AUSLEGUNG VON PUMPSPEICHER- UND LAUFKRAFTWERKEN - … · Pelton Turbine 1: Nozzle Positon Penstock...

-1- AUSLEGUNG VON PUMPSPEICHER-

UND LAUFKRAFTWERKEN

12. SYMPOSIUM ENERGIEINNOVATION

ALTERNATIVEN FÜR DIE

ENERGIEZUKUNFT EUROPAS

2012

AUSLEGUNG VON

PUMPSPEICHER- UND

LAUFKRAFTWERKEN

Prof. Helmut Jaberg

Institut für Hydraulische Strömungsmaschinen

Technische Universität Graz

A-8010 Graz Kopernikusgasse 24 / IV

[email protected] http://www.hfm.tugraz.at


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Beispiele von Berechnungen und deren Vorhersagegenauigkeit

• Standortstudie für Hybridkraftwerk auf Kreta

• Optimierung von Zu- und Ausläufen von Kraftwerken

• Schnellste Umschaltzeiten bei Large Hydro: ± 500 MW

Pumpspeicherkraftwerk

• Hydraulikdesign, Bifurkation und Auslauf für Kraftwerk in der Steiermark

- Small Hydro Kraftwerksberechnungen zur Gesamtanalyse

• Saugrohr-Pulsationen einer Kaplanturbine

Einleitung: Inhalt In der Auslegung von Kraftwerken sind umfangreiche

Voruntersuchungen seit Jahren Standard.


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

(a) Plan view

(b) Vertical section

Upper

reservoir

Lower

reservoir

Standortstudie: 5 MW Hybridkraftwerk

Pumpspeicherkraftwerk im Verbund mit Windpark Elektrisch isolierte Insel Pilotkraftwerk zur Netzstabilisierung Privater Investor 5 MW Windkraft + 5 MW Turbinen + 5 MW Pumpen

Upper

reservoir

Lower

reservoir

Pump

building

Turbine

building

Geplanter Standort


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

M M M M

G G G

upper

reservoir

lower

reservoir

Operation mode 01: 100 % pump, 0% turbine, 100% windturbine

100 % (5.1 MW)

100 % (5.1 MW)0 % (0 MW)

750 l/s

750 l/s

0 l/s

0 %

(0 MW)

Full pumping mode via wind turbines, no turbine mode (no power production)

MM

M M M M

G G G

upper

reservoir

lower

reservoir

MM


No pumping mode via windturbines, full turbine mode (power production)

0 % (0 MW)

0 % (0 MW)100 % (5 MW)

1100 l/s

100 %

(5 MW)

1100 l/s

M M M M

G G G

upper

reservoir

lower

reservoir

MM

0 % (0 MW)

100 % (5.1 MW)0 % (0 MW)

750 l/s

0 l/s

Pumping mode via grid, no turbine mode (no power production)


100 %

(5.1 MW)

Standortstudie: Lastfälle

1. Pumpspeicherung aus Windkraft

2. Erzeugung Spitzenenergie

3. Pumpsspeicherung aus Netz

() Hydraulischer Kurzschluß vorerst

ausgeschlossen

1

2

3


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Averaged power of wind park per machine

Standortstudie: Wann ist wieviel Wind? Umrechnung eines benachbarten Windparks auf den Standort Tagesverlauf der Windkraftwerke als Monatsmittelwerte Geringere Produktion in den Morgenstunden über das ganze Jahr

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

0 6 12 18 24

hour

Po

we

r [k

W]

Jan Average

Feb Average

March Average

April Average

May Average

June Average

July Average

Aug Average

Sept Average

Oct Average

Nov Average

Dec Average

Year Average

Der arithm. Mittelwert gibt

jedoch nicht sinnvolle

Bemessungsgrößen:

Bei dieser Mittelwertbildung

erzeugen die Turbinen immer

relativ viel Strom, genauere

Segmentierung notwendig!

