Srtii
/i.3$ï\ Commission of the European Communities Commissie van de Europese Gemeenschappen
energy / energie Two 250 kW windturbines and two 600 kW total energy installations Twee 250 kW windturbines en twee 600 kW warmte/krachtinstallaties Demonstration project/Demonstratieproject
s Commission of the European Communities Commissie van de Europese Gemeenschappen
ergie Two 250 kW windturbines and two 600 kW total energy installations Twee 250 kW windturbines en twee 600 kW warmte/krachtinstallaties Demonstration project/Demonstratieproject
NV Watertransportmij. Rijn-Kennemerland Waterwinstation „Prinses Juliana"
Postbus 43
1619 ZG ANDIJK Nederland
Contract No/Contract nr. WE 402/85
Final report Eindrapport
Directorate-General Energy Directoraat-generaal Energie
1989
PA*ni
i f
C . CL EUR 12384 EN/NL
Published by the COMMISSION OFTHE EUROPEAN COMMUNITIES Directorate-General Telecommunications, Information Industries and Innovation L-2920 Luxembourg Uitgegeven door COMMISSIE VAN DE EUROPESE GEMEENSCHAPPEN Directoraat-generaal Telecommunicatie, Informatie-industrieën en Innovatie L-2920 Luxemburg
LEGAL N O T I C E Neither the Commission of the European Communities nor any person acting on behalf of the Commission is responsible for the use which might be made of the following information N O T A BENE Noch de Commissie van de Europese Gemeenschappen, noch personen, die namens haar optreden, zijn verantwoordelijk voor het gebruik dat eventueel van de navolgende informaties wordt gemaakt
Cataloguing data can be found at the end of this publication Bibliografische data bevinden zich aan het einde van deze publikatie
Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities, 1989 Luxemburg: Bureau voor officiële publikaties der Europese Gemeenschappen, 1989 ISBN 92-826-0904-9
Cat.: C D - N A - 1 2 3 8 4 - 2 M - C © ECSC-EEC-EAEC, Brussels • Luxembourg, 1989 © EGKS-EEG-EGA, Brussel • Luxemburg, 1989 Printed in
Belgium
CONTENTS
Two 250 kw w i n d t u r b i n e s installations Twee 250 kw w i n d t u r b i n e s installaties
and
-
INHOUDSOPGAVE
two 600
en twee
600
kw total
kw
energy
warmte/kracht -
69
TWO TWO
600
250 KW
KW
TOTAL
WINDTURBINES ENERGY
AND
INSTALLATIONS
SUMMARY In this report the project as erected at N.V. W.R.K. at Andijk is described. The project exists of two wind turbines of the type Windmaster, each with a capacity of 250 kW combined with two Total Energy Installations each with an electrical capacity of 600 kW. A technical explanation of the wind turbines and the total energy installations is given. Also reported is the mean output per month the wind turbines and the total energy installation have already provided. The project has been officially delivered on May 1, 1988, although still a significant number of activities had to be finished and all equipment had to be optimised. After the start-up phase a number of break-downs have occured, which were not anticipated. A description of how these were or are being solved is given. Due to this it is expected that the project will be finished in the spring of 1989. Finally a financial review of the total project is given.
Fig. 0.1 W.R.K.-Ill at Andijk in the foreground the building with the T.E.-unit in the background the wind turbines
INDEX
1. 2.
3.
4.
1
PURPOSE OF THE PROJECT
5
2.1. 2.2. 2.3.
ORIGINALITY AND NEW DEVELOPMENTS . . . . General Total energy installation Wind turbines
6 6 6 7
3.1. 3.2.
PROJECT SITE Introduction Geography
8 8 9
D E S C R I P T I O N O F T H E INSTALLATION . . . . 4.1. Introduction total energy installation 4.2. Set up of the total energy installation 4.2.1. Controls 4.2.2. Emergency power operation 4.2.3. Total energy operation 4.2.4. Peak load operation. 4.2.5. The hot water section 4.2.6. The synchronous generator 4.2.7. Fire extinguisher installation 4.3. Introduction windturbines 4.4. Construction of the wind turbine 4.4.1. The mast and foundation 4.4.2. The rotor 4.4.3. The rotorblades 4.4.4. The pitching of the blades 4.4.5. Gearbox and brake 4.4.6. The asynchronus generator 4.4.7.
5.
SUMMARY
The
transformer
11 11 12 12 14 14 14 15 17 21 22 22 23 24 24 25 26 26 28
REALIZATION OF THE PROJECT first quarter of 1987 second quarter of 1987 third quarter of 1987
30 30 30 32
fourth first second third fourth
32 32 32 32 33
quarter quarter quarter quarter quarter
of of of of of
1987 1988 1988 1988 1988
6.
START-UP PHASE A N D MAJOR BREAKDOWNS . . . 6.1. Total energy installation breakdowns 6.1.1. Homopolar currents 6.1.2. Leakage i n t h e cooling circuit 6.1.3. Fuel leakage 6.2. Breakdowns o f t h e wind turbines 6.2.1. H i g h switch-on currents 6.2.2. Noise o f nuisance (windturbines) 6.2.3.
6.2.4. 7.
41 41 43 43 46
PLANNING O F T H E PROJECT . . . . . . 8.1. Design and construction stages 8.1.1. Planning : 8.1.2. Realisation : 8.2. Working schedule
50 50 50 51 53
9. 9.1. 10.
11.
12.
40
40
RESULTS F O R 1988 7.1. Total energy output 7.2. Output wind turbines 7.2.1. Power supply o f t h e w i n d turbines 7.2.2. PV-Curves
7.3.
8.
Scaler of the generator
N o s e cone
34 34 34 35 35 36 36 37
Energy use at W.R.K.-III
FINANCIAL REVIEW Investments
ECONOMIC VIABILITY 10.1. Economic viability (general) 10.2 Economic viability for projects in t h e future 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5
DEGREE O F SUCCESS A N D OUTLOOK I n relation t o this project Technical developments i n t h e future J o b creation Impact o n t h e m a r k e t Industrial property L I S T O F LITERATUE ATTACHMENTS (summary)
48
'.
55 55 57 57 59 59 59 60 60 60 61 62 63 64
Attachment 1 Attachment 2 Attachment 3
65 68
4-
1.
PURPOSE OF THE PROJECT
The energy management at N.V. W.R.K. is aimed at a careful and economically justified use of energy, while the environment is affected as little as possible. In connection herewith an investigation has been made at W.R.K.-Ill, which indicated that wind energy combined with a total energy installation would provide a more economic solution for the energy requirements at N.V. The combination of wind turbines and total energy installations with the public electricity works makes this project unique and can therefore be used as an example for other industries where a favourable wind regime exists. The use of a permanent energy source, such as wind energy, reduces the use of fossile fuels. This can be considered significant within the national energy strategy. To obtain a profitable exploitation, the cost price of the wind turbines and the total energy installation should be lower than the current energy prices. The number of orders for wind turbines and total energy installations is too limited for a favourable cost price. In case N.V. W.R.K. can prove that a combination of wind energy together with total energy installations is an attainable project, this can be the break-through for the wind turbines and total energy installations industry.
ORIGINALITY AND NEW DEVELOPMENTS 2.1
General
What makes the project unique is the fact that the water supply station may obtain its energy from a combination of three separate energy supply sources, being: - the public electricity system - the total energy installation - the wind turbines. Since all energy raised can be consumed inhouse, the efficiency of the installations can be favourably influenced. The various energy supply sources can all be switched on and off in parallel without any problems (synchronising). 2.2
Total energy installation
All separate situations such as emergency power operation, peak load operation, heat requirement arrangement and import/export arrangement are controlled by a Woodward 350 controller. An import/export safety has been installed in the public electricity system, which enables exportation. The earth current is monitored by a star point impedance. With the aid of a transformer this impedance has been placed in the star point of the synchronous generator to dampen the homopolar currents. These currents can occur when switched parallel to the public electricity system. The synchronous generator of the total energy installation may be used as a controllable reactive load compensation for the wind turbines.
-6
2.3
Wind turbines
Special is the wind turbine's 30 meter high mast consisting of three parts. This high mast was chosen because the wind turbines were located rather close to the buildings. The parallel switching of the turbine to the public electricity system is done by short circuiting the starting resistance in combination with the pitching of the rotor blades by a computer. This reduces the acceleration of the rotor caused by gusts of wind and results in low switch-on currents. The turbine is self-optimising, which means that the computer determines the optimum pitching at the wind speed measured. The turbine is also self-adjusting to the wind (within certain margins), so that the yaw drives are less loaded.
PROJECT SITE
3. 3.1
Introduction
The water supply station "Prinses Juliana" (W.R.K.III) is an establishment of the N.V. Watertransportmaatschappij Rijn-Kennemerland (N.V. W.R.K.). This company transports water from the IJsselmeer via two pipelines, 56 km long, to the steel industry, Hoogovens (H.O.) in the IJmond area and to the infiltration area of the Provincial Waterworks of North-Holland (P.W.N.) in the dunes near Heemskerk. At Andijk the water from the IJsselmeer is taken in and by means of pumps brought to operation level. The water undergoes several treatment processes. Afterwards the treated water is pumped to Heemskerk by means of filtrate pumps.
CNKKUT=£X
,VE*SUM
•SMS
Fig. 3.1
W.R.K.-III transports water from Andijk to the dunes
At this moment W.R.K.-III produces approx. 46 million m3 process water annually [4]. This requires an electrical power of approx. 7600 MWh. It is expected that production will increase further in the future. The required power was previously mainly supplied by the public electricity works (P.E.N.). In case break-downs would occur at P.E.N, three emergency power generators (D 22,23,24) of 800 kVA were available. These were also switched on when more power was required than could be taken from P.E.N, according to the contract (so called peak load operation). 3.2
Geography
The water supply station "Prinses Juliana" is situated between Enkhuizen and Andijk in North-Holland, outside the dyke around the IJsselmeer (see fig. 3.2). The favourable location around the IJsselmeer and the ever increasing P.E.N, rates were sufficient reason for the N.V. W.R.K. to look into alternative energy supply possibilities. Having regularly measured wind speeds of 7 m/s at the desired height, this proved to be sufficient to operate wind turbines economically. The two wind turbines (WT 51 and 52) with a capacity each of 250 kW needed a height of 31 m because these were located near the large buildings of the N.V. W.R.K. and the dyke. Investigations of an other form of energy supply were also made, being the total energy installation. This should supply electricity and heat to the buildings of N.V. W.R.K. Two of the three emergency generator sets, could be transformed to total energy installations. By using now the heat of these installations as well, the economic yield rises.
-9-
-t
WRK.ÏÏE
|\
zUm^fê
Kooi-
DESCRIPTION OF THE INSTALLATION 4.1
Introduction, total energy installation
The principle of a total energy installation is based on the combination of generating heat and power (electricity ). The intention is an as high as possible efficiency for this combination. By means of a fuel engine a generator for electricity raising ( only 31%) is being driven. The heat set free (approx 57%) in the cooling water and the exhaust gasses is for the greater part reclaimed through heat exchangers and can be used for space heating or process heat. This allows for energetic yields of 85 to 90% (see fig. 4.1).
Diesel 100 %
Generator
Heat Exchangers
e
Electrical energy ca. 31 %
Thermal energy ca. 57 %
^ ^, Loss \/ ca. 12 %
Fig. 4.1
Energy flow chart total energy installation
11 -
4.2
Set up of the total energy installation
At this moment there are three emergency generator sets of 800 kVA each located at W.R.K.-III; these can be extended to five units. A unit exists of a combination of a 12 cylinder Cummins diesel ( see Attachment 3) and a 4-pole A.v.Kaick synchronous generator (see Attachment 3 ) . Two of these emergency generator sets have been rebuilt to total energy installations (see fig. 4.2).
Fig. 4.2 4.2.1
Two emergency generator sets rebuild to total energy installations Controls
Three different distinguished :
operating
conditions
can
now
be
A: Emergency power system (= island or isochronous operation), to be controlled by the electricity demand. B: Total energy operation, when the request for heat is being followed (one of the total energy generators is switched on). C: Peak load operation, in this situation the generator has to provide full power, because the number of available kVAs per quarter of an hour threatens to be exceeded.
12 -
All these different operating conditions are monitored and controlled by a Woodward 350 controller (see Attachment 3). This secondary controller puts a signal on the parallel line of the primary controllers of the three diesels. The primary controller is a Woodward 2301 (see Attachment 3) and controls the fuel supply to the diesels in relation to the power demand by the WW 350.
Nse«=FREQ Inst)
PEN
Fig. 4.3
Diesel controls
13
4.2.2
Emergency power operation
This was the situation for which actually the diesel power station was intended. In emergency power situation, power delivery is not parallel to the public electricity system and the three diesels run isochronous with a frequency/power control (WW 350 and WW 2301). In this case power delivered equals the power requested. 4.2.3
Total energy operation
In this situation primary control is on heat requirement. The heat requirement is set proportional to a certain electrical power delivered (K-factor). In this case controlling is done by this power, limited by the High and Low limit of the diesel. These limits are adjusted at the WW 350-controller. During total energy operation the possibility exists that more energy is raised than requested. This surplus is delivered to the public electricity system (export). The High Limit is determined by the maximum power at the axle, the diesel engine can produce, minus the axle- and generator losses (High Limit = 600 kWel). The low limit is determined by the minimum power the diesel can produce without carbon formation in the cilinder heads and the flue gas blowers (Low Limit = 200 kWel). 4.2.4
Peak load operation
In this situation the available power to be purchased, which is contractually agreed upon with the public energy works, threatens to be exceeded. Overdrawal of the available power is being punished by a considerable penalty. It is therefore essential to remain below this contractually agreed-upon maximum. The extra power required needs then to be provided by the emergency diesel generator set.
- 14
4.2.5
The hot water section
(zie fig. 4.4)
The first heat is recovered through a heat exchanger from the cooling water circuit of the diesel engine. The temperature of the water of the central heating system (c.v.) will increase to approx. 7 9°C. After this the c.v.-water will pass a second heat exchanger which recovers heat from the fuel gasses of the diesel engines. This heat exchanger is situated in the exhaust of the diesel engine. The flue gasses have a temperature of 524°C, so that the temperature of the c.v.-water will further increase to approx. 86°C. After this the hot c.v.-water is supplied to the heating system of W.R.K. It sometimes happens that the return c.v.-water is not lower than 68°C, because heat requirements are lower than heat available. When this is the case an emergency cooling unit (see fig. 4.4.) will be used which cools away the excess heat, since the diesel engine needs cooling. The emergency cooling is an energy destroyer and should therefore be critically adjusted, so that as little as possible energy is lost. Is insufficient heat supplied by the total energy installation, then the existing central heating unit will be put into operation.
Fig. 4.4 Emergency cooling unit
15
163 C
UI
K O
r+
O)
< rt (D h ui (T> O
rt HO 3
JS10T11
1JUKI / KI-CU
4.2.6
The synchronous generator
For emergency power installations a synchronous generator is generally used, because this unit offers a number of advantages over an asynchronous generator: - An almost constant revolution independant of the load. - Coupling in parallel takes place with synchronising equipment that releases the switching and when required controls the voltage, the frequency and the difference of phases within certain ranges. This reduces the starting current to half of the nominal current (0,5 *Inom). - The possibility to both supply and take up reactive power. Owing to this, island operation or emergency power operation is very well possible without extra measures concerning cos phi-improvements . Construction of the generator The generator has 4 poles; the number of rotations of the generator has therefore to be 1500 rpm, so that the mains frequency is 50 Hz.
*«lhiW«g*Jnd«f bOr»l«nloa«r AvIC'Qanarilor OIOB « O h / 4
Fig. 4.6
section of the generator --\0X 17
The generator is provided with a damping cage that dampens variations in voltage. The damping cage consists of a number of copper rods going through the pole shoes and connected with each other at both sides with shorting rings. For the excitation of the generator both internal pole and external pole equipment is used. The advantage is that carbon brushes are not required, which results in less wear and maintenance. Hence, the generator, in principle, exists of three generators mounted on one shaft. The first generator (G3) provides supply current for the generator control. The rotor, therefore, exists of a permanent magnet and thus is an internal pole generator. The second generator (G2) is an external pole generator and provides power for the main generator (Gl) through a diode wheel rotating at the same time. Since the excitation of G2 is dependent on the control, the terminal voltage or, when the generator is switched parallel to the public mains, the cos phi can be controlled.
STATOR
ROTOR
d]
X
X
yPublic system T
G!2
control
'current cos ..phi -set
Q3
Fig. 4.7
Block diagram for the generator control
- 18
A B
14.
Polierende Gleichrichter Rollerende Gleichrichter
V'ahlveiae Aujführung
R O T O R 0ID3 120-150 Einzellei> 01.02
P i l l e d * * fur A. S. W«ll*nnnd«
01.03 01,08 01.12 01.13 01.14 01.15 01.16 01.17
Plillcdar FOlüfter Slch^fMo^wing fur A. S. La<j*r SkfVïnjogi/ing fur B. 3. L ) £ * r Ftdf t^MfvcNeib* A. S. r«fUrgltt3C>«ÏW 8 . S . \.»}»r A. S. Laq«r B. S. L*g»fibdpc*»cr>*ib«
otjg
ftolor domplttt
07.01 03.02
LGhtr Lütlvrntb*
04.12 04.17 09.OT 09.08 09.09 09.12
Crr*i3«r-nolorp*l«tt Hil'Mrr-^j^r-HalO'pjk»! LagefdrC**! ifliifn l»Jg«rd«*d nji^4fl & « n >)(an nc n r AU D« K*3*t-5chmi#m>pp*l
14.15 14.17 14.19
L)a*rdecWI k>n#
27.01 27.19 27.44 27.35
Ct#jchrkht«rtrig«f Glfecfwicltcr V»fbindungjhui}«l C1 «i chf icft( im%od uJ
Explosiansdarstellungen
14.02 rjIDB 120-150/HOTOH
STATOR DIOB 120-150 Einzell^ilc
15.04
06.01
GthiuM
07.23 07.34 07.41 07.43
Erm;*r-Sl»lorp4'"et HHIs»rrc^ef-5laicwpakr* SeetiiJtinlvchraub*
09.01 09.0Z . 09.04 09.05 09.12 14.02 14.03 14.13 14.11* 15.03 15,04 IS.Cfi 15.07 15.13 15.14 13J4 13J0 15.107
U$«rachildA,3. $ « n»Jci rtueh r» u b* SchuBgitter S«cfi9hant:cftrauO« X t9*4- Sell mi*m ip p*i Lvgvncnild B. S. Stcrtskintsehnub* (0<wir>d*botz
Schuaglrttr J*tous*et«ch tO «tWlVMl 'HMSI • rvOb* rt«il KtomrrMnfcaslirv-OvckeJ K!»*nn>«nk»al*fl-Sttitz#n-Unl»rl»il K1 tmtmtxk s s 1 w v Shj u en -Ca«ri«tJ 5>cAjkin1i£/inuOt S«cn3kinisehnut>4 Wrtnintnörwrtft»it«rurMj Xlemm* Kr n"le*J#/»p»nniK»g Isolator 5tromv»»ndl«f M l 217 Haigln-grupg» 2C1.01 So'N**<"Ut tiler 309.12 KWrrunvnlcista 211.03 Schmng * r«m*i rt
IS.07
M O
09.05
14.
SC.IVUM
EjtpIosionsdarstelUingen
14.02 DI0B120-1S0/STATOH
Fig. 4.8
Exploded view of the sychronous generator
4.2.7
Fire extinguisher installation
[9]
Because of the increasing number of fires and the subsequent increase of fire damage, the preventive and repressive fire fighting has become increasingly important . The regulations regarding fire prevention as set by the government are in order of importance aimed to - prevention and reduction of fire; - prevention and reduction of accidents in case of fire; - prevention and reduction of damage; Because of this and because the number of running hours of the diesels have increased significantly, for the diesel engine room an automatic fire extinguisher installation, using Halon 1211, has been chosen. In the meantime an automatic fire extinguisher has proved to be necessary (see 6.1.3). When fire is detected in this room, the present is automatically warned, the diesels running are automatically turned off and the ventilation grills in the floor closed. Then is sprayed into the room, by which the fire guished. At the same time the fire-brigade matically informed.
personnel and fans doors and the Halon is extinis auto-
The chemical description for Halon 1211 is CBrClF2 (BromoChlorodiFluoromethane, BCF). Under atmospheric conditions Halon is a colorless and almost odourless gas which is nearly six times heavier than air. For transportation and storage purposes it can be liquidized by compressing. According to the current opinions, the fire extinguishing activity of Halon 1211 is based on an anticatalytic (blocking) effect on the chemical reaction of fuel and oxygen. The fire extinguishing action through cooling, the decreasing of the concentration of the gas phase of the fuel or the decreasing of the oxygen concentration is negligible. As fire extinguisher Halon 1211 has a number of positive qualities, such as: - in general no chemical or mechanical damage to organic and anorganic components and materials; - no leaving of residues - the expansion into gas immediately at the outlet guarantees good dispersion to all sides in the rooms to be protected or around the objects to be protected; - it is not electrically conductive; - it is frost-resistant; - it is not carcinogenic (no extra chance of cancer).
