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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsregelung in einem Speicherkraftwerk, bei dem die Leistungsanforderung eines Stromnetzes überwacht wird, wobei bei Netz-Leistungsbedarf mit Hilfe wenigstens einer Turbine und eines damit gekuppelten Motorgenerators erzeugter Strom unter Leistungsregelung an das Stromnetz geliefert und bei Leistungsüberschuss im Stromnetz Strom aus dem Stromnetz zumindest einer Pumpe zum Pumpen von Wasser aus einem Unterbecken in Oberbecken zugeführt wird, wobei bei Leistungsüberschuss auch die Turbine in einem hydraulischen Kurzschluss mit der Pumpe betrieben und hinsichtlich ihrer Leistungsabgabe geregelt wird.
Weiters bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens, mit wenigstens einer Tur- bine, einem damit gekuppelten Motorgenerator und wenigstens einer von der Turbine gesonderten Pumpe.
Speicherkraftwerke werden eingesetzt, um zu Spitzenlast- Zeiten elektrische Leistung an ein Stromnetz zu liefern. Zu Zeiten eines Leistungsüberschusses im Stromnetz kann hingegen elektrische Leistung aus dem Netz genutzt werden, um mit Hilfe von Pumpen Wasser aus einem Unterbecken in ein oberes Staubecken hoch zu pumpen, um so wieder mehr potentielle Energie für die Stromerzeugung bei Spitzenlast im Netz verfügbar zu haben. Der- artige Pumpspeicherkraftwerke sind hinlänglich bekannt, vgl. beispielsweise US 4 282 444 A.
Da der Leistungsverlauf im Stromnetz nicht gleichmässig ist, sondern zum Teil sehr rasch und stark schwankt, ist in den Kraftwerken eine rasche Leistungsregelung erforderlich, die letztlich nur mit regelbaren Turbinen erzielt werden kann. So- lange daher elektrische Leistung an das Stromnetz abgegeben wird, ist eine solche Ausregelung mit Hilfe herkömmlicher Wasserturbinen, wie z.B. Peltonturbinen oder Francisturbinen, problemlos möglich. Schwierig wird jedoch die Situation, wenn im auszuregelnden Regelband eines Netz-Leistungsverlaufs im nega- tiven Leistungsbereich eine Regelung erforderlich ist, d.h. in jenem Bereich, in dem das Speicherkraftwerk aus dem Stromnetz elektrische Leistung entnimmt.
Für eine solche Situation wurde in der Praxis bereits ein hydraulischer Kurzschluss von Turbine und Pumpe vorgeschlagen, wobei mit Hilfe des aus dem Stromnetz gelieferten Stroms die Pumpe betrieben wird, die jedoch das Wasser aus dem Unterbecken teilweise der Turbine zuführt, die
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eine entsprechend regelbare elektrische Leistung abgibt. Dabei ist jedoch vorgesehen, ein solches Umschalten vom Turbinenbe- trieb, in dem elektrische Leistung an das Stromnetz geliefert wird, in den Pumpbetrieb, in dem elektrische Leistung aus dem Stromnetz bezogen wird, nur zu mehr oder weniger fest vorgege- benen Zeiten vorzunehmen, wobei zwischen diesen unterschiedli- chen Betriebsweisen relativ lange Umschaltzeiten erforderlich sind.
Aufgrund dieser Umschaltzeiten zwischen den verschiedenen Betriebsarten ist bei dieser bekannten Technik mit hydraulischem Kurzschluss tatsächlich keine echte den Bedürfnissen der Netz- leistungsregelung entsprechende Leistungsregelung möglich, und insbesondere kann nicht der gesamte Leistungsbereich von einer maximalen Turbinenleistung ohne Pumpleistung bis zu einer ma- ximalen Pumpleistung ohne Turbinenleistung geregelt werden. Wün- schenswert ist es daher, eine Leistungsregelung so vorzusehen, dass eine Regelung mit einer definierten Geschwindigkeit möglichst gleichmässig von der maximalen Turbinenleistung (ohne Pumpleistung) bis zur maximalen Pumpleistung (ohne Turbinen- leistung) erzielt wird.
Wenn daher beispielsweise eine Turbine mit einer Leistung von 130 MW und eine Pumpe mit einer Leistung von-100 MW vorliegen, so soll eine Leistungsregelung im Bereich von +130 MW bis-100 MW möglich sein ; der Betriebsart "Hydraulischer Kurzschluss" ist damit die Möglichkeit einer Regelung von-100 MW bis +30 MW gegeben.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung wie eingangs angegeben vorzusehen, um die volle Spannweite der Leistung von maximaler Turbinenleistung bis zur vollen Pumpleistung als Regelleistung nutzen zu können, d.h. eine echte Leistungsregelung vom betragsmässig grössten negativen Leistungswert bis zum höchsten positiven Leistungswert zu ermöglichen, ohne dass hiefür aufwendige, trotzdem nur sehr beschränkt regelbare Pumpen eingesetzt werden müssen, vielmehr die eigentliche Leistungsregelung nur mit Hilfe der Turbine er- folgen kann.