Rovas wind park, averaged power

0

100

200

300

400

500

600

700

800

01.01.2010 01.01.2011

Time

Po

we

r [k

W]


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

August, Wind Power

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

0 6 12 18 24

Hours

Po

wer

[kW

]

Average

Min

Max

10 days ave min

20 days ave min

10 days ave max

20 days ave max

Averaged value based

on strongest 20 days

Averaged value based

on strongest 10 daysOne month, power sorted from

highest power to lowest power

Averaged value basedon weakest 20 days

Averaged value basedon weakest 10 days

Standortstudie: Genauere Segmentierung der Windsituation

Weitere Segmentierung der

Monatswerte in beste und

schwächste 10-Tages-

Mittelwerte.

Es gibt auch in guten Monaten Zeiten wo kein (oder fast kein

Wind) bläst.

August, Wind Power

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

0 6 12 18 24

Hours

Po

wer

[kW

]

Average

Min

Max

10 days ave min

20 days ave min

10 days ave max

20 days ave max


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Load Crete

0

100

200

300

400

500

600

700

01.01.2007 00:00 01.01.2008 00:00 31.12.2008 00:00

Lo

ad

MW

2007

2008

Standortstudie: Netzsituation im Jahresüberblick

Basierend auf 2007 und 2008, 15 min Werte Minimum 100 MW, Maximum 6 mal höher.


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Hour

Po

we

r [M

W]

average Jan

average Feb

average March

average April

average May

average June

average July

average Aug

average Sept

average Oct

average Nov

average Dec

average Year

Standortstudie: Monatliche und Tageszeitenschwankungen

Netz am stärksten beansprucht im Juli and August (gefolgt von Juni und September) Großer Unterschied im Tagesminimum und -maximum (Faktor 2)


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Garantierte Produktion und sicherer Betrieb: 8h/Tag mit 5MW (40 MWh)

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

50.0

0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95

Pipe diameter D [m]

He

ad

lo

ss

es

[m

WC

]

0.00%

0.88%

1.77%

2.65%

3.54%

4.42%

5.31%

6.19%

7.08%

7.96%

8.85%

Lo

ss

es

[%

]

Q=1.10 m³/s

Q=0.75 m³/s

Q=0.35 m³/s

Standortstudie: Kraftwerkslizenz und Dimensionierung

Faktor QTu / QPu = 147%

(auf Basis geschätzter

Wirkungsgrade)

Damit gleiche Spiegelkoten

nach 24h vorhanden sind:

Maximale Stunden

Turbinenmodus: 9.73h

Dafür 14.27 Stunden Pumpen

erforderlich

Oberwasser 75.000 m3, damit

16.94 h ununterbrochene

Energieproduktion bei Start mit

Kote Oberwasser Maximimum

Auswahl geeigneter

Rohrdurchmesser ist eine

Verlustoptimierung

Wasserverdunstung gering


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Standortstudie: Fahrszenario

Beispielsszenario mit mittlerem Wind. Kein Zukauf aus dem Netz

notwendig zur Erfüllung der Lizenz (40 MWh )

0

100

200

300

400

500

600

0

1

2

3

4

5

6

0 6 12 18 24

Lo

ad

Cre

te [

MW

]

Po

wer

[MW

]

DAY

Scenario August

Power from REP Total power for pumping Guar. power from turbineTotal guar. power Power from grid for pumping 10 days ave min20 days ave min 10 days ave max 20 days ave maxCreta Load [MW]

Load

REP


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Beispielsszenario, gleiches Monat niedrigem Wind. Zukauf aus

dem Netz notwendig zur Erfüllung der Lizenz (40 MWh )

Standortstudie: Fahrszenario

0

100

200

300

400

500

600

0

1

2

3

4

5

6

0 6 12 18 24

Lo

ad

Cre

te [

MW

]

Po

wer

[MW

]

DAY

Scenario August, 10 days min

Power from REP Total power for pumping Guar. power from turbineTotal guar. power Power from grid for pumping 10 days ave min20 days ave min 31 days ave 10 days ave max20 days ave max Creta Load [MW]