21 -
4.3
Introduction wind turbines
(Wind : inexhaustible, free, non-poluting energy) Wind energy is one of the oldest forms of energy generation used by man and also one of the most frequently used forms. Already thousands of years ago mankind used wind energy as propellant for sailingships and the propulsion for cornmills and waterpumps. Currently, with rising prices for oil and other fossile fuels, wind energy is making an impressive comeback. Of course the technology in itself is not new. In general a windmill converts the kinetic wind energy into other more useable forms of energy. It can easily be converted into heat, electricity or mechanical energy. The choice, to have the wind turbine operate a generator, is obvious. So much more so since in our current society electricity is the most common form of energy which is easily transformed into heat and many forms of mechanical energy. The design and construction of an efficient, reliable and durable wind generator, however, is not an easy task. Modern generators, or as presently indicated as "WIND 'TURBINES", use the most recent developments in material, electronics and aerodynamics. 4.4
Construction of the wind turbine
[6]
©-generator ©-hydraulic unit ©-adjusting vane ©-brake ©-automatic device
Fig 4.9
Construction of the wind turbine
- 22
Wind turbines are constructed from generally following parts: (see Attachment 2) 4.4.1
The The The The The The The
the
mast and foundation rotor rotor blades pitching of the blades gear box and brakes asynchronous generator transformer
The mast and foundation
The turbine is mounted on a base-plate of reinforced concrete measuring 7 x 7 x 2 meters (see fig. 4.10), which is supported by ten concrete piles that have been driven into the soil. The mast, consisting of 3 parts, is approximately 30 m high and has been mounted to the base-plate with a foundation flange. The nacelle can be reached from the inside via a lockable steel door and a ladder inside the mast. For safety purposes, two hatches have been installed which must be closed after passage.
VlBfllMMIM F i g . 4.10
The foundation of t h e mast
23-
4.4.2
The rotor
The rotor is mounted in front of the mast, which ensures maximum profit from wind without troublesome and, for the blades, very detrimental turbulancies caused by the mast. The turbine has such a shape that it is self-adjusting to the wind (within certain ranges). However, an automatic device to keep the rotor optimally oriented onto the wind is required. On top of the rotor housing a windsensor has been installed which sends a signal to an electronic controller which turns the rotor directly into the wind. The turning speed of 45° per minute is such that little gyroscopic forces on the rotor will occur. 4.4.3
The rotor blades
(see fig. 4.11)
As material for the blades a fiberglass reinforced polyester was chosen because of its relatively low weight, its minimum fatigue and the absence of electromagnetic waves which could originate from friction with air and which could disturb telecommunications. Taking into consideration the total output, the peripherical speed and the subsequent sound level, a rotor of the type "snelloper" (speedrunner) was chosen, however, one with a relatively low "snelloopgetal" (speedrun number).
Fig. 4.11
The rotor blades
- 24-
Experiments to fill the rotor blades with polyurethanefoam to increase the rigidity, showed disadvantages such as expansion through temperature fluctuations, collection of moisture and the difficulties to obtain uniform weight distribution, which caused massunbalance and hence vibration problems. Further investigations led to a rotor blade which is strong, light and retaines form. In spite of the fact that the rotor blade is hollow, it will withstand gigantic forces for prolonged periods without any lasting deformation or loss of quality. 4.4.4
The pitching of the blades (see fig 4.12)
As to the most difficult part - the turbine rotorthe manufacturer of the turbine (H.M.Z.) as one of the few, has chosen for a rotor with pitching of the rotor blades. The blades, mounted by crown bearings to the rotor head, are revolving around their longitudinal axis and are, connected to a central steering block, pitched simultaneously. Besides increasing the starting couple, this pitching also provides the advantage of revolution and power control. Due to the extra possibility to rotate the blades at very low speeds, even at extremely high wind speeds, by pitching the blades into even negative angle positions, the blades and also the total turbine will be minimally loaded, thus preventing mechanical damages.
Fig. 4.12
The pitching of the blades - 25
This aerodynamic "parking" occurs automatically at wind speeds above 25 m/s (90 k m / h ) . At the same time the power output is stopped. When wind speeds are lower than 25 m/s the turbine will automatically start up. A hydraulic pump mounted directly to the generator axle provides the pressure to the hydraulic plunger connected to the central steering block in the rotor. All linear motions of this plunger result in a simultaneous turning of all 3 rotor blades. Switching combinations of valves determine the position and the moves of the plunger and with this the position of the blades. Also a springsystem has been built in, so that at a standstill the blades automatically are placed in the starting position. This happens too if the hydraulic pump fails or if the valves do not function alright. Besides by the spring system a constant axial counter-pressure is built up thereby compensating in part the load by the wind pressure. 4.4.5
Gear box and brake
The function of the gear box is to increase the starting low rotor revolution to 1500 rpm, the required operating revolution of the generator. For the H.M.Z. industrial turbines this is achieved by 3 sets of helicoidal. gear wheels. The slow turning primary axle, the heaviest loaded part because the total wind load seizes at this point, is heavily oversized and calculated for both large radial and axial loads. Windmaster turbines are yet equipped with a brake mounted between gear box and generator. This brake is suitable and intended only to keep the rotor, with the blades once in the socalled feathering position, at standstill for periodic maintenance or necessary repair. 4.4.6
The asynchronous generator (see fig. 4.13)
In the construction intended for parallel operation with the public electricity mains, an asychronous generator has been chosen the power delivered being exclusively dependent on the negative slip. No controls are required for the exciter current. This type of generator has also geen chosen because of its simplicity and low maintenance.
26 -
Fig. 4.13
The asynchronus generator
An asynchornous machine requires a magnetizing current to excite its field. Also in generator operation this machine cannot excite its own magnetizing current. This has to be provided by the public electricity mains in the form of reactive current. For the stable working range of the generator the required reactive load at full load and partial load will, within certain ranges, remain equal. This then results in a very poor power factor for the machine when it provides low effective output. For the public electricity mains this will result into an extra load in the form of a very poor cos phi. According to the installation conditions for a self exciter an almost complete compensation of the reactive load at no-load is required when working parallel to the public electricity system. With the restriction that the power factor is not lower than 0.95 inductive when the power output varies between no-load and full load and when real power is delivered to the public electricity mains. Reactive current compensation at the turbine is achieved with an 80 kVAr compensation installation.
27
4.4.7
The transformer
The power switch of the wind turbines is situated in the high-voltage room of the pumping station of W.R.K. The distance between the turbines and the highvoltage room is more than 900 m. To limit the transportation losses the voltage is transformed up to 10 kV. The high voltage transformer is located between the two turbines. Likewise, at the transformer a reactive current is compensated with a capacitor battery of 35 kVAr.
28
Q
jl l i ,
,
dSOUVH F « GiNIMTOl
V
•y. ■ y. •
ÏH \cu*x&il mij B W \HCLLI coatten f|
1
I \
WWV
n
5<W
I
1 -[I LtosxXz.pi^ps
isvv
'
ril ta.afey=<^AVfis 1W0
iUTloii
I—il'
3 _ w \\r s soMi
l£0«
VOA J
^ « O tVfl
cf cw^eot.
3SkVir
•i:ro c c ^ R o i . qvX^red '(b^^ss/accL-
llSfffl
... . •
V—O"
-®©/
=F W --T~X tsd.
x>
(ba *eaücul *
..
1 ~>
C « O M.ff WST. SUA
c no n.i IKST. ï l ü U 4 ->in^
1"
1
T T
?*«13-_«- 2?>
i^i-.-'s-ss».-. 1 ■h
XIOCXER
XLOCXUt MOttER
>T M
£
WZM J1-S30 1MST. «104
>T n J
■1
I>
1_ PJ
1
#i
MELK
KZMU-&30 IKST. J1M
r~-i
i> f>3
JWU"
i
1
po COG/?. ' ffnvt.
r£r 1
en/.
{-*■
" [~|Oui| mr con. c.Sm»
atrncmt _
è
ode***.
I«.«/!. Iprvciïa. 1.se^'e/
j H 1 ■ ,"r> :?
ra
UHIDTUUIWE
isaiu
r
Fig.
4.14
1 ~p oa)1seo
m©
\.sez±
TT.
Tl
VWDTUX5IWC
i J « HU L
Distribution of electricity
29
\tMvua_
REALIZATION OF THE PROJECT On december 19, '1986 the agreement between N.V. W.R.K. and the Messrs. Van Rietschoten & Houwens for the construction of two wind turbines and the reconstruction of two diesel generator sets into a total energy system together with the two wind turbines was signed. Furthermore, the necessary cybernetic and programming designs were made. A request was submitted to the Ministry of Volkshuisvesting, Ruimtelijke Ordening en Milieu (VROM) to modify the hindrance law permit in connection with this project. In the first quarter of 1987 the calculations and the design for the foundation of the two windmills were made. Because of the lasting frost period execution could not be started. However, at the end of this quarter the required concrete piles were driven (20 piles). Also two of the three dieselgenerator sets were modified into total energy installations. In the second quarter of 1987 the first trial runs with, the total energy installations were made. The erection of the masts for the wind turbines was not without problems. The boltholes in the flanges at the foot of the masts did not completely match with the bolts fixed in the concrete base plate. At the end of this quarter the lowest mast segments were erected. The paint for the nacelles had to be improved because the paint used did not meet the guarantee clauses. A transformer building was erected and in the high-voltage room in the W.R.K.-buildings a power switch for the wind turbines was installed and put into operation. In the supply cables of the public electricity system instrument transformers were installed for a more accurate control of the heat requirements.
30-
Fig. 5.1
The installation of the turbines
31
In the third quarter of 1987 the wind turbines were put into operation. However, functioning was not satisfactory. Therefore reactive-load compensation batteries were installed in the masts of the wind turbines and at the high-voltage transformer. Then, investigations were made of the switch-on conduct of the turbine into the public electricity system, because current strengths at make, were too high. The control of the total energy installation also did not function properly yet. In the fourth quarter of 1987 (November 6) the total energy and wind turbine project was officially put into operation. The project, however, was not yet delivered by the main contractor, because there was still a significant list of work to be completed. Because of this the optimisation-period ended only at the end of December 1988. In the first quarter of 1988 a control and monitoring system was installed for the export of electrical energy to the public electricity system. Investigations of the total energy installation revealed, that all control and monitoring devices were interrupted by a 150 Hz electrical fault (see also Break-downs). The output data of the turbines are reported monthly to the magazine "Duurzame Energy". From publications in this magazine it appeared that for January and February of 1988 the wind turbines of N.V. W.R.K. were already first in in output in The Netherlands. In the second quarter of 1988 it appeared that the wind turbines produced too much noise. A layer of isolation material in the inside of the nacelles should reduce the noise, which, however, showed unsuccessful. From vibration and noise measurement it was decided to modify the gear boxes of both wind turbines. To improve the aerodynamic character of the turbines, nose cones, specially adapted to these turbines, were installed. However, after only one night already one of the cones was found at the bottom. It was then decided to remove the cones definitely. At the diesel generator set an extensive fire-extinguisher and fire alarm installation was installed, since this unit is now in continuous operation. In the third quarter of 1988 experiments were carried out to attenuate the 150 Hz electrical fault by installing an impedance via a transformer in the starpoint of the generator. The outcome of this experiment was succesful, so that it was decided to install such an impedance in each generator. Because the cable of the public electricity system lay next to the telephone cable no normal calls could be made via this cable due to these interferences.
32-
During the experiments also measurement was done at the telephone cable; from this it appeared that the installation of the starpoint impedance is a good solution for this problem. Furthermore the gear box of turbine 52 was modified to improve the noise level. In the fourth quarter of 1988 a temporary installation was made so that the total energy installation could be used without problems caused by the 150 Hz electrical fault. In this period the gear box of turbine 51 was also modified. Noise measurements indicated that the turbines presently cause less noise of nuisance (see also 6.2.2). In the meantime the masts of the turbines have been thoroughly cleaned, because they were polluted by a grease leakage.
-33
STARTUP PHASE AN D MAJOR BREAKDOWN S 6.1
Total energy installation breakdowns
A number of breakdowns which arose after the in stallation of the total energy installation, were: 6.1.1
Homopolar currents
[1]
A significant fault, caused by a third harmonic current, arose because the generator was now continuous ly connected in parallel with the public electricity mains. This arose due to the fact that the neutral point (starpoint) of the generator was rigidly fixed to earth. This caused a shortcircuit for homopolar currents, which could flow to the public electricity system via the neutral point and earth to the neutral point of the coupling transformer of P.E.N. The neutral point of this transformer was also rigidly fixed to earth (The third harmonic is a homopolar current). The solution for this fault is to install a load trough a transformer in the neutral point (see fig. 6.1). The voltage over this load needs to be monitored to detect possible earth leakage. In this way an earth leakage current is also attenuated.
PCN 10,8 k V
i.- r 1
—
central guard breakdown signal
V-\-\—&
Genero'tor A. v. Kttlck
DID8 130/1Z0G/4D 10 kV 800 UVA 462. A Cos phi 0.8
■. earth fault protection
Hosvi—Closer VKE IE 10 UV / 100 V 100 VA
Fig. 6.1
Wcvssc 1
neutral point transformer
34
6.1.2
Leakage in the cooling circuit:
Since the diesel generating set is in continuous use in cold periods, the individual parts are loaded longer and more often than only in an emergency situation. Due to a manufacturing error a leakage occurred in the cooling circuit. This breakdown was detected in time and could be rectified. 6.1.3
Fuel leakage
Not only the cooling circuit suffered from loading of the diesel generating set more often and longer, also the fuel buffer supply. In the buffer supply tank there is a float valve which regulates the fuel level. This float did not function and subsequently fuel was lost. The supplier has been asked to modify this and install an extra protection.
- 35
6.2
Breakdowns of the wind turbines
Also the wind turbines had a number of significant breakdowns, viz.: 6.2.1
High switch-on currents
The revving up of the generator to approximately the synchron revolution by the wind turbine occurs in principle in dead current condition. However, there can be a voltage present due to remaining magnetism. When the generator is then being switched parallel to the public electricity system, thus bringing it under voltage, the generator undergoes a sudden change in condition. Without measures large currents will occur under these circumstances. It is aimed to keep these currents, so called inrush currents, as low as possible to avoid nuisance to other users. A method to achieve this is the use of so called damping resistances. The greater the resistances, the lower the inrush current. When short circuiting the damping resistances, in principle a peak current occurs, however, which depends on the capacity of the damping resistance. The greater the resistance, the greater the peak current. A compromise has to be found by choosing a damping resistance during connection to the public system as well as in short circuiting, that the inrush currents equal the short circuit currents. To determine the optimum damping resistance a simulation model was developed by W.R.K. [5] Also the software has been modified in a such way, that the turbine will not rev up too fast when the public electricity mains is switched on. This occurs by means of favourable rotor blade pitching.
- 36
6.2.2
Noise of nuisance (wind turbines)
Since the moment the wind turbines were installed, complaints from neighbours about noise from the wind turbines were received at W.R.K. Hence, acoustic measurings were done at different wind speeds, indicating that maximum noise was produced at around 625 Hz. This was mainly produced by the gear box.
WI 1
WI 2
habitants
Fig. 6.2
Distance to the nearest neighbour
From the testdata, measured around the turbine at 1.5 times the rotor diameter, the immission level at various distances around the turbine can be calculated. Assuming" both turbines have identical sound source levels, the immission level at the nearest neighbour (425 m from wind turbine 2, see Fig. 6.2) can be determined.
37
NOISE
OF NUISANCE W 'I N-.D . T U R B I'N E SWRK 111
Vwind - 4 m/a .
m o z I y W w 3 2
distance to
D
Fig. 6.3
L(uit)
+WT 2
[m]
W
Noise level before modification
L(uit) = Background level at 4 m/s L(tot) = Immission level due to both turbines From the graph it is shown that the turbines cause an increase of background noise of more than 10 dB. This is too high and does not meet legal requirements which stipulate that the noise of nuisance is below 40 dB(A). Especially, since the noise was of a tonal nature and hence, of great nuisance to the neighbours. Therefore it was decided that both gear boxes needed to be modified.
38-
NOISE - OF NUISANCE W "I N D WRK III
T U R B I N E S Vwlnd - 5 m / a
m ■o
O
z I U in W 3 3
425
distance to □
L(ult)
WT2 [m] + L(tot)
L(uit) = Background level at 4 m/s L(tot) = Immission level due to both turbines After the turbine s we re modified, measurings were repeated [2]. From these it was apparent, (see Fig 6.4) that now the turbines only increase the background level with less than 1.5 dB.
39-
6.2.3
Scaler of the generator
By some unknown reason, one of the scalers of the generator broke down. These scalers are used to define by computer, both the speed of revolutions and the direction of rotation of the generator. The computer could not define the direction of rotation and turned off the turbine. After the scaler was replaced no problems occurred any more. 6.2.4
Nose cone
To improve the aerodynamic character of the turbines, nose cones (see fig. 6.5) were mounted on the rotors. Since the turbines were^non-standard, being of higher capacity than standard, the standard nose cones also needed modification. Apparently the modification was too weak, because after already one night the nose cone fell to the ground. This caused the turbines to be stopped to check the rotor blades for possible damage. After this it was decided not to install nose cones.
Fig. 6.5
Nose cone
40
RESULTS FOR 1988 As of January 1988 it was possible to record the various meter readings separately. 7.1
To t al energy output
To record the electrical output of the diesel generating set, a kWhmeter has been installed (see Fig. 7.9). The amount of heat produced by the total energy installation depends on the amount of water heated and the difference in temperature between incoming and return water. To this purpose a flowmeter and a deltaT measurement have been installed. From these measurings the heat capacity can be directly calculated and can be read from a display (see Fig. 7.9). POWER TOTAL ENERGY IN STALLATION 198 8 WRK III Andijk (JJJ)
Jt
a
«"a c o a Z3
o
jul
oug
dec
n electrical A + heat ♦ oil consumption delivered Fig. 7.1 Total energy output for 1988 From the curve (see Fig. 7.1 and 7.9) it is evi dent that the total energy installation was not or almost not in operation in the period of May to August inclusive. This is obvious because in the summer almost no heat is required. The low yield of the installation in the month of September has two reasons: a fuel leakage and (mostly) peak load operation was required.
41
To determine the efficiency, the energy content of the fuel must be known. The amount of energy that can be derived from the fuel depends on its calorific value. The calorific value of the diesel fuel (HBO-1) is 35800 kJ/1 (lower value of combustion). This equals 9.94 kWh/l [3]. ********************************************************
*
TOTAL ENERGY INSTALLATION
*
******************************************************** * * * * * Annual consumption P(oil) 4241 MWh * * * Annual heat output P(heat) 1421 MWh * * * Annual electricity output P(elec) 1486 MWh * * * Total annual output P(tot) 2907 MWh * • * * Efficiency % ^n 69 * * * Heat/power-ratio — K 0.96 * * ********************************************************
Fig. 7.2
Annual output Total Energy Installation
The heat/power-ratio (K) considered over the whole year is 0.96. This is much lower than the 1.41 calculated in the design phase. This is mainly due to the fact that the diesels had to operate in peak load condition, so that more heat was produced than actually required and had to be cooled away. Also the efficiency (n) has been much lower (69 %) than estimated (85 %) due to this. When we only look at the data of the first three months of 1988, at which time the units mainly could function as total energy installation, the efficiency of the total energy installation was much higher (see fig. 7.3) The total energy installation will function best at temperatures below 10°C. ********************************************************
*.
