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Einrichtung und Verfahren zum Betrieb eines Maschinensatzes für
Pumpspeicher -Kraftwerke
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Betrieb eines Maschinensatzes für
Pumpspeicher-Kraftwerke, mit denen auf hydraulischem Wege zu Zeiten geringen Strombedarfes in den
Stromversorgungsnetzen vorhandene überschüssige Energiemengen gespeichert und dann zu Zeiten grossen
Strombedarfes den Stromversorgungsnetzen wieder zugeführt werden.
Die Maschinensätze solcher Pumpspeicher-Kraftwerke bestehen im wesentlichen aus einem Motor- generator und einer in der einen Drehrichtung als Turbine und in der andern Drehrichtung als Pumpe be- treibbaren Pumpenturbine oder aus einem Motorgenerator, einer Turbine und einer Pumpe, wobei zur
Vermeidung unnötiger Verluste bei der letzteren Art dieser sogenannten"Pumpspeichersätze"die Pumpe im Turbinenbetrieb meist abgekuppelt wird. Da sich die Verwendbarkeit von Asynchronmotorgeneratoren auf mässige Leistungen beschränkt, finden bei solchen Pumpspeichersätzen fast ausnahmslos Synchronmo- torgeneratoren Verwendung, wodurch sich jedoch gewisse Schwierigkeiten ergeben, die Pumpenturbinen bzw. die Pumpen beim Übergang auf Pumpbetrieb rasch hochzufahren und den Generator an das Netz zu legen.
Bei Maschinensätzen mit einer Pumpenturbine, die in der einen Drehrichtung als Turbine und in der andern Drehrichtung als Pumpe betrieben wird, ist es vor allem von Nachteil, dass beim Übergang vom
Turbinenbetrieb zum Pumpbetrieb die Pumpenturbine zunächst stillgesetzt und dann aus dem Stillstand in der entgegengesetzten Drehrichtung wieder neu angefahren werden muss. Hiedurch ergeben sich nämlich einerseits verhältnismässig lange Umschaltzeiten und anderseits sind verhältnismässig aufwendige und teu- re zusätzliche Anfahreinrichtungen erforderlich.
So ist es bei einem aus Synchronmotorgenerator und Pumpenturbine bestehenden Maschinensatz beispielsweise bekannt, die entlastete und auf Drehzahl Null abgebremste Pumpenturbine - gegebenenfalls bei belüftetem Laufradraum zunächst mittels einer besonderen Anwurfturbine, mittels eines besondern elektrischen Anwurfmotors oder auch mittels der gleichzeitig als Anfahrmotor ausgebildeten Erregermaschine des Motorgenerators in der Pumpendrehrichtung bis auf die Betriebsdrehzahl hochzufahren und dann erst nach Zuschalten des Maschinensatzes an das Netz durch den als Motor arbeitenden Motorgenerator als Pumpe zu betreiben.
In ebenfalls bekannter Weise ist es aber auch möglich, die belüftete Pumpenturbine mittels des mit entsprechenden elektrischen Hilfseinrichtungen versehenen Synchronmotorgenerators im Asynchronmotorbetrieb aus dem Stillstand bis zur Synchrondrehzahl hochzufahren und nach Ausschalten der elektrischen Hilfseinrichtungen dann durch den Motorgenerator weiterhin im Synchronmotorbetrieb als Pumpe anzutreiben.
Bei der sehr viel häufiger vorkommenden Art von Pumpspeichersätzen mit einem Synchronmotorgenerator, einer Turbine und einer abkuppelbaren Pumpe wird der Übergang vom Turbinenbetrieb zum Pumpenbetrieb vielfach so vollzogen, dass die Turbine zusammen mit dem Motorgenerator zunächst zum Stillstand gebracht, dann die Kupplung eingerückt und danach der gesamte Maschinensatz mittels der Turbine wieder bis zur vollen Betriebsdrehzahl hochgefahren wird. Nach dem Synchronisieren wird sodann der gesamte Maschinensatz an das Netz geschaltet und die Pumpe weiterhin bei belüfteter Turbine von dem als Motor arbeitenden Motorgenerator angetrieben. Diese Betriebsweise hat jedoch den Nachteil sehr langer Umschaltzeiten und lässt sich daher beispielsweise bei Pumpspeicher-Kraftwerken die für einen Momenteinsatz bestimmt sind, nicht anwenden.
