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Verfahren und Einrichtung zur Vermeidung von Sunk und Schwall bei Flusskraftwerken
Der zunehmende Ausbau schiffbarer Flüsse zur Wasserkraftnutzung erfordert umfangreiche Massnahmen zur Bekämpfung von Sunk- und Schwallbildung im Unter- bzw. Oberwasser für die Fälle, das einzelne Turbinen oder ganze Kraftwerke plötzlich von dem elektrischen Netz getrennt werden. Um ein Durchgehen der Maschinen zu verhindern, würden ohne besondere Massnahmen die Turbinen dabei rasch schliessen, wodurch eine erhebliche Störung des Wasserstromes im Fluss zustande käme. Es würde dabei nicht nur im Unterwasser des betreffenden Kraftwerkes ein Sunk entstehen, sondern es würden im Oberwasser auch Schallwellen auftreten, die sich flussaufwärts fortpflanzen. Durch diese Erscheinungen wäre die Schiffahrt unter Umständen gefährdet.
Man hat deshalb nach Massnahmen gesucht, um die Sunk- und Schwallbildung bei Turbinenabschaltungen zu vermeiden. Eine Möglichkeit besteht darin, dass man jeder Turbine einen elektrischen Wasserwiderstand zuordnet, auf den beim Abschalten des von der Turbine angetriebenen Generators vom Netz die augenblickliche Leistung umgeschaltet werden kann. Die Turbinenverschlussorgane (Leitschaufeln, Laufschauieln) könnten damit unverändert offen bleiben, so dass der Wasserstrom vor und nach der Abschaltung des Generators vom Netz gleich ist. Allerdings muss bei der Verwendung von Wasserwiderständen die Eintauchtiefe der Elektroden der Leistung entsprechend dauernd nachreguliert werden.
Man hat auch schon Methoden in Erwägung gezogen, durch Nebenauslässe an den Spiralen der Turbinen den Wasserstrom nach einer Abschaltung weiterzuführen. Diese Nebenauslässe müssen genau so schnell geöffnet werden, wie die Turbinen schliessen. Solche Lösungen sind deshalb sehr aufwendig und sind ausserdem beispielsweise bei Rohrturbinen kaum durchzuführen.
Man ist deshalb in den letzten Jahren dazu übergegangen, den Turbinenwasserstrom nach der Abschaltung auch weiterhin durch die Turbinen zu leiten. Bei entsprechender Einstellung von Leitschaufeln und Laufschaufeln zueinander und Inkaufnahme erhöhter Drehzahl ist dies teilweise oder auch ganz möglich.
Infolge der Möglichkeit des Auftretens von Vibrationen an der Turbine muss jedoch dieser Zustand zeitlich begrenzt bleiben, so lange bis das Wehr so weit abgesenkt ist, dass die Turbinenwassermenge abgeführt werden kann.
Der erstrebte zeitliche Verlauf der Wasserströme von Turbine und Wehr geht aus Fig. 1 der Zeichnung hervor. Es bedeuten hiebei :
QT Turbinenwasserstrom bei einer Vollast-Abschaltung
QL Turbinenwasserstrom im Leerlauf bei optimaler Zuordnung von Leitschaufel- und Laufschaufel- stellung
QW Wehr-Wasserstrom tl Turbinenregelzeit t Beginn des Wasserabflusses am Wehr
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tg Erreichen der Beharrungszustände an der Turbine (Leerlauföffnung) und am Wehr.
Erfolgt zur Zeit t = 0 eine Abschaltung, so soll nach Ablauf der Regelzeit tl der ursprüngliche Turbi nenwasserstrom bis zur Zeit t2 beibehalten werden. Je nach Betrieb der Kraftanlage (z. B. bei Schwellbetrieb), oder nach Ausführung der Wehre, kann die Zeit t2 mehrere Minuten betragen. Danach beginnt das Wehr zu öffnen und die Turbinenwassermenge soll in gleichem Mass vermindert werden. Zum Zeitpunkt ts fliesst durch die Turbine nur noch die stationäre Leerlaufwassermenge, während der Hauptstrom durch das Wehr geht. Auch die Zeit zwischen t2 und tg kann unter Umständen mehrere Minuten betragen.
Bei Teillastabschaltung (gestrichelt) sind die Verhältnisse ähnlich. Es muss dabei lediglich das Wehr weniger weit abgesenkt werden.