Load

REP


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

60.00%

65.00%

70.00%

75.00%

80.00%

85.00%

90.00%

95.00%

100.00%

Accumulated - 2

Pumps / 1

Turbines

(P=33%)

Accumulated - 3

Pumps / 2

Turbines

(P=50%)

Accumulated - 4

Pumps / 2

Turbines

(P=66%)

Accumulated - 5

Pumps / 3

Turbines

(P=80%)

Accumulated - 6

Pumps / 3

Turbines

(P=90%)

Accumulated - 6

Pumps / 3

Turbines

(P=100%)

Power from REP/GRID Freuency ConverterMotor PumpHead losses pump mode Head losses turbine modeTurbine Generator

Standortstudie: Cycle - Wirkungsgrad

Wälzfaktor (elektr./mech./hydraul.//hydraul./mech./elektr.) Umspannung auf 10kV nicht berücksichtigt


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

GRP pipe,

L=940,5m steel pipe,

L=869m

turbine piping L=30m, D=0,3m

pump piping L=30m,

D=DNPress

pump suction pipe

L=100m, D=0.7m

pipe pump building –

penstock: L=150m,

D=0.6m

Oberwasser

Druckrohrleitung

(GFK / Stahl)

3 Turbinen mit

Verrohrung

4 od. 6 od. 8

Pumpen mit

Verrohrung

Unterwasser

Standortstudie: Druckstoßberechnung

Numerisches Modell / Anlagenschema


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Gleichzeitiges Abstellen aller Turbinen in 20 sec.

(Düsennadeln und Kugelschieber schließen)

Oberwasser max. (URmax ) transiente Ergebnisse

Upper Reservoir: Flow Rate

Pelton Turbine 1:

Flow Rate Pelton Turbine 1: Nozzle Positon

Penstock end:

Pressure

Pump Ball Valve: Pressure

Standortstudie: Ergebnis Druckstoßberechnung

3 Turbinen, Stop in 20s


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Gleichzeitiges Abstellen aller Turbinen in 20 sec. (Düsen-

nadeln und Kugelschieber schließen) Oberwasser max.

(URmax - Einhüllende) transiente Ergebnisse

pipe profile

max head

stationary head

min head


3 Turbinen, Stop in 20s


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Hersteller A, Trägheitsmoment=10.5 kgm²

(PU+Motor+Kupplung) Oberwasser max;

Unterwasser min: transiente Ergebnisse

Pump 1: Flow Rate

Pump Ball Valve: Opening

Pump 1: Rotational Speed

Penstock end:

Pressure

Pump Ball Valve: Pressure


6 Pumpen Lastabwurf


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

pipe profile

max head

stationary head

min head

Hersteller A Trägheitsmoment=10.5 kgm²

(PU+Motor+Kupplung) Oberwasser max;

Unterwasser min: transiente Ergebnisse


6 Pumpen Lastabwurf


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Hersteller B

Verschiedene

Lastfälle

Einhüllende

(GFK pipe)

5 Lastfälle:

3 Oberw.- max.

2 oberw.- min.

URmax, 25 kgm², D=0.7



URmin, 75 kgm², D=0.7

URmin, 75 kgm²,

D=0.7, TU-Start

Standortstudie: Druckstoßberechnung

Pumpen Lastabwurf


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

• Die Berechnungen zeigen, dass ein System ohne

Wasserschloss oder Windkesssel möglich ist.

• Gleichzeitiger Lastabwurf aller Pumpen ist der kritischte Lastfall.

Zusätzliche Schwungmasse für die Pumpen ist notwendig um

Kavitation in System zu vermeiden.

• Für die GFK-Leitung ist ein höchster Bemessungsdruck von

PN40 ausreichend; für den Bereich der Stahlleitungen und

Absperrorgane (Pumpen, Turbinen, …) ist PN63 ausreichend.