TOTAL ENERGY INSTALLATION
*
********************************************************
* *
* *
P(elec) MWh
* Jan * Feb * Mar
* * *
129 193 268
*
590
* *
P(heat) MWh
* *
P(tot) * MWh *
* * *
152 454 590
* * *
281 454 590
*
735
*
1325
P(fuel) MWh
* *
* * *
375 535 797
* * *
*
1707
*
******************************************************** * * * * * *
*
*
*
*
*
*
*
********************************************************
Fig. 7.3
Output total energy installation over 3 months
This results in : EFFICIENCY HEAT/POWER-RATIO
42
= 78 % =1.25
7.2
Output wind turbines
To monitor the e le ctrical output produce d by the wind turbines (see fig. 7.9), a Hewlett Packard computer at the control room re giste rs all data from the wind turbines. Also bre akdowns, wind spe e d, rotor blade pitching and power supplied is registered. 7.2.1
Powe r supply of the wind turbines
The amount of e le ctrical e ne rgy supplie d by both wind turbines over the year is shown in fig. 7.4.
POWER W I N D .
T U R B I N E S
WRK III Andijk
(JJJ)
100
90
-
80
-
70
-
60
-
50
-
40
- -
30
-
20
-
SL
2
o CU
10
dec
□
u T rbino 51
Fig. 7.4
Turbine 5 2
^
o T taal
Annual output of both wind turbines
43
The profitability of wind turbines, besides investment costs and maintenance costs, is defined by the total annual energy production. This energy production depends on the local wind regime, the energetic efficiency, the height of the shaft, the rotor diameter and the availability of the turbine. The potential annual output is characterised by the output factor. There are two standard output factors namely CI and C2 ; CI
C2
depends only on the rotor surface. [7] CI = Ej/A
[kWh/m 2 ]
Ej = potential annual output A = rotor surface x
[kWh] [m 2 ]
depends on rotor surface and local wind regime. [8] C2 = Ej/A.v 3
[kWh.s 3 /m 5 ]
C2 = potential annual output A = rotor surface v = annual average wind velocity
[kWh] [m 2 ] [m/s]
*******************************************************
*
WIND TURBINES
*
51
*
52
*
******************************************************* * * * *
* * * * * *
Potential annual output Ej Annual average wind velocity v rotor surface A Output factor CI Output factor C2
* * * * * *
398,7* 6,28* 397,4 * 1003,3 * 4,05* *
399,4* 6,28* 397,4 * 1004,9 * 4,06*
*******************************************************
Fig. 7.5
Output wind turbines
- 44
*
The data of both turbines are mailed monthly to the redaction of the magazine "Duurzame Energie" [7]. From a publication in this magazine it is evident that both WindMasters at W.R.K.-III, as to output per m 2 rotor surface (= CI) , showed best in The Netherlands, (see fig. 7.6)
CJl
Tabel 1. Opbrengsten maanden oktober, november en december. Nr.
0349 0307 1014 1015 1013 1001 1008 0310 0334 0237
Lokatie
Eigenaar
URK3 ( 1 , 2 ) HIOZ VCBU-Fryslan ( 1 ) H.V. E.B. IJsselmïj R.J. P o l i t i e k PEB - F r i e s l a n d Gemeente Deersum W. Kingmo P.E.B. Friesland . P . 2 . E . H . PEP 2
Andijk Horntje
Herk
HHZ Win. 2x Bouma Lagerwey Zurich Urk HHZ Win.25x Kïmswerd Lagerwey Leeuwarden Aerotech Deersum Bouma Ternaard Polenko Rinsumag. Lagerwey Sloegebiec Stork FDO
Fig 7.6
Gesorteerd op jaarproduktie /m2.
Rotor As Ver In gediam hoog mogen bruik (m) (m) (kW) sinds 22.5 16.0 15.4 25.0 15.4 14.0 20.0 11.5 10.6 26.5
30.0 20.0 24.5 30.0 24.5 24.0 31.0 20.0 24.0 35.0
250.0 75.0 75.0 300.0 75.0 50.0 160.0 40.0 35.0 300.0
Haandopbrengsten (kWu - kwu/m2) OKTOBER
HOVEHBER
DECEMBER
01/08/87 50452 64 64565 81 9 5 9 0 9 22/01/85 15758 78 13985 70 2 3 6 8 1 26/01/88 14406 77 11910 64 2 2 3 5 0 07/12/87 1027998 84 803483 65 1730752 22/12/87 11550 62 8490 46 16650 01/06/87 9432 61 7990 52 15860 01/08/87 19760 63 15680 50 3 0 5 6 0 18/10/84 4980 48 8360 05/06/86 4364 49 3496 40 6856 19/05/83 19753 36 16309 30 2 8 3 8 1
W.R.K.-III at the head of the top 10
JAN'88
121 118 120
798064 198003 173320
141 1 1 3 5 6 4 5 2 89 103 97 80 78 51
169730 132828 239984 65440 55236 308376
- DEC'Sa 1004
985 930 925 911 863 764 630 626 559
7.2.2
PV-Curves
At the end of 1988 PV-curves were made for both wind turbines (see fig. 7.7). The PV-curve shows the power supplied (P) in relation to the windspeed (V) . From the graph it is obvious that further optimisation of the turbines is possible, so that at windspeeds of 4 to 10 m/s for windturbine 51, and at windspeeds of 10 to 16 m/s for windturbine 52 more power can be supplied. This may be possible e.g. by improving the pitching of the blades and the position of the rotor in relation to the wind. At higher speeds this is not relevant since these speeds do occur less often.
PV—curve 260
5 c
O
E O >
WT 51
windspeed ( m / s ) o WT 52
F i g . 7.7
-46
PV-curves
"Weib-u.ll— Classification bij W.R.K. III (1988)
soo \
800
-
700
-
600
-
o
500
-
c
400
-
\ \ \ \
300
-
\ \ \ \ \ \
200
-
\ \ \ \
\ \
100
-
\ \ \ \
\ \
M
e
\ \
T—T 1 2
\ \
\ \
\ \
\ \
\ \
\ \
\ \ \ \ \ \
\
i—i 3 4
\ \ \
\ \
^
N
^ r 5
f 6
i 7
i 8
bJH
rXlr-in i i i i i f r^—i—i—i—i—i—i—i—i—r 9 10 11 12 13 H 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 windsnelheid ( m / s )
F i g . 7.7a
Weibull-""Classification
46
47 -
7.3
Energy use at W.R.K.-III
The total consumption of electrical energy at the W.R.K.-III in 1988 was approximately 7600 MWh. Of this approx. 800 MWh (= 10 %) was produced by the wind turbines and almost 1500 MWh (= 20 %) by the total energy installation (W.K.K.). Thus together these systems provided approximately 30 % of the total energy requirement (see fig. 7.8).
TOTAL ELECTRICAL CONSUMPTION 198 8 WRK III Andijk. (JJJ) WT 51 (5.3%) 52 (5.3%)
WKK (19.67:)
PEN (69.8%)
Fig. 7.8
Electrical energy requirement at W.R.K.-III
TOTAL
MWh MWh MWh MWh
(69,8%) ( 5,3%) ( 5,3%) (19/6%)
7563 MWh
(100 %)
5279 399 399 1486
P.E.N. WT 51 WT 52 W.K.K. =
48
MEASUREMENT DATA PEN import [MWh]
WIND TURB INESI TOTAL ENERGY INST. Pheat Pel OIL 52 51 [MWh] [*1000 1] [MWh] [GJ] [MWh]
Jan Feb Mrch Apr May June July Aug Sep Oct Nov Dec
336 208 199 373 515 531 573 628 531 596 568 221
42.43 53.52 39.39 33.92 34.62 25.26 27.33 18.65 28.85 15.71 32.24 46.80
total
5279
398.70
53.25 41.30 26.75 27.94 26.94 24.04 27.87 18.26 36.81 34.75 31.47 49.99 399.4
37.7 53.8 80.2 47.8 2.6 2.6 0.0 1.0 87.0 9.0 11.0 94.0 427
129 193 268 167 9 8 0 4 309 17 39 343
547 940 1159 464 68 47 2 34 202 122 280 1251
1486
5117
CALCULATIONS TURBINES| | TOTAL ENERGY INSTALLATION Total | | Lower value of combustion (HBO-1) = 9.94 kWh/l Power || P(turb) | | P(elec) P(heath) P(tot) P (MWh) | | (MWh) (MWh) (MWh) (fuel) (MWh) Jan Feb Mrch Apr May June July Aug Sep Oct Nov Dec total
95.68 94.82 66.14 61.86 61.56 49.30 55.20 36.91 65.67 50.45 63.72 96.79
|| || || || |1 |1 |1 |1 || |1 || ||
798.09 | |
7.9
39 343
152 261 322 129 19 13 1 9 56 34 78 348
281 454 590 296 28 21 1 13 365 51 117 691
375 535 797 475 26 26 0 10 865 89 109 934
1486
1421
2907
4241
129 193 268 167
9 8
o
4
309 17
Measurements and Calculations
49
PLANNING OF THE PROJECT 8.1
Design and construction stages
The following design and construction stages have been foreseen: I. II.
Engineering and commission Delivery of materials and/or start of construction III. Completion of construction / start up / optimising IV. Demonstration phase 8.1.1 I.
Planning :
Engineering and commission In this phase the market was surveyed with respect to wind energy and total energy installations. Various types of wind turbines and total energy installations were reviewed. Then the details were drawn up by N.V. W.R.K. and Messrs. Van Rietschoten en Houwens at Rotterdam (R.& H.) . It was expected that the commission to this firm could be made by the end of June 1986 and that construction could be started November 1, 1986.
II.
Delivery of materials and/or start of construction After commissioning, the R. & H. would take care of ordering the various parts for the wind turbine. Furthermore R. & H. engaged Messrs. Dynaf at Alkmaar for the supply of the total energy installation. The start of the construction was scheduled on November 1 and would take half a year.
III. Completion of construction / start up / optimising After construction would be completed around May 1, 1987, the installation could be started up. Optimisation could then be initiated. This phase was expected to be completed on September 1, 1987. IV.
Demonstration phase In this phase, envisaged for September 1, 1987, the results and efficiency of the project would be tested against the claims specified. Interested parties could be informed. This phase, according to the initial planning, lasts until September 1, 1988.
- 50
8.1.2 I.
Realisation
Engineering and commission In 1985 the market was surveyed with regard to wind turbines and total energy installations, after which, in the course of 1986, staff members of N.V. W.R.K. made designs for measurement, regulating and controlling operations. These were required to incorporate the turbines and total energy installations into the existing process computer systems and high voltage installations. To measure the expected wind speeds a 24 m high mast for the wind gauge was erected. To have the diesel generating sets run parallel to the public electricity system, these had to be provided with cos phi controls. There were various discussions with the firms excecuting the project. Subsequently on September 19, 1986 the Messrs. Van Rietschoten & Houwens Electrotechnische Maatschappij B.V. (R. & H. ) at Rotterdam was commissioned this project on a turnkey basis.
II.
Delivery of materials and/or start of construction In the fourth quarter of 1986 soil drilling tests were carried out for the foundation of the wind turbines. Furthermore, digging of the trenches for the cables from the turbines was carried out. According to the planning, two of the three diesel generator sets were transformed to total energy installations (see fig. 8.1 and fig. 8.2).
Fig. 8.1
The central heating water is transported over a long distance - 51
During the first quarter of 1987 the foundation for the two turbines was designed and calculated. Due to an extended frost period the piling of the 2 0 concrete piles was delayed for several weeks. The foundation plates for the two turbines and the transformer building were finished during the second quarter of 1987. The transformer building was erected and fastened.
Fig. 8.2
Detail of the transforming of the diesel (right the total energy unit)
By the end of the second quarter the masts of the wind turbines were erected. This did not happen without problems. The bolt holes in the flanges at the foot of the masts did not completely match with the bolts fixed in the concrete base plate. The flanges subsequently were modified. In the high voltage room at W.R.K.-III a power switch for the wind turbines was installed and put into operation in the second quarter. Also adaptations were made to enable electricity to be supplied to the public electricity system. In the diesel generator room a Halon tinguisher installation was installed. The terms for delivery of the project 1987) were delayed to May 1988.
52
fire ex(May 1,
III. Completion of construction / start up / optimising The wind turbines were put into operation in the third quarter of 1987, but did not function properly yet. Since January 1988 these could be continuously used and deliver power. A simulation model of the wind turbines was made to study the switchon characteristics of the turbines. The gear boxes of the wind turbines have been modified to reduce noise of nuisance. Measurements have indicated that the turbines now produce much less noise. Investigations proved that homopolar currents were cause for the generators to regularly switch off due to too high currents. In order to be able to use the total energy installation in winter periods a modification had to be made to attenuate the homopolar currents (see 6.1.1.). IV.
i
Demonstration phase Due to the delays the demonstration phase was postponed until January 1989.
8.2
Working schedule
In fig. 8.3 the various phases as listed above are shown graphically as planned and as excecuted.
53-
WERKING SCHEDULE PHASES co
si O h UI -f*
iQ
tn O
Y
j
1988
1986
1987
MAMJJASDND j
MAMJJASQND JFMA
1989
JASCKEJFM AL JJASDND
////////A
\ \ \ \ \ \ \
1Z7ZZZ KXX AVWWW
(ü
a
EZ
V \\WW\N
^ 7 7 7 ^ ^ r777] PLANNED
3
WY\1 EXECUTED
FINANCIAL REVIEW 9.1
Investments
The commission for the realisation of the project "Wind energy-Total energy system for the production and transportation of water" was given on September 19, 1986. This was still within the planned timing of the first phase ending October 1986. In the first phase total investments amounted to Dfl. 117,370.35 excl. Dfl. 47,147.- for personnel costs. The estimation for this period was Dfl. 536,400.- The difference in expenses in this period was mainly caused by the fact that the down payment for the contract could not be remitted until 1987, after receipt of all technical data for the applications for permits. The activities in the second phase were delayed until June 1, 1988, resulting in a delay of one year as compared to the planning. This was mainly caused by the noise of nuisance caused by the turbines which resulted in the development of low noise gear boxes. The costs made for phase II amounted to Dfl. 1,277,509.29. This included the first three down payments for the contract and Dfl. 149,704.29 for various deliveries. Additional to this is an amount of Dfl. 84,662.01 for personnel costs. The estimation for phase II amounted to Dfl. 809,900.- of which Dfl. 381,900.- for one turbine and Dfl. 238,025.- for one total energy system are backed by the Commission. The excess expenses are caused by: 1. 2.
the first down payment which was planned for phase I (Dfl. 470,000.-) extra costs for optimisation and safety measures .
The expenses in phase III amounted to Dfl. 909,741.01 of which Dfl. 751,870.- for final payment for the contract, Dfl. 157,871.01 for various deliveries. In this phase an amount of Dfl. 41,810.93 for personnel costs applied (1 turbine and 1 total energy system). Estimations for this phase were Dfl. 634,700.The difference with the actual payments were mainly caused by the fact that in this phase a number of final payments for the contract and additional contracts had to be paid for. The noise of nuisance by the wind turbines was reduced to acceptable levels in this phase; furthermore optimisation of the total energy installations was carried out.
-55 -
From the middle of 1988 until the preparation of this report no further investments for the various deliveries were made. However, there is still an amount of Dfl. 40/246.50 (1 turbine and 1 total energy system) required for personnel costs related to optimisation and administrative finishing. The estimation amounted to Dfl. 246,600.-. Since personnel costs for the total project hardly deviated from the estimations, these have been kept identical to the total estimations for this project. This last estimation - that is for all phases - amounted to Dfl. 2,227,600.-. Taking into account an item to be cleared of Dfl. 1,320.- the total investments amounted to Dfl. 2,303,300.65 excl. Dfl. 269,580.34 for personnel costs. The investment costs and the personnel costs combined exceeded the total estimations mentioned in the contract by Dfl. 345,280.99 (=15.5%).
56 -
10
PROSPECTS 10.1 Economic viability The prospects for the economic viability of the project were investigated and mentioned in section C of attachment 1 that goes with the contract for this project. The calculations are now reconsidered in view of the actual expenses for the project. a.1
Technically Nominal capacity of the wind turbines 2 x 250 kWh 2 x 1 diesel (alternatively 1 diesel) at 600 kWh. Average output per month based on the outputs over 1988: wind turbines 66150 kWh total energy system 123833 kWh (electrical) 118417 kWh (thermal) This includes 43,994 kWh per month for peak load operation. If there is sufficient wind the turbines are in continual operation.
a.2
Investment costs The actual costs of the project - excl. personnel costs - were Dfl. 2,303,300.-. For the above amount long term loans with an average interest of 6.8% were closed. The annual interest amounts to Dfl. 82,228.-. The depreciation takes place over 20 years. The personnel costs amounted to Dfl. 269,580.34.
57
a.3
Exploitation costs The maintenance costs are not yet exactly known, because until May 1, 1989 a guarantee term applies. Investigation of maintenance contracts provided the following estimation: a. capital costs per year: Dfl. 211,016.b. variable costs Dfl. 211,940.c. fixed costs WKK " 22,000.d. fixed costs turb " 30,097.total Dfl. 264,037.VAT 20% " 52,807.316.844.total costs incl. VAT Dfl. 527,860.-
b.
Comparison with conventional method During 1988 for electricity from the public electricity system an average of Dfl. 0.1458 (excl. VAT) per kWh was paid for. The public electricity system supplied 5,284,020 kWh. The turbines supplied and the WKK supplied peak load operation total own electr. prod.
798,100 1,486,000 527,928 1,756,172
kWh kWh kWh ./. kWh
The value of the last mentioned quantity at Dfl. 0.1458 is Dfl. 307,260.- (incl. 20%VAT ). Furthermore the total energy system (WKK) supplied 1,421,000 kWh of thermal energy. The value for this can be set to 191,125 litrs of fuel at Dfl. 37.14 per 100 litres. This results to Dfl. 70,984.- or Dfl. 85,181.- incl. VAT The value for the electricity to be produced per year therefore amounts to Dfl. 392,441.- incl.VAT c.
The difference between the cost of the electricity produced and the selling value amounts to Dfl. 135,419.- incl. VAT
d.
Estimated recovery time Since there is a negative recovery time.
58 -
difference
there
is
no
e.
Estimated economie outlook. The previous calculations indicate, that without a subsidy from the EG and the Ministry of Volkshuisvesting, Ruimtelijke Ordening en Milieu in The Hague this project is not economically paying. The lower electricity rates - partly caused by the relatively low oil price - are partly to blame.
10.2 Economic viability for projects in the future The purpose of the project was a careful and economically justified use of energy, affecting the environment as minimally as possible. The first part - the careful use of energy - can be proved by the project at issue. The second part - an economically justified use of energy - creates more problems, as shown in the above financial review. If, however, the price of future turbines would be considerably lowered, while at the same time the price for oil would be higher than at this moment, an economical operation would be possible. At the time of application of the EG subsidy the oil price was considerably higher than at this moment: Dfl. 0.60 then versus Dfl. 0.37 now.
11.
Degree of Success and Outlook 11.1 Related to this project Wind turbines of the type 250 kW are relatively low in maintenance cost. The output is relatively high. During 1988 the output per m2 rotor area was highest when compared to other wind turbines in The Netherlands. Maintenance costs can be kept at an economically reasonable level. The availability and reliability of the turbines is high. The output of the wind turbines compared to the total energy installation is small. The total energy system has a higher profit. Much attention needs to be given to the noise produced. At a distance of 425 meter from the installation the turbines produce noise at a level of approx. 40 dB(A). Therefore possible noise of nuisance to the neighbours is monitored.
-59-
Due to the high demands related to decreasing the noise of nuisance by the wind turbines, the technical solution of this problem has received considerable attention. This may lead to the future production of low noise wind turbines. The major problems with the wind turbines and the total energy installation have been solved, but further improvements are possible. 11.2 Future technical developments The development of wind turbines with still larger capacity is in full progress. It needs to be seen if the noise of nuisance of these machines can be reduced to such a level that installation at larger scale will be possible. Technical improvements which would reduce maintenance costs, could improve profits.
the
11.3 Job creation Although the number of jobs at the water supply station "Prinses Juliana" of the Watertransportmaatschappy Rijn-Kennemerland (N.V. W.R.K.) has not increased due to this project, it can be stated that maintenance activities will require two manyears for co-operators and contractors. Besides the technical surveillance of the whole project has increased the workload of the current personnel. It remains to be seen if in the oncoming years this will not result in extension of staffing. 11.4 Impact on the market Especially where a wind regime at an average of approx. 7 m/s prevails, possibility for erection of wind turbines exists. Some parts of The Netherlands, especially coasts of the Northsea and the IJsselmeer, qualify. The site of the waterwinstation "Prinses Juliana" amply meets above mentioned requirement.