Aus Fig. 2 können für eine Kaplanturbine die Wasserströme QT und QW als Bruchteile der Vollastwassermenge und die Drehzahl bzw. die Frequenz in Hz in Funktion der Leitschaufelöfihung ao und der Laufschaufelöffhung cp nach einer Abschaltung (Leistung Null) ermittelt werden. Die stark ausgezogene Linie stellt den optimalen ZusammeIÙ1ang zwischen Leitschaufel- und Laufschaufelstellung vor der Abschaltung dar ; die gestrichelten Linien ergeben die Drehzahlen und die strichpunktierten Linien die Wasserströme nach einer Abschaltung. Wird beispielsweise von einem normalen Betriebspunkt A die Turbine plötzlich abgeschaltet und soll nachher derselbe Wasserstrom durch die Turbine gehen, so kann eine Stellung von Leitschaufeln und Laufschaufeln eingestellt werden, die dem Punkt B entspricht.
Die Laufschaufeln wären dabei in ihrer Stellung unverändert geblieben, die Leitschaufeln hätten um den Betrag A-B geschlossen und die Drehzahl wäre um einen gewissen Prozentsatz über normal. Der Zustand B kann über kürzere oder längere Zeit aufrechterhalten werden. Beim Schliessen der Turbine müssenLeit-und Laufschaufeln in einem solchen Verhältnis zueinander stehen, dass sowohl der Wasserstrom als auch die Drehzahl kontinuierlich zurückgehen.
Eine für die Durchführung eines solchen Verfahrens bestimmte Einrichtung ist bekannt. Die Leit-
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Diese Einrichtung erfordert jedoch einen engen Zusammenbau der Steuerungen der Leit- und Laufschau- feln. Ein solcher enger Zusammenbau ist indessen nicht immer möglich, insbesondere wenn eine Laufradsteuerung mit Steuerpumpen in die Maschine eingebaut ist.
Die Erfindung vermeidet diesen Nachteil. Sie betrifft ein Verfahren zur Vermeidung von Sunk und Schwall bei Flusskraftwerken beim Abschalten einer Wasserturbine mit verstellbaren Leit- und Laufschaufeln im Falle plötzlicher Entlastung, bei welchem. in einer ersten, kurzen Schliesszeit nur die Leitschau- feln um einen bestimmten Teil ihres Verstellweges geschlossen -werden, wobei sich eine Überdrehzahl einstellt, bei der etwa die gleiche Wassermenge durch die Turbine fliesst wie vor der Abschaltung. Gemäss der Erfindung wird unabhängig von der Laufschaufelstellung der gewünschte Schliessweg der Leitschaufeln in der erwähnten ersten Schliesszeit in Funktion der vor der Abschaltung vorhandenen Reglerstellung vorgegeben, und dieser Schliesszustand wird nach der Abschaltung einige Zeit aufrechterhalten.
Hernach wird in einer weiteren Schliesszeit die durch die Turbine fliessende Wassermenge allmählich vermindert.
In den Fig. 3 und 5 der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsformen einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens vereinfacht dargestellt. Fig. 4 zeigt eine Variante für einen Teil der Einrichtung nach Fig. 3.
Gemäss Fig. 3 besitzt eine nicht dargestellte Wasserturbine mit verstellbaren Leit- und Laufschaufeln ein Steuerwerk 1 mit Drehzahlregler 2 und Drehzahlverstellvorrichtung 3. Die Leitschaufeln werden durch einen Stellmotor 4 betätigt, dessen Druckmittelzufluss von einem Steuerschieber 5 beherrscht wird. Der Drehzahlregler 2 wirkt über einen Verstärker 6 des Steuerwerkes auf eine Stange 7, die über einen Balken 8 mit der Kolbenstange des Stellmotors 4 gelenkig verbunden ist und an der auch der Steuerschieber 5 angelenkt ist.
Zur Betätigung der Laufschaufeln dient ein Stellmotor 9, dessen Druckmittelzufuhr von einem Steuerschieber 10 beherrscht wird. Der Steuerschieber 10 wird vom Leitschaufelstellmotor 4 aus in bekannter Weise über Gestänge 11,12, 13, 14, 15, 16, 17 betätigt, und durch eine zwischen den Teilen 12 und 13 eingeschaltete Kurvenscheibe 18 wird im stationären Zustande eine bestimmte Zuordnung zwischen Leit- und Laufschaufelstellung erreicht.
Eine zwischen den Gestängeteilen 14 und 15 eingebaute Feder 19 und eine in einem Abflussteil des Steuerschiebers 9 eingebaute Blende 20 erlauben ferner, die Bewegung des Stellmotors 9 gegenüber jener des Stellmotors 4 zu verzögern oder sie auch ganz zu verhindern.
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26.men wie im Punkt B, jedoch bei wesentlich verminderter Drehzahl. Diese Massnahme hat für Abschaltungen aus dem Teillastgebiet Bedeutung.
