Bildet viser en av de 30–40 ekstra sensorene i Trollheim kraftverk. Denne måler turtallsvariasjoner med en svært god oppløsning. Foto: FDB (Bilde: FDB)
Erik Jacques Wiborg hos Statkraft tar doktorgraden som prosjektleder i Hydro Black Box-prosjektet. Foto: Statkraft (Bilde: Statkraft)
Daglig leder Morten Kjeldsen hos Flow Design Bureau AS i Trondheim er ansvarlig for å «overinstrumentere» Trollheim kraftverk. Foto: FDB (Bilde: FDB)

Instrumenterer kraftverk for å finne virkningsgraden

Statkraft, NTNU og et innovativt konsulentselskap går sammen om å finne ut av hvor vanskelig det er å kontinuerlig beregne den nøyaktige virkningsgraden i et vannkraftverk

Dypt inne i Sollifjellet i Surnadal summer Norges best instrumenterte kraftverk. Der inne skal Statkraft og doktorgradsstipendiaten Erik Jacques Wiborg overvåke produksjonen nøye, samle inn data og til slutt utvikle en metode for å analysere seg frem til et svar på noe både kraftprodusenter og de regulerende myndighetene spør seg:

Hvor effektivt er egentlig et norsk vannkraftverk? Spørsmålet kan stilles på en annen måte: Når en kraftprodusent får tillatelse og kanskje støtte i form av elsertifikater til å øke kraftproduksjonen, hvordan kan de da bevise at de gjør det ved å øke virkningsgraden, og ikke ved å bruke mer vann?

Resultatet skal bli en modell som kan brukes også av andre produsenter enn Statkraft. Leverandører av sensorer vil få muligheten til å sy sammen bedre instrumenteringspakker til både maskinleverandører og kraftprodusenter.

Les også: Kulturen i industrien har endret seg mye, og utviklingen videre må styres i riktig retning

Produksjonsmodeller

I dag kjøres vannkraftverk etter produksjonsmodeller, der de viktigste styringsparameterne er kraftprisene og eiernes strategiske porteføljeforvaltning. Rammene er satt av regulativer fra Norges vassdrags- og energidirektorat (NVE). Kraftverket har en virkningsgrad som påvirker hvor mange kroner eierne får ut av hver kubikkmeter vann som passerer gjennom vannveiene og turbinaggregatene.

Denne virkningsgraden er ikke statisk, og varierer med alt fra hydrologiske forhold til kraftverkets tekniske tilstand. Det finnes kommersielle metoder for å estimere kraftverkets virkningsgrad ved forskjellige fallhøyder. Disse baserer seg på matematiske modeller bygd på antakelser og historisk data. Virkningsgraden blir estimert, men ikke målt. Her ligger det en stor usikkerhet som kan ha store finansielle følger da virkningsgraden ligger i bunn av produksjonsplanleggingen.

Kraftprodusentene ønsker seg en metode som beregner virkningsgraden direkte ut fra sanntidsmålinger og maskineriets faktiske tilstand.

Les: Hvordan beregne usikkerheten i en industriell måling

Erik Jacques Wiborg hos Statkraft tar doktorgraden som prosjektleder i Hydro Black Box-prosjektet. Foto: Statkraft Statkraft

Vanskelig overgang

– Det er i utgangspunktet komplisert både måleteknisk og beregningsmessig, sier prosjektleder og doktorgradsstipendiat Erik Jacques Wiborg hos Statkraft. Han leder prosjektet «Hydro Black Box» hos Statkraft, som tar sikte på å til enhver tid måle og beregne den nøyaktige virkningsgraden i et vannkraftanlegg. Han forteller at den reelle utfordringen er overgangen fra standardisert enkeltmåling (feltmåling av virkningsgraden) til et kontinuerlig oppsett som takler ustabile forhold og som må være pålitelig over lang tid.

– Gjennom den internasjonale standardiseringsorganisasjonen IEC deltar jeg i en komité som vedlikeholder standarden for beregninger av vannkraftturbiners virkningsgrad. Jeg har ikke hørt om noen andre som har forsøkt å opprette et slikt permanent system. Det er ikke så overraskende, Norge er relativt unik som vannkraftnasjon med sine svært mange høytrykksanlegg.

For å måle en nøyaktig virkningsgrad, må man måle en tilsvarende nøyaktig volumstrøm. Det vil bedre dokumentasjonen overfor NVE at de overholder reguleringsbestemmelser, samt hjelpe til i hydrologiske beregninger.

Se også: Fra mareritt til fruktfat

Standard og ekstra utrustning

I Surnadal kommune i Møre har Statkraft fått med seg det norske konsulentselskapet Flow Design Bureau (FDB) til å «superinstrumentere» det mellomstore kraftverket Trollheim. Kraftverket har en 130 MW høytrykk francisturbin, som har standard instrumentering, inkludert moderne utstyr for tilstandskontroll og overvåking av roterende maskineri.

– I tillegg har vi installert 30–40 ekstra sensorer og givere, sier daglig leder Morten Kjeldsen hos FDB.

Disse måler volumstrøm, flere trykk flere steder, vibrasjon og temperatur på flere posisjoner enn på aksel/lager, turbiditet, kavitasjon, nettfrekvens, trykksvingninger, lyd og noen flere parametere. Instrumentene er installert på det elektromekaniske utstyret, og i hele vannveien, inkludert inntak og utløp. Alle sensorer samlet gir over 200 000 dataverdier per sekund som blir kvernet kontinuerlig.

Det er tilrettelagt for tunge analyser og prosesser. Både for FDBs egen del, men mest for algoritmer levert av Statkraft og etter hvert tredjepart. Alt ligger på National Instruments sine sanntidsløsninger som de kaller RIO (Realtime I/O), som andre steder kalles FPGA (Field-programmable gate arrays).

– Da kan vi legge mye beregningskraft hakket bak sensorene. Det er der det blir spennende, og utløser nye muligheter for å beregne nåverdier, sier Kjeldsen.

Les også: Tar pulsen på brønnen

Daglig leder Morten Kjeldsen hos Flow Design Bureau AS i Trondheim er ansvarlig for å «overinstrumentere» Trollheim kraftverk. Foto: FDB FDB

Settpunktsregulering

Professor Torbjørn Kristian Nielsen på NTNU er Wiborgs veileder i doktorgradsarbeidet. Han påpeker at man til nå har kjørt kraftverkene med «traust» PID-regulering.

– Så har settpunktsregulering kommet inn fra sidelinja og skapt mye problemer i vannveiene på grunn av utilsiktete svingninger.

Han sier turbinen har en oppførsel som er avhengig av blant annet trykk, vannføring, ledeapparatåpning og turtall, men det beste virkningsgradspunktet vil da forskyve seg, avhengig av driftspunkt. Hydro Black Box tar inn en mengde måleresultater og analyserer dem til forskjellige formål. Et av formålene er tilstand, en annen kan være å optimalisere med hensyn til virkningsgrad og overvåking av turbin og vannvei når det gjelder dynamikk.

Øke forståelsen

Professor Tor Onshus på NTNU blir eventuelt ansvarlig for å veilede masterstudenter i kybernetikk inn i prosjektet. Han sier at de håper at prosjektet vil øke forståelsen av virkningsgraden og hva som påvirker den.

– Det blir en utfordring å få målinger som er relevante for å beregne virkningsgraden. Man kan måle trykk og til en viss grad strømning. Men hva det betyr for virkningsgraden på turbinen og generatoren kan være usikkert.