60-
11.5 Industrial property The supplier of the wind turbines - H.M.Z. at St. Truiden - has applied patent for the electronic control of the start-up speed of the rotor blades. This control results in savings in the technical construction of the turbines.
-61
12
LITERATURE [1]
HTS-Alkmaar afstudeerverslag (E77-SE-88) : Onderzoek naar de stabiliteit van de blindlastregeling bij een drietal noodstroomaggregaten, waarvan er twee zijn omgebouwd tot een Warmte/Kracht-Koppeling. Jan Joh. Jansen (W.R.K.-III) mei 1988
[2]
Geluidsmetingen aan de HMZ-Windmaster Windturbines bij de W.R.K.-III Jan Joh. Jansen (W.R.K.-III) oktober 1988
[3]
Optimalisatie Warmte/Kracht installatie bij de W.R.K.-III J.F.M. Paleari (W.R.K.-III) juli 1988
[4]
Jaarrapport n.v. Watertransportmaatschappij RijnKennemerland 1987
[5]
De asynchrone machine in generatorbedrij f (toegespitst op de Windturbinetechniek) T.P.C. Verbruggen (W.R.K.-III) oktober 1987
[6]
Windmaster Een publicatie van Windmaster Nederland Van Rietschoten & Houwens
[7]
Publikatie van Duurzame Energie november 1988 (pagina 58)
[8]
De energieproduktie van Windturbines Stichting Energieonderzoek Centrum Nederland N.J.C.M, van der Borg, A. Curvers, W.J. Stam ECN-88-046
[9]
Veiligheid in ruimten bewaakt door Halon 1211 brandblusinstallaties Uitgave van het Directoraat-Generaal van de Arbeid van het Ministerie van Sociale Zaken en Werkgelegenheid. P165
-62
ATTACHMENTS Subject
page
ATTACHMENT 1 Parts/Suppliers
64 64
ATTACHMENT 2 DESCRIPTION WIND TURBINE Rotor Mast Nacelle Gearbox Asynchronous Generator Hydraulics B r a k e system Control system Transformer
65 65
ATTACHMENT 3 DESCRIPTION TOTAL ENERGY INSTALLATION Diesel Actuator Primary power controller Secondary power controller Synchrone generator
68 68
-63
ATTACHMENT 1 Parts/Suppliers Mill "WINDMASTER" Rotor blades Gearbox Generator Hydraulics Microprocessor Mast (steel) Process Computer Transformer ELMOWA
N.V. H.M.Z. (Belgium) Stork Ventilatoren (Hengelo) Hansen (Antwerp/Belgium) B.B.C. (West Germanmy) Vickers (U.K.) Vector (Belgium) Petitjean (France) Hewlett & Packard J.H. Doorman/Rotterdam
Responsible Main Contractor
Van Rietschoten & Houwens (Rotterdam)
Excecuting contractor for total energy installation
Dynaf B^-V. Fabriek van apparatuur voor Energie opwekking (Alkmaar)
64-
ATTACHMENT 2 DESCRIPTION WIND TURBINE Rotor Number of blades (hollow) Diameter Direction of rotation Speed of rotation Position (to the mast) Orientation to the wind
3 22.5 m to the left approx. 54 rpm up-wind hydraulic yaw wind sensor 3 kW motor for the hydropump glasfibre reinforced polyester 400 m2 hydraulic-mechanical approx. 31 meter
Rotor blade material Rotor surface Pitching Rotor axle height Mast
steel ST 37-2 conical/unmoored with fundation flange 30 meter (3 parts) zinc plated both inside and outside and covered with an organic coating steel lockable door in mast foot.
Material Construction Mast lenght Protection Access to the mast Nacelle
steel ST 52-3 zinc plated both inside and outside and covered with an organic coating RAL 5007 steel; hinged and lockable manhole in bottomplate by means of a cage ladder, mounted inside the mast, incl. two platforms with hoisting trap-doors electrical linch per turbine, in the nacelle for vertical transport
Material Protection Color Top cover Passage (inside) Descent to mast
Linch
65
Gearbox PIV approx. 1:28 3-steps
Type Transmission ratio Asynchronous Generator Make Number of poles Power Power factor Voltage Frequency Rotation speed Protection class
BBC 4 250 kW 0,88 380 V 50 Hz 1510 rpm IP" 55
Hydraulics Configuration
separate unit with own electrical drive mo.tor operating pitching and yaw mechanisms (hydraulic yaw) IP 56 Rexroth
Functions Isolation class Manufacturer Brake system Normal brakes
occurs only aerodynamic ally through pitching to feathering position band brake between generator and gearbox
Mechanical hand brake Control system Manufacturer Type
Vector International VI 8088 16 bit microprocessor over the whole range of pitching Patent HMZ Nr. 891.429/Fo 3 D pitching
Power control
Over-speed control
66
Transformer for the 2 turbines ELMOWA Step-up 630 kVA 4% 910 Watt 6500 Watt 380 V 10 kV DY N 11
Manu f ac turer Type Power Short circuit voltage No-load losses Short circuit losses Primary voltage Secundary voltage Circuitry
-67
ATTACHMENT 3 DESCRIPTION TOTAL ENERGY TNRTAT.T.ATION Diesel Manufacturer Type Series nr. Power
Cummins KTA-2300-G 33102661 DIN A : 634 kW DIN B : 701 kW Water through heat exchanger
Cooling Actuator Manufacturer Type
Woodward EG-3P
Primary power controller Manufacturer Type
Woodward 2301 Load Sharing & Speedcontrol
Secundary power controller Manufacturer Type
Woodward 8272-350 Process Controller
Synchronous Generator Manu f ac turer Type Series nrs Terminal voltage Nominal power Nominal current Powerfactor Nominal revolution Number of poles Temperature cooling medium Isolation class Excitation
A. v. Kaick DIDB 130/120G/4D 8092 84/85/86 10 kV 800 kVA 46.2 A 0.8 1500 rpm 4 max. 40 °C F IP 23 80 V / 4 A
68
TWEE TWEE
250 KW W I N D T U R B I N E S
600 KW
EN
WARMTE/KRACHT-INSTALLATIES
SAMENVATTING In dit eindrapport wordt het project beschreven, dat staat opgesteld d j ae W.R.K.-III in Andijk. Het project bestaat uit een tweetal Windturbines van het type Windmaster elk met een capaciteit van 250 kW in combinatie met een tweetal Warmte/Kracht-Installaties met elk een elektrisch vermogen van elk 600 kW. Er wordt een technische uitleg gegeven van de Windturbines en de Warmte/Kracht-Koppeling. Aan de orde komt ook wat de Windturbine' s en de Warmte/KrachtKoppeling per maand gemiddeld al hebben geleverd. Het project is op 1 mei 1988 officieel opgeleverd, alhoewel nog wel een behoorlijk aantal werkzaamheden diende te worden afgemaakt en alle apparatuur nog geoptimaliseerd moest worden. Na de opstart-fase zijn ook nog een aantal storingen ontstaan, die niet waren voorzien. Beschreven wordt hoe deze storingen -zijn of worden opgelost. Ten gevolge hiervan wordt verwacht dat alles pas echt gereed is in het voorjaar van 1989. Tenslotte wordt een over het gehele project.
financieel-overzicht
gegeven
Fig. 0.1 De W.R.K.-III in Andijk op de voorgrond het gebouw met de W.K.K. op de achtergrond de beide windturbines 71
INHOUDSOPGAVE
71 1. 2.
3.
4.
5.
75
DOEL VAN HET PROJECT ORIGINALITEIT EN NIEUWE ONTWIKKELINGEN 2 .1. Algemeen 2 .2. W.K.K.-Installatie 2 .3. Windturbines 3 .1. 3 .2.
Inleiding Geografie
. .
SITUATIESCHETS
BESCHRIJVING VAN DE INSTALLATIES . . . . 4 .1. Inleiding Warmte/Kracht-Koppeling 4 .2. Opbouw van de Warmte/Kracht-Koppeling 4.2.1. De Regelingen 4.2.2. Noodstroombedrij f 4.2.3. W.K.K.-bedrijf 4.2.4. Pieklast-bedrij f 4.2.5. Het warmwatergedeelte 4.2.6. De Synchrone Generator 4.2.7. Brandblus-installatie 4 .3. Inleiding Windturbines 4 .4. Opbouw van de Windturbine 4.4.1. De mast en fundering 4.4.2. De rotor 4.4.3. De rotorbladen 4.4.4. Bladhoekverstelling 4.4.5. Tandwielkast en rem 4.4.6. De asynchrone generator 4.4.7. De trafo eerste tweede derde vierde eerste tweede derde vierde
REALISATIE VAN HET PROJECT kwartaal van 1987 kwartaal van 1987 kwartaal van 1987 kwartaal van 1987 kwartaal van 1988 kwartaal van 1988 kwartaal van 1988 kwartaal van 1988
73
76 76 76 77 78 78 79 81 81 82 82 84 84 84 85 87 91 92 92 93 94 94 95 96 96 98 100 100 100 102 ' 102 102 102 102 103
6.
OPSTARTFASE E N BELANGRIJKE STORINGEN . . . 104 6.1. Storingen Warmte/Kracht-Koppeling 104 6.1.1. Homopolaire stromen 1 o4 6.1.2. Lekkage i n h e t Koelcircuit 105 6.1.3. Lekkage brandstof 1 o5 6.2. Storingen Windturbines 1 06 6.2.1. H o g e inschakelstromen 1 o6 6.2.2.
6.2.3. 6.2.4.
Geluidshinder Windturbines
Pulsteller v a n d e generator Neuskegel
10 7
110 110
7.
RESULTATEN OVER 1988 7.1. Opbrengstgegevens W.K.K. 7.2. Opbrengstgegevens Windturbines 7.2.1. Produktie v a n d e Windturbines 7.2.2. PV-Curven 7.3. Energie verbruik v a n d e W.R.K. III
m 111 113 113 116 118
8.
D E PLANNING V A N H E T PROJECT . . . . . 8.1. Uitvoeringsfasen 8.1.1. Planning : 8.1.2. Uitvoering : 8.2. Werkschema
120 1 20 120 121 12 3
9. .9.1. 10.
11.
10.1. 10.2.
125 12 5
EKONOMISCHE HAALBAARHEID Ekonomische haalbaarheid (algemeen) Ekonomische haalbaarheid v o o r projekten i n d e toekomst
127 127 129
M A T E VAN SUCCES 11.1. 11.2. 11.3. 11.4. 11.5.
12.
KOSTENOVERZICHT Investeringen
. . . 129 M e t betrekking t o t d i t projekt 129 Toekomstige technische ontwikkelingen 130 Werkgelegenheid 13 Q Invloed o p d e markt 130 Industriële eigendom 131 LITERATUURLIJST 132
BIJLAGEN BIJLAGEN
74
133
1.
DOEL VAN HET PROJECT Het energiebeleid van de W.R.K. is gericht op een zorgvuldig en economisch verantwoord gebruik van energie, waarbij het milieu zo min mogelijk wordt aangetast. In verband hiermede heeft bij W.R.K.-III een onderzoek plaatsgevonden, waaruit is gebleken, dat windenergie gecombineerd met een Warmte/Kracht-Installatie een nog economischer oplossing voor het energie-vraagstuk bij de W.R.K. zou zijn. De combinatie van de Windturbines en de Warmte/ Kracht-Koppeling met het openbare elektriciteitsbedrijf maakt dit project uniek en kan daarom als voorbeeld dienen voor andere industriële bedrijven met een gunstig windregiem. Het toepassen van een permanente energiebron, zoals windenergie, vermindert het verbruik van fossiele brandstoffen. Dit kan binnen het energiebeleid in nationaal verband als belangrijk worden beschouwd. Om een winstgevende exploitatie te verkrijgen moet de kostprijs van de Windturbines en de Warmte/KrachtInstallatie lager zijn dan de huidige energieprijzen. Het aantal opdrachten voor Windturbines en Warmte/Kracht-Installaties is nog te beperkt voor een gunstige kostprijs. Indien de W.R.K.-III aantoont, dat een kombinatie van windenergie en Warmte/Kracht een haalbaar project is, kan het een doorbraak zijn voor de industrie van Windturbines en Warmte/Kracht-Installaties.
75
2.
ORIGINALITEIT EN NIEUWE ONTWIKKELINGEN 2.1.
Algemeen
Wat het project uniek maakt, is het feit dat het waterwinstation zijn energie nu kan krijgen uit een combinatie van drie afzonderlijke energievoorzieningen, n.l. : - het openbare elektriciteitsbedrijf - de Warmte/Kracht-Installatie - de Windturbines Doordat alle opgewekte energie in eigen huis kan worden verbruikt, zal het rendement van de installaties gunstig worden beïnvloed. De verschillende energievoorzieningen kunnen zonder problemen parallel af- en bijgeschakeld worden (synchroniseren) .
2.2.
W.K.K.-Installatie
Alle afzonderlijke situaties zoals noodstroombedrijf, pieklastbedrijf, warmtevraagregeling en importexportregeling worden door een Woodward 350 regelaar geregeld. Een import/export-beveiliging is bij het openbare elektriciteitsnet geplaatst, zodat exporteren mogelijk is geworden. De aardstroom wordt over een sterpunts-impedantie bewaakt. Deze impedantie is m.b.v. een trafo in het sterpunt van de synchrone generator geplaatst om homopolaire stromen te dempen. Deze stromen kunnen gaan lopen tijdens het parallel draaien aan het openbare net. De synchrone generator van de Warmte/KrachtKoppeling kan als regelbare blindlast-compensatie voor de Windturbines worden gebruikt.
76
2.3. Wind-turbines Bijzonder is de uit drie delen bestaande 30 meter hoge mast voor de 250 kW Windturbine. Voor deze hoge mast is gekozen, omdat de Windturbines vrij dicht bij de gebouwen kwamen te staan. Het parallel-schakelen van de turbine aan het openbare net geschiedt door middel van het kortsluiten van aanloopweerstanden in combinatie met bladhoekverstelling door computer. Hierdoor wordt het versnellen van de rotor t.g.v. windstoten verminderd, waardoor de inschakelstromen laag worden gehouden. De turbine is zelf optimaliserend, dit wil zeggen dat de computer de optimale bladhoekinstelling bepaalt afhankelijk van de gemeten windsnelheid. De turbine is tevens zelfzoekend op de wind (binnen bepaalde marges), zodat de kruimotoren minder belast worden.
77
SITUATIESCHETS 3.1.
Inleiding
Het waterwinstation "Prinses Juliana" (W.R.K.-III) , is een vestiging van de Watertransportmaatschappij RijnKennemerland (W.R.K.). Deze maatschappij transporteert water uit het IJsselmeer via twee 56 km lange leidingen naar de ijzer verwerkende industrie de Hoogovens (H.O.) in het IJmondgebied en naar het infiltratiegebied van het Provinciaal Waterleidingbedrijf van Noord-Holland (P.W.N.) in de duinen nabij Heemskerk. Het water wordt in Andijk uit het IJsselmeer ingelaten en m.b.v. inlaatpompen wordt het water op bedrijfsnivo gebracht. Hierna ondergaat het water diverse zuiveringsprocessen. Het gezuiverde water wordt daarna vla filtraatpompen naar' Heemskerk gepompt.
tNKKUCLCX
.VERSUM
Fig 3.1
W.R.K.-III transporteert water vanuit Andijk naar de duinen
78
Momenteel produceert de W.R.K.-III ca. 46 miljoen m3 proceswater per jaar [4]. Hiervoor is een elektrisch vermogen van ca. 7600 MWh nodig. De verwachting is, dat de produktie in de toekomst nog verder zal toenemen. Het benodigde vermogen werd voorheen voornamelijk door het openbare elektriciteitsnet (P.E.N.) geleverd. Voor het geval er een storing bij het P.E.N, zou optreden, stonden drie noodstroomaggregaten (D 22,23,24) van 800 kVA paraat. Deze werden ook bijgeschakeld indien de W.R.K. meer vermogen nodig had dan er volgens het P.E.N.-contract mocht worden afgenomen (z.g. Pieklast draaien). 3.2. Geografie Het waterwinstation "Prinses Juliana" ligt op de grens van Enkhuizen en Andijk in Noord-Holland buiten de dijk rond het IJsselmeer (zie fig. 3.2). De gunstige ligging aan het IJsselmeer en de steeds hoger wordende P.E.N.-tarieven waren voor de W.R.K. voldoende aanleiding de mogelijkheden van alternatieve energievoorziening te bestuderen. Na regelmatig een gemiddelde windsnelheid van 7 m/s op de gewenste hoogte te hebben gemeten, bleek deze windsnelheid voldoende te zijn om rendabel te kunnen draaien met Windturbines. De twee Windturbines (WT 51 en 52) met elk een capaciteit van 250 kW, moesten een hoogte hebben van 31 m, omdat ze in de buurt kwamen te staan van de grote gebouwen van de W.R.K. en de dijk. Ook een andere vorm van energie-voorziening werd onderzocht namelijk het gebruik van een Warmte/KrachtInstallatie. Deze moet elektriciteit en warmte leveren aan de gebouwen van de W.R.K.. Van de drie reeds aanwezige noodstroomaggregaten konden er twee (D 22 en 23) worden omgebouwd tot een Warmte/Kracht-Installatie. Door nu ook de warmte van de bedoelde installatie te gebruiken wordt het rendement van deze installatie hoger.
79
F-
ö «3
M
F-
r+
tr F:
Frt (D D-
a
F-
3 CU
tr
F-
F-
W.R.K. m
BESCHRIJVING VAN DE INSTALLATIES 4.1.
Inleiding Warmte/Kracht-Koppeling
Het principe van een Warmte/Kracht-Koppeling berust op de combinatie van het opwekken van warmte en kracht (elektriciteit). De opzet is een zo hoog mogelijk rendement uit deze combinatie te halen. Door middel van een brandstofmotor wordt een generator aangedreven voor elektriciteitsopwekking (slechts 31%). De vrijkomende warmte (ca. 57%) in het koelwater en de rookgassen wordt via warmtewisselaars voor een groot gedeelte teruggewonnen en kan dan worden gebruikt voor ruimteverwarming of proceswarmte. Hierdoor is een energetisch rendement mogelijk van wel 85% tot 90% (zie fig. 4.1).
Diesel 100 %
^
\X
Generator
Elektrische energie ca. 31 %
Warmtewisselaars
Thermische energie ca. 57 %
^, Verlies
ca. 12 % Fig. 4.1
E n e r g i e - s t r o m i n g s d i a g r a m W. K. K.
81 -
4.2.
Opbouw van de Warmte/Kracht-Koppeling
Momenteel staan drie noodstroomaggregaten van elk 800 kVA bij de W.R.K. opgesteld, dat nog uit te breiden is tot 5 eenheden. Zein eenheid bestaat U I L een combinatie van een 12 cilinders Cumminsdiesel (zie Bijlage 3) en een 4-polige A.v.Kaick synchrone generator, (zie Bijlage 3) Twee van deze noodstroomaggregaten zijn nu omgebouwd tot Warmte/Kracht-Koppeling (zie fig. 4.2).
Fig. 4.2
twee tot W.K.K. omgebouwde noodstroomaggregaten 4.2.1.
De Regelingen
Er zijn nu drie verschillende bedrijfssituaties te onderscheiden, namelijk : A: Noodstroom-bedrijf (= eiland- of isochroonbedrijf), er moet dan op elektriciteitsvraag worden geregeld. B: W.K.K.-bedrijf, wanneer de vraag naar warmte wordt gevolgd (één v.d. W.K.K.-diesels wordt dan ingeschakeld). C: Pieklast-bedrijf, in deze situatie moet de aggregaat vol vermogen leveren, omdat het aantal beschikbare kVA's per kwartier dreigt te worden te overschreden.
82
Al deze verschillende bedrijfssituaties worden gecontroleerd en geregeld door een Woodward 350 regelaar (zie Bijlage 3). Deze secundaire regelaar zet een signaal op de parallel lijn van de primaire regelaars van de drie diesels. De primaire regelaar is een Woodward 2301 (zie Bijlage 3) en regelt de brandstoftoevoer naar de diesel afhankelijk van het gevraagde vermogen door d e WW 3 5 0 .
Nse-tC=FRE:Q
lns"t>
Nse«=FREQ Inst)
Nse-t<=FREIQ
lust)
ptraltal 1l.pi to«rfsharhg
w
W 2301
2301
\C1W TQR
W
HCTIV TDR
WV 2301
;CTUA TCR
mm Lm/
350
PVN
VRK III
PEN
Fig. 4.3 Dieselregelingen
-83
4.2.2.
