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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Endung bezieht sich
im allgemeinen auf den Betrieb einer Überdruckturbine (Reaktionsturbine)
zur Stromerzeugung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf
die Optimierung der Leistung einer Kaplanturbine durch geeignetes Einstellen
der Laufschaufelteilung und des Stauklappenwinkels als eine Funktion
einer Anzahl von Betriebsparametern, die geeignet sind, die Turbinenleistung
zu beeinflussen.
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Mehrere unterschiedliche Turbinenkonfigurationen
sind im allgemeinen bekannt in der Technik der hydroelektrischen
Stromerzeugung, umfassend feststehende und einstellbare Schaufelausführungen und
Reaktions- und Impulstypen. Eine bekannte Turbine des Reaktionstyps,
im allgemeinen bezeichnet als Kaplanturbine, umfasst beides, einen
(Propeller-)Läufer
mit einstellbaren Schaufeln und bewegbare Stauklappen. Die Stauklappen,
welche typischerweise rotierbar sind über Achsen, parallel oder geneigt
im Hinblick auf die Turbinenwelle, erlauben die Regulierung einer
Strömung über den
Läufer,
während
die Einstellung der Laufschaufeln die Regulierung des Turbinenwirkungsgrades über einen
weiten Bereich der Leistungsabgabe erlaubt. Die geeignete Einstellung
von beidem, den Stauklappenpositionen und der Schaufelneigung oder
des Schaufelwinkels kann daher eine beachtliche Steuerung der Turbinenleistung
leisten und kann koordiniert werden, um eine Spitzenleistung als
eine Funktion von verschiedenen Betriebsparametern zu erhalten,
typischerweise das Gefälle,
die Strömung
und den Wert der Stromerzeugung. Die geeigneten Einstellungen für die Klappenpositionen
und die Schaufelneigung müssen
jedoch für
gewünschte
Betriebsparameter bestimmt werden, um der Systemsteuerung zu erlauben,
dass sie die notwendigen Einstellungen vornimmt, weil die Parameter
sich in Realzeit (Echtzeit) ändern.
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Verschiedene Techniken wurden vorgeschlagen
für die
Optimierung der Leistung von Kaplanturbinen. Bekannte Systeme verwenden
typischerweise rechnergestützte
oder virtuelle Kurvenoberflächen, welche
Klappenpositionen und Schaufelneigung auf das Gefälle, die
Strömung
und den Wert der Stromerzeugung beziehen (typischerweise bezeichnet
als eine dreidimensionale oder 3D CAM). Solche Systeme sind in der
Lage, in Echtzeit gewünschte
oder tatsächliche
Werte des Gefälles,
der Strömung
und der Leistung zu überwachen
und automatisch die Einstellung der Klappenpositionen und der Schaufelneigung
zu befehlen, um den modellierten oder empirisch geschätzten Spitzenturbinenwirkungsgrad
aufrechtzuerhalten.
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US-A-4 794 544 offenbart ein Verfahren
zur Optimierung der Leistung von einer Stromerzeugungseinheit mit
einer Kaplanturbine, umfassend Stauklappen, welche bewegbar in gewünschte Positionen
sind, und Laufschaufeln, welche bewegbar in gewünschte Neigungspositionen sind.
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Die gesagte Einheit verwendet eine
herkömmliche
3D elektronische Kurve, welche nur drei Dimensionen für das Steuern
des Turbinenbetriebes erlaubt. Die gesagte Vorrichtung berücksichtigt
nicht bestimmte Betriebsparameter, welche den Turbinenwirkungsgrad
beeinflussen.
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Aus der EP-A-0 644 331 ist bekannt,
Turbinenoptimierungen auszuführen
mit konstanten Strömungsraten.
Die Vorrichtung, weiche dort offenbart wird, ist jedoch nicht in
der Lage, die optimale Einstellung der Schaufelposition zur Verfügung zu
stellen, wenn sich der Zustand des Einlaufrechens ändert.
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Weil die Modellleistungsdaten in
Installationen mit großem
Umfang wesentlich von den tatsächlichen
Charakteristiken abweichen können,
wurden Techniken vorgeschlagen, zum Sammeln der tatsächlichen/aktuellen
Turbinenleistungsdaten, zum Ersetzen oder Ergänzen der Modelldaten. Beispielsweise
wird in einer solchen Technik ein Einstellungspunkt der Stromerzeugung
bestimmt und nachfolgend beibehalten, wenn die Stauklappen und die Laufschaufeln
durch eine Serie von Positionen bewegt werden. Der Wirkungsgrad
der Turbine wird geschätzt
und, basierend auf dem Ergebnis der Batterie von probierten Positionskombinationen,
werden vermutete Gatter-/Klappen- und Schaufelpositionseinstellungen
mit maximalem Wirkungsgrad für
das Betriebsgefälle
und die Durchflussrate gespeichert für die zukünftige Verwendung in der 3D
CAM (3D-Kurve). Bei anderen Techniken wird ein Betriebsparameter,
wie zum Beispiel Druck oder Lagerlast, überwacht und verwendet als
ein Indikator für
eine optimale Position der Stauklappen und der Läuferschaufeln.
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Während
solche Techniken hilfreich beim Bestimmen optimaler Einstellungen
sind, bezogen auf den tatsächlichen/aktuellen
Betrieb von installierten Turbineneinheiten, sind sie nicht frei
von Nachteilen. Beispielsweise kann eine Anzahl von Faktoren, andere
als der Wert des Gefälles,
der Strömung
und der Stromerzeugung, oft den Turbinenwirkungsgrad wesentlich
beeinflussen. Solche Faktoren umfassen die Position von einer bestimmten
Turbineneinheit in einem Stromerzeugungssystem (beispielsweise ihre Position über einem
Strom oder nahe einer Bank), den Betriebszustand von benachbarten
Turbineneinheiten, Einströmungs-
und Ausströmungsprofile
in dem Oberwasser und Rückwasser
(bzw. Unterwasser), Einlaufrechenverluste und so weiter. Bekannte Verfahren
des Erzeugens von optimalen Gatter- und Schaufeleinstellungen für die Einbindung
in einer virtuellen 3D CAM (Kurve) ignorieren im allgemeinen entweder
solche Faktoren oder nehmen an, dass ihr Einfluss auf die Turbinenleistung
geeignet kompensiert werden wird in den Gefälle- und Strömungsparametern.
Zusätzlich
erlauben bekannte Optimierungsverfahren typischerweise nicht die
Identifikation von gewünschten
Gatter- und Schaufelpositionseinstellungen, basierend auf konstanten
Strömungsbedingungen.
Zudem können
bestimmte empirische Optimierungstechniken, welche verwendet werden, um
die virtuellen 3D-CAM-Daten
zu erzeugen, was manchmal als Indexmessung bezeichnet wird, teuer und
zeitaufwendig bei der Ausführung
sein. Aus diesem Grund werden in Stromerzeugungseinrichtungen, welche
mehrere Turbineneinheiten aufweisen, Indextests typischerweise für eine zuerst
installierte Turbineneinheit ausgeführt, um die 3D-CAM (Kurve) zu
erzeugen, und dieselben Informationen werden dann für nachfolgend
installierte Turbineneinheiten in der Einrichtung verwendet, wobei
wiederum die Unterschiede zwischen den einzelnen Einheiten und die dynamischen
Charakteristiken der individuellen Einheiten ignoriert werden.
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Daher besteht ein Bedarf für eine Technik zum
Optimieren der Leistung einer Kaplanturbine, welche die Bestimmung
von optimalen Einstellungen der Gattenpositionen/Klappenposition
und Läuferschaufelneigung
erlaubt, auf eine unkomplizierte Art und Weise für einen weiten Bereich von
Betriebsparametern, welche in der Lage sind, die Turbinenleistung
zu beeinflussen. Insbesondere besteht ein Bedarf für ein System
zum Bestimmen solcher Einstellungen basierend auf der Strömung, dem
Gefälles, dem
Wert der Leistungsabgabe, dem Betriebszustandes von benachbarten
Einheiten, der Situation der Turbineneinheit, den Einlaufrechenverlusten
und ähnlichem.
Das System soll in der Lage sein, die optimalen Einstellungen zu
identifizieren, mit einer minimalen Störung des normalen Betriebes
der Stromerzeugungseinrichtung, und basierend auf konstanten Strömungsbedingungen,
welche überwacht
wurden und gesteuert wurden während
der Suchroutine der optimalen Einstellung.
