer neu installierten modernen 1,8 MW Turbine durch systec Controls. Wie die Wirkungsgradmessung schnell, kostengünstig, aber dennoch genau, mittels Ultraschall erfolgte, beschreibt der folgende Beitrag. Eine exakte Durchflusserfassung ist in Flusskraftwerken wie etwa am kanadischen Rainy River wegen der ungünstigen Einlaufsituation mit traditionellen Verfahren nur schwer zu verwirklichen. Dazu werden in vielen Fällen mechanische Systeme mit bis zu 30 Messflügeln in den Einlaufbecken installiert. Montiert auf massiven Konstruktionen erfordert diese Vorgehensweise einen hohen Kosten- und Zeitaufwand. Geringere Installationskosten und Zeitersparnis Eine solche mechanische Messung mit Messflügeln würde alleine für ein Messgitter mit beispielsweise 24 Flügeln Materialkosten in Höhe von etwa 5 000 € verursachen. Die gleiche Summe käme für Bau und Installation dazu. Für die Montage müssten vier Manntage einkalkuliert werden. Dass es aber auch anders geht, zeigte die kanadische Vertretung des Puchheimer Durchflussmess-Spezialisten, die Hydro Power Performance Engineering Inc. aus Toronto. Sie nutzte für die Wirkungsgradmessung das in Kraftwerken bereits weltweit bewährte deltawave Ultraschallmesssystem. Dazu wurden die Ultraschall- Wandler erst mit Kabelbindern an Rohren und schließlich mit wenigen Bohrungen im Zulaufkanal fixiert. Die Materialkosten lagen unter 500 €, die Installationsdauer bei nur drei Manntagen. Die Ultraschallwandler arbeiten wechselseitig als Sender und Empfänger und übermitteln sich Ultraschallsignale, wobei jeweils die Laufzeiten des Hinund Rücksignals gemessen werden. Sie erfassen die Laufzeitdifferenz der mit und gegen die Strömungsrichtung laufenden Ultraschallsignale. Diese werden durch die Mediumsströmung beschleunigt beziehungsweise gebremst. Die dadurch entstehende Laufzeitdifferenz ist ein direktes Maß für die mittlere Fließgeschwindigkeit über die Pfadlänge. Mit vier Messpfaden zu hoher Genauigkeit Unter idealen Bedingungen ist bereits mit einem einzigen akustischen Pfad eine reproduzierbare und zuverlässige Bestimmung des Abflusses möglich. Die Strömungsverhältnisse in offenen Gerinnen, in Turbineneinlaufbecken wie die des Rainy River-Kraftwerks sind jedoch sehr komplex. Kurze Einlaufstrecken, wechselnde Pegelstände, Rückstau, Gerinnerauigkeiten, Wind und 16 UmweltMagazin Januar - Februar 2018

Messtechnik & Analyse Special Deutlich sind Korrosion und Abrasion an den alten Turbinenschaufeln zu erkennen. Einer der acht Ultraschallumwandler je Messstelle an einem Stahlrohr mit Kabelbindern montiert. Bilder: Systec Mitarbeiter der Hydro Power Performance Engineering Inc. die Signalgüte und alle akustischen Pfade überprüfen und damit Fehlmessungen ausschließen. Für den dezentralen Einsatz ließe sich das Messgerät per LAN-Modem über das Mobilfunknetz oder LAN mit Intranet und Internet verbinden und per FTP parametrieren oder updaten. Aktuelle Messwerte sind auch über den integrierten Webserver auslesbar. Alternativ ist auch die Datenübertragung per GSM-Modem unter Verwendung der digitalen und analogen Signalausgänge möglich. Wellen sind nur einige der vielen Störgrößen bei solchen Messungen. Um hier die tatsächliche mittlere Fließgeschwindigkeit präzise zu ermitteln, ist eine Mehrpfadmessung erforderlich. Durch die Anordnung von mehreren akustischen Pfaden werden Fließgeschwindigkeiten in unterschiedlichen Höhen gemessen. Dies trägt dazu bei, das Strömungsprofil optimal zu erfassen. Deshalb wurden im Zulaufbecken des an der kanadisch-amerikanischen Grenze liegenden Kraftwerks von Fort Frances vier gekreuzte Messpfade installiert. deltawave unterstützt diese Überkreuzmessung, bei der in jeder Messebene zwei akustische Pfade installiert werden. Der störende Einfluss von Schrägströmungen wird durch