Zwecks Erzielung kürzerer Umschaltzeiten werden daher auch bei solchen Maschinensätzen meist besondere Anfahreinrichtungen vorgesehen. So ist es beispielsweise bekannt, die Pumpe mittels einer beson-
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deren Anwurfturbine bis auf die Betriebsdrehzahl hochzufahren und nach Erreichen derselben dann mittels einer Kupplung, beispielsweise mittels einer Zahnkupplung, mit dem Motorgenerator und der Turbine zu kuppeln. Nach dem Synchronisieren wird sodann wieder der gesamte Maschinensatz an das Netz geschaltet und die Pumpe weiterhin bei belüfteter Turbine vom Motorgenerator im Synchronmotorbetrieb angetrieben.
Da die Anwurfturbine beim Anfahren der mit Wasser gefüllten Pumpe gegen das geschlossene druckseitige Absperrorgan eine Leistung von etwa 40 bis 60 % der vollen Pumpenleistung aufzubringen hätte und daher zu gross und zu teuer würde, erfolgt hiebei das Anfahren der Pumpe meist bei belüftetem Laufrad, wozu natürlich eine entsprechende Belüftungseinrichtung erforderlich ist. Bei geringen Fallhöhen wird die Anwurfturbine aber auch dann noch sehr gross und teuer, weshalb man zum Anfahren der Pumpe unter anderem auch schon schnellumlaufende Asynchronmotoren mit Turbokupplung und Untersetzungsgetriebe verwendet hat. Ebenso ist es bei grösseren Fallhöhen und insbesondere bei mehrstufigen Speicherpumpen auch bekannt, einen Anfahrwandler (Föttinger-Wandler) zu verwenden.
Um bei einem Anfahren der Pumpe mittels dieser bekannten Anfahreinrichtungen den für letztere erforderlichen zusätzlichen Aufwand möglichst gering zu halten, wurde auch schon vorgeschlagen, die gefüllte Pumpe mittels einer der bekannten Anfahreinrichtungen nur bis auf eine gegenüber der Arbeitsdrehzahl wesentlich verminderte Drehzahl hochzufahren und das Umschalten von Turbinen- bzw. Phasenschieberbetrieb aufPumpbetrieb nach einer Abschaltung des Motorgenerators vom Netz bei dieser verminderten Drehzahl von etwa 30 lao der Arbeitsdrehzahl vorzunehmen.
Nach erfolgtem Kuppeln wird dann der gesamte Maschinensatz mittels der Turbine auf die volle Betriebsdrehzahl hochgefahren und die Pumpe nach dem Zuschalten des Maschinensatzes ans Netz dann bei belüfteter Turbine weiterhin von dem als Motor arbeitenden Motorgenerator angetrieben. Auf diese Weise wird zwar die Zeit für den Übergang auf den Pumpbetrieb abgekürzt und eine gewisse Vereinfachung und Verbilligung der herkömmlichen Anfahreinrichtungen erreicht, trotzdem sind diese aber noch verhältnismässig aufwendig und teuer.
Die Erfindung bezweckt, an Maschinensätzen für Pumpspeicher-Kraftwerke mit einem Synchronmotor- generator und einer Pumpenturbine oder einer Turbine und einer abkuppelbaren Pumpe, insbesondere zum
Anfahren zumpumpenbetrieb, Einrichtungen zu schaffen, durch welche die geschilderten Nachteile der be- kannten Anlage vermieden werden. Gemäss der Erfindung wird zwischen dem Gehäuse der Pumpenturbine bzw.
Pumpe und der druck- sowie saugseitigen Rohrleitung in an sich bekannter Weise je ein Absperrorgan an- geordnet und von der druckseitigen Rohrleitung nach der Saugseite sowie von der saugseitigen Rohrleitung nach der Druckseite der Pumpenturbine bzw. Pumpe je eine in an sich bekannter Weise absperrbare Um- gehungsleitung geführt.