Noodstroombedrij f
Dit was de situatie, waarvoor de dieselcentrale eigenlijk was bedoeld. In noodstroombedrijf wordt er niet parallel aan het openbare net geleverd en draaien de drie diesels isochroon met een frequentie/vermogensregeling (WW 350 en WW 2301). Er wordt dan net zoveel vermogen geleverd als er door de belasting gevraagd wordt. 4.2.3.
W.K.K.-bedrijf
In deze situatie wordt primair geregeld op de warmtevraag. De warmtevraag wordt evenredig gesteld met een bepaald elektrisch afgegeven vermogen (K-faktor). In dat geval wordt op dit vermogen geregeld met een beperking van de High en Low Limit van de diesel. Deze limieten worden ingesteld bij de WW 350-regelaar. Tijdens W.K.K.-bedrijf bestaat er de mogelijkheid dat er meer elektrisch vermogen wordt geleverd dan dat er wordt gevraagd. Dit overschot wordt geleverd aan het openbare net (export). De High Limit wordt bepaald door het maximale asvermogen dat de diesel kan leveren, verminderd met de as- en generatorverliezen (High Limit = 600 kWel). De Low Limit wordt bepaald door het minimum vermogen dat de diesel kan leveren zonder dat er koolvorming optreedt in de cilinderkoppen en de rookgasblowers (Low Limit = 200 kWel). 4.2.4.
Pieklast-bedrijf
In deze situatie dreigt het beschikbare af te nemen vermogen, dat contractueel met het openbare elektriciteitsbedrijf is afgesproken, te worden overschreden. Een overschrijding van het beschikbare vermogen wordt door het elektriciteitsbedrijf bestraft met een aanzienlijk boete. Daarom is het noodzaak dat om onder dit contractueel afgesproken maximum vermogen te blijven. Het extra benodigde vermogen moet dan door de noodaggregaten worden geleverd.
84-
4.2.5. het
Het warmwatergedeelte (zie fig. 4.5)
De eerste warmte wordt via een warmtewisselaar uit koelwatercircuit van de dieselmotor gehaald. De
Lemperatuur vanh e t w a t e r
van d e
centrale
(c.v.) zal stijgen naar ca. 79°C.
verwarming
Hierna zal het c.v.-water een tweede warmtewisselaar passeren, die de warmte uit de rookgasssen van de diesel haalt. Deze warmtewisselaar bevindt zich in de uitlaat van de dieselmotor. De rookgassen hebben een temperatuur van 524°C, waardoor de temperatuur van het c.v.-water zal stijgen naar ca. 86 °C. Daarna wordt het warme c.v.-water aan het verwarmingscircuit van de W.R.K. toegevoerd. Het kan wel eens voorkomen dat het c.v.-retourwater niet lager is dan 68°C, omdat er bijvoorbeeld meer warmte wordt geleverd dan dat er gevraagd wordt. Als dit het geval is dan zal er een noodkoelsysteem (zie fig. 4.4) in werking treden, die de overtollige warmte wegkoelt, omdat de diesel koeling nodig heeft. De noodkoeler is een energie-vernietiger en moet daarom zo scherp mogelijk worden afgesteld, opdat er zo min mogelijk energie verloren gaat. Wordt er te weinig warmte door de Warmte/KrachtKoppeling geleverd, dan zal de bestaande centrale verwarmingsinstallatie worden ingeschakeld.
Fig. 4.4
De noodkoeler
85
EXISTING BOIIEHSYSTEM
IQ
4* Ui
00 P) rt (D H iQ
• fl> D. (D (D rt
3SAOII3
H U K I / KI-Hl
4.2.6.
De Synchrone Generator
Voor noodstroomcentrales is de synchrone generator de meest toegepaste machine, omdat deze een aantal voordelen biedl boven asynchrone generatoren n.i. : - Een vrijwel constant toerental onafhankelijk van de belasting. - Parallelschakelen vindt plaats met synchronisatie-apparatuur, die de schakelhandeling vrijgeeft en zonodig m.b.v. de regeling de spanning, de frequentie en het faseverschil binnen bepaalde grenzen regelt. Hierdoor wordt de aanloopstroom beperkt tot de helft van de nominale stroom (0,5*Inom). - De mogelijkheid om zowel blindvermogen te leveren als op te nemen. Hierdoor is eilandbedrijf of noodstroombedrijf zeer goed mogelijk, zonder extra voorzieningen t.a.v. cos phi-verbetering. -
Opbouw van de generator
De generator bezit 4 polen, het toerental van de generator moet daarom 1500 omw/min bedragen, opdat de netfrequentie 50 Hz is.
S.lhiu.y.lnd.r bar>i.nlu«.» AvK.-a.n.r»lor OIOB 130W4
Fig. 4.6
doorsnede van de generator
-87
De generator is voorzien van een demperkooi, die variaties in de spanning dempt. De demperkooi bestaat uit een aantal koperen staven, die door de poolschoenen heen gaan en aan beide zijden met elkaar zijn verbonden d.m.v. kortsluitringen. Voor de bekrachtiging van de generator wordt gebruik gemaakt van zowel binnenpoolmachines als van buitenpoolmachines. Het voordeel hiervan is dat er geen koolborstels nodig zijn, wat leidt tot minder slijtage en onderhoud. De generator bestaat dan ook in principe uit drie generatoren die op één as gemonteerd zijn. De eerste generator (G3) verzorgt de voedings spanning voor de generatorregeling. De rotor bestaat daarom ook uit een permanente magneet en is dus een binnenpoolmachine. De tweede generator (G2) is een buitenpoolmachine en wekt de. bekrachtigingsstroom voor de hoofdgenerator (Gl) op via een meedraaiend diodewiel. Doordat de bekrachtiging van G2 afhankelijk .is van de regeling, kan de klemspanning of als de generator parallel aan het openbarenet staat, de cos phi worden geregeld.
STATOR
ROTOR
di
,,, Openbare-
X
i,w
Net
U I
A
G!2
REGELING
■Spannlng-Cos p h l Instelllng
Gi3
Fig. 4.7
Blokschema generatorregeling
88-
A B
Rotierende Gleichrichter 1 wahlweise P o l i e r e n d e Gleichrichter f Auslührung
R O T O R DIDB120-1S0Einzelteil9 Piflt«J«f für A. S. WvlUnend*
01.02
PaillrJar furLGfter Sichef unbaring hJr A_ 5. Lag*f Slch?r\j«gsring FOr B. S. Lsgtr Ftnr*gl«richeio* A. S. FetV»^le*scJ»«ib« B . S . L>^«r A. S. t » q * r B. S. LagcrabCeckïchcib* 01.30 Potor kom pi «a
01.03 01.08 01.12 01.13 01.14 01,15 01.18 01.17
Lürter Lüh*rn«b« Err njer-Rotor pak»t Hi0f> S*i;hi*iJMt^
O2.0I 03.02 04.12 04.27
CO
14.
Explosionsdarstellungen
14.02 DID8 120-150/ROTOR
STATOR DIOB 120-150 Einxeitüile «J 15.14
OS.01 07.22 07.38 07.41 07.43 09.01 09.02 OS .04 09.05 09.12 14.02 14.03 14.13 14.114 15.03 15.04 15.06 15.07 15.13 15.14 15J24 13 JO 15.107 M l 207
CO O
209.02 209.12 211.03
Geftius* EfTfrq*f-SUIarprfket Hllfa*nt*chrsuc« Kegel-Schrni*rnipp*l L x ; * ™ child B . S . S*cnikinischr»<jb* (G4v«indebulz«r Schutxgltter Jalous»cal«crt KIemm*n kast erf Obcrteil X1«mm4 f»k » 9 (• nr-Oeek et K!»rnm*nk»3t<m*Stutzdn-Urtt«rtef1 Xl«rnm*nltjslerf S t u u e n - C ; * r t « i l S«chsk2ntsctirjuD« S«ch»k»nt3cnnub<* Klcmm*nbrenn alterung Klcmm* fur Nledcrspinnung tscHaior 5tromw»nd1er Reglergrupp» Soi rw«rU teller XI • m m «nl eist e Sc*ming«lem«ii<
09.05
14.
Explosionsdarstellungen
14.02 DIDB 120-150 / STATOH
Fig. 4.8
4.114
E x p l o s i e t e k e n i n g van de synchrone g e n e r a t o r
4.2.7.
Brandblus-installatie
[9]
Door de toename van het aantal branden en de daarmee gepaard gaande stijging van de brandschade, is de preventieve brandbestrijding steeds belangrijker geworden. De maatregelen die met betrekking tot brandpreventie door de overheid worden geëist, zijn in volgorde van belangrijkheid gericht op : - het voorkomen en beperken van brand; - het voorkomen en beperken van ongevallen bij brand; - het voorkomen en beperken van schade bij brand. Daarom en omdat het aantal draai-uren van de diesels sterk is gestegen, is voor de dieselruimte gekozen voor een automatische brandblus-installatie. In de praktijk is al gebleken, dat een automatische brandblus-installatie nodig is (zie 6.1.3). Bij het automatisch signaleren van een brand in deze ruimte, wordt het aanwezige personeel automatisch gealarmeerd, de draaiende diesels en ventilatoren worden automatisch afgeschakeld en worden de deuren en de ventilatieroosters in de vloer gesloten. Hierna wordt Halon 1211 in de ruimte gespoten, waardoor de brand geblust wordt. Tevens wordt de brandweer automatisch in kennis gesteld. De chemische aanduiding van Halon 1211 is CBrClF2 (BroomChloordiFluormethaan, BCF). Bij atmosferische condities is Halon 1211 een kleurloos en vrijwel reukloos gas dat bijna zesmaal zo zwaar is als lucht. Het kan ten behoeve van vervoer en opslag, vloeibaar gemaakt worden door komprimeren. Volgens de huidige inzichten berust de bluswerking van Halon 1211 op een antikatalytische (remmende) inwerking op de chemische reaktie van brandstof en zuurstof. De bluswerking ten gevolge van koelende werking, het verlagen van de concentratie van de gasfase van de brandstof of het verlagen van de zuurstofconcentratie is te verwaarlozen. Voor de toepassing als blusstof heeft Halon 1211 een aantal positieve eigenschappen, te weten : - het veroorzaakt in het algemeen geen chemische of mechanische beschadigingen aan organische- en anorganische stoffen en materialen; - het laat na blussing geen residu achter; - de expansie tot gas, onmiddelijk bij het uitstroompunt in de toevoerleiding, garandeert een goede verspreiding in alle richtingen in de te beveiligen ruimten of rond de te beveiligen objecten; - het is elektrisch niet geleidend; - het is niet vorstgevoelig. - niet Carcinogeen (geen verhogende kans op kanker)
91
4.3.
Inleiding Windturbines
(Wind : onuitputtelijk, kosteloos, schone energie) Windenergie is één van de oudste en door de mensheid meest gebruikte . vorm van energie-opwekking. Reeds duizenden jaren geleden heeft de mensheid windenergie benut voor de voortstuwing van zeilschepen en de aandrijving van graanmolens en waterpompen. Thans echter, met stijgende prijzen voor.olie en andere fossiele brandstoffen, maakt de windenergie een indrukwekkende come-back. De technologie op zich is natuurlijk niet nieuw. Een windmolen zet, gewoon héél algemeen, de kinetische energie van de wind om in de meer bruikbare energievormen. Het kan gemakkelijk in warmte, elektriciteit of mechanische energie worden omgezet. De keuze, om de Windturbine bij voorkeur een generator te laten aandrijven, ligt voor de hand. Immers, elektriciteit is toch de meest gebruikte vorm van energie in onze maatschappij die zich gemakkelijk laat omzetten in warmte en vele vormen van mechanische energie. Het ontwerpen en bouwen van een efficiënte betrouwbare en duurzame windgenerator, is echter geen gemakkelijke opdracht. Moderne generatoren, of zoals men die thans doorgaans met "WINDTURBINES" aanduidt, halen nu de voordelen uit de meest recente kennis inzake materialen, elektronica en aërodynamica. 4.4.
Opbouw van de Windturbine
($)-
Genera hor
© -
Hydraulische Uniï
Q)-
Wiekverstetling
[6]
© - Rem ( 5 ) - Kruimotor
Fig 4 . 9
Opbouw van de Windturbine
92 -
De Windturbines zijn opgebouwd uit aantal onderdelen n.l. : (zie Bijlage 2)
-
4.4.1.
grofweg
een
De mast en fundering De rotor De rotorbladen Bladhoekverstelling Tandwielkast en rem De asynchrone generator De trafo
De mast en fundering
De turbine is gemonteerd op een bodemplaat van gewapend beton van 7 x 7 x 2 meter (zie fig. 4.10), die rust op een 10-tal betonpalen, die in de bodem zijn geheid. De mast bestaande uit 3 gedeelten is circa 30 m hoog en is met een fundatie-flens aan de bodemplaat gemonteerd. De gondel is van binnenuit te bereiken via een stalen afsluitbare deur en een ladder aan de binnenzijde van de mast. Voor de veiligheid zijn twee luiken aangebracht die moeten worden gesloten als ze gepasseerd zijn.
'JimmmtÊmÉ Fig. 4.10
De fundatie van de mast
- 93
4.4.2
De rotor
De rotor is vóór de mast gemonteerd, waardoor maximaal profiit van de wind wordt verkregen zonder hinderlijke, en voor de bladen zéér nadelige turbulentieverschijnselen, die door de mast worden veroorzaakt. De turbine heeft een zodanige vorm, dat deze zelfzoekend op de wind is (binnen bepaalde marges). Toch is een automatische krui-inrichting noodzakelijk om de rotor optimaal op de windrichting georiënteerd te houden. Bovenop de rotorkop bevindt zich dan ook een windsensor die via een elektronische schakeling de hydraulische kruimotor bestuurt, waarbij de kruisnelheid 45° per minuut bedraagt, bij welke lage snelheid ook weinig bijkomende gyroscopische krachten op de rotor zullen ontstaan. 4.4.3.
De rotorbladen
(zie fig. 4.11)
Als materiaal voor de bladen werd glasvezelversterkte polyester gekozen vanwege het relatief lage gewicht, het weinig onderhevig zijn aan materiaalmoeheid en het ontbreken van elektromagnetische golven die zouden kunnen ontstaan door wrijving met de lucht en tot storingen zouden leiden voor telecommunicatie. Rekening houdend met het totale rendement, de omtreksnelheid en het daarmee samenhangend geluidsnivo, werd gekozen voor een rotor van het type snelloper evenwel met een relatief laag "snelloopgetal".
Fig. 4.11
De rotorbladen
94
Proefnemingen met polyurethaanschuim als vulmiddel om mogelijke vergroting van de buigstijfhéid te realiseren, leidden echter tot nadelen als uitzetting door temperatuurswisselingen, het opnemen van vocht en de moeilxjkneid om een gelijkmatige gewichtsverdeling te verkrijgen, hetgeen leidde tot massa-onbalansen, dus trillingsproblemen. Uit verder onderzoek is uiteindelijk een rotorblad als eindprodukt ontstaan, dat sterk, licht en vormvast is. Ondanks het feit dat het rotorblad hol is, kan deze gigantische krachten langdurig doorstaan, zonder enige blijvende vervorming of kwaliteitsvermindering. 4.4.4.
Bladhoekverstelling
(zie fig. 4.12)
Voor wat het moeilijkste onderdeel betreft - de turbinerotor - heeft de fabrikant van de turbine (H.M.Z.) als één van de weinigen, principeel gekozen voor een rotor met bladhoekverstelling. De bladen, gemonteerd m.b.v. krans-lagers aan de rotorkop, zijn daarbij verdraaibaar rond hun lengte-as en worden, verbonden aan een centraal stuurblok, steeds gelijktijdig over eenzelfde hoek versteld. Naast verhoging van het aanloopkoppel, geeft deze bladverstelling ook het voordeel van toerental- en vermogenbegrenzing. Door de mogelijkheid daarnaast, om bij extreem hoge windsnelheden de bladen zelfs tot in een negatieve bladpositie slechts zeer langzaam te laten ronddraaien zullen bladen zowel als de totale turbine ook minimaal worden belast, waardoor mechanische beschadigingen worden voorkomen.
Fig. 4.12
Bladhoekverstelling 95
Dit aërodynamisch "parkeren" geschiedt automatisch bij windsnelheden hoger dan 25 m/s (90 km/uur) . Hierbij wordt gelijktijdig de vermogenslevering uitgeschakeld. Bij het bereiken van een lagere windsnelheid dan 25 m/s, komt de turbine geheel automatisch weer in bedrijf. Een hydraulische pomp, direct gemonteerd aan de generatoras, levert de druk naar een hydraulische zuiger, verbonden aan het centrale stuurblok in de rotor. Alle lineaire bewegingen van deze zuiger resulteren in een gelijktijdige verdraaiing van de 3 rotorbladen. Schakelcombinaties van kleppen bepalen de stand en de bewegingen van de zuiger, en derhalve de stand van de bladen. Tevens is een veersysteem ingebouwd, waardoor bij stilstand de bladen automatisch vin de startpositie worden geplaatst, hetgeen tevens geschiedt indien de hydraulische pomp faalt of de kleppen niet juist functioneren. Daarnaast wordt door dit veersysteem een constante axiale tegendruk opgebouwd, waardoor de belasting als gevolg van de winddruk gedeeltelijk wordt gecompenseerd. 4.4.5.
Tandwielkast en rem
De tandwielkast heeft als functie het lage ingaande rotortoerental te verhogen tot 1500 omw/min, het vereiste bedrij fstoerental van de generator. Bij de H.M.Z. industrie-turbines geschiedt dit m.b.v. 3 paar helicoïdale tandwielen. De traag draaiende primaire as, het zwaarst belaste onderdeel omdat daarop direct de volledige windbelasting aangrijpt, is sterk overgedimensioneerd en berekend op zowel grote radiale, als axiale belastingen. Windmaster turbines kennen toch een rem, gemonteerd tussen tandwielkast en generator. Deze is echter uitsluitend geschikt en ook als zodanig bedoeld om de rotor met de bladen éénmaal in de z.g. vaanstandpositie, in stilstand te houden t.b.v. periodiek onderhoud of eventuele reparaties. 4.4.6.
De asynchrone generator
(zie fig. 4.13)
In de uitvoering bestemd voor parallelbedrij f met het normale openbare net, is gekozen voor een asynchrone generator, waarbij het afgegeven vermogen uitsluitend afhankelijk is van de negatieve slip en géén regeling benodigd is voor de bekrachtigingsstroom. Tevens is voor dit type generator gekozen vanwege de eenvoud en het geringe onderhoud.
96
Fig. 4.13
De asynchrone generator
Een asynchrone machine heeft voor het opwekken van zijn veld een magnetiseringsstroom nodig. Ook in generatorbedrij f kan de machine deze magnetiseringsstroom niet zelf opwekken. Dit moet worden geleverd door het openbare net in de vorm van blindstroom. Voor het stabiele werkgebied van de generator zal het gevraagde blindvermogen bij vollast en deellast in grote lijnen gelijk blijven. Dit resulteert dan in een zeer slechte arbeidsfactor voor de machine als deze weinig werkelijkvermogen levert. Dit zal voor het openbare net een extra belasting in de vorm van een zeer slechte cos phi betekenen. Volgens de aansluitvoorwaarden voor een zelfopwekker moet, indien deze parallel draait aan het openbare net, een nagenoeg volledige compensatie van het benodigde blindvermogen bij nullast plaatsvinden. Met dien verstande dat de arbeidsfactor niet kleiner mag zijn dan 0,95 inductief indien het opgewekte vermogen varieert tussen nullast en vollast en indien werkelijkvermogen aan het openbare net wordt geleverd. Blindstroomcompensatie geschiedt bij de turbine met behulp van van een 80 kVAr compensatie-inrichting.
97
4.4.7.
De trafo
De vermogensschakelaar van de Windturbines bevindt zich in de hoogspanningsruimte van de W.R.K. De afstand van de turbines naar de hoogspanningsruimte is ruim 900 m. Om de transportverliezen te beperken wordt de spanning omhoog getransformeerd naar 10 kV. De hoogspanningstrafo staat tussen de twee turbines in. Tevens wordt bij de trafo nog eens blindvermogen gecompenseerd met een condensatorbatterij van 35 kVAr.