Das erfindungsgemässe Verfahren der eingangs angeführten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennen eines Absinkens der Leistungsanforderung des Stromnetzes auf einen vorgegebenen Wert, z. B. Null, die Pumpe übergangsfrei auf volle Leistung ein- geschaltet wird und die Turbine auf Volllast gefahren sowie da- nach entsprechend den Schwankungen der sich bei der mit voller
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Leistung laufenden Pumpe aufgrund der Netz-Schwankungen ergebenden Summen-Leistungsanforderung in der Leistung geregelt wird, und dass die Pumpe bei einem Wiederanstieg der Netz-Leistungsanforderung auf über den vorgegebenen Wert wieder übergangsfrei abgeschaltet wird.
In entsprechender Weise ist die erfindungsgemässe Vorrichtung gekennzeichnet durch eine die Leistungsanforderung des Strom- netzes überwachende und die Turbinenleistung regelnde Regel- und Steuereinheit, die eingerichtet ist, die Pumpe bei Absinken der Netz-Leistungsanforderung auf den vorgegebenen Wert übergangs- frei einzuschalten, beim Einschalten der Pumpe auch die Turbine auf Volllast zu fahren und danach in ihrer Leistung zu regeln, sowie bei einem Wiederanstieg der Netz-Leistungsanforderung auf über den vorgegebenen Wert die Pumpe wieder übergangsfrei abzu- schalten.
Mit der vorliegenden Technik ist die Regelung weder auf den positiven Bereich des "Turbinenbetriebes" noch auf den negativen Leistungsbereich der Betriebsart "Hydraulischer Kurzschluss" beschränkt, sondern es ist die volle Regelfähigkeit eines Leistungsbandes von 100% (voller Turbinenbetrieb bis voller Pumpbetrieb) erzielbar ; ist im Hinblick auf die Libe- ralisierung des Strommarktes und der in diesem Zusammenhang er- forderlichen Netzregelung von wesentlichem Vorteil. Bei dem auf diese Weise gemäss der Erfindung erzielten sog. "Pumpentakten" würde sich demgemäss beispielsweise folgender Regelungsverlauf ergeben. Es sei angenommen, dass der Maschinensatz im Turbinen- betrieb vorliegt, d. h. es wird elektrische Leistung an das Stromnetz geliefert.
Wenn dann der Leistungsbedarf im Netz ab- nimmt, wird die Turbine, vorzugsweise eine Peltonturbine, ent- sprechend in der Leistung abwärtsgeregelt, bis zur Leistung Null, d. h. bis zu dem Moment, wo im Netz statt eines Leistungs- bedarfs ein Leistungsüberschuss eintritt ; wird nun die Pumpe mit ihrer vollen Leistungsfähigkeit (Leistung -100%) einge- schaltet, und unmittelbar darauf, so rasch als es die Regelfä- higkeit zulässt, die Turbine auf Volllast gefahren, so dass die Summe der Leistung aus dem vollen Pumpbetrieb und dem vollen Turbinenbetrieb gleich Null ist.
Bei weiter zunehmendem Leistungsüberschuss im Netz wird dann die Turbine zurückge- regelt, wobei eine Regelung entsprechend den schnellen Schwankungen im Netz erfolgen kann, so dass beispielsweise bei
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Zurückregeln der Turbinenleistung eine zunehmend höhere Leistungsaufnahme durch den Maschinensatz insgesamt und bei Auf- wärtsregeln der Turbine eine kleiner werdende Leistungsaufnahme aus dem Netz (entsprechend der Differenzleistung Pumpleistung minus Turbinenleistung) erfolgt und bei Leistungsbedarf des Netzes die Pumpe übergangsfrei ausgeschaltet und die Turbine entsprechend der Netzanforderung geregelt wird. Dieses "Pumpentakten" sieht somit, anders als der herkömmliche hydrau- lische Kurzschluss, eine volle Regelfähigkeit eines Leistungs- bandes von 100% vor.
Selbstverständlich sind dabei, um das übergangsfreie Ein- schalten der Pumpe zu ermöglichen sowie auch die rasche Leistungsregelung der Turbine zu erzielen, entsprechende Ausle- gungen dieser Maschinenkomponenten vorzusehen, wobei insbesonde- re die Pumpe mit einem entsprechend druckfesten Pumpengehäuse auszustatten ist. Wie hoch die Druckfestigkeit des Pumpenge- häuses im Einzelnen jeweils sein muss, ergibt sich aus der Aus- legung des Kraftwerkes an sich. Auch der Triebwasserweg und das Wasserschloss, das üblicherweise bei solchen Speicherkraftwerken vorliegt, sind mit einer entsprechenden Betriebsfestigkeit bzw.
