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Anordnung von Maschinensätzen in Pumpspeicherwerken
Die Erfindung betrifft die Anordnung von Maschinensätzen in Pumpspeicherwerken.
Werden in demselben nur Pumpenturbinen eingesetzt, bei welchen eine Zwangsfunktion zwischen Pumpen- und Turbinenleistung besteht, so ergeben sich im Rahmen eines Tygeszyklus grössere Pumpen-
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Pumpenturbine kleiner als ihre Turbinenleistung wählen zu können, wie es bisher bei der klassischen Anordnung Pumpe-Motor/Generator-Turbine mit gleichbleibender Drehrichtung unter Hinnahme eines gegenüber dem Generatorbetrieb erniedrigten Motorwirkungsgrades gehandhabt worden ist.
Weiterhin müssen Pumpenturbinen für die hydraulischen Erfordernisse des Pumpbetriebes ausgelegt werden, wodurch sich zwangsläufig im Turbinenbetrieb ein schlechterer Wirkungsgrad als bei einer reinen Turbine gleicher Leistungsgrösse ergibt. Dieser Wirkungsgradverlust im Turbinenbetrieb wirkt sich im langjährigen Dauerbetrieb wirtschaftlich nachteilig bei Pumpenturbinen, besonders bei beweglichen Leitschaufeln im gesamten Bereich von Teil- bis Überlast im Zusammenhang mit dem Generatorwirkungsgrad, aus.
Bei Pumpenturbinen, welche starr mit einem Motor/Generator gekuppelt sind und mit Drehrichtungsumkehr zwischen beiden Betriebsarten arbeiten, erfordert jede Betriebsumstellung infolge grosser abzubremsenderund wiederzu beschleunigenderSchwungmassen eine längere Umstellzeit, welche fi1r die Erfordernisse von Grundlastwerken mit grossen Dampfblock-und Atomkraftwerken im allgemeinen nicht genügt bzw. grössere Umstellverluste verursacht.
Erfindungsgemäss können vorstehende Tatsachen vorteilhaft durch die Kombination folgender im einzelnen bekannter Massnahmen verändert werden, u. zw., dass erstens mehrere mit Motor/Generatoren gegekuppelte Pumpenturbinen und mehrere mit Generatoren gekuppelte reine Turbinen vorgesehen sind, dass zweitens nur die reinen Turbinen mit beweglichen Leitapparaten versehen und für optimalen Vollastwirkungsgrad ausgelegt sind und dass drittens die Pumpenturbinen feste Leitapparate besitzen, mit optimalem Wirkungsgrad für Pumpenvollast ausgelegt und mit einer Anfahrvorrichtung für den Pumpbetrieb versehen sind.
Unter der Voraussetzung, dass bei beiden Betriebsarten stets nur mit Vollast der einzelnen Maschinensätze gefahren bzw. die jeweilige Gesamtleistung des Pumpspeicherwerkes nur durch Zu- und Abschalten einzelner vollbelasteter Maschinensätze stufenweise verändert wird, können die folgenden erfinderischen Effekte erzielt werden.
Beinormalem Wechsel zwischen Pump- und Turbinenbetrieb werden nur die reinen Turbinen und die Pumpenturbinen als Pumpen, und umgekehrt, im Dauerbetrieb eingesetzt. Da bei dieser Fahrweise die hydraulischen Wirkungsgrade der beiden Arten der Maschinensätze denen der klassischen Anordnung entsprechen, so ergibt sich derselbe optimale Gesamtwirkungsgrad wie bei jener. Die Pumpenturbinen werden im Turbinenbetrieb nur bei kurzfristigen Spitzen, bei denen die Leistung eine übergeordnete Rolle gegenüber der elektrischen Arbeit einnimmt, mit schlechterem Turbinenwirkungsgrad und mit Vollast
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zu-bzw. abgeschaltet. Die reinen Turbinen mit optimalem Wirkungsgrad sind auf diese Weise stets am längsten in Betrieb und können, wenn erforderlich, mit Hilfe ihres beweglichen Leitapparates zum Frequenzregelbetrieb herangezogen werden.
Fernerhin können die Umstellzeiten zwischen Pumpen-und Turbinenbetrieb, und umgekehrt, nach der vorstehend beschriebenen Einsatzweise der reinen Turbinen sowie der Pumpenturbinen exakt nach den jeweils zu berücksichtigenden Netzverhältnissen verwirklicht werden, da die Belastungsart nicht innerhalb der Pumpenturbinen, sondern zwischen diesen und den reinen Turbinen wechselt. Erforderlichenfalls kann zwischen Pump- und Turbinenbetrieb in 0 sec bzw. voreilend umgeschaltet werden. Dieses Umlastungsverfahren schliesst den Einsatz der reinen Turbinen als Anfahrvorrichtungen für die Pumpenturbinen zum Pumpbetrieb im Frequenzgleichlauf aus, welcher überdies zu lange Anfahrzeiten ergeben würde.
Die Anfahrvorrichtung für den Pumpbetrieb, welche im Pumpenturbinenmaschinensatz selbst als Anfahr-Turbine-Motor usw. vorgesehen ist, ermöglicht das Anfahren der Pumpenturbine, ehe die reinen Turbinen ausser Betrieb genommen werden, wobei die bereits erwähnte vorhergehende Ausserbetriebnahme der Pumpenturbinen aus dem Turbinenbetrieb zeitlich genutzt wird.