98
Io
I I i i
i
iZS
AM UVR P « GENERflTOX
Us
K00B5TJOOHW11 B W P£UJfllLVO£Dltó |
\»
\l
\
\l
™1 _ i l _
\'
2-S
VïJ
\r»
1
■e: SOmn.1
r- 1 «
3
OVc*l6E
Funwrwnmi
YEiawirfii
«3 A
IM/)
f30 H/fl V O 0 Y / ÜJttf- 1 . 2 . J 7 . + 3 . 2 . S J S SISWA/lL.ICfliri. llSfffl VMR5£U£"1
iUfK/UïTIE
iflOD/5fl £
® ©_/"
C « 0 M.S WST. 5/6 A
p^..
l_3?>_l
ih KIOCXER NOELER
j-ni
NZM 11-630
T
I
M
WST. 4104 I>
l_
P3
£—
L.JyMj'
VEIWSEH CHÏ.
^ UIT COM.
KZ
u o
A KI. KI ^C
UIT
F <> DIVERSE ALMtieM
CTMÖV VOlT/KE
ra VIHDTUMIWE
c?Ti\ani.
tuut io iv/ir .
1SOVJ
flitfri. FBSl. vpuorof
O.iJPV
3:
I T=
'H 0
urr I 3IVER3C aivERjt
WMww n
| AUWKEN
UUJDTUSSIM:
a < 5 « 40 WA,
Fig. 4.14
Elektriciteitsverdeling - 99-
mHTrn ri ~
REALISATIE VAN HET PROJECT Op 19 december 1986 werd de overeenkomst voor de bouw van twee Windturbines en de ombuuw van twee dieselgenerator-installatie.;tot Warmte/Kracht-Installaties tussen de W.R.K. en de firma Van Rietschoten & Houwens ondertekend.in samenhang met de te bouwen Windturbines. Voorts werden de nodige meet-, regel- en besturingstechnische ontwerpen gemaakt. Bij het Ministerie van Volkshuisvesting, Ruimtelijke Ordening en Milieu (VROM) werd een aanvraag ingediend tot aanpassing van de reeds verkregen hinderwetvergunningen in verband met het project. In het eerste kwartaal van 1987 werd de fundatie voor de twee turbines ontworpen en berekend. In verband met de langdurige vorstperiode kon niet tot uitvoering worden overgegaan. Wel werden tegen het einde van het kwartaal de benodigde betonpalen geheid (20 stuks). Ook werden twee van de drie dieselaggregaten omgebouwd tot een Warmte/Kracht-Installatie. In het tweede kwartaal van 1987 hebben de W.K.K.Installaties voor het eerst proefgedraaid. Het plaatsen van de masten van • de Windturbines is niet vlekkeloos verlopen. De boutgaten en de flenzen aan de voet van de masten kwamen niet geheel overeen met de plaats van de in het beton gestorte fundatiebouten. Tegen het einde van dit kwartaal werden de onderste mastdelen geplaatst. De verflaag van de gondels moest worden verbeterd, aangezien de aangebrachte verflaag niet voldeed aan de garantievoorwaarden. Er werd een trafohuisje geplaatst en in de hoogspanningruimte van de W.R.K. werd een vermogens-schakelaar t.b.v. de Windturbines geïnstalleerd en in bedrijf gesteld. In de voedingslijnen van het openbare elektriciteitsbedrijf zijn stroommeettrafo's gemonteerd t.b.v. een meer nauwkeurige warmtevraag-regeling.
100
I
Fig. 5.1
Het plaatsen van de Windturbines
101
In het derde kwartaal van 1987 zijn de Windturbines in bedrijf gesteld, maar deze funktioneerden niet naar tevredenheid. Daarom zijn blindlast-compensatiebatterijen in de masten van de Windturbines en bij de H.S.-trafo aangebracht. Daarna is onderzoek verricht naar het inschakelgedrag van de turbine op het net, omdat de inschakelstromen te hoog waren. Ook de regelingen bij de W.K.K.-Installatie funktioneerde nog niet naar tevredenheid. In het vierde kwartaal van 1987 (6 november) is het W.K.K.- en Windturbine-project officieel in bedrijf gesteld. Het project is echter nog niet door de hoofdaannemer opgeleverd, omdat er nog een behoorlijk aantal werkzaamheden moest worden afgewerkt.N Ten gevolge hiervan eindigde de optimalisatie-periode pas eind december van 1988. In het eerste kwartaal van 1988 is een regeling en bewaking geïnstalleerd t.b.v. export van elektrischeenergie naar het openbare elektriciteitsnet. Door onderzoek aan de W.K.K.-Installatie is gebleken, dat alle regelingen en metingen werden gestoord door een 150 Hz stoorsignaal (zie ook storingen). De opbrengstgegevens van de turbines worden elke maand doorgegeven aan het tijdschrift "Duurzame energie". Uit een publikatie van dit blad bleek dat de Windturbines van de W.R.K. voor de maanden januari en februari van 1988 reeds als beste van Nederland gelden. In het tweede kwartaal van 1988 is gebleken dat de Windturbines te veel geluid produceerden. Een isolatielaag aan de binnenkant van de gondels moest het geluid dempen, dit was echter geen succes. Aan de hand van trillingsmetingen en geluidsmetingen is besloten om de tandwielkasten van beide Windturbines aan te passen. Om het aërodynamische karakter van de turbines te verbeteren werden deze voorzien van een speciaal voor deze turbines aangepaste neuskegel. Na één nacht lag één van de kegels echter alweer op de grond. Hierna werd besloten de neuskegels definitief te verwijderen. Bij de dieselcentrale is een uitgebreide brandblus- en brandmeldinstallatie geïnstalleerd, omdat de centrale tegenwoordig in continue-gebruik is. In het derde kwartaal van 1988 is een proef gedaan om de 150 Hz stoorsignalen te dempen, door een impedantie via een trafo in het sterpunt van de generator te plaatsen. De uitkomst van deze proef was succesvol en aan de hand hiervan is besloten om alle generatoren van zo'n impedantie te voorzien. Omdat één van de kabels van het openbare elektriciteitsnet naar de W.R.K. langs een telefoonkabel lag, werd deze zodanig gestoord dat geen normaal gesprek via deze kabel mogelijk meer was.
102
Tijdens de proef is tegelijkertijd gemeten aan deze telefoon-kabel, ook hieruit bleek dat deze sterpuntsimpedantie een zeer goede oplossing was. Verder werd nog in dit kwartaal de tandwielkast van turbine 52 aangepast om het geluidsnivo te verbeteren. In het vierde kwartaal van 1988 is een noodvoorziening getroffen om de W.K.K.-Installatie te kunnen gebruiken zonder problemen t.g.v. het 150 Hz stoorsignaal. In dit kwartaal is ook de tandwielkast van turbine 51 aangepast. Uit geluidsmetingen is gebleken dat de turbines momenteel minder geluidshinder geven (zie 6.2.2). Ondertussen zijn de masten van de turbines aan de buitenkant grondig schoongemaakt, omdat ze waren verontreinigd als gevolg van een vetlekkage.
-103
OPSTARTFASE EN BELANGRIJKE STORINGEN
6. 6.1-
Storingen Wanii«:e /Kracht-Koppeling
Een aantal storingen,, die na het in bedrijf stellen van de Warmte/Kracht-Installatie onstonden waren : 6.1.1.
Homopolaire stromen
[1]
Een belangrijke storing door een derde harmonische stroom onstond doordat de generator nu continu parallel aan het openbare net stond geschakeld. Deze trad op omdat het sterpunt van de generator 'star' aan aarde was gekoppeld. Daardoor onstond er een kortsluiting voor homopolaire stromen, die via het sterpunt en aarde naar het sterpunt van de koppeltrafo van het P.E.N, kon vloeien. Het sterpunt van deze trafo lag namelijk ook star aan aarde (De derde harmonische is een homopolaire stroom). Een oplossing voor deze storing is om een belasting via een trafo in het sterpunt te plaatsen (zie fig 6.1). De spanning over deze belasting dient wel bewaakt te worden om een eventuele aardsluiting te kunnen detecteren. Een 'aardsluitstroom wordt namelijk op deze manier ook gedempt. PEN 10,8 kV
\-\--v
Generator A.-V. Kalck DIDS 130/1ZOG/-ID 10 kV 800 kVA -(6.2 A Cos phl 0.8
130 Hz
Hoser VKE 10 k V /
Va
100 VA
Fig. 6.1
i
!>-.".
klasse 1
*
T
1 s 1
Aardfout beveltlQkig 0-10 V 0.3 s t c
sterpuntstrafo
- 104
6.1.2.
Lekkage in het Koelcircuit
Doordat de dieselaggregaat in koude perioden continu in gebruik is, worden de afzonderlijke onderdelen langer en vaker belast dan alleen in nood. Door een fabricagefout ontstond er een lekkage in het koelcircuit. De storing werd tijdig ontdekt en kon worden verholpen. 6.1.3.
Lekkage brandstof
Niet alleen het koelcircuit kreeg te lijden van het langer en vaker belasten van de dieselaggregaat, maar ook een brandstof-buffervoorraad. In deze buffer zit namelijk een vlotter, die het nivo moet regelen. Deze vlotter funktioneerde niet, waardoor brandstof in de ruimte onder de diesels stroomde. Inmiddels is aan de leverancier opdracht gegeven voor een aanpassing en een extra beveiliging.
105
6.2.
Storingen Windturbines
Ook aan de Windturbines zijn een aantal belangrijke storingen geweest, namelijk : 6.2.1.
Hoge inschakelstromen
Het op toeren brengen van de generator tot circa het synchrone toerental door de Windturbine, gebeurt in principe in spanningsloze toestand. Wel kan een spanning ten gevolge van remanent magnetisme aanwezig zijn. Wordt de generator hierna parallel aan het net geschakeld, waardoor deze onder spanning wordt gebracht, dan ondergaat de generator een plotselinge toestandsverandering. Hierbij onstaan zonder maatregelen grote stromen. Er wordt naar gestreefd deze stromen, ook wel inrushstromen genoemd, zo klein mogelijk te houden in verband met hinder voor andere gebruikers. Een methode hiervoor is bijvoorbeeld het gebruik van z.g. dempweerstanden. Hoe groter namelijk de weerstanden, hoe kleiner de inschakelstroom. Bij het kortsluiten van de dempweerstanden ontstaat in principe echter ook weer een stroompiek, welke afhankelijk is van de grootte van de dempweerstand. Hoe groter de weerstand hoe groter- deze stroompiek. Er moet nu een compromis worden gevonden door de keuze van de dempweerstand zo te nemen dat de stroomstoot bij zowel op het net schakelen als kortsluiten van de dempweerstanden ongeveer gelijk is. Voor het bepalen van deze optimale dempweerstand is door de W.R.K. een simulatie-model opgesteld. [5] Ook is de software zodanig aangepast, dat de turbine niet te snel kan optoeren als deze nog niet op het net is geschakeld. Dit gebeurt door middel van een gunstige bladhoekverstelling.
106
6.2.2.
Geluidshinder Windturbines
Vanaf het moment dat de Windturbines geplaatst en geïnstalleerd waren, kreeg de W.R.K. klachten van de omwonenden in verband met het geluid dat de Windturbines produceerden. In verband hiermee zijn door de W.R.K. verscheidene metingen verricht bij verschillende windsnelheden. Uit deze metingen bleek dat het meeste geluid werd veroorzaakt rond de 625 Hz, dat voornamelijk door de tandwielkast werd geproduceerd.
WI 1
WT 2
bewoner
200n
Fig. 6.2
425n
Afstand tot de dichstbijzijnde bewoner
Uit de meetgegevens, die op 1,5 maal de rotordiameter rond de turbine zijn gemeten, kan worden berekend wat het immissie-nivo is op verschillende afstanden van de turbine. Nemen we aan dat de beide turbines qua bronsterkte gelijk zijn, kan worden bepaald wat het immissie-nivo is bij de dichstbijzijnde bewoner (425 m vanaf Windturbine 2 zie fig. 6.2).
107
GELUIDSHINDER WINDTURBINES WRK III
Vwind - 4 m/a
m •o
o z I
UJ
w V)
2 2
D
Fig. 6.3
L(uit)
AFSTAND tot WT 2 [m] + lfl«fl
Geluidshinder voor de Modificatie
L(uit) = Achtergrond nivo bij 4 m/s L(tot) = Immissienivo t.g.v. beide turbines Uit de grafiek blijkt dat de turbines een verhoging van het achtergrondgeluid van meer dan 10 dB ten gevolge hebben. Dit is veel te hoog en. voldoet niet aan de wettelijke normen, die eisen dat de geluidshinder lager is dan 40 dB(A). Vooral ook omdat het geluid een tonaalkarakter had en dus erg hinderlijk was voor de omwonenden. Aan de hand hiervan is besloten dat de tandwielkasten van beide turbines aangepast moesten worden.
- 108
GELUIDSHINDER WINDTURBINES WRK III ' Vwlnd - 5 m/a
m -o
§
z y
CO
(0
2 2
425 L(ult)
Fig. 6.4
AFSTAND tot W 2 [m] + L(tot)
Geluidshinder na de Modificatie
L(uit) = Achtergrond nivo bij 4 m/s L(tot) = Immissienivo t.g.v. beide turbines Nadat de turbines waren gemodificeerd, werden weer metingen verricht [2]. Hieruit bleek, (zie fig. 6.4) dat de turbines nu nog slechts.een verhoging van het achtergrondgeluid van minder dan 1,5 dB ten gevolge hebben.
-109
6.2.3.
Pulsteller van de generator
Om een nog onbekende oorzaak raakte één van de pulstellers van de generator defect. Deze pulstellers dienen om het toerental van de generator én de draairichting van de rotor te bepalen m.b.v. de computer. De computer wist nu niet wat de draairichting was en schakelde de turbine uit. Nadat de pulsteller werd vervangen waren er geen problemen meer. 6.2.4.
Neuskegel
Om het aërodynamische karakter van de turbines te verbeteren werden er neuskegels (zie fig. 6.5) op de rotors gemonteerd. Omdat we te maken hebben met een aangepaste Windturbine, namelijk een zwaardere dan het standaard model, moest de standaard neuskegel ook aangepast worden. Blijkbaar was deze aanpassing te zwak, want al na één dag lag de neuskegel op de grond. Hierdoor moesten de Windturbines worden stilgezet en konden pas weer gebruikt worden toen de rotorbladen geïnspecteerd waren op beschadigingen. Hierna is besloten om geen neuskegels te plaatsen.
Fig. 6.5
Neuskegel
110
RESULTATEN OVER 1988 Vanaf januari 1988 was het mogelijk om de verschillende meterstanden per maand op te nemen. 7.1.
Opbrengstgegevens W.K.K.
Voor het bijhouden van het elektrisch vermogen dat de aggregaat oplevert, is een kiloWatt-uur meter (kWh) geplaatst (zie fig. 7.9). De hoeveelheid warmte, dat geproduceerd wordt door de W.K.K., wordt bepaald aan de hand van de hoeveelheid verwarmd water en het verschil in temperatuur van het toevoer- en retourwater. Voor dit doel is er een flowmeter en een delta-T meting geplaatst. Uit deze metingen wordt direct de warmtehoeveelheid bepaald en kan worden afgelezen van een display (zie fig. 7.9). VERMOGEN WARMTE/KRACHT-KOPPELING 1988 WRK lil Andijk (JJJ)
.c 2 o c
t-i-a
z ° l<
»
if u
>
dec
O
D Olieverbruik
Fig. 7.1
Electrisch A
+ Warmt» Totaal afgegeven
Opbrengsten van de W.K.K. over 1988
Uit de grafiek (zie fig. 7.1 en fig. 7.9) valt direct op dat de W.K.K.-Installatie in de periode van mei tot en met augustus niet of nauwelijks gedraaid heeft, dit is natuurlijk logisch omdat in de zomermaanden vrijwel geen warmte gevraagd wordt. Dat het rendement van de installatie in de maand september vrij laag is, heeft twee redenen n.l. een brandstof lekkage en er moest in deze periode voornamelijk pieklast worden weggedraaid. 111
Voor de bepaling van het rendement moet de energieinhoud van de brandstof bekend zijn. De hoeveelheid energie die uit de brandstof kan worden gehaald, is afhankelijk van de calorische waarde. De calorische waarde van de diesel-olie (HBü-1) is door de leverancier gesteld op 35800 kj/1 (onderste verbrandingswaarde). Dit komt overeen met 9,94 kWh/l [3]. ********************************************************
*
WARMTE/KRACHT-KOPPELING
*
******************************************************** * * *
* * * * * *
Jaarverbruik Warmte Jaaropbrengst Electra Jaaropbrengst Totale Jaaropbrengst Rendement Warmte/Kracht-verhouding
P(olie) P(warmte) P(elec) ^ P(tot) n K
* * * * * *
4241 MWh 1421 MWh 1486 MWh 29 07 MWh 69 % 0,96 -
* * * * * *
* * * ********************************************************
Fig. 7.2
Jaaropbrengst W.K.K.
De Warmte/Kracht-verhouding (K) gezien over het hele jaar "is 0,96. Dit is veel lager dan de 1,41 die in de ontwerpfase was berekend. Dit komt voornamelijk doordat de diesels pieklast moesten draaien, waarbij teveel warmte wordt opgewekt dan dat er gevraagd werd en dus moest worden weggekoeld. Ook het rendement (n) komt hierdoor veel lager uit (69 %) dan was voorspeld (85 % ) . Want als we alleen naar de eerste drie maanden van 1988 kijken, toen de installatie voornamelijk als Warmte/Kracht kon funktioneren, was het rendement van de W.K.K. veel hoger (zie fig. 7.3). De W.K.K. zal het beste funktioneren bij buitentemperaturen beneden de 10 "c. *******************************************************
*
WARMTE/KRACHT-KOPPELING
*******************************************************
P(elec) * MWh *
P(warmte) * MWh *
P(tot) * MWh *
*
* *
* *
Brandstof * MWh *
* jan * feb * mrt *
* * *
*
129 193 268
* * *
152 454 590
* .* *
28i 454 590
* * *
375 535 797
* * *
*
*
590
*
735
*
1325
*
1707
*
******************************************************* * * * * * *
*
*
*
*******************************************************
Fig. 7.3
Opbrengst W.K.K. over drie maanden
Hieruit volgt een
: RENDEMENT = 78 % WARMTE/KRACHT-VERHOUDING = 1 , 2 5 112-
*
7.2.
Opbrengstgegevens Windturbines
Voor het bijhouden van het elektrisch vermogen wat de Windturbines leveren (zie fig. 7.9), staat er op de Centrale Wacht een Hewlett Packard Computer, die alle gegevens van de Windturbines moet registreren en opslaan, zoals storingen, bladhoekverstelling en de 10 minuten gemiddelden van de windsnelheid en het afgegeven vermogen. 7.2.1.
Produktie van de Windturbines
De hoeveelheid elektrische energie die de beide Windturbines over het jaar gezien hebben geleverd, is weergegeven in een grafiek (zie fig. 7.4).
VERMOGEN WINDTURBINES 1988 WRK III Andijk
(JJJ)
100 90 80 m
70 -
3 60 Z hl O O 5
50 40 30 20 10 dec D
Turbine 51
Fig. 7.4
+
Turbina 52
♦
Totaal
Jaaropbrengst beide Windturbines
113
De rentabiliteit van Windturbines wordt, naast investerings- en onderhoudskosten, bepaald door de jaarlijkse energieproduktie. Deze energie produktie hangt af van het lokale windregime, het energetisch rendement, de ashoogte, de rotor-diameter en de beschikbaarheid van de turbine. De potentiële jaaropbrengsten zijn gekarakteriseerd door middel van de opbrengstfactor. Er zijn twee standaard opbrengstfactoren namelijk Cl en C2 ; Cl
is alleen afhankelijk van het rotoroppervlak. [7] [kWh/m2]
Cl = Ej/A Ej = potentiële jaaropbrengst A = bestreken rotoroppervlak C2
x
[kWh] [m2]
is afhankelijk van het rotoroppervlak en het lokale windregiem. [8] C2 = Ej/A.v3
[kWh.s3/m5]
Ej = potentiële jaaropbrengst A = bestreken rotoroppervlak v = jaargemiddelde windsnelheid
[kWh] [m2] [m/s]
********************************************************
*
WINDTURBINES
*
51
*
52
*
******************************************************** * * * . *
* * * * *
Potentiële jaaropbrengst Jaargemiddelde windsnelheid Bestreken rotoroppervlak Opbrengstfactor Opbrengstfactor.