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Weiterhin besteht eine Notwendigkeit
für ein System
zum Bestimmen der optimalen Einstellungen für eine Kaplanturbine, basierend
auf konstanten Strömungsbedingungen,
wenn diese für
einen bestimmten Satz von Betriebsparametern, für welche die optimalen Einstellungen
angenommen werden, identifiziert wurden, wobei verschiedene Parameter der
individuellen Turbineneinheit berücksichtigt wurden, ohne die
Notwendigkeit, getrennte Indextests für jeden Satz von Bedingungen
durchzuführen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt
eine neue Technik zum Steuern einer Kaplanturbine zur Verfügung, welche
entwickelt wurde als Antwort auf diese Notwendigkeiten. Die Technik
erzeugt eine virtuelle „N-dimensionale"
Kurve (cam), welche gebildet wird durch eine Serie von optimalen
Einstellungsmatrizen, welche Werte von gewünschten Gatter-/Klappen- und
Schaufelpositionen identifizieren. Die Kurve berücksichtigt Schlüsselbetriebsparameter,
wie zum Beispiel Gefälle,
Strömung
und den Wert der Stromerzeugung, und kann ausgedehnt werden auf
die Berücksichtigung
des Einflusses einer großen
Anzahl von anderen Parametern, welche geeignet sind, die Turbinenleistung
zu beeinflussen, umfassend Parameter, welche sich auf die Situation
einer Turbineneinheit in einer Stromerzeugungseinrichtung beziehen,
den Betriebszustand von benachbarten Einheiten, Einlaufrechenverluste,
Kavitation und ähnliches. Die
Matrizen, welche die virtuelle Kurve bilden, sind vorzugsweise besetzt
mit Initialeinstellungen (Anfangseinstellungen), wie zum Beispiel
solche aus Modelldaten oder aus einer zurückliegender Leistung oder Optimierung
der Turbineneinheit, und werden erneut besetzt und vervollständigt, wenn
aktualisierte oder neue Kombinationen von Betriebsparametern während des
Betriebes der Turbine anfallen. Ein besonders nützliches Merkmal der Technik
ist die Möglichkeit,
die optimalen Einstellungen basierend auf konstanten Strömungsbedingungen
zu bestimmen, wenn diese identiflziert werden während einer bestimmenden Abfolge
von Schaufel- und Klappenströmungscharakteristiken
vor einer Optimierungssuche, die auf die besondere zu untersuchende
Parameterkombination gerichtet ist.
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Daher stellt die Erfindung ein Verfahren
zur Optimierung der Leistung einer Stromerzeugungseinheit mit einer
Kaplanturbine des Typs zur Verfügung,
der Stauklappen umfasst, welche in gewünschte Positionen bewegbar
sind, und Läuferschaufeln,
welche in gewünschte
Neigungspositionen verstellbar sind, wobei die Läuferschaufeln mittels einer
Antriebswelle an einen elektrischen Stromgenerator gekoppelt sind.
Gemäß eines
Merkmales des Verfahrens wird ein Satz von Betriebsparameterwerten überwacht,
umfassend den gewünschten Stromerzeugungswert,
die Strömungsrate
durch die Einheit, das Gefälle über der
Einheit und wenigstens einen anderen Betriebsparameter, welcher
in der Lage ist, den Wirkungsgrad der Turbineneinheit zu beeinflussen.
Die überwachten
Werte werden mit Referenzwerten desselben Parameters verglichen
und, basierend auf einer vorbestimmten Beziehung zwischen den Referenzwerten
und den überwachten Werten,
wird bestimmt, ob eine Optimierungssuche für die Klappenund Schaufelpositionseinstellungen für den Satz
der Betriebsparameterwerte ausgeführt werden soll. Wenn es gewünscht wird,
wird die Suche ausgeführt,
wobei die optimalen Klappen- und Schaufelpositionen für den Satz
der Betriebsparameterwerte identifiziert werden, welche nachfolgend
in einem Speicherschaltkreis gespeichert werden.
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Gemäß eines anderen Merkmales des
Verfahrens werden überwachte
Werte von einem Satz von Betriebsparametern, umfassend den Wert
der gewünschten
Stromerzeugung, die Strömungsrate durch
die Einheit, das Gefälle über der
Einheit und wenigstens einen anderen Betriebsparameter, welcher
geeignet ist, den Wirkungsgrad der Turbineneinheit zu beeinflussen,
verglichen mit den Referenzwerten derselben Parameter, um eine Position
des Satzes von Betriebsparametern in einer N-dimensionalen optimalen
virtuellen Kurvenmatrix zu identifizieren, wobei N die Anzahl der
Betriebsparameter in dem Satz der Betriebsparameter ist. Positionen
in der Matrix identifizieren die gewünschten Klappen- und Schaufelpositionen
für den
Satz der Betriebsparameter. Die Klappen und Schaufeln werden dann
platziert und beibehalten in den Positionen, welche durch die Position
des Satzes der Betriebsparameter in der Matrix identifiziert wurden.
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Die Erfindung stellt zudem ein Verfahren
zur Optimierung der Leistung einer Kaplanturbine zur Verfügung; in
welchem ein Satz von Betriebsparameterwerten überwacht wird, umfassend wenigstens den
Wert der gewünschten
Stromerzeugung, die Durchflussrate durch die Einheit, das Gefälle über der
Einheit. Die überwachten
Werte werden verglichen mit Referenzwerten derselben Parameter und, basierend
auf einer vorbestimmten Beziehung zwischen den Referenzwerten und
den überwachten Werten,
wird bestimmt, ob eine Optimierungssuche ausgeführt werden soll für die Klappen-
und Schaufelpositionseinstellungen für den Satz der Betriebsparameterwerte.
Wenn die Suche ausgeführt
werden soll, wird eine Strömungscharakteristiksuche/untersuchung
ausgeführt,
um Klappen- und Schaufelpositionen zu identifizieren, welche in
einer im wesentlichen konstanten Strömungsrate durch die Einheit
resultieren, und die Optimierungssuche wird dann ausgeführt, um
die optimalen Klappen- und Schaufelpositionen für den Satz von Betriebsparameterwerten
zu identifzieren, während
die Strömungsrate
durch die Einheit im wesentlichen konstant gehalten wird. Die optimalen
Klappen- und Schaufelpositionen werden dann für eine zukünftige Verwendung gespeichert.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird besser
verständlich
durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung, im Zusammenhang
gesehen mit den beigefügten
Zeichnungen, wobei die gleichen Bezugszeichen zu den gleichen Teilen
gehören,
wobei in den Zeichnungen:
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1 eine
exemplarische perspektivische Ansicht einer Turbinenstromerzeugungseinheit,
umfassend mehrere Turbineneinheiten über einen Abschnitt einer Strömung, ist;
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2 eine
schematische Darstellung einer Turbineninstallation ist, welche
eine exemplarische Messgeräteausrüstung zum
Erzeugen von optimalen N-dimensionalen Kurvendaten gemäß der erfinderischen
Technik darstellt;
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3 ein
Blockdiagramm von bestimmten funktionalen Schaltkreisen in dem Steuersystem
ist, welches in 2 dargestellt
ist, zum Bestimmen der optimalen Kurvendaten;
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4A – 4D Flussdiagramme sind, welche eine
exemplarische Steuerlogik zum Steuern der Turbineneinheit aus 1 und zum Erzeugen von optimalen
Kurvendaten während
ihres Betriebes darstellen; und
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5 eine
graphische Darstellung von verschiedenen Kandidatenklappenpositionen
ist, bezogen auf verschiedene Kandidatenschaufelneigungseinstellungen
zum Beibehalten einer konstanten Strömung während einer Suchabfolge einer
optimalen Einstellung, wie in 3 dargestellt
ist.
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BESCHREIBUNG
DER VORZUGSWEISEN AUSFÜHRUNGEN
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Im Hinblick auf die Zeichnungen und
bezugnehmend auf die 1 ist
eine hydroelektrische Stromerzeugungsinstallation 10 dargestellt,
im allgemeinen umfassend einen Damm 12, welcher einen Strom 14 überspannt,
und eine Stromerzeugungseinrichtung 16. In der beispielhaft
dargestellten Installation umfasst die Einrichtung 16 eine
Serie von drei Erzeugungseinheiten mit Kaplanturbinen, welche im allgemeinen
durch das Bezugszeichen 18 bezeichnet sind. Wie für den Fachmann
verständlich
ist, kann die Einrichtung 16 mehr oder weniger Erzeugungseinheiten 18 umfassen,
und solche Einheiten können benachbart
zu einer oder beiden Bänken 20, 24 des Stromes 14 oder
an verschiedenen Positionen zwischen den Bänken gelegen sein. Im Betrieb
erzeugt die Einrichtung 16 elektrischen Strom, dadurch
dass sie erlaubt, dass Wasser durch die Turbineneinheit 18 strömt, und
gibt den erzeugten Strom ab an ein Stromverteilungsnetz (nicht dargestellt).
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Jede Turbineneinheit 18 kann
eine im allgemeinen bekannte Ausführung aufweisen, vorzugsweise
umfassend eine vertikale Kaplanturbine, wie schematisch dargestellt
in 2, zum Erzeugen von elektrischer
Leistung/Strom, weil Wasser erlaubt wird, durch den Damm 12 aus
einem Oberwasserreservoir 24 des Stromes 14 auf
eine Rückwasserseite 26 zu
strömen.