Kapazität vorzusehen, um entstehenden Druckschwingungen oder Druckanstiegen im Triebwasserweg standzuhalten und einen Über- lauf des Wasserschlosses oder das Einziehen von Luft zu verhindern, d. h. die rasche und in rascher Folge auftretende Um- kehr der Fliessrichtung bedingt auch ein leistungsfähigeres Wasserschloss. Ähnlich sind auch andere Komponenten des Ma- schinensatzes des Kraftwerkes ausreichend leistungsfähig auszu- legen, wie etwa eine Anwurfvorrichtung für die Pumpe, die das Zuschalten der Pumpe in der gewünschten kurzen Regelzeit ermöglicht, d. h. die Pumpe in entsprechend kurzer Zeit auf die Synchrondrehzahl beschleunigt und dann mit dem übrigen Ma- schinensatz (Turbine, Motorgenerator) kuppelt.
Auch die im Leistungssystem vorhandenen Schieber sind so auszulegen, dass sie innerhalb kurzer Zeit geöffnet und geschlossen werden, wobei zusätzliche Druckstösse zu vermeiden sind.
Im Prinzip kann die Pumpe eine unterschiedliche, insbesonde- re kleinere Leistung im Vergleich zur Turbinenleistung haben, für eine symmetrische Regelung um einen Nullwert als Mittelwert kann es jedoch von Vorteil sein, wenn die Pumpe eine maximale Leistungsaufnahme gleich der maximalen Leistungsabgabe der Tur-
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bine hat.
Weiters ist es vorteilhaft, wenn ergänzend die Fördermenge der Pumpe mit Hilfe einer Drosseleinheit geregelt wird. Durch die Anwendung einer solchen Drosselregelung, beispielsweise mit- tels eines Schiebers als Drosseleinheit, kann zusätzlich er- reicht werden, dass beispielsweise in einem Leistungsbereich zwischen -50% und -100% (Pumpenbetrieb) die Zuschaltung der Tur- bine nicht erforderlich ist und in einem Leistungsbereich von 0 bis +50% (Turbinenbetrieb) die Pumpe noch gekuppelt bleiben kann. Dadurch kann die Anzahl der Zu- und Abschaltvorgänge für die Turbine und für die Pumpe reduziert werden. Entsprechend ist erfindungsgemäss daher mit Vorteil vorgesehen, dass die Drossel- regelung auch bei einem niedrigen Netz-Leistungsbedarf, bei Wei- terlaufen der Pumpe, durchgeführt wird.
Für die Regelung ist es weiters günstig, wenn die Zeit für das Erreichen der vollen Leistung der Pumpe nach deren Einschal- ten im Wesentlichen dem Kehrwert der Regelgeschwindigkeit der Turbine entspricht. Wenn daher die Regelgeschwindigkeit für die Turbine mit x% pro Sekunde angegeben wird, erreicht in diesem Fall die Pumpe ihre volle Leistung (-100% Leistung) in einer Zeit von 100/x Sekunden (s). Die Grösse x kann dabei beispiels- weise 5 betragen, d. h. die Regelgeschwindigkeit beträgt z.B.
5%/s, so dass dementsprechend die Pumpe innerhalb von 20 s auf Volllast gebracht wird.
Für das gewünschte schnelle Einschalten der Pumpe ist es überdies vorteilhaft, wenn alle zum Betrieb der Pumpe erforder- lichen Hilfsantriebe bereits vor Erreichen des vorgegebenen Werts aktiviert werden.
Schliesslich ist es auch von Vorteil, wenn die Pumpe mit einer den Druck auf ihrer Zulaufseite erhöhenden Vorpumpe be- trieben wird. Dies ist dann zweckmässig, wenn die Pumpe - die einen bestimmten Zulaufdruck (z. B. 3 bis 5 bar) benötigt - nicht tief genug, relativ zum Unterbecken, angeordnet werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Aus- führungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläu- tert. In der Zeichnung zeigen im Einzelnen : Fig.1 ein Schema eines Speicherkraftwerkes ; 2 in einem Diagramm einen übli- chen Leistungsverlauf im Netz über einen Zeitraum von 24 Stunden ; Fig. 3 in einem gegenüber Fig. 2 grösseren Massstab ein
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Detail des Leistungsverlaufs innerhalb des zugehörigen Regelbandes ; Fig. 4 in einem Diagramm den Leistungsverlauf über einen Teil eines Tages bei einem bekannten Kraftwerk mit hydrau- lischem Kurzschluss ; 5 ein Schema eines Speicherkraftwer- kes, bei dem die erfindungsgemässe Technik Anwendung findet;
Fig. 6 eine schematisierte, zur Vorrichtung gemäss Fig. 5 gehö- rige Regelkurve ; 7 ein Schema ähnlich jenem gemäss Fig. 5, wobei nun jedoch der Pumpe eine Vorpumpe zur Erhöhung des zu- laufseitigen Drucks zugeordnet ist ; 8 eine zur Anordnung gemäss Fig. 7 gehörende Regelkurve ähnlich der Darstellung in Fig. 6 ; 9 in einem Diagramm einen Ausschnitt aus dem Leistungsverlauf innerhalb des Regelbandes bei Anwendung der er- findungsgemässen Technik ; Fig. 10 ein ähnliches Diagramm wie in Fig. 9, wobei verschiedene Parameter verdeutlicht sind.