Ej vA Cl C2
* 398,7* 399,4* * 6,28* 6,28* * 397,4* 397,4* * 1003,3 * 1004,9 * * 4,05 * 4,06 *
* * * * ********************************************************
Fig. 7.5
Opbrengstfactoren Windturbines
114
De gegevens van de beide Windturbines worden per maand opgestuurd naar de redactie van het maanblad "Duurzame Energie" [7]. Uit een publikatie van dit maandblad bleek dat de beide Windmasters van de W.R.K.III, qua opbrengst per m z rotor-oppervlak (= Cl), als de besten van Nederland naar voren kwamen (zie fig. 7.6).
ui Tabel 1 . Opbrengsten maanden oktober, november en decern ?er. Nr.
0349 0307 1014 1015 1013 1001 1008 0310 0334 0237
Lokatie
Eigenaar
URK3 ( 1 , 2 ) NIOZ VCBU-Fryslan ( 1 ) N.V. E.B. U s s e l m i j R.J. Politiek PEB - Friesland Gemeente Deersun U. Kingma P.E.B. Friesland P . Z . E . H . PEP 2
Andijk Horntje Zurich Urk Kimswerd Leeuwarden Deersun Ternaard Rinsunag. Sloegebiec
Fig. 7.6
Merk
HHZ U i n . 2x Bouma Lagerwey HHZ Uin.25x Lagerwey Aerotech Bouma Polenko Lagerwey Stork FDO
Gesorteerd op j'aarproduktie /m2.
Rotor As Ver In gediam hoog mogen bruik (m) (m) (kW) sinds 22.5 16.0 15.4 25.0 15.4 14.0 20.0 11.5 10.6 26.5
30.0 20.0 24.5 30.0 24.5 24.0 31.0 20.0 24.0 35.0
250.0 75.0 75.0 300.0 75.0 50.0 160.0 40.0 35.0 300.0
Maandopbrengsten (kwu - kUu/m2) OKTOBER
NOVEHBER
DECEMBER
01/08/87 50452 64 64565 81 95909 22/01/85 15758 78 13985 70 23681 26/01/88 14406 77 11910 64 22350 07/12/87 1027998 84 803483 65 1730752 22/12/87 11550 62 8490 46 16650 01/06/87 9432 61 7990 52 15860 01/08/87 19760 63 15680 50 30560 18/10/B4 4980 48 8360 05/06/86 4364 49 3496 40 6856 19/05/83 19753 36 16309 30 28381
De W.R.K.-III bovenaan in de top 10
JAN'88 - DEC'88
121 798064 1004 118 985 198003 930 120 173320 141 11356452 925 89 169730 " 911 103 863 132828 97 764 239984 80 65440 630 78 626 55236 51 308376 559
7.2.2-
PV-Curven
Aan het eind van 1988 is ook de PV-Curve bepaald voor beide Windturbines (zie fig. 7.7). De PV-curve geeft het geleverde vermogen (P) weer ten opzichte van de windsnelheid (V) . Uit de grafiek blijkt dat de turbines nog verder kunnen worden geoptimaliseerd, zodat Windturbine 51 bij windsnelheden tussen 4 en 10 m/s en Windturbine 52 tussen 10 en 16 m/s meer zal leveren. Dit kan gebeuren door bijvoorbeeld de bladhoekverstelling, de stand van de rotor t.o.v. de wind en dergelijke te verbeteren. Voor hogere snelheden is dit niet zo van belang, omdat deze minder vaak voorkomen.
PV—curve 260
5 c O O
£ O
>
+
WT 51
windsnelheid ( m / s ) O WT 52
F i g . 7.7
116
PV-curven
"Weibull—verdeling bij W.R.K. III (1988)
soo
\
800
-
700
-
^ ^
600
-
^ ^ \
500
-
\ \ \ \ \ \ \ \ \ \
400
-
\ \
300
-
^
200
-
100
-
\ \ \
\ \ \ \
\
^ ^ \
\
\ \ \ \ \ \
\
\ ^ ^ \
\ \ \ \ \
Nhl N hl 2
3
4
5
\ \
\
Nx
Q ryir^i.
bJ
6
7
8
X T—I—I—T 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 windsnelheid ( m / s )
F i g . 7.7a
Weibull-verdeling
117 -
7.3.
Energie verbruik van de W.R.K. III
Het totale elektrische energie verbruik van de W.R.K. was in 1988 ongeveer 7600 MWh. Hiervan werd ca. 800 MWh (= 10 %) geleverd dcor de Windturbines en bijna 1500 MWh (= 20 %) door de Warmte/Kracht-installatie. Samen hebben deze dus ongeveer 30 % van de totale elektrische energie-behoefte geleverd {zie fig. 7.8).
TOTAAL ELECTR. VERBRUIK
1988
WRK III Andijk (JJJ) WT 51 (5.35J) v 5 2 (5.35!)
WKK (19.65;)
PEN (69.85S)
Fig. 7.8
Electrische energie-behoefte van de W.R.K.-III
P.E.N. WT 51 WT 52 W.K.K. TOTAAL
5279 399 399 1486
=
MWh MWh MWh MWh
(69,8%) ( 5,3%) ( 5/3%) (19,6%)
7563 MWh" (100 %)
- 118
MEETGEGEVENS
|
PEN | WIND TURBINES| WARMTE KRACHT KOPPELING| | OLIE | 52 inkoop 1 51 | Pel Pwarmte| [MWh] [MWh] [*1000 1] | [MWh]1 [GJ] 1 [MWh]
ij
a n
| feb | mrt 1 aPr j mei
1J
1 1 1 | | |
un
jul 3 se P okt nov dec au
336 208 199 373 515 531 573 628 531 596 568 221
| totaa] 5279
42.43 | 53.25 53.52 41.30 26.75 39.39 27.94 33.92 26.94 34.62 25.26 24.04 27.87 27.33 18.65 18.26 36.81 28.85 15.71 34.75 31.47 32.24 46.80 49.99 398.70
1
37.7 53.8 80.2 47.8
2.6 2.6 0.0 1.0
87.0
9.0
11.0 94.0
427
399.4
|
129 1 193 |
268 167 9 8 0 4 309 17 39 343 1486
547 | 940 | 1159 | 464 | 68 | 47 | 2 1 34 | 202 | 122 | 280 | 1251 | 5117 |
BEREKENINGEN
|
|TURBINES| | WARMTE KRACHT INSTALLATIE Totaal | | Onderste verbrandingswaarde (HBO-1)| = 9.94 kWh/l vermogen j| | P(turb) | | P(elec) P(warmte) | P(tot) |P (MWh) (MWh) | | (MWh) (MWh) (brand| stof)| (MWh) j
1 Jan
|| || || || |1 |1 |1 |1 || |1 || ||
j totaal. 798.09 ||
| feb | mrt
1
a
Pr
| mei
1 Jun
1 1 1 | | |
jul 9 se P okt nov dec au
95.68 94.82 66.14 61.86 61.56 49.30 55.20 36.91 65.67 50.45 63.72 96.79
7.9
309 17 39 343
152 261 322 129 19 13 1 9 56 34 78 348
281 454 590 296 28 21 1 13 365 51 117 691
1486
1421
2907
129 193 268 167 9 B
o
4
Meetgegevens en berekeningen
119-
375 535 797 475 26 26
| | | | | |
10 865 89 109 934
| | | | |
o1
4241 |
8.
DE PLANNING VAN HET PROJECT 8.1.
Uitvoeringsfasen
De volgende uitvoeringsfasen zijn voorzien : I. Engineering en opdracht II. Levering materialen en/of aanvang montage III. Gereedkomen montage / in bedrijf stellen /optimaliseren IV. Demonstratie-fase 8.1.1. I.
Planning :
Engineering en opdracht In deze fase is de markt verkend op het gebied van windenergie en Warmte/Kracht. Diverse typen Windturbines en installaties voor Warmte/Kracht zijn onderzocht. Vervolgens zijn de details ontworpen door W.R.K. en de firma v. Rietschoten en Houwens te Rotterdam (R.& H.) . Verwacht werd, dat de opdracht eind juni 1986 aan de laatstgenoemde firma kon worden gegeven en dat 1 november 1986 met de bouw kon worden begonnen.
II.
Levering materialen en/of aanvang montage Nadat de opdracht aan de firma R. & H. was gegeven, zou deze zorgen voor de bestelling van de verschillende onderdelen t.b.v. de Windturbine. Voorts werd door R. & H. de firma Dynaf uit Alkmaar ingeschakeld voor de levering van de Warmte/Krachtinstallatie. De aanvang van de montage zou rond 1 november 1986 kunnen beginnen en een half jaar in beslag nemen.
III. Gereedkomen montage/in bedrijfstellen/optimaliseren Nadat de montage op of omstreeks 1 mei 1987 zou zijn gereedgekomen, zouden de installaties in bedrijf kunnen worden gesteld, waarna optimalisatie zou kunnen plaatsvinden. Deze fase zou naar verwachting op 1 september 1987 eindigen. IV.
Demonstratie-fase In deze fase, voorzien op 1 september 1987, zouden de resultaten en opbrengsten van het project worden getoetst aan de gestelde eisen. Geïnteresseerden zullen hiervan kennis kunnen nemen. Deze fase duurt volgens de oorspronkelijke plannen tot 1 september 1988.
120
8.1.2. I.
Uitvoering :
Engineering en opdracht In 1985 werd de markt op het gebied van Windturbines en Warmte/Kracht-installaties verkend, waarna in de loop van 1986 door medewerkers van de W.R.K. meet-, regel- en besturingstechnische ontwerpen werden gemaakt. Deze waren nodig om de te plaatsen turbines en Warmte/Kracht-installaties te kunnen aansluiten op eigen procescomputers en de hoogspanningsinstallatie. Om de te verwachten windsnelheden te kunnen meten werd een windmeetmast van 24 meter hoogte geplaatst . Om de dieselaggregaten parallel te kunnen laten draaien met het openbare net moesten deze worden voorzien van een cos-phi-regeling. Diverse besprekingen werden gehouden met de uitvoerende firma's. Vervolgens werd op 19 september 1986 aan de firma Van Rietschoten & Houwens Elektrotechnische Maatschappij B.V. (R. & H.) te Rotterdam de opdracht op turn-key basis gegeven van het project.
II.
Levering materialen en/of aanvang montage In het vierde kwartaal van 1986 werden sonderingen uitgevoerd voor de funderingen van de Windturbines . Verder werd begonnen met het graven van de sleuven t.b.v. de bekabeling van de turbines. Overeenkomstig met de planning werden twee van de drie dieselaggregaten omgebouwd en ingeregeld t.b.v. de Warmte/Kracht-Koppeling (zie fig. 8.1 en fig. 8.2).
Fig. 8.1
Het cv.-water wordt over een grote afstand getransporteerd 121
Gedurende het eerste kwartaal van 1987 werd de fundatie van de twee turbines ontworpen en berekend. In verband met een langdurige vorstperiode werd het heien van de 20 betonpalen enige weken uitgesteld. De fundatieblokken voor de twee Windturbines en voor een trafohuisje kwamen gedurende het tweede kwartaal van 1987 gereed. Tevens werd het trafohuisje geplaatst en verankerd.
Fig. 8.2
Detail ombouw van de Diesel (rechts W.K.K.)
Tegen het einde van het tweede kwartaal werden de masten van de windturbines geplaatst. Dit is niet vlekkeloos verlopen. De boutgaten in de flenzen aan de voet van de masten kwamen niet geheel overeen met de plaat van de in het beton gestorte fundatiebouten. Deze flenzen zijn daarna' aangepast. In de hoogspanningsruimte van de W.R.K. werd gedurende het tweede kwartaal een vermogensschakelaar t.b.v. de windturbines geplaatst en in bedrijf gesteld. Tevens werden er aanpassingen gemaakt, zodat terug leveren mogelijk werd. In de ruimte van de dieselaggregaten werd Halon-blusinstallatie aangebracht.
een
De termijn waarbinnen de Windturbines zouden worden opgeleverd (1 mei 1987) werd vertraagd naar november 1987 (in mei 1988 werkten ze redelijk storingsvrij).
122-
III. Gereedkomen montage/in bedrij fstellen/optimaliseren De Windmolens werden in het derde kwartaal van 1987 in bedrijf gesteld. Sinds januari 1988 leverden ze behoorlijk vermogen. Een simulatie-model van de windmolens is gemaakt om het inschakelgedrag te bestuderen. De tandwielkasten van de turbines is gemodificeerd om de geluidsproduktie te verminderen. Aan de hand van geluidsmeting is gebleken dat de turbines qua geluid nu veel minder produceren. Na onderzoek is gebleken dat een homopolaire stroom de oorzaak was dat de generator regelmatig uitschakelde t.g.v. een te hoge stroom. Om de Warmte/Kracht-installatie in de wintermaanden te kunnen gebruiken, moest een noodvoorziening worden geïnstalleerd om de homopolaire stromen te dempen (zie 6.1.1). IV.
Demonstratie-fase De aanvang van de demonstratie-fase is tengevolge van vertragingen uitgesteld naar januari 1988 en liep in februari 1989 af.
8.2.
Werkschema
In fig. 8.3 zijn de verschillende hiervoor genoemde fasen zoals het gepland was en zoals het is uitgevoerd grafisch weergegeven.
123
WERK-SCHEMA
1986 FASEN 00
SI (D H ■P»
en o (D
J MAMJJASDND j
1987
1988
MAMJJASDND JFMA
1989
JASEKEJFMAMJJASDND
,/./,/,/■/,/„/ A
Y WWWl
z zza sxx w w w w
3
f771
x: \\W\V\N TT71TTTTTT7\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \
T771 GEPLAND
^
W W ! UITGEVOERD
9.
KOSTENOVERZICHT 9.1 Investeringen De opdracht tot de realisatie van het project "Windenergie-warmte/krachtkoppeling voor de produktie en het transport van water" werd op 19 seeptember 1986 gegeven. Dit was nog binnen de voorziene termijn van de l e fase, die eind oktober 1986 afliep. De in de l e fase gedane totale investeringen excl. btw bedroegen Dfl. 117.370,35, excl. Dfl. 47.147,- voor personeelskosten. De raming voor deze periode was Dfl. 536.400,-. Het verschil in uitgaven in deze periode werd in belangrijke mate veroorzaakt, doordat de eerste aanbetaling van de aanneemsom eerst in 1987 kon worden overgemaakt, nadat alle technische gegevens voor het aanvragen van vergunningen waren ontvangen. De werkzaamheden in de tweede fase liepen uit tot 1 juni 1988, wat een vertraging van ruim 1 jaar opleverde ten opzichte van de planning. De oorzaak hiervan was voornamelijk gelegen in de door de turbines veroorzaakte geluidsoverlast en de als gevolg hiervan vereiste ontwikkeling van geluidsarme tandwielkasten. De gemaakte kosten in fase II bedroegen Dfl. 1.277.509,29. Genoemd bedrag omvatte een totaal van Dfl. 1.127.805,- als l e tot en met 3 e aanbetaling op de aanneemsom en Dfl. 149.704,29 voor diverse leveringen. Hierbij komt nog een bedrag van Dfl. 84.662,01 voor personeelskosten. De raming voor fase II bedroegen Dfl. 809.900,-, waarvan Dfl. 381.900,- voor 1 turbine en Dfl. 238.025,voor 1 WKK worden gesteund door de Commissie. De meeruitgaven zijn o.a. veroorzaakt door: . de in deze fase gedane le aanbetaling die was voorzien in fase I (Dfl. 470.000,-) 2. extra kosten voor optimalisatie (b.v. veilig heidsvoorzieningen). De uitgaven in fase III bedroegen Dfl. 909.741,01 waarvan Dfl. 751.870,- als slotbetaling van de aanneemsom, Dfl. 157.871,01 voor diverse leveringen. In deze fase gold een bedrag van Dfl„. 41.810,93 voor personeelskosten (1 turbine en 1 wkk). De raming voor deze fase bedroeg Dfl. 634.700,-. Het verschil met de werkelijke uitgaven wordt voornamelijk veroorzaakt doordat in deze fase een aantal slotbetalingen van de aanneemsom en aanvullende opdrachten moesten worden voldaan. De geluidshinder van de windturbines werd in deze fase tot meer aanvaardbare proporties teruggebracht; verder werd optimalisatie verricht aan de Warmte/Krachtkoppeling-installatie. -125
Vanaf medio 1988 zijn tot de samenstelling van dit rapport geen investeringen voor de leverantie en diverse leveringen meer gedaan. Wel is nog een bedrag van Dfl. 40.246,50 (1 turbine en 1 wkk) nodig voor personeelskosten i.v.m. optimalisatie en administratieve afwerking. De raming bedroeg Dfl. 246.600,-. Aangezien de personeelskosten voor het gehele werk nauwelijks afweken van de opgegeven ramingen zijn deze gelijk gehouden aan de totale raming voor het project. Deze laatste raming - derhalve voor alle fasen - bedroeg Dfl. 2.227.600,-. Rekening houdend met een te verrekenen post ad Dfl. 1.320,- bedroegen de totale investeringskosten Dfl. 2.303.300,65 -, excl. Dfl.269.580,34 voor personeelskosten. De investeringskosten en de personeelskosten samen overtroffen de in het kontrakt genoemde totale raming met Dfl. 345.280,99 (=15,5%).
126
10.
VOORUITZICHTEN 10.1
Ekonomische haalbaarheid
De vooruitzichten voor de ekonomische haalbaarheid van het projekt werden onderzocht en vermeld in sectie C van bijlage 1 behorende bij het kontrakt voor het projekt. De berekeningen worden thans opnieuw bekeken in verband met de werkelijk gedane uitgaven voor het projekt. a.1
Technisch Nominale kapaciteit van de windturbines 2 x 250 kWh 2 x 1 diesel (om beurten 1 diesel) a 600 kWh Gemiddelde opbrengst per maand op basis van de opbrengsten over 1988: windturbines 66150 kWh wkk 123833 kWh (elektrisch) 118417 kWh (thermisch) Hieronder is begrepen 43.994 kWh per maand voor het zg. pieklastdraaien. De windturbines zijn bij voldoende wind permanent in bedrijf.
a.2
Investeringskosten De werkelijke kosten van het projekt - excl. personeelskosten - bedroegen Dfl. 2.303.300/-. Voor genoemd bedrag werden langlopende leningen afgesloten met een gemiddelde rente van 6,8%. De jaarlijkse rente bedraagt Dfl. 82.228,-. De afschrijving vindt plaats in 20 jaar. De personeelskosten bedroegen Dfl. 269.580,34.
127 -
a.3
Exploitatiekosten De kosten van onderhoud zijn nog niet precies bekend, omdat tot 1 mei 1989 een garantietermijn geldt. Bij onderzoek naar te sluiten kontrakten voor onderhoud kan echter de volgende raming worden samengesteld: a. kapitaalslasten per jaar: Dfl. 211.016,b. variabele kosten Dfl. 211.940,c. vaste kosten WKK " 22.000,d. vaste kosten turb. " 30.097.totaal Dfl. 264.037,b.t.w. 20% " 52.807,316.844.totale kosten inkl. b.t.w. Dfl. 527.860,-
b.
Vergelijking met konventionele methode Gedurende 1988 werd voor elektriciteit uit het openbare net gemiddeld Dfl* 0,1458 (excl.btw) per kWh betaald. Van het openbare net werd 5.284.020 kWh afgenomen. De turbines leverden en de WKK leverde pieklastdraaien totaal eigen opwekking
798.100 1.486.000 527.928 1.756.172
kWh kWh kWh ./. kWh
De waarde van de laatstgenoemde hoeveelheid è Dfl. 0,1458 is Dfl. 307.260,- (inkl. 20% btw). Voorts is met de WKK 1.421.000 kWh aan thermische energie opgewekt. De waarde hiervan is te stellen op 191.125 liter HBO è Dfl. 37,14 per 100 liter. Dit geeft een bedrag van Dfl'. 70.984,- of Dfl. 85.181,- inkl. btw. De waarde van de jaarlijks op' te wekken elektriciteit inkl. 20% btw bedraagt derhalve Dfl.392.441,-. c.
Het verschil tussen de kosten van de opgewekte energie en de verkoopwaarde ervan bedraagt -Dfl. 135.419,- inkl. btw.
d.
Geschatte terugverdient!jd Aangezien er een negatief verschil is, is er geen terugverdient!j d.
128
e.
