Get Adobe Flash player

Zombor Csaba gépészmérnök Ganz EEG Kft és
Gózon Mihály villamosmérnök Amper 99 Kft.

 

Bevezetés

A Ganz Engineering és Energetikai Gépgyártó Kft. vízgépei 200-2500 mm csonkméretűek és a jellemző fordulatszám tartományt teljes mértékben kihasználják. Ezen belül súlypontban vannak az öntözőszivattyúk, az erőművi hűtővízszivattyúk és a kis/közepes turbinák. A vízgép gyártásunk mintegy 150 éve során – a versenytársakhoz hasonlóan – egyre növekedett az egységek teljesítménye és csak egyre nagyobb fordulatszámú gépekkel lehetett a piacon maradni. A nagyméretű, és a távoli országokba szállított gépek olyan nagy kockázatot jelentettek, hogy szükségessé vált az elkészült brendezések kiszállítás előtti próbaüzeme, így alakult ki az első vízgép-próbaállomás. Ennek teljesítményét új próbaállomás építésével 1990-ben megnöveltük. A nyitott mérőkörünk közép-európai szinten a legnagyobbak közé sorolható.

Megépítése óta – a kiszállítás előtt – minden olyan gépet kipróbálunk, amelynek teljesítménye a próbaterem méréshatárainak megfelel.

A méréshatárok:
–    villamos teljesítmény:    2 MW
–    vízszállítás:        10 m3/s
–    szállítómagasság:    1000 m

A próbaállomásunk azonban korlátozott, a nagy gépeket, különösen a közepes méretű turbinákat fel sem lehet építeni, hiszen ezek igen sok esetben csak a helyszínen építhetőek be (pl. a ház vasbeton vagy beton-acélbélés kialakítású).

A modellvizsgálat szükségessége

Pontosan az ilyen nagy gépekre alakult ki a modellvizsgálat, és -gépátadás módszere, amikor is a nagy gép áramlástanilag és geometriailag hasonló modelljét, kismintáját építjük meg, ezzel elvégezzük a jelleggörbék vizsgálatát és a kapott eredményeket használjuk fel a tervezéshez, illetve később a vevő felé az átadáshoz, a megépített nagy gép garanciális adatainak igazolásához.

Tudjuk, hogy a helyszíni vizsgálatok során csupán egy szűk üzemi tartomány – sok esetben csak egyetlen munkapont – tanulmányozható, mert a telep adottságai, a technológia, a vízszint viszonyok, turbinák esetén a vízmennyiség, esés korlátozzák a munkapont megváltoztatását. Tehát nehéz, sőt lehetetlen egy jelleggörbét megmérni, nem is beszélve a kavitáció tanulmányozásáról, hiszen ezt a helyszínen éppen elkerülni szándékozunk, ugyanis a jól megtervezett és megépített gép esetében a kavitáló üzemet nem is lehet előállítani.

A saját vízgép laboratóriumban azonban ez egyszerűen megoldható, a mérőkörbe beépített modellen a teljes jelleggörbe tartomány megmérhető.

Maga a modellgép nem lehet túl kicsi, általában 50-100 kW  teljesítményű, a minimális méretét és a mérés módját nemzetközi szabványok szabályozzák. A modelleknél igen fontosak az áramlási szelvények, de főként az energiaátalakításban legfontosabb elemek (járókerék, csigaház, vezetőlapátozás, támlapátok, szívócső) szigorúan méretarányos kicsinyítése. A modell járókerekek szívóoldali átmérői 150-400 mm közé, a modellezési kicsinyítés tartománya a nagykiviteltől függően 1:2 – 1:8 közé szokott esni.

A modellvizsgálat tehát a nagy gépek átadásának, és egyben azok hidraulikai fejlesztésének is fontos eszközévé vált. Ki lehet jelenteni, hogy nem lehet nagy vízgépeket fejleszteni és átadni modellvizsgálati háttér nélkül.