In Fig. 1 ist ganz schematisch eine im Prinzip herkömmliche Speicherkraftwerksanlage 1 gezeigt, bei der Wasser aus einem Oberbecken (Staubecken) 2 über einen Druckstollen 3, dem ein Wasserschloss 4 zugeordnet ist, und über einen Druckschacht 5 einem Kraftwerk 6 zugeführt wird. Das eigentliche Kraftwerk 6 umfasst dabei als Maschinenkomponenten an einer gemeinsamen Welle 7 wenigstens eine Turbine 8, wenigstens einen zugehörigen Motorgenerator 9 sowie weiters wenigstens eine Pumpe 10. Die Turbine 8 ist dabei einem Turbinen-Unterwasserkanal 11 zugeord- net, der zu einem Unterbecken 12 führt. Von diesem Unterbecken 12 führt ein Pumpwasserstollen 13 zur gegenüber dem Unterbecken 12 tiefer angeordneten Pumpe 10, die ablaufseitig mit dem Druck- schacht 5 bzw. der Turbine 8 verbunden ist.
In herkömmlicher Weise zusätzlich angeordnete Absperrorgane (Schieber) sind in Fig. 1 der Einfachheit halber weggelassen worden.
In Fig. 2 ist nun ein beispielhafter Leistungsverlauf in einem Stromnetz über einen Zeitraum von 24 Stunden veranschau- licht. Da das Stromnetz selbst keine Energie speichern kann, muss die vom Netz an Verbraucher abgegebene Leistung immer ganz genau mit der in den Kraftwerken erzeugten Leistung im Gleichge- wicht sein. Wenn dies nicht der Fall ist, ändert sich die Frequenz andauernd.
Wie ersichtlich ist der Verlauf der Leistung nicht ausgegli- chen und gleichmässig, vielmehr schwankt die Leistung um einen - sich ändernden - Mittelwert 14 innerhalb eines Regelbandes 15.
Diese Leistungsänderungen können bei gleichzeitiger Einhaltung
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der Netzfrequenz bei der derzeitigen Technik nur mit rasch regelbaren Turbinen ausgeregelt werden.
In Fig. 2 ist weiters angedeutet, dass ein Grundlastbereich 16 gegeben ist, in dem die elektrische Leistung durch Kern- kraftwerke, Laufkraftwerke oder Braunkohlekraftwerke erbracht wird ; in einem Mittellastbereich 17 (leicht punktierter Bereich im Diagramm von Fig. 2) wird die elektrische Leistung durch Steinkohlekraftwerke oder Erdölkraftwerke erbracht; in einem Spitzenlastbereich 18, der durch eng punktierte Bereiche ver- anschaulicht ist, wird die elektrische Leistung durch Hochdruck- Wasserkraftanlagen und Gaskraftwerke erbracht.
In Fig. 3 ist mehr im Detail der Leistungsverlauf innerhalb des Regelbandes 15 gezeigt, wobei der tatsächliche Leistungsver- lauf 19 stark um den Mittelwert 14 herum schwankt, was nicht nur auf den schwankenden Verbrauch, sondern vielfach auch darauf zu- rückzuführen ist, dass an das Netz liefernde Erzeuger, wie ins- besondere Windkraftwerke, ihre Leistung rasch und ungeplant verändern oder auch kurzfristig ausfallen. Weiters ist der pro- gnostizierte Leistungsbedarf 20 eingezeichnet, wobei sich aus den Abweichungen des tatsächlichen Leistungsverlaufs 19 das er- forderliche Ausmass der Regelleistung 21 ergibt.
Wie somit ersichtlich ist es erforderlich, einen Ausgleich für diese Schwankungen vorzusehen, die wie erwähnt ausser auf rasch wechselnde Lasten der Verbraucher auch auf nicht regelfä- hige Leistungen von Einspeisern, wie Windenergiekraftwerken, die plötzlich abschalten müssen, zurückzuführen sind. Hiefür wäre es denkbar, thermische oder hydraulische Maschinensätze derart in Teillast zu betreiben, dass die minimale Leistung der unteren Grenze des Regelbandes entspricht und die abgegebene elektrische Leistung rasch entsprechend dem Bedarf hoch geregelt wird. Diese Betriebsweise führt aber bei thermischen Maschinensätzen zu ho- hen Wirkungsgradverlusten im Teillastbereich und bei hydrau- lischen Maschinen zu einem hohen Wasserverbrauch und zur Lieferung von geringwertiger Bandenergie.