Geschatte ekonomische vooruitzichten De voorgaande berekeningen tonen aan, dat dit projekt zonder subsidie van de EG en van het Ministerie van Volkshuisvesting en Ruimtelijke Ordening te 's-Gravenhage ekonomisch niet rendabel is. De lagere elektriciteitstarieven - mede veroorzaakt door een relatief lage olieprijs - zijn hier . mede debet aan.
10.2 Ekonomische toekomst
haalbaarheid
voor
pro-jekten
in
de
Het doel van het projekt was een zorgvuldig en ekonomisch verantwoord gebruik van energie, waarbij het milieu zo min mogelijk wordt aangetast. Het eerste gedeelte - het zorgvuldige gebruik van energie - kan met het onderhavige projekt worden aangetoond. Het tweede gedeelte - een ekonomisch verantwoord gebruik van energie - geeft meer problemen, zoals uit de hiervoor genoemde financiële gegevens blijkt. Indien echter de prijs van toekomstige turbines aanzienlijk zou worden verlaagd, terwijl bovendien de olieprijs hoger zou zijn dan thans, zou een zeer ekonomische bedrijfsvoering kunnen worden gevoerd. Bij de aanvraag voor EG-subsidie was de olieprijs aanzienlijk hoger dan thans: 0,60 Dfl. (toen) ten opzichte van 0,37 Dfl. thans.
11
Mate van succes en vooruitzichten 11.1 Met betrekking tot dit projekt Windturbines van het type 250 kW zijn in onderhoud betrekkelijk laag in prijs. De opbrengst is rela-2 tief hoog. Gedurende 1988 was de opbrengst per m rotoroppervlak de hoogste in vergelijking met andere windturbines in Nederland. De kosten van onderhoud kunnen op een ekonomisch aanvaardbare basis worden gehouden. De beschikbaarheid en betrouwbaarheid van de turbines zijn hoog. De opbrengst van de windturbines ten opzichte van de Warmte-/Krachtinstallatie is klein. De WKK heeft een hoger rendement. Er moet veel aandacht worden gegeven aan het geproduceerde geluid. Op een afstand van 425 meter vanaf het waterwinstation produceren de turbines nu een geluidssterkte die ongeveer 40 dB(A) bedraagt. Eventuele geluidsoverlast voor omwonenden blijft derhalve de aandacht houden. 129
Door de hoge eisen die zijn gesteld met betrekking tot de vermindering van geluidshinder van de windturbines, heeft de technische oplossing van bedoeld probleem intensieve aandacht gekregen. Dit kan leiden tot de toekomstige produktie van geluidsarme windturbines. De voornaamste technische problemen met de windturbines en de Warmte-/Krachtinstallatie zijn inmiddels opgelost, maar verdere verbeteringen zijn mogelijk. 11.2 Toekomstige technische ontwikkelingen De ontwikkeling van turbines met een nog grotere kapaciteit is in volle gang. Afgewacht moet worden of de geluidsoverlast van deze machines ook zover kan worden teruggedrongen, dat plaatsing van dergelijke turbines op grotere schaal mogelijk wordt. Technische verbeteringen die de kosten van onderhoud zouden kunnen verlagen zouden de rentabiliteit van de machines kunnen verhogen. 11.3 Werkgelegenheid Hoewel de werkgelegenheid bij het waterwinstation "Prinses Juliana" van de Watertransportmaatschappij Rijn-Kennemerland (N.V. W.R.K.) door het projekt niet is uitgebreid, kan toch worden gesteld, dat de onderhoudswerkzaamheden een tweetal manjaren vragen voor medewerkers van buitenfirma's. Overigens heeft de technische bewaking van het gehele projekt wel het werkpakket van het aanwezige personeel van de N.V. W.R.K. uitgebreid. Afgewacht zal moeten worden of het laatste in de komende jaren nog aanleiding zal zijn voor personeelsuitbreiding. 11.4 Invloed op de markt Vooral waar het windregiem gemiddeld ongeveer op de 7 m/sec ligt zal de mogelijkheid voor de plaatsing van turbines aanwezig zijn. Hiervoor komen een aantal delen van Nederland met name de kusten van de Noordzee en het IJsseimeer in aanmerking. Op het terrein van het waterwinstation "Prinses Juliana" wordt ruimschoots aan de bovengenoemde eis voldaan.
- 130
11.5 Industriële eigendom De leverancier van de windturbines - HMZ te St. Truiden - heeft een oktrooi aangevraagd voor de elektronische regeling van de opstartsnelheid van de rotorbladen. Door deze regeling worden besparingen verkregen bij de technische uitvoering van de turbines.
131 -
12
LITERATUURLIJST
[1]
HTS-Alkmaar afstudeerverslag (E77-SE-88) : Onderzoek naar de stabiliteit van de blindlastregeling bij een drietal noodstroomaggregaten, waarvan er twee zijn omgebouwd tot een Warmte/Kracht-Koppeling. Jan Joh. Jansen (W.R.K.-III) mei 1988
[2]
Geluidsmetingen aan de HMZ-Windmaster Windturbines bij de W.R.K.-III Jan Joh. Jansen (W.R.K.-III) oktober 1988
[3]
Optimalisatie Warmte/Kracht installatie bij de W.R.K.-III J.F.M. Paleari (W.R.K.-III) juli 1988
[4]
Jaarrapport n.v. Watertransportmaatschappij RijnKennemerland 1987
[5]
De asynchrone machine in generatorbedrij f (toegespitst op de Windturbinetechniek) T.P.C. Verbruggen (W.R.K.-III) oktober 1987
[6]
Windmaster Een publicatie van Windmaster Nederland Van Rietschoten & Houwens
[7]
Publikatie van Duurzame Energie november 1988 (pagina 58)
[8]
De energieproduktie van Windturbines Stichting Energieonderzoek Centrum Nederland N.J.C.M, van der Borg, A. Curvers, W.J. Stam ECN-88-046
[9]
Veiligheid in ruimten bewaakt door Halon 1211 brandblusinstallaties Uitgave van het Directoraat-Generaal van de Arbeid van het Ministerie van Sociale Zaken en Werkgelegenheid. P165
132
BIJLAGEN Onderwerp
blz
BIJLAGE 1
134
Onderdelen/toeleveranc iers
134
BIJLAGE 2 OMSCHRIJVING WINDTURBINE Rotor Mast Rotorgondel Tandwielkast Asynchrone Generator Hydrauliek Remsysteem Regelsysteem Trafo
135 135
BIJLAGE 3 OMSCHRIJVING WARMTE/KRACHT-KOPPELING Diesel Actuator Primaire vermogensregelaar Secundaire vermogensregelaar Synchrone Generator
138 138
133-
BIJLAGE 1 Onderdelen/toeleveranc iers Molen "WINDMASTER" Rotorbladen Tandwielkast Generator Hydrauliek Microprocessor Mast (staal) Proces Computer Trafo ELMOWA
N.V. H.M.Z. (België) Stork Ventilatoren (Hengelo) Hansen (Antwerpen) B.B.C. (West-Duitsland) Vickers (Engeland) Vector (België) Petitjean (Frankrijk) Hewlett & „Packard J.H. Doorman
Verantwoorde1i j ke hoo fdaannemer
Van Rietschoten & Houwens (Rotterdam)
Uitvoerend aannemer WKK-gedeelte
Dynaf B.V. Fabriek van apparatuur voor Energieopwekking (Alkmaar)
134-
BÏJLAGE 2
OMSCHRIJVING WINDTURBINE Rotor 3 22,5 m linksom ca. 54 omw/min up-wind hydraulische kruimotor windsensor 3 kW motor tbv hydropomp met glasvezel versterkt2 polyester 400 m hydraulisch-mechanish ca. 31 meter
Aantal bladen (hol) Diameter Draairichting Draaisnelheid Positie (t.o.v. de mast) Oriëntatie op de wind Rotorbladmateriaal Beschreven rotoroppervlak Bladhoekverstelling Rotoras-hoogte Mast
staal ST 37-2 conisch/ongetuid met fundatieflens 30 meter (3-delig) verzinkt zowel binnenals buitenzijde en bedekt met een organische deklaag stalen, afsluitbare deur in mastvoet.
Materiaal Opgebouwd Mastlengte Bescherming
Toegang in de mast Rotorgondel
staal ST 52-3 verzinkt zowel binnenals buitenzijde en bedekt met een organische deklaag RAL 5007 staal; scharnierend en afsluitbaar mangat in bodemplaat middels een kooiladder, aan binnenzijde mast gemonteerd, incl. twee bordessen met hijsluiken een elektrische lier per turbine, in de gondel gemonteerd ten behoeve van verticaal transport
Materiaal Bescherming Kleur Bovenkap Doorgang (via binnenzijde) Afdaling naar mast
Lier
135
Tandwielkast Type Overbrengingsverhouding
: PIV : ca. 1:28 3-traps
Asynchrone Generator Merk Aantal polen Vermogen Arbeidsfaktor Voltage Frequentie Rotatiesnelheid Beschermingsklasse
: : : i: i: ! i :
BBC 4 250 kW 0,88 380 V 50 Hz 1510 omw/min IP 55
Hydrauliek Opstelling
: separate uni elektrische aandrijfmotor. bediening van bladhoekverstelling en kruimechanisme (hydraulische kruimotor) IP 56 Rexroth
Funkties
Isolatie-klasse Fabrikaat Remsysteem Normaal remmen
geschied uitsluitend aërodynamisch d.m.v. bladhoekverstelling naar vaanstand bandrem tussen generator en tandwielkast
Mechanische handrem
Regelsysteem Fabrikant Type
Vector International VI 8088 16 bit microprocessor over het gehele bereik bladhoekverstelling Patent HMZ Nr. 891.429/Fo 3 D bladhoekverstelling
Vermogensregeling
Overtoeren-regeling
- 136
Trafo
t.b.v. 2 turbines
Fabrikant Type Vermogen Kortsluitspanning Nullastverliezen Kortsluitverliezen Primaire spanning Secundaire spanning Schakeling
ELMOWA Step-up 630 kVA 4 % 910 Watt 6500 Watt 380 V 10 kV DY N 11
137
BIJLAGE 3 OMSCHRIJVING WARMTE/KRACHT-KOPPELING Diesel Merk Type Serie nr. Vermogen
Cummins KTA-2300-G 33102661 DIN A : 634 kW DIN B : 701 kW Water via warmtewisselaar
Koeling Actuator Merk Type
Woodward EG-3P
Primaire vermocrensreaelaar Merk Type
Woodward 2301 Load Sharing & SpeedControl
Secundaire vermoaensreaelaar Merk Type
Woodward 8272-350 Proces Controller
Synchrone Generator Merk Type Serie nr.'s Klemspanning Norn. Vermogen Norn. Stroom Arbeids faktor Nom. toerental Aantal polen Temperatuur koelmedium Isolatie klasse Bekrachtiging
A. v. Kaick DIDB 130/120G/4D 8092 84/85/86 10 kV 800 kVA 46,2 A 0,8 1500 omw/min 4 max. 40 °C F IP 23 80 V / 4 A
-138-
European Communities — Commission Europese Gemeenschappen — Commissie EUR 12384 — T w o 250 kW windturbines and t w o 600 kW total energy installations Twee 250 kW windturbines en twee 600 kW warmte/ krachtinstallaties Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities Luxemburg: Bureau voor officiële publikaties der Europese Gemeenschappen 1989 — VI, 138 pp. — 21.0 x 29.7 cm Energy series Serie: Energie EN/NL ISBN 92-826-0904-9 Catalogue number: C D-NA-12384-2M-C Catalogusnummer: Price (excluding VAT) in Luxembourg: c r i | 11 25 Prijs in Luxemburg (exclusief BTW):
In this report the project as erected at NV WRK at Andijk is described. The project consists of two windturbines of the Windmaster type, each with a capacity of 250 kW combined with two total energy installations each with an electrical capacity of 600 kW. A technical explanation of the windturbines and the total energy installations is given. Also reported is the mean output per month which the windturbines and the total energy installations have already provided. The project was officially delivered on 1 May 1988, although a significant number of activities still had to be finished and all equipment had to be optimized. After the start-up phase a number of breakdowns occurred which were not anticipated. A description of how these were or are being solved is given. Due to this it is expected that the project will be finished in the spring of 1989. Finally a financial review of the total project is given.
In dit eindrapport wordt het project beschreven, dat staat opgesteld bij de WRK-III in Andijk. Het project bestaat uit een tweetal windturbines van het type Windmaster, elk met een capaciteit van 250 kW in combinatie met een tweetal warmte/krachtinstallaties met elk een elektrisch vermogen van elk 600 kW. Er wordt een technische uitleg gegeven van de windturbines en de warmte/ krachtkoppeling. Aan de orde komt ook wat de windturbines en de warmte/ krachtkoppeling per maand gemiddeld al hebben geleverd. Het project is op 1 mei 1988 officieel opgeleverd, alhoewel nog wel een behoorlijk aantal werkzaamheden diende te worden afgemaakt en alle apparatuur nog geoptimaliseerd moest worden. Na de opstartfase zijn ook nog een aantal storingen ontstaan, die niet waren voorzien. Beschreven wordt hoe deze storingen zijn of worden opgelost. Ten gevolge hiervan wordt verwacht dat alles pas echt gereed is in het voorjaar van 1989. Ten slotte wordt een financieel overzicht gegeven over het gehele project.
Venta y suscripciones • Salg og abonnement • Verkauf und Abonnement • Πωλήσεις κΑΙ ΣΥνδpoμές Sales and subscriptions • Vente et abonnements • Vendita e abbonamenti Verkoop en abonnementen • Venda e assinaturas BELGIQUE / BELGIË
FRANCE
UNITED KINGDOM
Monlteur beige / Beigisch Staatsblad Rue de Louvain 42 / Leuvenseweg 42 1000 Bruxelles/ 1000 Brussel Tel. (02)512 00 26 Telefax 511 01 84 CCP / Postrekening 000-2005502-27
Journal officiel Service des publications des Communautós européennes 26, rue Desaix 75727 Paris Cedex 15 Tél. (1) 40 58 75 00 Telefax (1) 40 58 75 74
HMSO Books (PC 16) HMSO Publications Centre 51 Nine Elms Lane London SW8 5DR Tel. (01) 873 90 90 Fax GP3 873 84 63
Sous-dépöts / Agentschappen: Librairie européenne / Europese Boekhandel Avenue Albert Jonnart 50 / Albert Jonnartlaan 50 1200 Bruxelles/ 1200 Brussel Tél. (02) 734 02 81 Telefax 735 08 60 Jean De Lannoy Avenue du Roi 202 /Koningslaan 202 1060 Bruxelles/ 1060 Brussel Tél. (02) 538 51 69 Telex 63220 UNBOOK B CREDOC Rue de la Montagne 34 / Bergstraat 34 Bte 11 / Bus 11 1000 Bruxelles / 1000 Brussel DANMARK J. H . Schultz Information A/S EF-Publikationer Ottiliavej 18 2500 Valby Tlf. 36 44 22 66 Telefax 36 44 01 41 Girokonto 6 00 08 86 BR DEUTSCH LAND Bundesanzeiger Verlag Breite Strafte Postfach 10 60 06 5000 Köln 1 Tel. (0221) 20 29-0 Fernschreiber: ANZEIGER BONN 8 882 595 Telefax 20 29 278 GREECE G.C. Eleftheroudakis SA International Bookstore Nikis Street 4 10563 Athens Tel. (01) 322 63 23 Telex 219410 ELEF Telefax 323 98 21 Sub-agent for Northern Greece: Molho's Bookstore The Business Bookshop Tsimiski Street 10 Thessaloniki Tel. (031) 27 52 71 Telex 412885 LIMO ESPANA Boletln Oficial del Estado Trafalgar, 27 28010 Madrid Tel. (91) 446 60 00 Mundi-Prensa Libros, S.A. Castelló. 37 28001 Madrid Tel. (91) 431 33 99 (Libros) 431 32 22 (Suscripciones) 435 36 37 (Dirección) Telex 49370-MPLI-E Telefax (91)275 39 98 Sucursal: Libreria Internacional AEDOS Consejo de Ciento, 391 08009-Barcelona Tel. (93) 301 86 15 Telefax (93) 317 01 41
IRELAND Government Publications Sales Office Sun Alliance H ouse Molesworth Street Dublin 2 Tel. 71 03 09
Sub-agent: Alan Armstrong Ltd 2 Arkwright Road Reading, Berks RG2 OSQ Tel. (0734) 75 18 55 Telex 849937 AAALTD G Fax (0734) 75 51 64
or by post Government Stationery Office EEC Section 6th floor Bishop Street Dublin 8 Tel. 78 16 66 Fax 78 06 45
SUISSE
ITALIA
Manz'sche Verlagsund Universitatsbuchhandlung Kohlmarkt 16 1014 Wien Tel. (0222) 531 61-0 Telex 11 25 00 BOX A Telefax (0222) 531 61-81
Licosa Spa Via Benedetto Fortini. 120/10 Casella postale 552 50125 Firenze Tel. (055) 64 54 15 Telefax 64 12 57 Telex 570466 LICOSA I CCP 343 509 Subagenti: Libreria scientifica Lucio de Biasio ■ AEIOU Via Meravigli, 16 20123 Milano Tel. (02) 80 76 79 Herder Editrice e Libreria Piazza Montecitorio, 117-120 00186 Roma Tel. (06) 679 46 28/679 53 04 Libreria giuridica Via 12 Ottobre. 172/R 16121 Genova Tel. (010) 59 56 93
OSEC Stampfenbachstrafte 85 8035 Zurich Tél. (01) 365 51 51 Fax (01) 365 52 21 ÖSTERREICH
TÜRKIYE Diinya super veb ofset A.S. Narlibahge Sokak No. 15 Cagaloglu Istanbul Tel. 512 01 90 Telex 23822 DSVO-TR UNITED STATES OF AMERICA UNIPUB 4661-F Assembly Drive Lanham, MD 20706-4391 Tel. Toll Free (800) 274 48 88 Fax (301) 459 00 56 Telex 7108260418
GRAND-DUCHÉ DE LUXEMBOURG Abonnements seulement Subscriptions only Nur für Abonnements Messagerie8 Paul Kraus 11, rue Christophe Plantin 2339 Luxembourg Tél. 48 21 31 Telex 25 15 CCP 49242-63
CANADA Renouf Publishing Co., Ltd 61 Sparks Street Ottawa Ontario K1P 5R1 Tel. Toll Free 1 (800) 267 41 64 Ottawa Region (613) 238 89 85-6 Telex 053-4936
NEDERLAND
JAPAN
SDU uitgeverij Christoffel Plantijnstraat 2 Postbus 20014 2500 EA 's-Gravenhage Tel. (070) 78 98 80 (bestellingen) Telefax (070) 47 63 51
Kinokuniya Company Ltd 17-7 Shinjuku 3-Chome Shiniuku-ku Tokyo 160-91 Tel. (03) 354 01 31
PORTUGAL Imprensa Nacional Casa da Moeda, EP Rua D. Francisco Manuel de Melo, 5 1092 Lisboa Codex Tel. (01) 69 34 14 Di8tribuidora de Livros Bertrand, Ld.1 Grupo Bertrand, SARL Rua das Terras dos Vales, 4-A
Journal Department PO Box 55 Chitose Tokyo 156 Tel. (03) 439 01 24 AUTRES PAYS OTHER COUNTRIES ANDERE LANDER Office des publications officielies des Communautós europóennea 2, rue Mercier
NOTICE TO THE READER o> All scientific and technical reports published by the Commission of the European Communities are announced in the monthly periodical 'euro abstracts'. For subscription (1 year: ECU 76.50) please write to the address below.
0)
O O I
z >
A A N D E LEZER
CO
Alle door de Commissie van de Europese Gemeenschappen gepubliceerde wetenschappelijke en technische rapporten worden aangekondigd in het maandblad „euro abstracts". Abonnementen (1 jaar: ECU 76.50) zijn verkrijgbaar op onderstaand adres.
Price (excluding VAT) in Luxembourg: ECU 1 1 2 5 Prijs in Luxemburg (exclusief BTW): —! — . * OFFICE FOR OFFICIAL PUBLICATIONS
ISBN
L-2985 Luxembourg
O
T2-a2b-DTDi4-^ llll llllll llllllll llllllllllll
** EUR *» OFTHE EUROPEAN COMMUNITIES
* O P * BUREAU VOOR OFFICIËLE PUBLIKATIES * * * * * DER EUROPESE GEMEENSCHAPPEN
00
III I
9
I I I llllll
]ll llllll llll|ll llllllllll| 789282 609040