Es sind zwar Kraftanlagen mit mehreren als Turbinen- undPumpenrädern verwendbaren Kreiselrädern bekannt, die mit normalen Anschlüssen jeder der beiden Kreiselrädergehäuse an die Druck- und Sauglei- tung ausgerüstet sind und die mittels einer absperrbaren Umgehungsleitung von der Druckseite des einen
Kreiselrades zur Saugseite des'andern Kreiselrades für den Turbinenbetrieb parallel und für den Pumpen- betrieb in Reihe geschaltet werden. Abgesehen von der völlig andern Aufgabenstellung dieser bekannten Einrichtung zweigt bei dieser im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung die Umgehungsleitung jeweils zwischen der Druck- bzw. Saugseite des Kreiselradgehäuses und einem der jeweils vorgeschalteten Absperrorgane ab.
Unter Verwendung einer solchen Einrichtung nach der Erfindung wird in einem zweckmässigen Ver- fahren für den Betrieb eines aus einem Synchronmotorgenerator und einer in der einen Drehrichtung als Turbine und in der andern Drehrichtung als Pumpe arbeitenden Pumpenturbine bestehenden Maschinensatzes für Pumpspeicher-Kraftwerke vorgeschlagen, beim Übergang zum Pumpbetrieb die Pumpenturbine bei vom Netz getrenntem Motorgenerator mit ihrer Druckseite von der druckseitigen Rohrleitung abzusperren und an die saugseitige Rohrleitung anzuschliessen sowie mit ihrer Saugseite von der saugseitigen Rohrleitung abzusperren und an die druckseitige Rohrleitung anzuschliessen und die Pumpenturbine in diesem Zustande als Zentrifugalturbine im Durchgangsbetrieb dann so lange zu betreiben bis sie eine vorgesehene Drehzahl von beispielsweise 60 % der vollen Betriebsdrehzahl,
vorzugsweise aber die maximal erreichbare Drehzahl, höchstens jedoch die volle Betriebsdrehzahl erreicht hat, und die Pumpenturbine schliesslich nach Wiederherstellung ihrer normalen Verbindung mit den Rohrleitungen und sofern die vorgesehene bzw. maximal erreichbare Drehzahl unterhalb der vollen Betriebsdrehzahl liegt nach gleichzeitig in be-
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im Synchronmotorbetrieb als Pumpe anzutreiben.
Durch den seitenvertauschten Anschluss der Pumpenturbine an die Rohrleitungen beim Übergang vom Turbinenbetrieb zum Pumpbetrieb wird zum einen ein sehr wirkungsvolles Abbremsen der Pumpenturbine,
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dieser im folgenden noch näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen aus Synchronmotorgenerator und Pum- penturbine bestehenden Maschinensatz mit stehender Welle, Fig. 2 einen aus Synchronmotorgenerator,
Turbine und abkuppelbarer Pumpe bestehenden Maschinensatz mit liegender Welle und Fig. 3 in einem
Schnitt nach der Linie a-a der Fig. 2 die Pumpe in einer Seitenansicht.
Nach Fig. 1 ist die Pumpenturbine 1, deren Laufrad mit der Welle 7 des über den Schalter 8 an das elektrische Netz 9 anschliessbaren Motorgenerators 6 fest verbunden ist, mit ihrer Druckseite über das Ab- sperrorgan 4 an die druckseitige Rohrleitung 2 und über diese an ein nicht dargestelltes Speicherbecken od. dgl. sowie mit ihrer Saugseite über das Absperrorgan 5 an die saugseitige Rohrleitung 3 und über diese an ein ebenfalls nicht dargestelltes Unterwasserbecken od. dgl. angeschlossen. Ausserdem ist die Pumpenturbine 1 mit ihrer Druckseite über die Umgehungsleitung 10 mit Absperrorgan 11 an die saugseitige Rohr- leitung 3 sowie mit ihrer Saugseite über die Umgehungsleitung 12 mit Absperrorgan 13 an die druckseitige Rohrleitung 2 angeschlossen.