Der Betriebspunkt (Nullpunkt) des Regelkraftwerkes soll daher idealerweise in der Mitte des Regelbandes liegen. Auf diese Weise wird das ganze Regelband bedient und in Summe gleich viel Energie geliefert wie bezogen.
An sich sind hydraulische Turbinen für rasche Regelaufgaben im positiven Leistungsbereich sehr gut geeignet.
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Überschussleistung im Netz kann von Pumpen aufgenommen werden.
Derartige Pumpen in Pumpspeicheranlagen sind jedoch nur mit grossem Aufwand und auch dann bloss in einem sehr engen Bereich ihrer Leistungsfähigkeit - z. B. mittels Drehzahlregelung - regelbar, vgl. z. B. DE 40 25 168 C.
Für die Leistungsregelung im negativen Bereich wurde bereits grundsätzlich eine Regelung mit einem sog. hydraulischen Kurz- schluss vorgeschlagen, bei dem gleichzeitig Pump- und Turbinen- betrieb gefahren wird ; kann geregelt Leistung vom Netz aufgenommen werden. Wird nun ein Maschinensatz als Turbine be- trieben und parallel dazu ein weiterer Maschinensatz mit Turbine und Pumpe in der Betriebsart "Hydraulischer Kurzschluss", dann ist eine Leistungsregelung von plus 100% (max. Turbinenleistung) bis minus 100% (max. Pumpenleistung) derart möglich, dass ein hoher Wasserverbrauch insgesamt vermieden werden kann.
In Fig. 4 ist ausschnittsweise ein beispielhafter Regelungs- verlauf bei hydraulischem Kurzschluss veranschaulicht, wobei beispielsweise über einen Zeitraum 22 von fünf Stunden nur eine Pumpe betrieben wird, die eine Leistungsaufnahme von 100 MW hat (blosser Pumpbetrieb). Danach folgt eine Stillstandsphase 23, die beispielsweise mehr als eine Stunde dauert, wonach eine Leistungsregelung durch Regelung einer Turbine in Überlagerung zu einem Pumpbetrieb (hydraulischer Kurzschluss) erfolgt (Zeitintervall 24).
Oberhalb dieses Leistungsverlaufs 25 ist in Fig. 4 schematisch mit strichpunktierter Linie der Verlauf des Wasserstandes 26 im Oberbecken veranschaulicht, wobei ersicht- lich ist, dass in der Phase 22 mit reinem Pumpbetrieb der Wasserpegel ansteigt, in der Stillstandsphase 23 der Wasserpegel konstant bleibt und danach in der Phase 24 in der Betriebsart "Hydraulischer Kurzschluss" weiter leicht ansteigt, da die Pumpe mehr Wasser fördert als die Turbine abarbeitet. Wird dann nach entsprechender Umschaltzeit 23' in den Turbinenbetrieb (s. die Phase 24' rechts in Fig. 4) gewechselt, sinkt der Wasserpegel 26 wieder. Es ist hieraus erkennbar, dass beim hydraulischen Kurz- schluss die Leistung auch in einem negativen Leistungsbereich geregelt werden kann. Wenn beispielsweise die Leistung der Tur- bine (z. B. 130 MW) grösser ist als die Leistung der Pumpe (z.B.
-100 MW), so ist die Regelbandbreite während dieses hydrau- lischen Kurzschlusses gleich der Differenz dieser beiden Leistungen, also beispielsweise-100 MW (Turbinenleistung 0) bis
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+30 MW (Turbinenleistung 130 MW). Nachteilig ist bei der bekann- ten Technik mit hydraulischem Kurzschluss, dass zwischen den verschiedenen Betriebsarten "Turbinenregelung" und "Hydraulischer Kurzschluss mit Turbinenregelung" relativ lange Umschaltzeiten oder Totzeiten vorliegen, so dass eine echte Netzregelung nicht möglich ist.
Für eine solche Netzregelung wä- re ein kontinuierliches Leistungsband von +100% (wenn das Netz die volle Leistung benötigt) bis -100% (im Netz ist die maximal aufnehmbare Überschussleistung vorhanden) notwendig, und in- nerhalb dieses Leistungsbandes ist eine Regelung ohne zeitliche Verzögerungen und mit einer definierten Regelgeschwindigkeit von x% pro Sekunde erforderlich. Eine solche Technologie ist bei der vorliegenden Anlage vorgesehen und wird nun nachfolgend anhand der Figuren 5 bis 10 noch näher erläutert.