Utóbbi években a modellvizsgálati eszközök tovább gazdagodtak a számítógépes modell szimuláció adta lehetőségekkel CFD (Computer Fluid Dynamics), amely igen rugalmas és gyors vizsgálati lehetőség. Elsősorban a közelítő előzetes kísérleteknél, változatok összevetésénél kerül alkalmazásra. A nagy gépek átadására, pontos hatásfok,- és kavitációs vizsgálatokra megmaradt a kisminta és a hagyományos modellmérés.

A zárt mérőberendezés előnyei – 4/4-es vizsgálat

A nyitott berendezésekben nem lehetett jól mérni a „kavitációs letörés” jelenségét, amikor a szívóoldali nyomás fokozatos csökkenésével a szivattyú szállítómagassága hirtelen lecsökken, letörik, és roncsoló hatás jelentkezik a gép szívóoldalán. A nyitott berendezés szívóoldali nyomását – főként turbina üzemben – nehéz változtatni, továbbá a 4/4-es mérést körülményes megvalósítani, ezért már az elődeink is áttértek a zárt mérőkörök használatára.

A vízgép kísérleti laboratóriumok a szivattyú-, és főként a turbinamérésekre szinte mindenütt zárt mérőberendezést használnak a hatásfok, a kavitációs kísérletek, az átadási mérések és a 4/4-es vizsgálatok elvégzésére.

A fő hangsúly és a legnagyobb mérési pontossági igény természetesen a jó hatásfokú üzemi tartományban van, de az utóbbi évtizedekben fontossá vált az úgynevezett 4/4-es üzemi tartomány jelleggörbéinek mérése is.  A 4/4 -es vizsgálat során nem csak a „fő üzemmezőket” (szivattyú, turbina) mérjük, hanem a gépen átfolyó víz áramlási irányát, illetve a forgásirányt ellentétesre változtatva, a teljes jelleggörbét bejárjuk. Megmérjük tehát a szivattyút turbina üzemben (a turbinát szivattyú üzemben) és az összes egyéb átmeneti üzemállapotban (ilyenek, mint a megfutás, fordított szivattyú, fordított turbina, féküzem, taposó szivattyú stb.).

Ezek az üzemállapotok tartósan is előállnak tározós szivattyú-turbina esetén. Előállnak azonban átmeneti üzemállapotként is a gépcsoport indításakor, leállásakor, nyomáslengések során.

Az 1. ábrán a nyitott és zárt berendezéseink mérési tartományát tüntettük fel. A nyitott mérőkör csak a szivattyú üzemre, a zárt mérőkör a szivattyú és a turbina üzemre vonatkozik. Megjegyzendő azonban, hogy a nyitott berendezésben számos közös tengelyen üzemelő szivattyú és turbina egységet is mértünk már. Folyamatban van a nyitott mérőberendezés fejlesztése is, e cikk fő témája azonban a zárt berendezés.

1. ábra. A gyár zárt és nyitott mérőköreinek méréshatárai

 

A zárt mérőkör ismertetése

A 2. ábrán látható a Ganz EEG Kft. újonnan épített zárt mérőkörének sémája. A berendezésen az első átadási mérést 2012 júliusában végeztük el. Jelenleg csak szivattyú mérésére lett kipróbálva, de folyamatban van a 4/4-es próbákra való fejlesztése.

2. ábra. A zárt mérőkör sémája
Az ábrán egy félaxiális szivattyú modell (vízszintes tengelyű) látható, amely a konkrét vizsgálathoz került beépítésre. A jobboldali tartályból szív és keringteti a vizet a mérőkörben. A rendszerbe még beépítésre került egy másik (függőleges tengelyű) szivattyú is, ez sorba kötve dolgozik a mérendő szivattyúval, lehetővé téve a teljes szivattyús jelleggörbe mérését egész a „0” szállítómagasságig, sőt azon túl, a későbbre tervezett turbinás és 4/4-es méréseknél lesz majd fontos szerepe. A felső, hosszú, egyenes cső a rendszer fő tartályait köti össze, ide került beépítésre az indukciós áramlásmérő (Krohne, 6. ábra). Áramlás irányban ezt követi a fojtó, csapózár, amely a Q-H munkapont beállítására szolgál.