Bei Turbinenbetrieb sind die Absperrorgane4 und 5 geöffnet, die Absperrorgane 11 und 13 geschlossen.
Das Betriebswasser strömt vom Speicherbecken über die Rohrleitung 2 zur Pumpenturbine 1 und von dieser über die Rohrleitung 3 in das Unterwasserbecken, wodurch das Laufrad der Pumpenturbine 1 und über die Welle 7 somit auch der Motorgenerator 6 in der einen Drehrichtung angetrieben wird. Der über den Schalter 8 an das Netz 9 gelegte Motorgenerator 6 arbeitet als Generator und gibt die erzeugte elektrische Energie an das Netz 9 ab.
Beim Übergang zum Pumpbetrieb werden die Absperrorgane 4 und 5 geschlossen und die Absperrorgane 11 und 13 geöffnet. Ausserdem wird der Motorgenerator 6 mittels des Schalters 8 vom Netz getrennt.
Mit zunehmendem Schliessen der Absperrorgane 4 und 5 und Öffnen der Absperrorgane 11 und 13 verringert sich die Drehzahl des Laufrades der Pumpenturbine 1 und dementsprechend auch die des Motorgenerators 6 verhältnismässig rasch bis auf Null und nimmt dann in der entgegengesetzten Drehrichtung wieder zu, bis bei völlig geschlossenen Absperrorganen 4 und 5 und völlig geöffneten Absperrorganen 11 und 13 schliesslich eine den jeweiligen hydraulischen Verhältnissen entsprechende vorgesehene Drehzahl von beispielsweise 60 % der vollen Betriebsdrehzahl erreicht wird. Mittels einer verhältnismässig einfachen und billigen Zusatzeinrichtung, beispielsweise einer Hilfswicklung am Motorgenerator 6 zum asynchronen Anfahren desselben, kann der Maschinensatz nun leicht bis etwa zur vollen Betriebsdrehzahl hochgefahren werden.
Dabei können die Absperrorgane 11 und 13 bereits wieder geschlossen und das Absperrorgan 5 geöffnet werden, wogegen das druckseitige Absperrorgan 4 nach wie vor geschlossen bleibt, so dass die Pumpen-
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turbine 1 hiebei als Pumpe gegen das geschlossene druckseitige Absperrorgan 4 arbeitet. Nach erfolgtem Synchronisieren wird der Motorgenerator 6 über den Schalter 8 nunmehr wieder an das Netz 9 gelegt und die Zusatzeinrichtung ausgeschaltet.
Alsdann wird das druckseitige Absperrorgan 4 geöffnet, so dass die von dem nunmehr als Motor arbeitenden Motorgenerator 6 als Pumpe angetriebene Pumpenturbine 1 bei wiederhergestelltem normalem Anschluss an die Rohrleitung 2 und 3, also bei geöffneten Absperrorganen 4 und 5 und geschlossenen Absperrorganen 11 und 13, und bei entgegengesetzter Drehrichtung wie zuvor die Förderung aufnimmt und somit über die Rohrleitung 3 Wasser aus dem Unterwasserbecken ansaugt und dieses über die Rohrleitung 2 in das Speicherbecken fördert.
In den Fig. 2 und 3 sind die mit den Fig. 1 übereinstimmenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Motorgenerator 6 ist hier über den Wellenteil 7a mit dem Laufrad der Turbine 14 und über den Wellenteil 7b, die Schaltkupplung 16 und die Welle 17 mit dem Laufrad der Speicherpumpe 15 verbunden. Über die Rohrleitung 18 mit Absperrorgan 19 ist die Turbine 14 an ein nicht dargestelltes Spei- cherbecken od. dgl. und über die Rohrleitung 20 an ein ebenfalls nicht dargestelltes Unterwasserbecken od. dgl. angeschlossen. Desgleichen ist die Pumpe 15 über die Rohrleitung 2 mit Absperrorgan 4 an das
Speicherbecken und über die Rohrleitung 3 mit Absperrorgan 5 an das Unterwasserbecken angeschlossen.