In Fig. 5 ist der erforderliche Maschinensatz etwas mehr im Detail, verglichen mit Fig. 1, dargestellt, wobei entsprechende Komponenten mit den selben Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeich- net sind. Der gemeinsamen Welle 7 sind wieder eine Turbine 8 und ein Motorgenerator 9 sowie eine Pumpe 10 zugeordnet. In Fig. 5 ist weiters eine Anwurfvorrichtung 27 für die Pumpe 10 schema- tisch dargestellt ; kann es sich im Wesentlichen um einen hydraulischen Wandler handeln, der bei Einschalten der Pumpe 10 möglichst rasch gefüllt wird, um schliesslich die Pumpe 10 auf Synchrondrehzahl zu beschleunigen und über die Welle 7 mit dem Motorgenerator 9 zu kuppeln. Erst wenn die Pumpe 10 gekuppelt ist, kann ein Schieber 28 an der Ablaufseite der Pumpe 10 geöff- net werden. Standardmässig sind zwei weitere Schieber 29 und 30 im Zulauf zur Turbine 8 vorgesehen.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, ist die Pumpe 10 über den Schieber 28, eine Steigleitung 13' und die Turbinenzulaufleitung 11' über den Schieber 30 mit der Turbine 8 verbunden. Auf diese Weise kann über die Komponenten 11,12, 13,28, 13', 11' und 30 ein hydraulischer Kurzschluss von Pumpe 10 und Turbine 8 herbeigeführt werden. Es ist hierbei jedoch nicht notwendig, dass die gesamte von der Pumpe 10 gepumpte Wassermenge über die Turbine 8 dem Unterbecken 12 wieder zugeführt wird, vielmehr kann ein Teilstrom über den Schieber 29 dem Stausee oder Oberbecken 2 zugeführt werden, um dort den Wasserstand zu erhöhen.
Der Schieber 28 hat als regelbare Drosseleinheit einen nur schematisch angedeuteten Regeleingang 28', welcher ebenso wie
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Regel- bzw. Steuereingänge 10', 27', 8' und 9' der Pumpe 10, der Anwurfvorrichtung 27, der Turbine 8 und des Motorgenerators 9 an eine Regel- und Steuereinheit 31 angeschlossen ist. Diese Regel- und Steuereinheit 31 überwacht auch über eine Leitung 32 die An- schaltung des Netzes 33 und erhält über eine Leitung 34 Informa- tionen betreffend die Leistungsanforderung des Netzes zugeführt.
Schliesslich ist der Vollständigkeit halber in Fig. 5 auch eine Schaltanlage 35 veranschaulicht.
In Fig. 6 ist eine zu Fig. 5 gehörige beispielhafte Regel- kurve (Leistung P über der Zeit t) schematisch veranschaulicht, wobei eine Regelkennlinie 36 für die Turbine 8 im positiven Leistungsbereich gezeigt ist. Im negativen Leistungsbereich ist eine Regelkennlinie 37 für die Kombination von Pumpe 10 und Tur- bine 8 veranschaulicht. Wenn die Regelkennlinie 36 für die Tur- bine 8 mit der vorgegebenen Geschwindigkeit x% pro Sekunde absinkt und gegen Null geht, wird vor Erreichen des Null-Durch- gangs (oder eines anderen vorgegebenen Werts) bei 38 ein Start von Pumpen-Hilfsantrieben oder-einrichtungen, wie z.B. Ventile, Lagerölpumpen etc., veranlasst, bevor bei 39 die Pumpe 10 einge- schaltet wird. Mit der Zeitdifferenz 40 ist daher die Zeitspanne für den Anlauf der Pumpen-Hilfsantriebe verdeutlicht.
Während in Fig. 6 mit geraden Linien die ideale Regelkennlinie 37 für die Pumpe plus Turbine angegeben ist, ist mit der Kurve 41 die tat- sächliche Leistungsaufnahme der Pumpe 10 veranschaulicht, wobei in einer ersten Phase 42 die Beschleunigung der Pumpe 10 er- folgt, bis sie zu einem Zeitpunkt 43 über die Anlaufvorrichtung 27 mit der Welle 7, der Turbine 8 bzw. dem Motorgenerator 9 ge- kuppelt und sodann der Schieber 28 geöffnet wird. Zum Zeitpunkt 44 ist der Schieber 28 endgültig offen, so dass für das gesamte Zeitintervall beginnend beim Start 39 bis zum Vorliegen des Schiebers 28 in der Offenstellung im Zeitpunkt 44 ein Zeit- intervall 45 verstrichen ist, das bevorzugt dem Kehrwert der Regelgeschwindigkeit x% pro Sekunde entspricht, d. h. 100/x Se- kunden beträgt.
In einem praktischen Beispiel einer Computersi- mulation betrug die Regelgeschwindigkeit 5% pro Sekunde und dementsprechend das Zeitintervall 45 für das Erreichen der Voll- last der Pumpe 10 (ab dem Nulldurchgang) 20 Sekunden.
Wenn dann der Leistungsbedarf im Netz 33 wieder steigt, wird beim Null-Durchgang, im Punkt 50, der Schaltbefehl "Pumpe AUS" für die Pumpe 10 aktiviert, und der Schieber 28 wird wieder ge-
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schlossen, was eine Zeit 51 dauert. Zum Zeitpunkt 52 ist der Schieber 28 dann geschlossen, und es kann die Pumpe 10 mit Hilfe der Anwurfvorrichtung 27 von der Welle 7 abgekuppelt werden.