Es soll jedoch dargelegt sein, dass die Einheiten 18 horizontale
Turbinen umfassen können
oder als.
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Kaplanpumpturbinen ausgeführt sein
können,
wo dies geeignet ist. Weiterhin umfasst die Einheit 18 eine
Turbinentragsuperstruktur 28, welche innerhalb des Dammes 12 ausgebildet
ist. Die Superstruktur (Überstruktur) 28 stellt
eine axiale und radiale Unterstützung
für eine
Kaplanturbine 30 und einen elektrischen Generator 32 zur
Verfügung.
Die Turbine 30 ist innerhalb des Strömungsweges des Stromes 14 positioniert,
unterhalb eines stromaufwärtigen
Kanals/Oberstromkanales 34 und bewegbaren Stauklappen 36.
Die Turbine 30 umfasst einen Läufer 38, welcher getragen
wird auf einer vertikalen Welle 40 und der eine Vielzahl
von bewegbaren Schaufeln 42 aufweist, die entlang seines
Umfanges angeordnet sind, für
die Rotation der Antriebswelle 40 und des Generators 42,
wenn Wasser durch den Damm 12 aus dem Oberwasser 24 in
das Rückwasser 26 strömt. Die
Einheit 18 umfasst weiterhin einen Einlaufrechen 44 stromaufwärts des
stromaufwärtigen Kanals 34,
typischerweise umfassend parallele, zueinander beabstandete Riegel,
zum Verhindern, dass große
Objekte und Trümmer
mit der Turbine 30 zusammenstoßen oder diese beschädigen.
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In der vorzuziehenden Ausführung, welche in 2 dargestellt ist, umfasst
die Einheit 18 ein Steuersystem, im allgemeinen bezeichnet
mit dem Bezugszeichen 46, umfassend eine Anzahl von Sensoren 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 und 64 und
Stellglieder 66 und 68, welche an eine Steuereinrichtung 48 durch
geeignete Datenverbindungen gekoppelt sind. Zum Zwecke des Optimierens
der Leistung der Einheit 18 erlauben die Sensoren des Steuersystems 46 vorzugsweise
die Detektion eines Satzes von Betriebsparametern, umfassend differenzierendes
Gefälle
vom Oberwasser 24 zum Rückwasser 26,
den Wert der Stromerzeugung, die Strömung durch die Einheit 18,
Kavitation und Einlaufrechen-Druckverluste. Während eine Anzahl von alternativen
Verfahren in der Technik bekannt zum direkten oder indirekten Messen
dieser Parameter sind, umfassen vorzuziehende Messaufnahmevorrichtungen
das Nachfolgende. Messschacht-Geber 50 und 52 messen
jeweils die relative Emporhebung oder Höhe des Oberwassers und Rückwassers 24 und 26.
Solche Messungen werden verwendet, um den Verlust in dem Gefälle über dem
Damm 12 zu bestimmen und zum Bestimmen des Untertauchfaktors/submersion
factor (σ)
der Turbine als ein Anzeichen für
das Kavitationsrisiko innerhalb der Turbine 30. Der Untertauchwert wird
im allgemeinen bestimmt als eine Funktion der Differenz zwischen
der Rückwasseremporhebung und
einer Referenzemporhebung für
die Turbine 30 auf eine in der Technik gut bekannte Art
und Weise. Der Sensor 54, welcher dort positioniert ist,
wo es durchführbar
ist innerhalb des Oberstromkanals 34, ist ein Druckgeber
(Transducer), welcher ein Signal proportional zu dem Gefälle stromaufwärts der
Turbine 30 zur Verfügung
stellt, wobei die Druckverluste zwischen dem Oberwasser 24 und
den Klappen 36 berücksichtigt
werden. Wo die Einheit 18 einen relativ kurzen Oberstromkanal 34 aufweist,
kann der Sensor 54 nahe ihres Eintrittes gelegen sein.
Das Bezugszeichen 56 stellt einen Sensoraufbau dar, welcher
innerhalb des Oberstromkanals 34 positioniert ist, zum
Erzeugen eines Signals, welches indikativ für die Strömung durch die Einheit 18 ist.
In der vorzuziehenden Ausführung
wird die Strömung
bestimmt durch das gut bekannte Winter-Kennedy-Verfahren, obwohl
alternative Verfahren eingesetzt werden können, umfassend das Peck-Verfahren.
Der Sensor 58, welcher in dem Saugrohr 70 der
Einheit 18 vorgesehen ist, ist ein Druckgeber ähnlich zu
dem Sensor 54, welcher ein Druckmesssignal erzeugt und
die Verluste von der Turbine 30 zu dem Rückwasser 26 isoliert.
Die Sensoren 60 und 62 sind Druckgeber, welche
Druckmessungen auf jeder Seite des Einlaufrechens 44 erzeugen,
und eine Anzeige des Druckverlustes über dem Einlaufrechen 44 zur
Verfügung
stellen. Alternativ können
die Einlaufrechenverluste angezeigt werden durch Messungen des Überwasserwertes
(zum Beispiel von dem Sensor 50) und des Einlassgefälles (zum
Beispiel von dem Sensor 54). Schließlich stellt das Bezugszeichen 64 eine
Leistungsüberwachung dar,
welche ein kontinuierliches Signal zur Verfügung stellt, welches bezeichnend
ist für
den Wert der Leistung/des Stromes, welcher durch die Einheit 18 erzeugt
wird.
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Zusätzlich zu den oben beschriebenen
Sensoren ist das Steuersystem 46 versehen mit Stellgliedaufbauten 66 und 68 zum
Ausrichten der Klappen 36 und Schaufeln 42 an
gewünschten
Positionen. Die Stellgliedaufbauten 66 und 68 können jeder
geeignete Typ, welcher in der Technik bekannt ist, sein, wie zum
Beispiel Aufbauten, umfassend hydraulische Zylinder oder Motoren,
welche an mechanische Gestänge
gekoppelt sind, zum Bewirken der gewünschten Bewegung der Klappen
und Schaufeln und zum Halten der Klappen und Schaufeln in den gewünschten
Positionen gegen die Kraft der auftreffenden Strömung durch die Einheit 18.
Zudem umfassen die Stellgliedaufbauten 66 und 68 ebenso
Sensoren, wie zum Beispiel Potentiometer, linearvariable Differentialübertrager
oder ähnliches,
zum Zurverfügungstellen
von Rückführsignalen
(Feedback-Signalen), welche indikativ sind für die aktuelle Position der
Klappen 36 und Schaufeln 42.
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Die Signale von den verschiedenen
oben beschriebenen Sensoren werden der Steuervorrichtung 48 übertragen,
welche ebenso dazu dient, die Steuersignale zum Steuern der Stellgliedaufbauten 66 und 68 zu
erzeugen, um die Klappen 36 und Schaufeln 42 in
den gewünschten
Ausrichtungen zu positionieren. In der vorliegenden vorzuziehenden
Ausführung
umfasst die Steuervorrichtung 48 eine geeignet konfigurierte
programmierbare logische Steuereinrichtung, welche eine zyklische
Steuerroutine ausführt,
die in einem residenten Speicher gespeichert ist. Zudem ist die
Steuervorrichtung 48 vorzugsweise verbunden mit anderen
Turbineneinheiten 18 innerhalb der Einrichtung 16.
Daher, wenn die anderen Einheiten 18 innerhalb der Einrichtung 16 vergleichsweise
mit Messgeräten
ausgestattet sind, empfängt die
Steuervorrichtung 48 Signale, welche indikativ sind für die Betriebsparameter
von allen Einheiten 18 in der Einrichtung 16,
und steuert den Betrieb von allen Klappen und Schaufeln in den verschiedenen Einheiten.
Es soll bemerkt werden, dass mittels ihrer Fähigkeit, Informationen, welche
indikativ für
den Betriebszustand von benachbarten Einheiten 18 sind, zu
teilen, die Steuervorrichtung 48 den Betrieb von einigen
oder allen der Einheiten
18 beeinflussen kann, basierend
zum Teil auf dem Betriebszustand der benachbarten Einheiten, wie
nachfolgend weitergehend beschrieben werden wird.
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3 ist
ein allgemeines Blockdiagramm von bestimmten funktionalen Schaltkreisen,
welche von der Steuervorrichtung 48 umfasst sind, wenn
diese programmiert ist, um eine Optimierungstechnik, wie vorhergehend
beschrieben, auszuführen.
Die Steuervorrichtung 48 umfasst einen Schnittstellenschaltkreis 72,
einen Zentralverarbeitungsschaltkreis 74, einen Schnittstellenschaltkreis 36,
einen Speicherschaltkreis 78, einen Vergleichsschaltkreis 80 und
einen Optimierungsschaltkreis 82. Der Schnittstellenschaltkreis 72,
welcher typischerweise ein geeignetes Multiplexing umfasst, Analog-zu-Digital-Wandlung
und Signalverarbeitungsvorrichtungen, empfängt Betriebsparametersignale
von den Sensoren 50 bis 64 und Rückführsignale
von den Stellgliedaufbauten 66 und 68 und überträgt diese
Signale an den Zentralverarbeitungsschaltkreis 74. Ähnlicherweise
empfängt
der Schnittstellenschaltkreis 76, welcher typischerweise
Signalverarbeitungs- und Ventilantriebsschaltkreise für den Betrieb
der Stellgliedaufbauten 66 und 68 umfasst, Steuersignale
von dem Zentralverarbeitungsschaltkreis 74 und Befehle,
welche einer Servobewegung der Klappen 36 und Schaufeln 42 entsprechen.