Beim Aufheben der Massnahmen zur Schwallbekämpfung durch Freigabe des Zahnsegmentes 28 der Fig. 3 und Entlasten des Stellmotors 40 der Fig. 4 schliessen wieder die Leitschaufeln entsprechend der Stellzeit des Kataraktes 27. Die Schliesszeit der Laufschaufeln hat dabei im Gegensatz zur Einrichtung nach Fig. 4 immer ihren Maximalwert, doch ist dies nicht von grosser Bedeutung für die Verminderung des Wasserstromes, weil die strichpunktierten Linien der Fig. 2 fast senkrecht verlaufen, der Wasserstrom also von der Stellung der Laufschaufeln praktisch unabhängig ist.
Die Kurve 32 in Fig. 3 gilt nur für ein bestimmtes Gefälle. Sobald sich durch veränderte Wasserführung im Fluss das Gefälle ändert, muss auch diese Kurve dem augenblicklichen Gefälle angepasst werden. Will man also für jeden Fall korrekte Verhältnisse, so wird aus dieser Kurve eine sogenannte Kurvenwalze, die in Funktion des Gefälles verschoben werden muss, ähnlich wie dies beim optimalen Zusammenhang zwischen Leitschaufel- und Laufschaufelstellung auch notwendig ist. Dadurch treten Komplikationen auf.
Man stellt nun aber fest, dass alle Punkte B der Fig. 2 auf einer Linie konstanter Drehzahl liegen, gleichgültig, ob man aus Vollast oder Teillast abschaltet. Es können daher zum Erreichen des gleichen Zieles wie bei der Einrichtung nach Fig. 3 auch Einrichtungen verwendet werden, die nicht eine bestimmte Leitradstellung direkt ansteuern, sondern die zur Einregulierung der Überdrehzahl entsprechend Punkt B führen. Dazu ist lediglich ein Impuls auf die Drehzahlverstellvorrichtung des Reglersteuerwerkes notwendig, der möglichst rasch im Moment der Abschaltung dem Regler die im Punkt B gewünschte Drehzahl vorschreibt. Hält man gleichzeitig die Lauischaufeln entsprechend Fig. 3 fest, so stellt der Regler auch die gewünschte Leitschauielstellung zur Aufrechterhaltung der vorgeschriebenen Überdrehzahl her.
In diesem Fall sind keine Stoppkurven mehr erforderlich, sondern lediglich die Einrichtungen zum Festhalten der Laufschaufeln und zur raschen Erhöhung des Drehzahlsollwertes.
Eine Einrichtung dieser Art ist in Fig. 5 dargestellt. Entsprechende Teile sind hiebei mit gleichen
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nun im Steuerwerk 1 ein Stössel 41 angebracht, der auf die Drehzahlverstellvorrichtung einwirkt und mit Hilfe eines Elektromagneten 42 betätigt werden kann. Der Hub des Stössels 41 wird durch eine Justierschraube 43 begrenzt.
Ändert sich das Gefälle. so wird auch die Überdrehzahl nach der Abschaltung geringfügig anders werden. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass sich fUr jedes Gefälle eine konstante Überdrehzahl
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tes vom Gefälle kann leicht an der Justierschraube 43 eingestellt werden. Die Ausbildung von Kurven oder Kurvenwalzen entfällt.
Beim Aufheben der Massnahmen zur Schwallbekämpfung (Zeit t2 Fig. 1) kann auf zweierlei Arten verfahren werden :
Soll die Turbine in etwa 1-2 min geschlossen werden, so ist es notwendig, zuerst das Zahnsegment 34 freizugeben. Dann schliessen die Laufschaufeln entsprechend der Blende 20 in der Zeit von 1 bis 2 min, während die Überdrehzahl konstant beibehalten wird. Nach einiger Zeit soll jedoch der zahlimpuls am Magnet 42 aufgehoben werden, wodurch die Turbine dem Leerlaufpunkt zusteuert.
Soll jedoch die Turbinenschliesszeit länger, z. B. etwa 5 min dauern, so ist es kaum möglich, durch die Blende 20 das Schliessen der Laufschaufeln so zu verlangsamen. In diesem Fall ist es zweckmässig, vom Zeitpunkt t2 ab über die normale Drehzahlverstellung des Steuen'l'erke3 l langsam kontinuierlich oder schrittweise die Drehzahl zu erniedrigen. Die Laufschaufeln sollen dabei festgehalten bleiben. Es ist 011- ne weiteres möglich, bei Erreichen der normalen Drehzahl die Maschine wieder zu synchronisieren und zu belasten, oder sie auch ganz abzustellen. Nach dem Belasten bzw. Abstellen können die Laufschaufeln entblockiert werden.
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