3. ábra. A zárt mérőkör fényképe, az állványzat tetején  a szivattyú modell, háttérben a szívótartály és a vízmennyiségmérő cső

 

A jobboldalon lévő tartályban légpárna/vákuumpárna van. Ennek nyomásával változtatható a mérőkör nyomása, ezzel a szivattyú szívóoldali nyomása. A modellszivattyút 160 kW maximális teljesítményű, 4 pólusú, fordulatszám szabályozású (frekvenciaváltós) motor hajtja. A függőleges szivattyú hajtása 8 pólusú, 250 kW-os motorral, szintén frekvenciaváltós kialakításban.

A nyomatékmérés nyomaték-tárcsával történik (Hottinger Baldwin Messtechnik, 7. ábra). A szivattyú szállítómagasságát precíziós differenciál nyomásmérővel, a szívóoldali nyomást precíziós abszolút nyomásmérővel (mindkettő Unic) végezzük. A fordulatszámot a motor tengelyvégére erősített inkrementális jeladóval (Baumer), az üzemvíz hőmérsékletét Pt100 ellenállás hőmérővel (Nivelco), a légköri nyomás értékét digitális barométerrel (Deltaohm) mérjük. A mért mennyiségeket és azok hibahatárait az alábbi táblázat tartalmazza:

 

4. ábra. A zárt mérőkör állványán a modell szivattyú, nyomatékmérő, motor

 

Zárt vízgép mérőrendszer villamos elemei

–    Mérőműszerek.
–    Beavatkozó elemek.
–    Központi vezérlés, folyamatirányítás.
–    Megjelenítés.

5. ábra. Az előperdület szabályozású modell szivattyú

 

Mérőműszerek

A mérőrendszer feladata a rendszerbe kapcsolt szivattyú paramétereinek meghatározásához szükséges adatok érzékelése, mérése. A mérőműszerek jelei a központi vezérlésbe, PLC-be kerülnek, ahol azok feldolgozása, rögzítése, valamint a megjelenítő rendszer kiszolgálása valósul meg.

6. ábra. Indukciós áramlásmérő
A vezérlés irányítja a beavatkozó elemeket, melyek segítségével a méréshez szükséges – előre meghatározott paramétereket – lehet nagy pontossággal fix értéken tartani.

7. ábra. Nyomatékmérő tárcsa, érintkezőmentes jelátvitellel, rugalmas tengelykapcsoló csatlakozással a motor felé

 

Frekvenciaváltók

A vizsgálandó szivattyút 132 kW-ig képes a mérőrendszer fogadni. A frekvenciaváltó kiválasztásánál fontos szempont volt a fordulatszám nagy pontosságú tartása, melyet a rendszer max. ±0,1 ford/min hibával tud megvalósítani, állandósult üzemállapotban.

A négynegyedes mérésekhez szükséges, generátoros és motoros üzemre is képesek a frekvenciaváltók. Amennyiben az egyik szivattyú turbina üzemben működik, akkor a másiknak szivattyús üzemben kell mennie, így biztosítva a szükséges vízáramlást. A turbina motorjának generátoros üzemben termelt villamos energiáját a rendszer felhasználja, a szivattyú motoros üzeméhez. A két frekvenciaváltó egyenáramú köre kötött, amit termel az egyik motor, azt nem szükséges fékellenállásokon keresztül elfűteni, hanem felhasználható a másik motor hajtására.