Der Zentralverarbeitungsschaltkreis 74 ist ebenso verbunden
mit dem Speicherschaltkreis 78, Vergleichsschaltkreis 80 und Optimierungsschaltkreis 82.
Beim Betrieb führt
der Zentralverarbeitungsschaltkreis 74 eine zyklische Steuerroutine,
welche innerhalb des Speicherschaltkreises 78 gespeichert
ist, zum Steuern des Betriebes der Einrichtung 16 aus.
Wie nachfolgend weitergehend beschrieben werden wird, ruft, während bestimmter
Phasen der Steuerroutine, der Zentralverarbeitungsschaltkreis 74 den
Vergleichsschaltkreis 80 auf, um Vergleiche der aufgenommenen
Betriebsparameter mit einem Satz von Referenzwerten für die Parameter,
welche in dem Speicherschaltkreis 78 gespeichert sind,
auszuführen.
Diese Vergleiche ermöglichen
dem Zentralverarbeitungsschaltkreis 74, den Satz von aktuellen
Betriebsparametern in einer mehrdimensionalen Matrix (das heißt der N-dimensionalen
virtuellen Kurve) zu positionieren, welche durch die Referenzwerte
gebildet wird. Wenn der Vergleich anzeigt, dass die optimalen Klappen-
und Schaufelpositionseinstellungen für den Satz von Betriebsparametern
identifiziert werden müssen,
ruft der Zentralverarbeitungsschaltkreis 74 den Optimierungsschaltkreis 82 auf,
um eine Suche von Kandidatenpositionen der Klappen und Schaufeln
zu suchen, wie nachfolgend zusammengefasst werden wird. Nachfolgend
zu der Suche werden die optimalen Klappen- und Schaufelpositionen
in dem Speicherschaltkreis 78 für eine zukünftige Verwendung gespeichert,
wenn derselbe Satz von Betriebsparameterwerten in Betracht gezogen
wird.
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Wie durch den Fachmann bemerkt werden wird,
kann der funktionale Schaltkreis, welcher in 3 dargestellt ist, gebildet werden durch
Standard Eingabe/Ausgabeschaltungen, Speicherschaltungen und Programmcode
in einer standardprogrammierbaren logischen Steuervorrichtung, Personalcomputer,
Computer-Workstation oder ähnliches. Beispielsweise,
in der vorliegenden vorzuziehenden Ausführung, ist der Zentralverarbeitungsschaltkreis 74 in
der Form einer programmierbaren logischen Steuervorrichtung, welche
der Einrichtung 16 zugewiesen ist, mit einem residenten
Speicher zum Ausführen
einer Hauptsteuerroutine versehen. Der Vergleichsschaltkreis 80 und
Optimierungsschaltkreis 82 sind in einem tragbaren/portablen
Computersystem konfiguriert, welches wahlweise verbunden werden kann
mit der programmierbaren logischen Steuervorrichtung, um die Optimierung
des festgestellten Satzes von Betriebsparametern auszuführen, wenn
dies gewünscht
wird. Alternativ können
die Vergleichs- und Optimierungsschaltungen in einer einzigen Steuervorrichtung
mit dem Zentralverarbeitungsschaltkreis 74 konfiguriert
sein; oder können
vollständig entfernt
sein von der Einrichtung 16 und wahlweise verbunden werden
mit dem Zentralverarbeitungsschaltkreis 74 durch ein Modem
oder anderen Telekommunikationseinrichtungen.
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Die 4A – 4D stellen exemplarisch die Steuerlogik
für die
Ausführung
einer Optimierungssuche für
einen Satz von festgestellten (detektierten) Betriebsparametern
gemäß bestimmter
Merkmale der vorliegenden Erfindung dar. Die 4A zeigt bestimmte Schritte in der Hauptsteuerroutine 100,
welche ausgeführt
wird durch den Zentralverarbeitungsschaltkreis 74. Es soll
bemerkt werden, dass Details in Betracht auf die Hauptbetriebsroutine
hier nicht dargestellt wurden, im Sinne der Klarheit, und sie stellen
nicht per se einen Teil der vorliegenden Optimierungstechnik dar.
Schritt 102 stellt den Start der zyklischen Steuerroutine
dar. Im Schritt 104 initialisiert der Zentralverarbeitungsschaltkreis 74 alle überwachten
Parameter, umfassend Gefälle,
Strömung,
Wert der Leistungsausgabe, Rückwasserpegel
(für die
Berechnung des Untertauchfaktors σ), Einlaufrechen-Druckverluste
und alle anderen Betriebsparameter, welche benötigt werden, um den Betrieb
der Einheit 18 zu steuern. Diese Parameter werden typischerweise
aufgenommen und gespeichert als Eingaben für ein computerbasiertes Reglermodul
oder -routine, welche ausgeführt
wird durch den Schaltkreis 74 in einer Art und Weise, welche
im allgemeinen in der Technik bekannt ist. Im Schritt 106 baut der
Optimierungsschaltkreis 82 eine Kommunikation mit dem Reglermodul,
welches durch den Schaltkreis 74 ausgeführt wird, auf, und im Schritt 108 überprüft er, dass
die Kommunikationsverbindung betriebsbereit ist. Wenn ein Problem
in der Kommunikationsverbindung festgestellt wird, wird im Schritt 110 eine
Fehlermeldung dargestellt, wie zum Beispiel auf einem Betriebsmonitor
(nicht gezeigt) und eine Entscheidung wird ausgeführt, ob
die Kommunikationsverbindung im Schritt 112 erneut versucht
werden soll. Die Schritte 106 bis 112 sind besonders
geeignet für
eine Hardware-Konfiguration, in welcher der Optimierungsschaltkreis 82 programmiert
ist in einem tragbaren oder entfernten Computer, welcher zeitweise
mit dem Zentralverarbeitungsschaltkreis 74 verbunden ist.
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Wenn die Kommunikationsverbindung
erfolgreich aufgebaut wurde, liest der Schaltkreis 74 aktuelle
Werte aus dem Reglermodul im Schritt 114 für alle Betriebsparameter, für welche
die Leistung der Einheit 18 verbessert werden soll. In
der vorzuziehenden Ausführung
ist die Optimierung basiert auf einer Anzahl von Betriebsparametern
zusätzlich
zu den herkömmlichen
Dimensionen des Gefälles,
der Strömung
und des Wertes der Leistungserzeugung/der Stromerzeugung.
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Diese umfassen den relativen Untertauchfaktor σ (als einen
Indikator des Risikos der Kavitation), Einlaufrechenverluste, den
Betriebszustand einer Nachbareinheit und die relative Situation
der speziellen Einheit in der Einrichtung 16. Diese Parameter sind
im allgemeinen geeignet, die Leistung der Einheit 18 wie
nachfolgend zu beeinflussen. Der relative Untertauchwert stellt
eine Indikation des Risikos der Kavitation innerhalb der Einheit 18 zur
Verfügung, welches
typischerweise durch Vergrößern der
Untertauchung der Turbine im Hinblick auf das Rückwasser 26 reduziert
wird. Wie dem zuständigen
Fachmann bekannt ist, werden zusätzlich
zu dem Rückwasserpegel
der barometrische Druck und die Wassertemperatur ebenso typischerweise
aufgenommen/festgestellt, um die Berechnung des Parameters σ auf eine
in der Technik bekannte Art und Weise zu erlauben. Alternativ kann
eine Indikation der Kavitation hergestellt werden durch einen akustischen
Sensor, welcher geeignet ist, Pulsierungen innerhalb von Frequenzbändern festzustellen,
welche charakteristisch für
Kavitation sind. Einlaufrechenverluste können nachteilig die Leistung
beeinflussen durch Reduzieren des Oberwasserdruckgefälles. Zudem
kann der Betriebszustand von benachbarten Einheiten signifikant
die Leistung der Turbineneinheiten ändern, wie zum Beispiel durch Ändern des
Strömungsmusters
in dem stromaufwärtigen
Kanal und aus den Saugrohren heraus, insbesondere dort, wo eine Nachbareinheit
vollständig
oder wesentlich dicht zu der Strömung
liegt. In der vorliegenden vorzuziehenden Ausführung wird der Betriebszustand
der unmittelbar benachbarten Einheit für jede Einheit festgehalten,
entweder als „im
Betrieb" oder „nicht
im Betrieb", obwohl in Abhängigkeit
des besonderen Kraftwerks, welches optimiert werden soll, diese
Information den Betriebszustand von nicht benachbarten Einheiten
umfassen kann und zusätzliche
Betriebswerte festhalten kann, wie zum Beispiel durch Unterteilen
des Betriebs der Nachbareinheiten in fünf Schritte von 0 bis 100%
des Stromerzeugungswertes. Schließlich wird die besondere Situation
der Einheit in dem Optimierungssystem berücksichtigt zum Erzeugen eines
eindeutigen Satzes von optimalen Matrizen für jede Einheit in der Einrichtung 16.