Standortstudie: Zusammenfassung

Erkenntnisse der Druckstoßrechnung

Erkenntnisse der Machbarkeitsanalyse

• Maschinenkonzept wird erneut überarbeitet um Stichleitung der

Anbindung des Kraftwerksstandortes nicht umrüsten zu müssen

• Wirtschaftlichkeit ist gegeben


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Bilder bei Baubeginn, Oberwasserkote: 935 m.a.s.l

Zu- und Auslauf von Niederdruckmaschinen

Für eines der ersten Rohrturbinenprojekte, die in der Türkei

überhaupt erst realisiert wurden

Ziel: möglichst homogene Geschwindigkeitsverteilung am

Eintritt der Turbinen zu erreichen.

Berechnungen für Volllast im Ein- und Zweimaschinenbetrieb

Volllast: 150 m³/s

Street behind the

tailrace structure

Inlet structure

version 5

Turbine intake (angle between weir axis

and powerhous axis: 80°)

Headwater

Tailwater

Existing DSI-

structure

Tailrace structure


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Zu- und Auslauf: Modellbereich

Auslauf

Zulauf

Turbine 2 Turbine 1

140 m Fluss-

aufwärts

Nach Analyse der geplanten Maschinenkonfiguration wurde die Längsachse stärker in den Flußlauf

gedreht und dadurch insbesondere die Auslaufsituation stark verbessert.


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Zulauf: Geometrievariationen

Die Zuströmung wurde kontinuierlich

verbessert bis das Zuströmprofil an der

Turbine in allen Lastfällen die hohen An-

forderungen des Turbinenlieferanten erfüllt


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Zu- und Auslauf: optimierte Geometrie

2-Maschinenbetrieb 1-Maschinenbetrieb mit Turbine Nr.1


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Zu- und Auslauf: Kraftwerk in Betrieb

Inbetriebnahme erfolgte zur Zufriedenheit aller Beteiligten, weitere

Kraftwerksstufen in Detailplanung

Zwischenversion

Fischfreundlich


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

throttle 1

throttle 2

throttle 3

towards

resrvoir

towards power

house

Lower chamber

upper chamber

Rise shaft and aeration

pipe

throttle 1

throttle 2

throttle 3

towards

resrvoir

towards power

house

Lower chamber

upper chamber

Rise shaft and aeration

pipe

HPP KOPS 2 - Vorarlberg Österreich

Panorama-Ansicht und Wasserschlösser

Schnellste Umschaltzeiten bei PSP-Kraftwerken: Kops II


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

KOPS II ist konzipiert und gebaut für 4 Einsatzbereiche:

• 1) Produktion von Spitzenenergie,

• 2) Konventionelles Pumpspeichern,

• 3) Frequenz und Netzstabilisierung,

• 4) Minutenreserve.

Frequenz und Netzstabilisierung:

Gesamte Breite von 510 MW Erzeugung bis 450 MW Verbrauch (auch

Phasenschieben mit 0 MW) mit hydraulischem Kurzschluß.

Minutenreserve:

Schnellstart in den Pumpen oder Turbinenbetrieb (mit Synchronisation

des Generators)

Wechsel in 30 bis 40 Sekunden vom Turbinenbetrieb (510 MW, 72 m³/s

Durchfluß) in den Pumpenbetrieb (450 MW, 54 m³/s) - und vice versa.

Pumpspeicher: Betriebsmodi


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

3-stufige Pumpe

Gegendruck

Peltonturbine

Unteres

Wasserschloß

Oberes

Wasserschloß

Pumpspeicher: Numerisches Modell

Maschinenschnitt


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Druckstoßberechnungen : Numerische Methode

Methode der Charakteristiken

Kommerzielles Software Paket Flowmaster (als

Löser, Verbessert durch eigene Codeentwicklung),

auch mit trennende Wassersäulen.

