Turbinenhydraulik: vom Schaltventil zum Proportionalventil

Präzise Synchronisierung bei direkt gekoppelten Synchrongeneratoren

Wasserkraftturbinen mit direkt gekoppeltem Synchrongenerator reagieren besonders feinfühlig auf Stellbewegungen. Ohne Getriebe oder Schwungmasse ist es mit klassischen Auf-/Zu-Schaltventilen oft schwierig, die Turbine exakt an den Synchronisationspunkt heranzuführen.

Unser Anspruch bei Bilgram~Wasserkraft ist: Unabhängig davon, ob die Anlage 30 kW oder 1.000 kW leistet und ob ein 400-V- oder 6-kV-Generator zum Einsatz kommt, realisieren wir die Zuschaltung mit einer Frequenzabweichung von maximal 0,15 Hz

Je genauer die Frequenz beim Zuschaltzeitpunkt übereinstimmt, desto geringer sind die Ausgleichsströme und desto sanfter erfolgt die Netzzuschaltung.

Vom Schaltventil zum Proportionalventil

Für diese Aufgabe setzen wir auf ein Proportionalventil anstelle einer klassischen Auf-/Zu-Ansteuerung.

Sehr gute Erfahrungen haben wir mit dem hochdynamischen Proportionalventil der Parker-Serie D1FC gemacht. Die Ansteuerung erfolgt über ±10 V.

Das Ventil verfügt über eine interne Wegrückführung. Dadurch wird die tatsächliche Position des Ventilschiebers erfasst und entsprechend der elektrischen Vorgabe geregelt. Die hochdynamische Ansteuerung wirkt zudem einem Haften oder Verklemmen des Ventilschiebers entgegen.

Der entscheidende Vorteil für die Turbinenregelung: Im Gegensatz zum Schaltventil mit weitgehend fest vorgegebenem Ölstrom kann das Proportionalventil den Ölstrom kontinuierlich anpassen. Dadurch lässt sich die Geschwindigkeit des Hydraulikzylinders dynamisch regeln und die Turbine deutlich präziser an den Sollwert heranführen.

Feinsynchronisierung über das Leitrad

Bei einer Kaplan-Turbine muss nicht zwangsläufig die komplette Hydraulik umgebaut werden.

Das Laufrad wird zunächst auf eine definierte Startposition gefahren. Die anschließende Feinsynchronisierung erfolgt über das Leitrad.

Damit reicht es häufig aus, gezielt die Leitradverstellung von einer Auf-/Zu-Steuerung auf eine proportionale Regelung umzubauen.

Vor dem Umbau

Die ursprüngliche Hydraulik bestand im Wesentlichen aus:

• • Drosselventil für den Notschluss
  • Notschlussventil
  • Drosselventil für die Regelbewegungen
  • Schaltventil Auf/Zu

Leitradverstellung vor dem Umbau

Nach dem Umbau

Die neue Ventilanordnung besteht aus:

• Feinfilter
• Notschlussventil
• Sperrventil
• Lasthalteventil
• Proportionalventil Auf/Zu
• Drosselventil verbaut in der Hydraulikleitung

Leitradverstellung nach dem Umbau

Das Proportionalventil ermöglicht nun die fein dosierte Bewegung des Leitrades. Das Lasthalteventil hält die erreichte Position hydraulisch, während das Sperrventil die Regelhydraulik bei Bedarf sicher abtrennt. Der Feinfilter schützt die Proportionalhydraulik vor Verschmutzungen.

Die bestehende Notschlussfunktion bleibt als eigenständige Sicherheitsfunktion erhalten.

Gezielter Umbau statt komplett neuer Hydraulik

Eine bestehende Wasserkraftanlage benötigt für eine bessere Synchronisierung nicht zwangsläufig ein komplett neues Hydraulikaggregat. Oft reicht es aus, den für die Synchronisierung entscheidenden Regelkreis gezielt zu modernisieren. Bei einer Kaplan-Turbine ist dies häufig die Leitradverstellung.

Aus einer einfachen Auf-/Zu-Bewegung wird eine fein dosierbare proportionale Stellbewegung.

Das Ergebnis ist eine ruhige Annäherung an den Synchronisationspunkt und eine sanfte Netzzuschaltung – mit unserem Ziel von maximal 0,15 Hz Frequenzabweichung beim Zuschalten.