Die Situation in der individuellen Einheit 18 in der Einrichtung 16 kann
ebenso eine signifikante Einwirkung auf die Strömungsmuster in die und aus
den Einheiten heraus haben.
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Nach der Feststellung des aktuellen
Zustandes des überwachten
Satzes von Betriebsparametern vergleicht der Vergleichsschaltkreis 80 den
Satz von Betriebsparametern mit Referenzwerten für die Parameter, welche in
dem . Speicherschaltkreis 78 gespeichert sind. In der vorliegenden
vorzuziehenden Ausführung
werden vorausgesehene Bereiche für
das Gefälle,
die Strömung,
den Wert der Stromerzeugung, den Untertauchwert und die Einlaufrechen-Druckverluste unterteilt
in eine feste Anzahl von Referenzwerten, wie zum Beispiel Zehn,
während der
Betriebszustand von benachbarten Einheiten in diskrete Klassifizierungen
kategorisiert wird, wie zum Beispiel links ein/rechts ein, links
ein/rechts aus, links aus/rechts ein und links aus/rechts aus, um
eine Ndimensionale Matrix zu bilden, wobei N die Anzahl von betrachteten
Betriebsparametern ist. Zusätzlich,
wie oben angezeigt wurde, wird eine ähnliche Matrix entwickelt für jede Einheit 18 in
der Einrichtung 16, wobei effektiv eine zusätzliche
Schicht oder Dimension in der virtuellen Kurve des Gesamtoptimierungssystems
hinzugefügt
wird. Daher werden in der oben beschriebenen Ausführung neben
den herkömmlichen Parametern
des Gefälles,
der Strömung
und des Wertes der Stromerzeugung Optimierungsmatrizen entwickelt,
welche wenigstens vier zusätzliche
Dimensionen oder Betriebsparameter umfassen, nämlich den Untertauchwert σ, Einlaufrechenverluste, den
Betriebszustand von benachbarten Einheiten und die physikalische
Situation der Einheit in der Gesamteinrichtung. Für jede Kombination
oder Satzes von Betriebsparametern werden gewünschte Klappenund Schaufelpositionen
in dem Speicherschaltkreis 78 gespeichert. Im Schritt 116
greift der Vergleichsschaltkreis 80 auf die besondere Matrixposition
zu, welche dem aktuellen Satz von Betriebsparametern entspricht,
und bestimmt, ob optimale Klappen- und Schaufelpositionseinstellungen
bestimmt worden sind. Es soll festgehalten werden, dass, wenn optimale
Einstellungen noch nicht bestimmt worden sind für den besonderen Satz von Parametern,
welcher bewertet wird, die meisten oder alle der optimalen Matrixpositionen
vor der Installation des Optimierungsbereiches der Steuerroutine
besetzt werden aus Modelldaten, zurückliegenden Leistungsdaten,
Indextestdaten oder ähnlichem.
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Wenn der Vergleichsschaltkreis 80 bestimmt,
dass die Einstellungen, welche zugeordnet sind zu dem aktuellen
Satz von Betriebsparametern, nicht bestimmt wurden durch eine Optimierungssuche
(oder einer Aktualisierung/Updating bedürfen), schreitet der Schaltkreis 74 zu
Block 118 fort, in dem die Optimierungssuche, welche in
der 4B dargestellt ist,
ausgeführt
wird. In der vorliegenden vorzuziehenden Ausführung müssen die aktuellen Werte von
jedem Betriebsparameter klar innerhalb der Grenzen eines besonderen
Matrixblockes liegen, bevor ein Eintritt in die Optimierungssuchroutine
im Schritt 118 erlaubt wird. Insbesondere für Parameter, welche
in Bereiche eingeteilt sind, muss der aktuelle Wert der entsprechenden
aufgenommenen/festgestellten Parameter innerhalb des mittleren Drittels des
Bereiches liegen, der wesentlich für einen Matrixblock ist. Beispielsweise
für den
Parameter der Durchflussrate, wenn der aktuelle Wert der Strömung durch
die Einheit 18 zwischen den Matrixwerten von 60 und 70
Kubikmetern pro Sekunde aufgefunden wird, wird ein Eintritt in die
Optimierungssuchroutine nur dann erlaubt, wenn die tatsächliche
Durchflussrate zwischen 63.3 und 66.6 Kubikmetern pro Sekunde liegt.
Dieses Erfordernis stellt sicher, dass optimale Einstellungen identifiziert
werden, welche klar der Matrixposition entsprechen, welche besetzt
werden soll.
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Schritt 120 in 4A stellt die Rückkehr (Return) von der Optimierungsroutine
aus 4B dar. In Schritt 122 werden
die optimalen Einstellungen für die
Klappen- und Schaufelpositionen dem Hauptregelmodul übertragen,
welches ausgeführt
wird durch den Zentralverarbeitungsschaltkreis 74, welches Steuersignale
für eine
geeignete Positionierung der Stellgliedaufbauten 66 und 68 erzeugt.
Es soll festgehalten werden, dass in der vorliegenden vorzuziehenden
Ausführung
der Optimierungsschaltkreis 82 aktuell die Differenz zwischen
den optimalen Einstellungen für
die Klappen- und Schaufelpositionen und denjenigen Einstellungen
bestimmt, welche momentan in dem Speicherschaltkreis 78 gespeichert
sind für
den Satz von Betriebsparametern, welche betrachtet werden, und diese
Differenzen als Korrekturen zu den existierenden Einstellungen speichert.
Alternativ könnte
der Schaltkreis 82 den aktuellen/tatsächlichen Wert der optimalen
Positionseinstellungen herleiten und diesen Wert in der entsprechenden Speicherposition
speichern, anstelle der existierenden Einstellungen. Im Schritt 124 prüft der Schaltkreis 74,
ob ein Ausgangs-Flag gesetzt wurde, wie zum Beispiel durch eine
Intervention des Betreibers, eine automatische Unterbrechung oder ähnliches, und
wenn nicht, kehrt er zu Schritt 114 zurück, um den Zyklus durch die
Steuerroutine fortzusetzen. Wenn ein Ausgangs-Flag im Schritt 124 festgestellt wurde,
fährt der
Schaltkreis 74 fort mit den Schritten 126 und 128,
wobei alle geöffneten
Programmdateien geschlossen werden und das Steuerprogramm verlassen
wird.
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Eine beispielhafte Steuerlogik für die Optimierungssuchroutine 200 ist
in 4B dargestellt. Im
Schritt 202 tritt der Schaltkreis 82 in die Routine aus
dem Schritt 118 aus 4A ein
und liest die aktuellen Klappen- und Schaufeleinstellungen, welche die
optimale Matrixposition für
den aktuellen Satz von Betriebsparametern besetzen, wie angezeigt
wurde in Schritt 204. In Schritt 206 wird die
Matrixposition noch einmal überprüft. Im Schritt 208 bestimmt
der Schaltkreis 82, ob die Daten der konstanten Strömungscharakteristik
in dem Speicherschaltkreis 78 für den aktuellen Satz von Betriebsparametern
gespeichert sind. Weil in der vorzuziehenden Ausführung die
Position der optimalen Klappen- und Schaufelpositionseinstellungen
bestimmt wird, während
die Strömung
im wesentlichen konstant gehalten wird, ist es vorteilhaft, Kombinationen
von aktuellen Klappen- und Schaufeleinstellungen zu bestimmen, welche eine
konstante Strömung
für die
aktuellen Betriebsbedingungen herstellen vor der Ausführung der
Optimierungssuchsequenz. Wenn solche Daten im Speicher nicht verfügbar sind,
fährt der
Schaltkreis 82 mit dem Schritt 210 fort und führt eine
Suchroutine für konstante
Strömungscharakteristiken
aus, wie in 4C dargestellt
ist und nachfolgend beschrieben wird. Der Schritt 212 stellt
die Rückkehr
von der Suchroutine der konstanten Strömungscharakteristik dar. Im
. Schritt 214 werden die Daten der konstanten Strömungscharakteristik
in dem Speicherschaltkreis 78 für zukünftige Referenz gespeichert.
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Im Schritt 216 werden die Stauklappen
und Laufschaufeln zu Anfangspositionen bewegt, welche in der optimalen
Matrix als Startpunkte für
die Optimierungssuche gespeichert sind. Im Schritt 218 werden
die Klappen und Schaufeln in neue Kandidatenpositionen bewegt (aber
stationär
gehalten bei dem Anfangsdurchtritt durch Schritt 218).