Die druckseitige Rohrleitung 2 ist mittels der Umgehungsleitung 12 mit Absperrorgan 13 mit der Saugseite der Pumpe 15 verbunden und ebenso die saugseitige Rohrleitung 3 mittels der Umgehungsleitung 10 mit
Absperrorgan 11 mit der Druckseite der Pumpe 15.
Bei Turbinenbetrieb wird die Turbine 14 von dem bei geöffnetemAbsperrorgan 19 aus dem Speicher- becken über die Rohrleitung 18 zu-und über die Rohrleitung 20 in das Unterwasserbecken abfliessenden
Betriebswasser angetrieben. Der über den Schalter 8 an das Netz 9 gelegte Motorgenerator 6 arbeitet hie- bei als Generator und gibt die erzeugte elektrische Energie an das Netz 9 ab. Die Kupplung 16 ist ausgerückt, die Pumpe 15 steht also still, wobei auf jeden Fall die Absperrorgane 4 und 13, gegebenenfalls auch noch die Absperrorgane 5 und 11 geschlossen sind.
Beim Übergang zum Pumpbetrieb werden bzw. bleiben die Absperrorgane 4 und 5 geschlossen und werden bzw. bleiben die Absperrorgane 11 und 13 geöffnet. Dadurch ist die Pumpe 15 mit ihrer Saugseite über die Umgehungsleitung 12 an die Rohrleitung 2 und mit ihrer Druckseite über die Umgehungsleitung 10 an die Rohrleitung 3 angeschlossen. Das Betriebswasser aus dem Speicherbecken kann somit auf der Saugseite der Pumpe 15 zu- und auf der Druckseite. der Pumpe 15 in das Unterwasserbecken abfliessen.
Dadurch wird die Pumpe 15 unabhängig von der Turbine 14 aber in der gleichen Drehrichtung wie diese als Zentrifugalturbine an- und im Durchgangsbetrieb allmählich bis auf eine den vorhandenen hydraulischen Verhältnissen entsprechende vorgesehene Drehzahl von beispielsweise 60 % der vollen Betriebsdrehzahl hochgefahren. Gleichzeitig wird die Drehzahl der Turbine 14 bei vom Netz getrenntem Motorgenerator 6 durch entsprechendes Schliessen der Leitschaufeln bis auf die vorgesehene Drehzahl von beispielsweise 60 % der vollen Betriebsdrehzahl herabgesetzt und bei Gleichheit der Turbinen- und der Pumpendrehzahl dann die Kupplung 16 eingerückt.
Nunmehr werden die Absperrorgane 11 und 13 wieder geschlossen sowie das Absperrorgan 5 geöffnet und der gesamte Maschinensatz, also die Turbine 14, der Motorgenerator 6 und die Pumpe 15, durch Öffnen der Leitschaufeln auf die volle Betriebsdrehzahl hochgefahren, wobei die Pumpe 15 gegen das geschlossene Absperrorgan 4 arbeitet. Nach Erreichen der vollen Betriebsdrehzahl wird der Motorgenerator 6 mit dem Netz 9 synchronisiert und daraufhin mittels des Schalters 8 an dieses zugeschaltet. Schliesslich werden die Leitschaufeln und das Absperrorgan 19 geschlossen und der Laufradraum der Turbine 14 mittels einer nicht gezeigten Belüftungseinrichtung belüftet sowie gleichzeitig auch das Absperrorgan 4 geöffnet und die Pumpe 15 nunmehr weiterhin bei belüfteter Turbine 14 von dem als Motor arbeitenden Motorgenerator 6 angetrieben.
Sofern zum Anfahren der Pumpe aus dem Stillstand eine ausreichende Druckquelle zur Verfügung steht, lassen sich das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Einrichtung grundsätzlich auch bei ausserhalb von Pumpspeicher-Kraftwerken Verwendung findenden und von einem Synchronmotor oder beispielsweise auch von einem Dieselmotor angetriebenen Pumpen anwenden.
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