Ein Beitrag zur Druckstoßberechnung von Pumpspeicheranlagen

Der Betrieb von Pumpspeicheranlagen führt zwangsweise zu hochgradig instationären Strömungsvorgängen im Triebwasserweg einer Hochdruckwasserkraftanlage. Das Verlangen nach einem flexiblen Kraftwerksbetrieb mit möglichst kurzen Schaltzeiten von z. B. Pump- in Turbinenbetrieb setzt eine zuverlässige Vorausberechnung des transienten Strömungsverhaltens voraus. Mit Hilfe numerischer Simulationsmethoden können die dabei auftretenden Druckstöße und Massenschwingungen berechnet werden, um in weiterer Folge optimiert zu werden. Dazu müssen die relevanten Anlagenkomponenten, wie Wasserschloss, hydraulische Maschine oder Absperrorgane, möglichst genau modelliert werden. Da in kommerziell verfügbarer Druckstoßberechnungssoftware diese Komponenten nicht oder eventuell nur mangelhaft vorhanden sind, müssen geeignete Simulationsmodelle selbst entwickelt werden, um das transiente Verhalten von Pumpspeicheranlagen berechnen zu können. In diesem Beitrag wird die Vorgehensweise bei der Entwicklung von Simulationsmodellen am Beispiel einer Pumpturbine geschildert. Mittels geeigneter Vergleichsrechnungen werden die Berechnungsergebnisse mit dem Software-Paket Flowmaster inklusive eigener, bereits zuvor validierter Adaptionen verifiziert.

Zur Druckstoßberechnung bei Wasserkraftanlagen zeigt sich die Benutzung von kommerziell verfügbarer Software wie Flowmaster als geeignet. Liegen jedoch nur die Standard-Komponenten vor, können nur einige wenige und noch dazu sehr vereinfachte Systeme und Betriebs-Lastfälle berechnet werden. Die Möglichkeit eigene Module zu entwickeln und diese unkompliziert in das Berechnungsnetzwerk zu integrieren, ist daher eine zwingende Voraussetzung, um kommerzielle Softwarepakete zur Druckstoßberechnung von Pumpspeicherkraftwerken bzw. Wasserkraftwerken im Allgemeinen verwenden zu können. Erst dadurch gelingt es, komplexeste Betriebszyklen, wie sie in modernen Kraftwerksanlagen auftreten, mit großer Genauigkeit vorauszuberechnen. Dies ist vor allem während der Planungs-bzw. Konzeptphase für die Betreiber derartiger Kraftwerke von großem Vorteil. Es muss dabei allerdings erwähnt werden, dass die Genauigkeit und somit auch die Qualität sowie Zuverlässigkeit der Ergebnisse von den Randbedingungen der Berechnung beeinflusst wird. Diese Daten sind daher mit besonderer Sorgfalt zu behandeln und die Ergebnisse der Berechnung sind stets auf deren Plausibilität hin zu prüfen.
Wie die hier angegebenen Berechnungsergebnisse zeigen, liefert das vorgestellte Pumpturbinenmodell nicht nur nachvollziehbare, sondern auch stabile und mehrfach validierte Berechnungsergebnisse. Der Vergleich des selbsterstellten Modells mit einer Standardkomponente zeigt den Vorteil der an der TU Graz entwickelten und eingesetzten Komponente. Sie erlaubt es zum einen, auch das Verhalten von Pumpturbinen und Francis-Turbinen abzubilden, da mehrere Kennlinien hinterlegt werden können. Dies ist notwendig, da diese Maschinen im Gegensatz zu reinen Speicherpumpen über einen veränderlichen Leitapparat verfügen. Zum zweiten gelingt es mit dem hier präsentierten Modell auch, Kennlinienverläufe mit Mehrdeutigkeiten in der Zuordnung richtig abzubilden. Das diesbezüglich aufgezeigte Problem der Standardkomponente ist bei der selbsterstellten Komponente nicht vorhanden.
Die Notwendigkeit, Standardanwendungsprogramme zu erweitern, um sie für Wasserkraftprojekte anwendbar zu machen, wurde gezeigt und die Umsetzung an der TU Graz wurde beispielhaft demonstriert.


Autoren:
Dipl.-Ing. Stefan Höller
o. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Helmut Jaberg



Copyright: © Springer Vieweg | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
Quelle: Wasserwirtschaft 1-2/2013 (Januar 2013)
Seiten: 7
Preis inkl. MwSt.: € 10,90
Autor: Dipl.-Ing. Stefan Höller

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