Obwohl der Fortschritt der Optimierungssuche durch die Klappen-
und Schaufelpositionen in einer im wesentlichen konstanten Strömung resultiert,
resultiert die Bewegung der Klappen und Schaufeln in den Schritten 216 und 218 in
einiger Störung
bei den Betriebsparametern, insbesondere dem Wert der Stromerzeugung. Daher
wartet die Routine im Schritt 220 eine Ausregelperiode
ab, während
welcher den überwachten Betriebsparametern
erlaubt wird, sich auf stationäre Werte
zu beruhigen. Obwohl diese Ausregelperiode für einzelne Installationen variieren
wird, sind typischerweise zwei bis fünf Minuten ausreichend für die überwachten
Parameter, um die stationären
Werte zu erreichen. Wie für
den Fachmann verständlich
ist, können
diese Ausregelperioden reduziert, oder im wesentlichen eliminiert
werden durch geeignetes Vorhersehen (zum Beispiel durch Modellierung)
des transienten Verhaltens der Installation. Die überwachten
Daten werden dann im Schritt 222 gesammelt, statistische Analysen
werden mit den getesteten Daten ausgeführt, umfassend Durchschnitts-
und Standardabweichungsberechnungen, um zu bestimmen, ob Schwankungen
bei den Parametern, insbesondere Gefälle, Strömung und Wert der Stromerzeugung,
sich innerhalb akzeptierbarer Bänder
ausgeregelt haben. Im Schritt 224 werden die Ergebnisse
der statistischen Analysen verglichen mit Referenzwerten, welche
betrachtet werden als repräsentierend
einen stationären
Betrieb. Wenn bestimmt wird, dass das System noch keinen stationären Betriebszustand
erreicht hat, kehrt der Schaltkreis 82 zu Schritt 218 zurück, aber
behält
die Klappen und Schaufeln an ihren aktuellen Positionen für eine weitere
Ausregelperiode.
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Wenn einmal im Schritt 224 festgestellt
wurde, dass die Einheit 18 einen stationären Betriebszustand
erreicht hat, werden die aktuellen Werte des Satzes von Betriebsparametern
geprüft,
um sicherzustellen, dass sie immer noch der Matrixposition, welche
optimiert werden soll, entsprechen. Obwohl ein relativ enges Band
bevorzugt ist für
den Eintritt in die Optimierungssequenz, wie oben zusammengefasst
wurde, werden beachtlich weniger strenge Bereiche für eine Fortführung der
Optimierungssuche im Schritt 226 auferlegt. Zum Beispiel
in der vorliegenden vorzuziehenden Ausführung wird die Suchsequenz,
obwohl die Parameter, welche in vorhergesehene Bereiche unterteilt
sind, innerhalb des mittleren Drittels des wesentlichen Bereiches
für den
besonderen Matrixblock liegen müssen
für den
Eintritt in die Optimierungssuche, in Schritt 226 nur dann
beendet, wenn dieselben Parameter nicht mehr länger in den Matrixblock fallen
(das heißt
eine Grenze zwischen den Matrixblöcken überschreiten).
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Solange wie jeder der Betriebsparameter
innerhalb der Bereiche verbleibt für den Punkt, welcher augenblicklich
optimiert werden soll, schreitet die Suche fort von dem Schritt 226 zu
dem Schritt 228. Im Schritt 228 schreitet der
Schaltkreis 82 fort zu einer Punktauswahlroutine, zum Bestimmen,
ob die Suche weitergehen soll und, in dem bejahenden Fall, zum Bestimmen
der nächsten
Kandidatenklappenund -schaufeleinstellungen. Das Punktauswahlverfahren wird
nachfolgend näher
beschrieben mit Bezug auf die 4D.
Schritt 230 der 4B stellt
die Rückkehr
von der Punktauswahlroutine dar. Im Schritt 232 bestimmt
der Optimierungsschaltkreis 82, ob ein „optimale Leistung"-Flag gesetzt
worden ist in der Punktauswahlroutine (siehe den Schritt 434,
welcher oben beschrieben wurde), was anzeigt, dass der optimale (das
heißt
Spitzen-) Wert der Leistungsabgabe produziert worden ist für den unter
Untersuchung stehenden Satz von Betriebsparametern, und dass die Klappen-
und Schaufeleinstellungen, welche in dem Wert der optimalen Leistungsabgabe
resultieren, gespeichert werden sollen als die optimalen Einstellungen
in der Matrix- oder Kurvenposition. Von diesem Punkt aus tritt der
Schaltkreis 82 aus der Optimierungssuche im Schritt 234 aus,
und kehrt zurück
zu dem Schritt 120 aus 4A.
Wenn das Flag nicht festgestellt wurde im Schritt 232,
fährt der
Schaltkreis 82 fort zu Schritt 218; um mit dem
Testen von anderen Kandidatenklappen- und -schaufeleinstellungen fortzufahren.
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Um zu erlauben, dass die oben beschriebene
Optimierungssuche fortschreitet durch die Kandidatenklappen- und
-schaufeleinstellungen, während die
Strömung
durch die Einheit 18 im wesentlichen konstant gehalten
wird, führt
der Schaltkreis 82 vorzugsweise eine Strömungscharakteristiksuchroutine aus,
wie dargestellt ist in 4C.
Die Suchroutine setzt im allgemeinen die Laufschaufeln in untere
und obere Grenzpositionen (das heißt maximal und minimal zulässige Neigung)
und schreitet fort durch eine Serie von Klappenpositionen für jede Schaufeleinstellung,
um die untereinander abhängigen
Strömungscharakteristiken
der Klappen- und Schaufelpositionen für den Satz von unter Untersuchung
stehenden Betriebsbedingungen zu bestimmen. Die resultierenden Daten
können
dann benutzt werden, um die konstanten Strömungscharakteristiken zu identifizieren,
wie in den in 5 dargestellten
Kurven gezeigt ist, als eine Funktion der Klappen- und Schaufelpositionen.
Ein detaillierterer Hintergrund des Verfahrens, welches benutzt
wird, um die Kurven konstanter Strömung zu erzeugen, wird vorgestellt
in dem US-Patent mit der Nummer 5,402,332, welches am 28. März .1955
Kopf erteilt wurde, und welches hiermit durch Bezugnahme in die
vorliegende Offenbarung aufgenommen wird. Die Daten, welche die Basis
für die
resultierende Familie von Kurven bilden, im allgemeinen bezeichnet
durch das Bezugszeichen 500 in 5, stellen Linien zur Verfügung, entlang welcher
der Schaltkreis 82 die Kandidatenklappen- und -schaufeleinstellungen
für die
Durchflussratenparameter des unter Untersuchung stehenden optimalen
Matrixblockes identifiziert. Wenn zum Beispiel der virtuelle Kurvenblock
eine Durchflussrate von 60 Kubikmetern pro Sekunde durch die Einheit 18 verlangt, wird
der Schaltkreis 82 Kandidateneinstellungen aus der Kurve 502 identifizieren.
Für Durchflussraten
von 70 oder 80 Kubikmetern pro Sekunde würden jeweils die Kurven 504 oder 506 als
die Führung für die Kandidatenposition
dienen. Es soll verständlich
sein, dass die in Betracht stehende Strömungsrate nicht irgendeinembesonderen
vorher gesetzten Wert entsprechen muss, aber letztendlich festgesetzt wird,
durch die Identifikation von Durchflussratenbereichen, für welche
die virtuelle Kurve oder optimale Matrix errichtet werden soll.
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Es soll bemerkt sein, dass das vorliegende Verfahren
Daten zur Verfügung
stellt, aus welchen geeignete Schaufelneigungen und Klappenpositionen
bestimmt werden können,
welche eine im wesentlichen konstante Strömung durch die Einheit 18 aufrechterhalten
werden. Daher verwendet die vorliegende Technik eher als die Modelldaten,
welche als eine Basis für
diese Berechnungen in der Technik des oben genannten US-Patentes
mit der Nummer 5,402,332 verwendet werden, dieselben Beziehungen
aber entwickelt die gewünschten
Klappen- und Schaufelpositionen aus den aktuell gemessenen Daten.