Antrieb für die

Absperrklappe Gedrosseltes 2 Kammern

Wasserschloß Gegendruck

Peltonturbine


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Wasserschlossparameter bei zyklischem simultanem Pumpentakten und Refelexionsdruckstoß

Pump (pink) and turbine (blue) operation

Reflection water hammer

shaft (meas., red)

shaft (calc., green)

aeration (meas., blue)

aeration (cal., yellow)

Separation of water columns:

shaft - aeration

Ergebnisse: Vergleich Messung und Rechnung


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Hydraulischer Kurzschluss: Leistungsregelung bei konstantem Pumpbetrieb und variabler

Turbinenleistung. Wasserspiegel im Wasserschloss


0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 500 1000 1500 2000 2500

op

en

ing

[-]

liq

uid

level

[mW

C]

time [s]

LC103

shaft

aeration pipe

upper chamber

shaft - calculation

aeration pipe - calculation

upper chamber - calculation

turbine opening

pump ball valve opening

shaft (meas., red) shaft (calc., green)

Pump (pink) and turbine (blue) operation

Reflection water hammer

aeration (meas., blue)

aeration (cal., yellow)

Slight reaction of upper

chamber only


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

09:42 09:43 09:44 09:45 09:46 09:47 09:48 09:49 09:50 09:51 09:52 09:53 09:54

21.11.2008

1Wirkleistung_Ist 2Wirkleistung_Ist 3Wirkleistung_Ist

M1DLK_Luftdruck_MP6A M2DLK_Luftdruck_MP6A M3DLK_Luftdruck_MP6A

M1DLK_Pegel_ME6 M2DLK_Pegel_ME6 M3DLK_Pegel_ME6

WSGU_u_Kam_Pegel WSGU_Pegel_Sonde BeckenRifa_Pegel_A

-150

-100

-50

0

50

100

150MW

1.00

1.25

1.50

1.75

2.00

2.25

2.50

2.75

3.00bar

985.0

985.5

986.0

986.5

987.0

987.5

988.0müA

1000.0

1002.5

1005.0

1007.5

1010.0

1012.5müA

Turbine 1: pressure in counter pressure chamber v.Time, n=1.4, 1770/993.09



0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Time <s>

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Dru

ck im

DW

S <

bar>

Identical frequency

Different pressures in all 3

Pelton chambers,

meas./calc. identical

Abs. pressure,

bar

Rel. pressure,

bar

Ergebnisse: Vergleich Messung und Rechnung Druck in den 3 Druckluftwasserschlössern der Gegendruckpeltonmaschinen

Lastfall: Zyklisches simultanes Pumpentakten


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

• Unkonventionelle Lastfälle

• Schnelle Betriebsmodi

• Diese Maschinenkonfiguration hat das Potential für die

Stabilisierung bei sehr schnellen Veränderungen im Netz

• Die sehr schnellen Umschaltzeiten der Maschinensätze

bedingen Zugeständnisse bei der Lebensdauer

• Programmumgebung für anspruchsvolle Berechnungen wurde

geschaffen und die Messungen bestätigen den getätigten

Aufwand durch aussergewöhnlich gute Übereinstimmung

zwischen Berechnung und Messung



UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Months per year

Flo

wra

te [

m³/

s]

River Poels

Flowrate for power plant (-Residual water)

Possible flowrate each turbine

River Mur

River

PoelsTurbine 1 Turbine 2

CFD und Small Hydro

2 vertikale Kaplanmaschinen:

Nominale Leistung P=1.5 MW (1750kVA)

Nettofallhöhe H= 25.72m

Durchfluß je Turbine Q=6.22m³/s

Spezifische Drehzahl nq=109.18rpm

6 Laufschaufeln , Laufraddurchmesser: 1.1m

Druckrohrleitung: GFK, L= 2850m, D= 2.4m

Das Wasserregime erlaubt die wirtschaftliche

Installation von 2 Maschinen: 5 ½ Monate

laufen beide Turbinen und an 355 Tagen

zumindest eine Maschine.

Die Umweltaspekte und Kraftwerks-

auswirkungen waren essentiell in dieser

sensiblen Region. Basis: 1991-2001


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Blick vom Abflussbereich der Mur stromaufwärts

CFD und Small Hydro: Krafthaus und Umgebung


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

CFD und Small Hydro: Hydraulikneutentwicklung

Neues Laufraddesign, basierend auf

Yamaguchi, Sievo, Lugaresi und

Thomann

Das Laufschaufelprofil wurde basierend

auf der Potentialtheorie nach Czibere

optimiert.

