Hydraulic energy harvesting with variable-speed-driven centrifugal pump as turbine
Nygren, Lauri (2017)
Diplomityö
2017
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201702281885
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201702281885
Tiivistelmä
Pumps as turbines (PaTs) have been traditionally used in small-scale hydropower and industrial hydraulic power recovery as a cost-effective alternative for conventional turbines. Standard centrifugal pumps can be run as turbines usually without any modifications with equal or even slightly better efficiency compared to the pump mode. However, pump manufacturers rarely provide the turbine mode performance characteristics for pumps, and pump’s turbine mode performance have been found to be difficult to predict accurately on the basis of pump mode performance, despite the numerous attempts.
PaTs are typically coupled to induction motors, which can be run as generators to produce electricity. Typically, generators have been connected directly to the utility, so they run at fixed rotational speed. Fixed rotational speed requires the control of the system operation point by valves, which dissipate part of the available hydraulic energy. This dissipation could be avoided by applying four-quadrant frequency converter, which can be used for PaT rotational speed control. The variable rotational speed would also make the PaT dimensioning less critical, since the rotational speed can be adjusted afterwards more suitable, if the PaT performance does not correspond to the predicted.
The main objective of this thesis is to provide information about variable-speed PaT systems, and especially to study their suitability for flow and pressure control purposes, so that the energy wasting valves in fluid control systems could be replaced by an energy harvesting alternative. Devices required in variable-speed PaT system and a method for dimensioning such a system are introduced. Also a novel theoretical model for variable-speed PaT is derived, and its accuracy is studied through laboratory measurements carried out for three centrifugal pumps in turbine mode. Model seems to provide a reasonable accuracy, and it could be applied for e.g. soft-sensor operation point estimation and maximum power point tracking. Also “turbine’s valve characteristic” is presented, which makes the comparison of control valves and PaTs easier. Pumppuja on käytetty turbiineina perinteisesti pienen kokoluokan vesivoimaloissa ja teollisuudessa hydraulisen energian talteenotossa kustannustehokkaana vaihtoehtona tavallisille turbiineille. Standardikeskipakopumput toimivat turbiineina usein ilman mitään muokkauksia, tarjoten samalla vastaavan tai jopa hieman paremman hyötysuhteen kuin pumppumoodissa. Valmistajat kuitenkin harvoin tarjoavat pumpuille turbiinimoodin suorituskykytietoja, ja niiden ennustaminen tarkasti pumppumoodin suorituskyvyn perusteella on havaittu haastavaksi lukuisista yrityksistä huolimatta.
Pumpputurbiinien kanssa käytetään usein oikosulkumoottoreita, joita voidaan ajaa generaattoreina sähköntuotantoa varten. Tyypillisesti generaattorit kytketään suoraan sähköverkkoon, jolloin ne pyörivät vakionopeudella. Vakiopyörimisnopeus vaatii kuitenkin systeemin toimintapisteen säätämistä venttiileillä, jotka hukkaavat osan saatavilla olevasta hydraulisesta energiasta. Tämä voidaan välttää käyttämällä nelikvadranttitaajuusmuuttajaa turbiinin pyörimisnopeuden säätämiseen. Muuttuva pyörimisnopeus tekee myös pumpputurbiinin mitoittamisen vähemmän kriittiseksi, sillä pyörimisnopeus voidaan jälkikäteen asettaa sopivaksi, mikäli ennustettu pumpun turbiinimoodin suorituskyky poikkeaa todellisesta.
Diplomityön päätavoite on tarjota tietoa muuttuvanopeuksista pumpputurbiinisysteemeistä ja erityisesti tarkastella niiden soveltuvuutta virtaus- ja painesäätöön venttiilien tilalle. Muuttuvanopeuksiseen pumpputurbiinilaitteistoon tarvittavat komponentit sekä menetelmä niiden mitoittamiseen esitellään työssä. Pumpputurbiinille kehitetään myös uusi teoreettinen malli, jonka tarkkuus todennetaan laboratoriomittauksilla kolmelle standardi-keskipakopumpulle turbiinimoodissa. Malli toimii suhteellisen hyvällä tarkkuudella ja sitä voidaan soveltaa esim. systeemin anturittomaan tarkkailuun ja maksimitehosäätöön. Työssä esitellään myös ”turbiinin venttiilikarakteristika”, jonka tarkoituksena on tehdä säätöventtiilien ja pumpputurbiinien vertailu helpommaksi.
PaTs are typically coupled to induction motors, which can be run as generators to produce electricity. Typically, generators have been connected directly to the utility, so they run at fixed rotational speed. Fixed rotational speed requires the control of the system operation point by valves, which dissipate part of the available hydraulic energy. This dissipation could be avoided by applying four-quadrant frequency converter, which can be used for PaT rotational speed control. The variable rotational speed would also make the PaT dimensioning less critical, since the rotational speed can be adjusted afterwards more suitable, if the PaT performance does not correspond to the predicted.
The main objective of this thesis is to provide information about variable-speed PaT systems, and especially to study their suitability for flow and pressure control purposes, so that the energy wasting valves in fluid control systems could be replaced by an energy harvesting alternative. Devices required in variable-speed PaT system and a method for dimensioning such a system are introduced. Also a novel theoretical model for variable-speed PaT is derived, and its accuracy is studied through laboratory measurements carried out for three centrifugal pumps in turbine mode. Model seems to provide a reasonable accuracy, and it could be applied for e.g. soft-sensor operation point estimation and maximum power point tracking. Also “turbine’s valve characteristic” is presented, which makes the comparison of control valves and PaTs easier.
Pumpputurbiinien kanssa käytetään usein oikosulkumoottoreita, joita voidaan ajaa generaattoreina sähköntuotantoa varten. Tyypillisesti generaattorit kytketään suoraan sähköverkkoon, jolloin ne pyörivät vakionopeudella. Vakiopyörimisnopeus vaatii kuitenkin systeemin toimintapisteen säätämistä venttiileillä, jotka hukkaavat osan saatavilla olevasta hydraulisesta energiasta. Tämä voidaan välttää käyttämällä nelikvadranttitaajuusmuuttajaa turbiinin pyörimisnopeuden säätämiseen. Muuttuva pyörimisnopeus tekee myös pumpputurbiinin mitoittamisen vähemmän kriittiseksi, sillä pyörimisnopeus voidaan jälkikäteen asettaa sopivaksi, mikäli ennustettu pumpun turbiinimoodin suorituskyky poikkeaa todellisesta.
Diplomityön päätavoite on tarjota tietoa muuttuvanopeuksista pumpputurbiinisysteemeistä ja erityisesti tarkastella niiden soveltuvuutta virtaus- ja painesäätöön venttiilien tilalle. Muuttuvanopeuksiseen pumpputurbiinilaitteistoon tarvittavat komponentit sekä menetelmä niiden mitoittamiseen esitellään työssä. Pumpputurbiinille kehitetään myös uusi teoreettinen malli, jonka tarkkuus todennetaan laboratoriomittauksilla kolmelle standardi-keskipakopumpulle turbiinimoodissa. Malli toimii suhteellisen hyvällä tarkkuudella ja sitä voidaan soveltaa esim. systeemin anturittomaan tarkkailuun ja maksimitehosäätöön. Työssä esitellään myös ”turbiinin venttiilikarakteristika”, jonka tarkoituksena on tehdä säätöventtiilien ja pumpputurbiinien vertailu helpommaksi.