diese Wandleranordnung vollständig kompensiert. Genau wegen dieser Querströmungen installierte systec Controls diese Kreuzmessungen, die trotz kurzer Einlaufstrecken eine Messgenauigkeit besser als 2 % ermöglichen. Damit liefert die Ultraschallmessung ohne jede Einlaufstrecke exakte Messwerte. Die Genauigkeit dieses Verfahrens wurde unter anderem in der Versuchsanstalt- und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau an der Universität Kassel ermittelt und verifiziert. Einfache, schnelle und kostengünstige Messstelleneinrichtung Die Montage der Ultraschall-Sensorik in Fluss- oder Bachläufen ist an Brücken und Böschungen ebenso möglich wie fern vom Ufer. In Gerinnen, bei denen die Ufer im Querschnitt ungleichförmig oder mit Vegetation bedeckt sind, ist es gemäß internationaler Normen ebenfalls zulässig, die Wandler auf Pfähle zu montieren, die in einem bestimmten Abstand von den Ufern eingesetzt sind. Die Bauform sowie die leicht anzubringende Montagevorrichtung der Wandler wurden individuell an die Messumgebung angepasst. Anhand der Isometrie der Anwendung empfahl systec Controls den bestmöglichen Einbauort und übernahm die Maßaufnahme vor Ort, entwickelte und montierte gemeinsam mit Hydro Power Performance Engineering Inc. die Befestigung. Mit handelsüblichen Kabelbindern installierten zwei Mitarbeiter der systec Controls Vertretung, die insgesamt acht Ultraschallwandler an simplen Installationsrohren, vergleichbar einem Wasserleitungsrohr, im Zulaufkanal. Es folgte deren Ausrichtung gemeinsam mit einem Ingenieur aus Puchheim. Das deltawave Messgerät lässt sich einfach auf die Messung vorbereiten. Die mitgelieferte Windows-Software ermöglicht eine intuitive, weitgehend selbsterklärende Parametrierung. Nach Vorlage der Parameter können diese vom Arbeitsplatz-PC oder Laptop auf einem handelsüblichen Memorystick gespeichert und in das Gerät geladen werden. Das Überspielen der Kenngrößen geschieht automatisch. Um den Wirkungsgrad der Turbine ermitteln zu können, musste zur Laufzeitmessung nur noch eine Pegelmessung zum Zu- und im Ablauf, hier in Form hydrostatischer Druckmessungen, sowie eine Winkelmessung der Leitschaufeln vorgenommen werden. Mit Hilfe dieser Messdaten ließ sich die komplette Turbinenkennline erfassen. Dank der integrierten Oszilloskop- Funktion des deltawave konnten die Ein Messsystem für viele Aufgaben deltawave lässt sich nicht nur zur Wirkungsgradoptimierung und Leitschaufelsteuerung einsetzen. Es überwacht auch Umweltschutzanforderungen zum Beispiel hinsichtlich Mindestabflussmengen oder die Funktion von Fischtreppen. So muss basierend auf den Vorschriften des International Rainy Lake Board of Control die unmittelbare Durchflussrate des Flusses bei mindestens 100 m 3 /s liegen. Auch die Überwachung zum Beispiel der beiden Hochwasserüberläufe des Fort Francis Kraftwerks oder die Kontrolle der Schiffbarkeit wären typische Aufgaben für das Produkt. Beim Einsatz an Rohrleitungen mit benetzten oder von außen aufgespannten Ultraschallwandlern kommt die Leckageüberprüfung als weitere Aufgabe hinzu. Fazit Albert Michail, Geschäftsführer der Hydro Power Performance Engineering Inc., zeigte sich sehr erfreut über die Reaktion seines Kunden: „Der Kraftwerksbetreiber war nicht nur mit der Vorbereitung und Durchführung der Messung zufrieden. Die schnelle und vor allem kostengünstige Messstellen-Einrichtung überzeugte. Für mich persönlich war die Kooperation zwischen uns in Toronto und Puchheim mal wieder vorbildlich. Das Messergebnis ergab einen Turbinen-Wirkungsgrad von 91 % und übertraf damit die zugesagten 88 %.“ Reinhold Kuchenmeister, Höchberg; Kontakt: systec Controls, Puchheim, www.systec-controls.de UmweltMagazin Januar - Februar 2018 17

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