Regeleinrichtungen werden, ausser für eventuellen Frequenzregelbetrieb der reinen Turbinen, nur für das Anfahren zum Pump-buw. Turbinenbetrieb einschliesslich Netzsynchronisieren der Synchronmaschinen beider Maschinenarten benötigt. Teillastregulierung würde die hydraulischen und elektrischen Wirkungsgradgewinneillusorisch machen. Mit diesen angeführten Effekten werden die Hauptnachteil der Pumpenturbinen, d. h. die Zwangsfunktion zwischen Pumpen- und Turbinenleistung, zu niedriger Turbinenwirkungsgrad und zu lange Umstellzeiten, weitgehend ausgeglichen und ein beweglicher Leitapparat in denselben vermieden.
Die erfinderischen Effekte ermöglichen Betriebsergebnisse, welche bezüglich der Wirkungsgrade weitgehende Annäherung, bezüglich der Umstellzeiten mindestens Gleichstellung und bezüglich des Leistungsdargebotes Besserungen gegenüber der klassischen Anordnung Pumpe-Motor/GeneratorTurbine ergeben. Wird Phasenschieberbetrieb erforderlich, so wird derselbe mit den Generatoren der reinen Turbinen durchgeführt, wobei die Belastungszeiten der beiden Maschinensatzarten im Tageszyklus vorteilhaft angeglichen werden. Es ist fernerhin möglich, mit den Pumpenturbinen bei Turbinenbetrieb zusätzlich Phase zu schieben.
Ausführungsbeispiel : Das Zahlenverhältnis von Pumpenturbinen mit Motor/Generatoren zu reinen Turbinen mit Generatoren ist abhängig von den Netzverhältnissen und den daraus resultierenden Belastungszeiten im Pump-, Turbinen-und Phasenschieberbetrieb. Nimmt man beispielsweise an, dass die Zahl bei beiden Maschinenarten, deren Turbinenkupplungsleistungen gleich gross sein sollen, dieselbe ist, so ergeben sich folgende Umstellzyklen und zugehörige Betriebsbedingungen :
Zunächst werden die Pumpenturbinen jeweils mit eigener Anfahrvorrichtung angefahren, deren Motoren synchronisiert und anschliessend einzeln voll belastet. Das Synchronisieren erfordert bei unbelasteter Pumpe eine entsprechende Regeleinrichtung. Werden sehr hohe Belastungsgeschwindigkeiten gefordert, so können äusserstensfalls sämtliche Pumpenturbinen gleichzeitig parallel angefahren bzw. belastet werden.
Je nachdem, ob bei dieser Betriebsart, welche unabhängig von der jeweils im Pumpbetrieb befindlichen Pumpenturbinenzahl stets bei gleichbleibendem optimalem Pumpenwirkungsgrad durchgeführt wird, zusätzlicher Phasenschieberbetrieb erforderlich bzw. Turbinenbetrieb zu erwarten ist, werden die reinen Turbinen angefahren und mit deren beweglichen Leitapparaten ihre Generatoren synchronisiert.
Beim Umstellungsbefehl werden die Pumpenturbinen aus dem Pumpbetrieb zum Stillstand gebracht und, nach-oder voreilend zu diesem Vorgang, die reinen Turbinen durch Öffnen ihrer Leitapparate einzeln voll belastet. Mit dieser Umlastung zwischen den beiden Maschinensatzarten können sämtliche Anforderungen des Netzes bis zu höchsten Umlastungsgeschwindigkeiten erfüllt werden. Unabhängig von der im Turbinendauerbetrieb befindlichen Anzahl von jeweils voll belasteten reinen Turbinen wird stets mit gleichbleibendem optimalem Turbinenwirkungsgrad gefahren. Treten überhöhte Leistungsspitzen auf, so werden zusätzlich die Pumpenturbinen zum Turbinenbetrieb angefahren und bei niedrigerem Turbinenwirkungsgrad einzeln voll belastet.
Beim Abklingen der überhöhten Leistungsspitzen werden die Pumpenturbinen wieder aus dem Betrieb genommen, stillgesetzt und zum Pumpbetrieb vorbereitet.
Die Umlastungsvorgänge von Turbinen- auf Pumpbetrieb erfolgen sinngemäss in gleicher Weise. Es ist nicht erforderlich, dass die Anzahl der Pumpenturbinen und reinen Turbinen gleich gross ist, Werden weniger reine Turbinen aufgestellt, so sinkt der gesamte Turbinenwirkungsgrad entsprechend, die Umstellzeiten werden länger bzw. die Umlastungsgeschwindigkeiten kleiner und die Leistungsstufung, auf die Gesamtleistung bezogen, grösser. Bei den dargestellten Betriebsarten werden die Belastungszeiten der beiden Maschinenarten einander angeglichen, indem die reinen Turbinensätze den Dauerturbinen- und Phasenschieberbetrieb, die Pumpenturbinen den Pumpbetrieb und den kurzfristigen Turbinenbetrieb nor-
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malerweise übernehmen.