Im allgemeinen bestimmt das Verfahren effektiv den Effekt der Schaufelneigung
auf die Strömungsrate
(das heißt
die partielle Ableitung der Strömung
im Hinblick auf den Schaufelneigungswinkel) und den Effekt der Klappenpositionen
auf die Strömungsrate (das
heißt
die partielle Ableitung der Strömung
im Hinblick auf die Klappenposition), um die geeigneten entsprechenden
Schaufel- und Klappenpositionen vorwegzunehmen oder zu bestimmen,
welche notwendig sind, um die gewünschte Strömungsrate beizubehalten. Zudem
soll bemerkt sein, dass es nicht wesentlich für das Verfahren ist, die absolute
Strömungsrate
zu bestimmen. Weil die Strömungsrate
im wesentlichen unverändert
gehalten wird ist es eher nur notwendig, einen Parameter zu überwachen, welcher
proportional ist zu (oder allgemeiner bezeichnend für die) Strömungsrate
(zum Beispiel der Differentialdruck, welcher in dem Winter-Kennedy-Verfahren
zur Bestimmung der Strömungsrate verwendet
wird), und zu bestimmen, wie sich der Parameter mit Änderungen
in den Klappen- und Schaufelpositionen ändert. Änderungen in der Strömungsrate
können
dann aus den Änderungen
in dem zugehörigen
Parameter gefolgert werden. Für
die vorliegenden Zwecke ist dann, wenn Bezug genommen wird auf die
Daten der konstanten Strömungscharakteristik,
dies beabsichtigt, um Bezug zu nehmen auf Parameterdaten, wie zum
Beispiel Wechsel im Differentialdruck, aus welchen der Effekt der
Wechsel in den Klappen- und Schaufelpositionen auf die Strömungsrate
hergeleitet werden kann, wie beschrieben in dem US-Patent mit der
Nummer 5,402,332.
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Nachfolgend, durch Ausführen der
vorhergehenden Optimierungssuche, während die Strömung im
wesentlichen konstant gehalten wird, kann die maximale Wirksamkeit
der Turbineneinheit bestimmt werden mit Bezug auf den Wert der Stromerzeugung/Leistungserzeugung,
ohne die Notwendigkeit, eine Indikation für die aktuelle Wirksamkeit
der Turbine abzuleiten.
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Wie in der 4C angezeigt ist, beginnt die Strömungscharakteristiksuche 300 im
Schritt 302. Im Schritt 304 bestimmt der Schaltkreis 82,
ob die unteren Schaufelpositionen über (versus) den Klappenströmungscharakteristiken
vorher bestimmt worden sind und gespeichert in dem Speicherschaltkreis 78. Wenn
ja, schreitet die Suche fort zu Schritt 324. Wenn nein,
wird im Schritt 306 die Schaufelposition auf ihr unteres
Limit gesetzt. Wenn die Schaufeln so positioniert worden sind, werden
die Klappen auf ihre Positionen des unteren Limits im Schritt 308 gesetzt. Es
soll festgehalten werden, dass die unteren (und oberen) Klappenund
Schaufelpositionen bestimmt sein können durch physikalische Grenzen
der Turbineneinheit, wie zum Beispiel vollständig geschlossene Klappenpositionen
oder am Ende der Strecke eines Stellgliedes, oder festgesetzt sein
können
durch Betriebskriterien, wie zum Beispiel der maximale axiale Wellenschub,
oder einen Grenzpunkt, jenseits desselben die Klappen nicht zurückholbar
gelagert sein könnten
aufgrund der Wasserauftreftkräfte. Wenn
die Klappen und Schaufeln so positioniert worden sind, schreitet
der Schaltkreis 82 fort zu dem Schritt 310, wo
auf die aufgenommenen Parametersignale zugegriffen wird (vorzugsweise
nachfolgend zu einer Wartezeitspanne, wie oben beschrieben wurde).
Im Schritt 312 werden statistische Analysen mit den Parametersignalen
durchgeführt,
wie oben im Hinblick auf den Schritt 222 beschrieben wurde, und
im Schritt 314 werden Vergleichswerte der statistischen
Daten (zum Beispiel Mittelwert- und Standardabweichungen der Strömung, des
Gefälles
und des Wertes der Stromerzeugung) verglichen mit zulässigen Bändern, um
zum zu bestimmen, ob das System einen stationären Betrieb erreicht hat. Wenn nicht,
kehrt der Schaltkreis 82 zurück zu Schritt 308, um stationäre Bedingungen
abzuwarten. Wenn die Einheit einen stationären Betrieb erreicht hat, wird
die Klappenposition im Schritt 316 schrittweise erhöht. Eine Überprüfung wird
ausgeführt
im Schritt 318, um zu bestimmen, ob die obere Begrenzungsposition der
Klappe erreicht wurde und, wenn nicht, schreitet die Suche fort
mit der Aufnahme von Testdaten für die
nächste
Testeinstellung durch Zurückkehren
zu Schritt 310. Sobald die obere Grenzeinstellung der Klappe
im Schritt 318 erreicht worden ist, schreitet der Schaltkreis 82 zu
Schritt 320 fort, um die Strömungscharakteristikdaten zu
bestimmen, durch Verwendung einer Anpassungsanalyse mit linearer
Regression (linear regression fit analysis), auf eine in der Technik
bekannte Art und Weise. Die resultierenden Strömungscharakteristikdaten werden
im Schritt 322 gespeichert und der Schaltkreis 82 fährt fort
zu Schritt 324, um die Daten der Strömungscharakteristik für die obere
Grenzposition der Schaufel zu bestimmen.
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Die Schritte zum Bestimmen der strömungscharakteristischen
Daten für
die obere Grenzposition der Schaufel sind im allgemeinen analog
zu den Schritten, welche weiter oben dargestellt wurden für die Testabfolge
der unteren Grenzpositionen der Schaufel. Im Schritt 324 greift
der Schaltkreis 82 zu auf existierende obere grenzströmungscharakteristische
Daten der Schaufel für
den aktuellen Satz von Betriebsparameterwerten, wenn solche Daten
in dem Speicherschaltkreis 78 gespeichert sind. Wenn die Daten
bestimmt wurden durch eine vorherige Suche, schreitet der Schältkreis 82 fort
zum Schritt 314, wobei er zu der Optimierungssuchroutine
zurückkehrt. Wenn
nicht, werden die Laufschaufeln in ihre oberen Grenzpositionen im
Schritt 326 gesetzt, und die Klappen werden in ihre unteren
Grenzpositionen im Schritt 328 gesetzt. Vorzugsweise nachfolgend
einer Ausregelperiode wird auf die Parametersignale im Schritt 330 zugegriffen und
statistische Analysen werden mit ihren Werten im Schritt 332 ausgeführt. Wenn
bestimmt wird, dass die Einheit ihren stationären Betrieb im Schritt 334 erreicht
hat, werden die Klappenpositionen im Schritt 336 schrittweise
erhöht auf
eine nachfolgende Testposition. Wenn der stationäre Betrieb nicht erreicht worden
ist im Schritt 334, kehrt der Schaltkreis 82 zurück zu Schritt 330,
um wiederum durch die Ausregelperiode und die Schritte der statistischen
Analysen durchzulaufen. Im Schritt 338 wird ein Test ausgeführt, um
zu bestimmen, ob die oberen Grenzen der Klappen erreicht worden sind
und, wenn nicht, schreitet die Routine fort, um Strömungsinformationen
für die
neuen Testpositionen zu erzielen. Sobald die obere Grenzposition
der Klappe erreicht worden ist, schreitet die Routine zu Schritt 340 fort,
in dem die Daten der Strömungscharakteristik
berechnet werden für
die oberen Grenztestpunkte der Schaufel, durch Kurvenanpassung mit linearer
Regression (linear regression curve fitting). Die resultierenden
Daten werden dann im Schritt 342 gespeichert. Wie oben
beschrieben wurde, dienen die Testdaten für die Klappen- und Schaufeleinstellungen
als eine Basis zum Definieren der Kandidatenpositionen der Klappen
und Schaufeln, welche in einer im wesentlichen konstanten Strömung resultieren,
wie beschrieben wird im US-Patent mit der Nummer 5,402,332 und oben
diskutiert wurde. Im Schritt 344 kehrt die Routine zurück zu der
Optimierungssuchroutine im Schritt 212. Es soll bemerkt
sein, dass in der vorliegenden vorzuziehenden Ausführung die charakteristischen
Daten der gewünschten
Strömung bestimmt
werden durch Tests an den oberen und unteren Schaufelpositionen
und an drei Klappenpositionen, umfassend die oberen und unteren
Grenzpositionen und eine Zwischenposition. Es soll jedoch verständlich sein,
dass die Testdaten gesammelt werden können für zusätzliche Zwischenpositionen,
wo es geeignet scheint.
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Wie oben zusammengefasst wurde, schreitet
die vorzugsweise Optimierungssuch- Sequenz fort durch eine Reihe
von Kandidatenpositionseinstellungen der Klappen und Schaufeln,
um solche Einstellungen zu identifizieren, welche zu der maximalen
Leistungsabgatiebe für
den N-dimensionalen Satz von Betriebsparametern führt, für welchen
die virtuelle Kurvenmatrix besetzt werden soll. Die 4D stellt exemplarisch die Steuerlogik
zum Identifizieren der Kandidatenpositionen der Klappen und Schaufeln
dar und zum Bestimmen, ob optimale Einstellungen identifiziert worden
sind.
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Wie in 4D gezeigt
ist, beginnt die Setzpunkt-Auswahlroutine 400 im Schritt 402.