Pillangó szelep (csapózár)

A vízáramlást egy hajtóművel egybekapcsolt pillangószelepes fojtással lehet szabályozni, így az vezérelhetővé válik.

Víznyomás

A rendszer a vízkör nyomását képes szabályozni, amely a szívótartályban lévő légréteg nyomásának változtatásával valósítható meg.

A rendszer nyomásszabályzása három fő részre oszlik:
–    Túlnyomás biztosítása.
–    Vákuum biztosítása.
–    Kiszellőzés biztosítása.

A kiszellőzés azért szükséges, hogy ne kelljen a rendszerben vákuumot, vagy túlnyomást használni a rendszer nyomásának megváltoztatásához.

A fenti funkciók mindegyike duplázódik lassú finom állítási lehetőségre, és gyors durva beavatkozásra.

A vákuumot egy folyadékgyűrűs vákuumszivattyú biztosítja. A szelepek egy része 24 V-tal vezérelt, a szabályzást végző szelepek pedig 4..20mA és pneumatikus vezérléssel kerültek kiépítésre.

Mérések

A mérőműszerek jeleit fontos feldolgozni, mivel azok a mérés sajátosságai miatt „kilenghetnek”. A beérkező jelek megadott mintaszámmal, időalappal átlagolásra kerülnek.

A vezérlés néhány értéket számolással állapít meg (pl.: szivattyú teljesítmény, légréteg magasság).

A mért és számolt értékeket a rendszer automatikusan, valamint kezelői utasításra is képes tárolni.

Szabályzás

A vezérlés – a beavatkozó elemek segítségével – bizonyos értékeket képes értéktartó módon, automatikusan szabályzással fixen tartani.

Lehetséges szabályzások:
–    Szivattyú előtti abszolút nyomás,
–    Szivattyú fordulatszám szabályzás.

A szükséges szabályzásokat a kezelő tudja bekapcsolni, valamint a szükséges tartandó értéket megadni. A négynegyedes mérés szabályzásaiból, jellegükből következően mindig csak egy fordulatszám szabályozás van bekapcsolva.

A kezelőnek lehetősége van a szabályzások kikapcsolásával kézi üzemben vezérelni a beavatkozó elemeket. A vezérlés ebben az esetben csak kritikus értékeknél avatkozik be, védve ezzel a rendszer elemeit esetleges kezelői hibáktól.

Védelmek

A vezérlés közvetlen információkat kap a villamos védelmek állapotáról, s szükség esetén jelzi azok hibáját.

A frekvenciaváltók által hajtott motorokat, szivattyúkat is védi a vezérlés nyomatékkorlátjának beállításával.

A négynegyedes mérés során a védelem az esetlegesen előforduló teljesítmény, nyomaték emelkedéseket is figyeli.

Megjelenítés

A megjelenítő panel érintőképernyős kivitelű, így a szükséges adatok bevitele a képernyőn közvetlenül megvalósítható. Adott működtető elemre (szelep, szivattyú, fojtó szelep) „kattintva”, a hozzá kapcsolódó vezérlést tudjuk elérni és irányítani.

8. ábra.  A szivattyú motor paramétereinek megjelenítése

A megjelenítő panelen az egyes beavatkozó elemek állapota is leolvasható.
–    Szelepek nyitott/zárt állapota,
–    Motorok futása, fordulatszáma,
–    Pillangó szelep állapota.

A megjelenítő panel ethernet hálózaton TCP/IP kommunikációval kapcsolódik a vezérléshez.

9. ábra. A nyomás/vákuum szabályozás megjelenítése

 

Befejezés

A rendszerváltást követően a Ganz elveszítette a régi vízgép laboratóriumát és régi eszközeit. A megújulási szándék és akarat azonban hozzájárult ahhoz, hogy a Ganz EEG Kft. létrehozza az új mérőállomást, a legkorszerűbb eszközökkel újíthassa meg, és újjáépíthesse a kísérleti és kutatási bázisát.