Insgesamt ergibt sich somit ein ausserordentlich rasches Zu- und Abschalten der Pumpe 10, das sog. "Pumpentakten". Das Fahren einer Leistung P=0 ist bei einem reinen Turbinenbetrieb ohne weiteres möglich, ebenso jedoch in der Betriebsart "Hydraulischer Kurzschluss", wo dann eine ausserordentlich rasche Leistungsaufnahme aus dem Netz möglich ist, da die Pumpe 10 be- reits läuft. Da in der Betriebsart "Hydraulischer Kurzschluss" sowohl die Pumpe 10 als auch die Turbine 8 in Betrieb sind, kann jede negative Leistung (Leistungsaufnahme aus dem Netz 33) im Bereich von Null bis -100% mit der Regelgeschwindigkeit x% pro Sekunde angefahren werden.
Mit Hilfe des Schiebers 28 oder allgemein einer Drossel- einheit kann überdies eine zusätzliche Drosselregelung vorgese- hen werden, wobei in einem niedrigen Leistungsbereich zwischen z. B. -50% und -100% einerseits die Zuschaltung der Turbine 8 nicht erforderlich ist und so ein Drosselregelungsbereich 53 de- finiert wird, und andererseits im niedrigen positiven Leistungs- bereich (z. B. 0 bis +50%, s. Drosselbereich 54 in Fig. 6) die Pumpe 10 noch gekuppelt bleiben kann. Auf diese Weise kann die Anzahl der Zuschaltvorgänge für die Turbine 8 und die Pumpe 10 reduziert werden.
In Fig. 7 ist eine Anlage ganz ähnlich jener gemäss Fig. 5 in einem vergleichbaren Schema gezeigt, wobei entsprechende Komponenten mit den selben Bezugszeichen bezeichnet sind, und wobei sich, soweit gleiche Komponenten gegeben sind, eine Wiederholung der Beschreibung erübrigen kann. Im Unterschied zu Fig. 5 ist bei der Anlage gemäss Fig. 7 nur der Pumpe 10 auf der Zulaufseite eine Vorpumpe 55 vorgeschaltet, um so zulaufseitig den Druck zu erhöhen. Eine solche Vorpumpe wird dann vorgesehen, wenn die Pumpe 10 zur Verhinderung von Kavitationen nicht tief genug, bezogen auf das Unterbecken 12, angeordnet werden kann.
Fig. 8 zeigt dann ein zugehöriges Regeldiagramm ähnlich jenem gemäss Fig. 6, wobei sich gegenüber Fig. 6 die folgenden Änderungen im Hinblick auf das Vorsehen der Vorpumpe 55 ergeben: Zum Zeitpunkt 39 "Start der Pumpe 10" wird auch die Vorpumpe 56 eingeschaltet. Gleichzeitig beginnt auch die Beschleunigung der Pumpe 10 und damit die Leistungsaufnahme 41 der Pumpe 10. Wenn
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bei steigendem Leistungsbedarf im Netz die Pumpe 10 wieder abge- schaltet wird, wird bei 50 auch die Vorpumpe 55 wieder ausge- schaltet, was in Fig. 8 zusätzlich mit dem Befehl 57 angedeutet ist.
Im Übrigen entspricht das Diagramm von Fig. 8 jenem von Fig. 6, so dass diesbezüglich auf die vorstehend anhand der Fig. 6 erfolgte Beschreibung verwiesen wird.
Insgesamt ergibt sich somit ein Netz-Leistungsverlauf mit einer Regelung über die Bandbreite von -100% bis +100%, wobei Beispiele hiefür in Fig. 9 und 10 gezeigt sind. Gemäss Fig. 9 ist mit einer voll ausgezogenen Linie der tatsächliche Netz-Leistungsverlauf 58 (Leistung P) über der Zeit t ver- anschaulicht, mit einer strichpunktierten Linie ist der Tur- binen-Leistungsverlauf 59 gezeigt und mit einer strichlierten Linie der Pumpen-Leistungsverlauf 60. Bei 61 ist schliesslich noch eine kurzzeitige Leistungsregelung mit Hilfe des Schiebers 28 (Leistungsregelung "Drosselung Pumpe") veranschaulicht. In der Betriebsart "Hydraulischer Kurzschluss" ergibt sich somit der Netz-Leistungsverlauf 58 aus der Differenz 62 des Turbinen- Leistungsverlaufs 59 und des Pumpen-Leistungsverlaufs 60.