Im Schritt 404 bestimmt der Schaltkreis 82, ob
die Kandidateneinstellungen, welche gerade zu allerletzt in der Suchroutine 200 getestet
worden sind, die ersten Kandidateneinstellungen waren. Wenn ja,
sind jetzt keine Vergleichsdaten verfügbar und die Routine schreitet
fort zu Schritt 406, wo, die Kandidateneinstellungen schrittweise
vergrößert werden.
In der vorliegenden vorzuziehenden Ausführung beginnt die Routine 200 mit
einem festgesetzten Schrittausmaß, wie zum Beispiel 10% des
Positionierbereiches der Klappen. Basierend auf den neuen Klappeneinstellungen
wird eine entsprechende Kandidatenschaufelposition bestimmt im Schritt 408,
durch Bezug auf die Kurve der konstanten Strömungscharakteristik für den Satz
der Betriebsparameter, wenn diese durch die oben beschriebene Routine 300 bestimmt
wurde. Der Schaltkreis 82 fährt dann fort zu Schritt 410,
wobei er zurückkehrt
zum Schritt 230 der Optimierungsroutine.
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Wenn im Schritt 404 bestimmt
wird, dass die zu allerletzt getesteten Kandidateneinstellungen nicht
die ersten getesteten Punkte sind, fährt die Routine mit dem Schritt 414 fort,
wo der Wert der Leistungsabgabe, welcher aus den zu allerletzt getesteten
Kandidatenpositionen resultiert, mit dem Wert der Leistungsabgabe
verglichen wird, welcher aus den vorher getesteten Kandidateneinstellungen resultiert
(typischerweise die vorletzten Kandidateneinstellungen), um zu bestimmen,
ob sich der Wert der Leistungsabgabe vergrößert hat. Wenn die Leistungsabgabe
angestiegen ist von dem Wert, welcher durch die vorhergehenden Einstellungen
produziert wurde, fährt
die Suche fort zu Schritt 406 und die neuen Kandidateneinstellungen
der Klappen und Schaufeln werden bestimmt, was effektiv die Suche in
der Richtung der Kandidateneinstellungen fortsetzt, welche in einem
größeren Wert
der Leistungsabgabe resultieren. Wenn im Schritt 414 bestimmt wird,
dass der Leistungsabgabewert von den allerletzten Kandidateneinstellungen
sich vergrößert hat von
dem vorhergehenden Wert, schreitet die Routine zu Schritt 416 fort,
wo die vorhergehenden zwei Ausgabewerte untersucht werden, um zu
bestimmen, ob der vergrößerte Ausgabewert
die zweite aufeinander folgende Vergrößerung ist. Wenn nicht, kehrt
die Routine wiederum zurück
zu Schritt 406, um einen zusätzlichen Satz von Kandidatenpositionen
in derselben Richtung des Inkrementes zu erzeugen und zu testen.
Wenn die Vergrößerung in
dem Ausgabewert die zweite aufeinander folgende Vergrößerung in
Schritt 416 ist, fährt
die Routine mit Schritt 418 fort, was anzeigt, dass die
Suche in der vorliegenden Richtung des Inkrementes vollständig/abgeschlossen
ist. Es soll festgehalten sein, dass die Schritte 414, 416 und 418 der
Suche erlauben, fortzufahren, obwohl eine einzelne Leistungsvergrößerung angefallen
ist, was effektiv zwei aufeinander folgende ansteigende Leistungsabgabesignale
erfordert, bevor die Suchrichtung umgekehrt wird.
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Sobald der Schaltkreis 82 bestimmt,
dass die allerletzte Suchrichtung nicht geeignet scheint, bessere
Kandidatenklappen- und -schaufeleinstellungen zu lokalisieren, als
diejenigen, welche schon gefunden wurden, untersucht er im Schritt 420 die
vorhergehenden Testpunkte, um zu bestimmen, ob die Richtung der
Suche schon umgekehrt wurde (das heißt wenigstens zwei ansteigende
Leistungsabgabewerte haben resultiert aus Einstellungen auf einer entgegengesetzten
Seite des maximalen Leistungsabgabewertes, soweit er erreicht wurde).
Wenn das Ergebnis dieser Anfrage negativ ist, was anzeigt, dass
die Einstellungen, welche in einer optimalen Leistungsabgabe resultieren,
auf der entgegengesetzten Seite der besten Einstellungen, soweit
sie identifiziert wurden, liegen, wird die Richtung des Inkrementes
umgedreht im Schritt 422. Im Schritt 424 werden
die Einstellungen zurückgesetzt
zu den besten vorher identifizierten Einstellungen, und die Routine
fährt fort
mit Schritt 406, um die nächsten Kandidateneinstellungen
in der neuen Suchrichtung zu identifizieren.
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In der vorliegenden vorzuziehenden
Ausführung
fährt die
Kandidatenpunkt-Auwahlroutine,
nach dem Identifizieren der Klappen- und -schaufeleinstellungen
auf jeder Seite eines optimalen Punktes, fort durch wenigstens eine
zusätzlichen
Serie von Tests, wobei eine kleinere Inkrementgröße verwendet wird, um eine
größere Auflösung beim
Identifizieren der optimalen Klappen- und – schaufeleinstellungen vorzusehen.
Daher wird, wenn im Schritt 420 bestimmt wird, dass zwei
aufeinander abfolgende ansteigende Leistungsausgabewerte in beiden
Richtungen einer inkrementalen Suche gefunden wurden, der Klappen-Inkrementschritt
verkleinert in den Schritten 426, 428, 430 und 434.
Im Schritt 426 vergleicht der Schaltkreis 82 die
allerletzte Inkrement-Schrittweite mit einer minimal zulässigen Schrittweite
(wie zum Beispiel 0.5%), um zu bestimmen, ob die Suchauflösung ihren
feinsten Wert erreicht hat. Wenn das Ergebnis des Vergleiches negativ
ist, wird die Inkrementgröße um 1/2
reduziert im Schritt 428, und die neue Schrittgröße/Schrittweite
wird wiederum verglichen mit der minimalen Schrittgröße im Schritt 430. Wenn
die Reduzierung in einer Schrittgröße resultiert hat, welche kleiner
ist als die minimal zulässige
Größe, wird
die Inkrement-Schrittgröße im Schritt 432 auf das
Minimum gesetzt und die Routine fährt fort mit Schritt 406,
um die Kandidateneinstellungen fortzusetzen, auf jeder Seite der
aktuell besten Einstellungen, bei Verwendung der neuen Inkrement-Größe. Wenn
im Schritt 430 die neue Inkrement-Größe nicht kleiner ist als die
minimal zulässige
Größe, kehrt
die Routine ähnlicherweise
zurück
zu Schritt 406, um die optimalen Einstellungen zu identifizieren,
basierend auf der neuen Inkrement-Größe. Zuallerletzt, wenn die
nachfolgende feinere Inkrement-Größe die minimal
zulässige
Inkrement-Größe erreicht
hat und die optimalen Einstellungen identifiziert wurden mit der entsprechenden
größten Auflösung, wird
das Optimum-Flag im Schritt 434, wie oben beschrieben,
gesetzt, was die Optimierungssuche beendet.
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Es soll festgehalten werden, dass
die vorhergehende Optimierungstechnik letztendlich in der Besetzung
einer optimalen Matrix für
die N-dimensionale virtuelle Kurve resultiert, auf welche nachfolgend Bezug
genommen wird, durch die Steuervorrichtung, zum Setzen der Klappen-
und Schaufelpositionen, zu jederzeit, wenn der Satz von überwachten
Betriebsparametern der optimalen Matrixposition entspricht. Weil
ein bestimmter Satz von Betriebsparametern während einer beachtlichen Zeitperiode
nicht berücksichtigt
werden könnte,
bestimmte ungewöhnliche Kombinationen
von Betriebsparametern können
nur saisonal berücksichtigt
werden, jährlich
oder während
hochgradig ungewöhnlicher
Perioden (zum Beispiel aufgrund von großen Regenmengen, Überlauf oder ähnliches),
könnte
die Matrix nicht vollständig besetzt
werden oder eine bemerkenswerte Zeit für die Besetzung in Anspruch
nehmen. Sobald jedoch ein neuer Satz von Betriebsbedingungen berücksichtigt
worden ist, wird die Optimierungstechnik die Notwendigkeit identifizieren,
die Suche auszuführen
und fortschreiten, um die besten Einstellungen für die neuen Bedingungen zu
identifizieren. Zusätzlich
soll festgehalten werden, dass die optimale Matrix nicht alle der
oben beschriebenen zusätzlichen
Parameter umfassen muss. In Abhängigkeit
von besonderen Notwendigkeiten und der Situation einer gegebenen Installation,
der Messgeräteausrüstung und
der Software zum Erzeugen der optimalen Matrix können einige oder alle der Parameter
im Laufe der Zeit hinzugefügt
werden. Zudem können
andere Faktoren als die zusätzlichen
Parameter, welche oben identifiziert wurden, eingebunden werden
in die Ndimensionale virtuelle Kurve, wenn es notwendig ist.