Numerische Simulation

Laufradstellungen alle 2.5 Grad – in

Summe 10 Stellungen

Für die Leitschaufel wurde ein flaches

NACA 65 Profil verwendet.

Leitschaufelstellungen alle 2 Grad


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

CFD und Small Hydro: Bifurkation - Hosenrohr

Parameterstudie und 3D-CFD-Berechnung zur

Evaluierung und Optimierung der Strömungsverluste in

der Rohrleitungsverzweigung (2-stufig: händisch und mit

MOGA Optimierung („Multi Objective Genetic Algorithm“)

Gegeben:

- Anschlussdurchmesser der Rohrleitungen

- Achsabstand der beiden Turbinen

Gesucht:

- Optimales Hosenrohrdesign mit minimalen Verlusten im

Zwei-Maschinenbetrieb …

- … und minimalen Verlusten im Ein-Maschinenbetrieb

CFD-Geschwindigkeitskonturen

im 2-Maschinenbetrieb

CFD-Geschwindigkeitskonturen

im 1-Maschinenbetrieb

Durchfluss-abhängige Verlusthöhe für die beiden

Betriebsarten

Durchfluss Q [m³/s]

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0 2 4 6 8 10 12 14

Q [m³/s]

Hv

[m

] S

2 Maschinen

1 Maschine


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

River Mur

River Poels

Turbines

River Mur

River Poels

Turbines

Betoniertes Turbinenunterwasser, dessen Bereich in 2 Teilsegmente unterteilt ist.

Zwischenwand stabilisert die Unterwasserströmung.

CFD und Small Hydro: Einbindung ins Unterwasser Mit leichten Veränderungen der Geometrie kann ein sanfter Übergang in das Murbett erreicht werden.

Eine stehende Welle kann vermieden werden.


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

FELDMESSUNG

Garantiemessung: 5-

Tages Messkampagne

Strikt nach IEC 60041

Durchflussmessung mit

Gibson Methode (pressure

time method)

Gesamte

Messungenauigkeiten für

den Wirkungsgrad

+/- 1.46% (Leistung:

0.91%, Höhe 0.24%,

Gibson 1.11%)

CFD und Small Hydro: Messung vs. Rechnung

0.87

0.88

0.89

0.90

0.91

0.92

0.93

0.94

0.95

0.96

0.97

0.98

0.99

1.00

1.01

1.02

0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05

eff

/eff

_re

f [-

]

flowrate/flowrate_ref [-]

Guarantee efficiency

Measurement envelope

Measurement inaccuracy +x%

Measurement inaccuracy -x%

Envelope CFD

Im Bereich von 60% Teillast bis zum Nenndurchfluß gibt es eine sehr

gute Übereinstimmung zwischen Rechnung und Messung


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Saugrohrpulsationen: Kraftwerksbeschreibung

Hnenn=3.65 m

Qnenn=27 m3/s

N= 115 [U/min]

Die neue Turbine wird parallel zu zwei

alten Turbinen betrieben.

Besonders bei niedrigen Fallhöhen,

d.h. hohen Durchsätzen, erzeugt die

neue Turbine zu wenig Energie.

Defizite in der Jahresleistung

Pulsierender, schwankender Betrieb der Maschine

Analyse des Kraftwerkes von geg. RB, Einlauf, hydraulischen Komponenten ...

Quelle: Anlagenbetreiber

nq = 226.3 rpm

nS = 826.4 rpm

D2a = 2512 mm


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

(b)

Simples Modell mit einer Leitschaufel-Passage, einer

Laufrad-Passage und dem vollen L-Saugrohr

Das komplexe Modell mit der Spirale, einem vollen 360°

Leitschaufelring, einem 360° Laufrad und dem L-Saugrohr

mit einem Outblock

Das transiente Model mit einer Leitschaufel, dem vollen

Laufrad und dem L-Saugrohr und einem Outblock

Das volle Modell: zusätzlich zum komplexen Modell der

gesamte Zulaufbereich

Saugrohrpulsationen: CFD-Modelle


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Saugrohrpulsationen: Einzelkomponente: Zulaufbereich