Ein solcher Leistungsverlauf ist nochmals schematisch in Fig. 10 verdeutlicht, wobei bei 63 der vom Netz geforderte posi- tive Leistungsverlauf, unter Regelung mittels der Turbine 8, und bei 64 der negative Leistungsverlauf veranschaulicht ist, der sich bei einem Leistungsüberschuss im Netz ergibt, wobei während dieser Zeit eines Leistungsüberschusses im Netz die Pumpe 10 eingeschaltet wird, deren Leistung mit der vereinfacht darge- stellten Kurve 65 in Fig. 10 veranschaulicht ist. Mit dem Pfeil 62' ist in Fig. 10 beispielhaft die Differenzleistung angedeu- tet, die sich durch die Abgabe von Leistung durch die Turbine 8 sowie bei Aufnahme von Leistung (100%) durch die Pumpe 10 er- gibt ; die jeweilige Turbinenleistung ist ausgehend vom negativen Maximalwert der Pumpenleistung (beispielsweise-80 MW) positiv hinzuzurechnen.
Beispielsweise beträgt die Turbinenleistung zum angegebenen Zeitpunkt (Pfeil 62') ca. 35 MW, so dass zu diesem Zeitpunkt die netto aus dem Netz bezogene Leistung ca. (-)45 MW beträgt.
Damit die volle Spannweite der Leistung, von der maximalen positiven Turbinenleistung bis zur vollen negativen Pumpleistung, als Regelleistung genutzt werden kann, sind alle
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Komponenten zwischen dem Oberbecken 2 und dem Unterbecken 12 entsprechend den erhöhten Belastungen auszulegen. So haben im Triebwasserweg 3,5 die fortlaufenden Laständerungen unmittelba- re Änderungen der Fliessgeschwindigkeit und Fliessrichtung zur Folge, wodurch Druckschwingungen entstehen, die sich auf die Be- triebsfestigkeit des Triebwasserweges 3,5 auswirken. Dement- sprechend betriebsfest muss dieser Triebwasserweg 3,5 ausgebildet werden. Wichtig ist hier auch die Auslegung des Wasserschlosses 4 (s.
Fig. 1), das an sich zur Begrenzung der- artiger Druckanstiege dient, wobei kinetische Energieüberschüsse und-defizite ausgeglichen werden, ohne dass es zu schädlichen Druckstössen, zu einem Überlauf des Wasserschlosses 4 bzw. zu einem Lufteinzug durch Unterdruck kommen kann. Grundsätzlich sind Wasserschlösser gemäss Stand der Technik so dimensioniert, dass Regelvorgänge bei Turbinenbetrieb möglich sind. Bei diesen herkömmlichen Regelvorgängen ändert sich aber die Fliessrichtung nicht. Da bei der vorliegenden Technologie rasche und in rascher Folge auftretende Richtungsumkehr gegeben ist, ist das Wasserschloss 4 entsprechend leistungsfähiger auszulegen.
Auch die Anwurfvorrichtung 27 ist vergleichsweise leistungs- stark auszulegen, damit ausgehend vom Turbinenbetrieb das Zu- schalten der Pumpe 10 in der definierten Regelzeit möglich ist, d. h. die Pumpe 10 in der gewünschten kurzen Zeit auf die Syn- chrondrehzahl beschleunigt und mit dem übrigen Maschinensatz ge- kuppelt werden kann. In vergleichbarer Weise muss bei der anhand der Figuren 7 und 8 beschriebenen Variante mit Vorpumpe 55 der Antrieb der Vorpumpe 55 für ein dauerndes Zu- und Abschalten in kurzen Zeitintervallen ausgelegt sein, wobei diese Schaltvor- gänge beispielsweise in Minutenintervallen möglich sein müssen.
Für die Pumpe (bzw. Hauptpumpe) 10 gilt, dass je komplexer und vielfältiger die Betriebsarten und Regelvorgänge sind, umso grösser die Gefahr ist, dass es genau in den ungünstigsten Be- triebszuständen zu Störungen kommt (z. B. Öffnen des Leistungs- schalters aufgrund einer Gefahrmeldung). Dabei kann es zu Drehzahlanstiegen kommen, und die dabei auftretenden Drücke und Schwingungen müssen von den Bestandteilen der Pumpe 10 schadlos ausgehalten werden. So ist insbesondere das Gehäuse der Pumpe 10 entsprechend druckfest auszuführen, da der Druck der Pumpe 10 ungefähr mit dem Quadrat der Drehzahl (bei geschlossenem Schieber 28) steigt.
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Damit die Pumpe 10 rasch zu- und abgeschaltet werden kann, muss auch der Schieber 28 innerhalb kurzer Zeit geöffnet und ge- schlossen werden können. Dabei ist insbesondere beim Schliessvor- gang ein besonders gestuftes Schliessgesetz zweckmässig, um zusätzliche Druckstösse zu vermeiden.
Selbstverständlich sind im Rahmen der Erfindung Abwandlungen und Modifikationen der vorstehend beschriebenen Ausgangsbei- spiele möglich. So ist insbesondere auch ein Betrieb mit mehre- ren Turbinen und/oder mehreren Pumpen (z. B. in Parallel- schaltung) möglich, und es ist auch nicht unbedingt notwendig, dass die volle Leistung der Pumpe jener der Turbine entspricht.