Hydraulic energy recovery by replacing a control valve with a centrifugal pump used as a turbine

Abstract

Reverse running centrifugal pumps as turbines (PaT’s) are used in small-scale hydropower generation mainly because of lower investment costs. Predicting the turbine mode operation point for a centrifugal pump has a lot of uncertainties, as manufacturers do not usually publish the turbine mode performance data. Using variable speed drives (VSD) makes it possible to operate PaT’s at different operation points at high efficiency, and they can be used to change the operation point, if the predicted best efficiency point (BEP) for PaT is not accurate. In many processes the flow is controlled by throttling a control valve, and the pressure loss in the valve is dissipated. Stricter system level energy efficiency requirements may cause the flow control methods to change. Hydraulic energy recovery with a PaT in flow control application is made possible by VSD’s. In this thesis, the main focus is to develop models and to test a PaT as a valve replacement in flow control application. A turbine polynomial model is created for a VSD PaT. The turbine models are used in flow control, Maximum Power Point (MPP) tracking and for sensorless estimation. The economic feasibility of hydraulic energy recovery with a PaT is studied. Based on 10 pumps, a minimum scale for economically feasible hydraulic energy recovery exists at the scale of 10 - 20 kWe. With a correctly sized PaT it is possible to recover approximately 23 – 27 % of the energy consumed by the pressure producing pump, depending on the amount of throttling and the process.

Keskipakopumppuja käytetään turbiineina erityisesti pienen kokoluokan vesivoimasovelluksissa pienien investointikustannuksien vuoksi. Kuitenkin keskipakopumpun turbiinitoimintapisteen arviointiin liittyy paljon epävarmuutta. Käyttämällä taajuusmuuttajaa tarkan toimintapisteen arviointi ei ole niin tärkeää, sillä sitä voidaan muuttaa pyörimisnopeutta muuttamalla. Monissa prosesseissa virtausta säädetään säätöventtiiliä kuristamalla, jolloin venttiilin paine-ero hukataan lämmöksi. Tiukemmat energiatehokkuusmääräykset voivat muuttaa tulevaisuudessa prosessien säätöä. Hydraulisen energian talteenotto pumpputurbiinilla on mahdollista taajuusmuuttajakäytöillä virtaussäätösovelluksessa. Tässä diplomityössä kehitetään ja testataan mallit pumpputurbiinin käyttöön säätöventtiilin korvaajana. Muuttuvanopeuksisen pumpputurbiinin polynomimallit kehitetään, ja niitä käytetään virtaussäätöön, maksimitehopisteen etsimiseen ja anturittomaan estimointiin. Hydraulisen energian talteenoton taloudellista kannattavuutta tutkitaan, ja minimikokoluokka taloudellisesti järkevään talteenottoon vaikuttaa olevan 10 - 20 kWe kokoluokassa. Oikein mitoitetulla pumpputurbiinilla on mahdollista ottaa talteen 23 – 27 % painetta tuottavan pumpun tehonkulutuksesta, riippuen virtauskuristuksen määrästä ja prosessista.