Nach den letztgültigen

Plänen modelliert

Mehrphasig, das volle

Setup = gesamte

Maschinenkonfiguration

Instationäre

Berechnungen mit SST-

SAS Turbulenzmodel,

Kavitationsauswertung

mit dem Histogramm-

verfahren

Wasserspiegel an der

Oberfläche


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Saugrohrpulsationen: Einzelkomponente Zulaufbereich

Der Trennpfeiler hat einen signifikanten Einfluss auf die Zuströmung der Spirale, aber ...


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Saugrohrpulsationen: Einzelkomponente Zulaufbereich

Dieser Einfluss wird jedoch durch die korrekt arbeitende Spirale und den Leitapparat insofern

vergleichmäßigt, sodass es zu keiner ungleichmäßigen Anströmung des Laufrades mehr kommt.


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

80

85

90

95

100

105

1101

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

Saugrohrpulsationen: Einzelkomponente Spirale V

ollla

st

Teilla

st

Ungleichmäßige Anströmung

der Spirale über den Umfang


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Saugrohrpulsationen: Einzelkomponente Laufrad

Ungleichmäßige Anströmung der Spirale über den Umfang

von vorne ist am Laufrad nicht mehr feststellbar


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Saugrohrpulsationen: Saugrohr

Rückstromzonen im Saugrohr

Beaufschlagung einseitig links

instationäre

Wirbel im Unterwasser


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

0.9

0.91

0.92

0.93

0.94

0.95

0.96

0.97

0.98

0.99

1

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Revolutions [Umdr.]

Valu

e / V

alu

e m

ax.

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

0 2 4 6 8 10

Sekunden [s]

Wir

ku

ng

sg

rad

[%

]

Q/Qmax 2°

H/Hmax 2°

H_Moment/H_Moment_max 2°eta abs

eta_abs SST-SAS

eta_abs 1°

Saugrohrpulsationen: Transiente Betrachtung


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Wirkungsgradvergleich

5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 25.0 27.5 30.0

Durchfluss Q-Tu [m³/s] _

Ge

sa

mtw

irk

un

gs

gra

d E

ta-g

es

. [%

] _

Eta-Gesamt (Auswertung Anlagebesitzer)

Eta-Gesamt (Auswertung - bereinigt)

Eta-Gesamt (Simulation volles Rechensetup)

Messung 19.3.2009

Transiente Simulation der Ausgangslage

RAF falsch

berechnet,

in Real. zu

geringe

Fallhöhe (Auswertung Anlagenbesitzer)

Saugrohrpulsationen: Saugrohr

Neben den Problemen im Saugrohr konnten auch dem Kraftwerksplaner massive

Fehler nach der Anlagenmessung und CFD-Berechung nachgewiesen werden.


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Wirkungsgradvergleich

5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 25.0 27.5 30.0

Durchfluss Q-Tu [m³/s] _

Ge

sa

mtw

irk

un

gs

gra

d E

ta-g

es

. [%

] _

Eta-Gesamt (Auswertung Anlagebesitzer)

Eta-Gesamt (Auswertung - bereinigt)

Eta-Gesamt (Simulation volles Rechensetup)

Messung 19.3.2009

Transiente Simulation der Ausgangslage

Transiente Simulation Saugrohr NEU

(Auswertung Anlagenbesitzer)

Saugrohrpulsationen: Verbesserung des Wirkungsgrades

Durch Saugrohrmodifikationen kann ein deutlich besseres

Betriebsverhalten erreicht werden


UND LAUFKRAFTWERKEN




2012

Amt der Steiermärkischen Landesregierung , „Hydrologisches

Gutachten, GZ FA19A 18 Po-2007/2, Land Steiermark, Hydrographie,

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Referenzen

AUSLEGUNG VON PUMPSPEICHER- UND LAUFKRAFTWERKEN - … · Pelton Turbine 1: Nozzle Positon Penstock...

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