CH650062A5 - Pumpspeicherwerk. - Google Patents
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Description
650 062
io
PATENTANSPRUCH
Pumpspeicherwerk mit einer mit einer einzigen Drehzahl arbeitenden Pumpenturbine in einer ein oberes Reservoir mit einem unteren Reservoir verbindenden Wasserleitung, mit einem mit der Pumpenturbine verbundenen, sowohl als Motor als auch als Generator wirkenden Generatormotor, mit einer Hilfspumpe, einer Wasserumleiteinrichtung mit Ventilklappen, um die Hilfspumpe im Pumpbetrieb der Pumpenturbine mit letzteren in Reihe zu schalten und im Turbinenbetrieb den Wasserstrom unter Umgehung der Hilfspumpe zum unteren Reservoir zu leiten sowie mit einer Antriebseinheit für die Hilfspumpe, mit einer Ausbaufallhöhe (Hst) und emer der Ausbaufallhöhe (Hst) entsprechenden Nutzfallhöhe (Ht), dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenturbine (10) derart ausgestaltet 15 ist, dass ihre Bruttoförderhöhe (Hp) im Pumpbetrieb einen Wert aufweist, welcher gleich dem Produkt aus der Nutzfallhöhe (Ht) und einem Multiplikator ist, dessen Wert im Bereich zwischen 0,82 und 1,00 liegt, und die Hilfspumpe (34) derart gebaut ist,
dass ihre Bruttoförderhöhe (Hp2) einen Wert aufweist, welcher 20 gleich ist dem Produkt aus der Nutzfallhöhe (Ht) und einem Wert, bestimmt durch Substrahieren des Multiplikators von 1,05.
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Die Erfindung betrifft ein Pumpspeicherwerk gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Bei den üblichen, bereits im Betrieb befindlichen Pumpspeicherwerken ergibt sich aus wirtschaftlichen Gründen das Erfordernis für einen hohen Betriebswirkungsgrad ihrer Pumpenturbinen. Die Pumpenturbinen charakterisierenden Grössen sollen daher im folgenden zur Vorbereitung der Erfindungsbeschreibung näher betrachtet werden.
Durch Umkehrung der Drehrichtung des Läufers kann eine Pumpenturbine sowohl als Pumpe (Pumpbetriebsart) und auch als Turbine (Turbinenbetriebsart) betrieben werden.
In der Pumpbetriebsart wird die Drehzahl des Läufers mit np (U/s); die Bruttoförderhöhe, d.h. die gesamte von der Pumpenturbine aufgebrachte Förderhöhe ohne Berücksichtigung von Förderhöhenverlusten im Wasserkanal, mit Hp (m) sowie der Wirkungsgrad im Pumpbetrieb mit r)p bezeichnet.
Im Turbinenbetrieb wird die Drehzahl des Schaufelrads mit nt (U/s); die Nutzfallhöhe, d. h. diejenige Fallhöhe, welche sich nach Abzug der Fallhöhenverluste aufgrund der in der Triebwasserleitung auftretenden Energieverluste von der Bruttofallhöhe ergibt, mit Ht (m) sowie der Wirkungsgrad im Turbinenbetrieb mit r|t bezeichnet.
Solange eine mit einer einzigen Betriebsdrehzahl arbeitende Pumpenturbine verwendet wird, ist es nicht möglich, den jeweils maximal möglichen Wirkungsgrad in beiden Betriebsarten zu erreichen. Obgleich bereits grosse Anstrengungen unternommen wurden, um diesen Unterschied möglichst zu verkleinern,
beträgt das übliche Verhältnis zwischen beiden Drehzahlen per Im Fall- bzw. Förderhöhe, bei denen jeweils der maximal mögliche Wirkungsgrad vorliegt, derzeit 1,1, d.h.
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fallhöhe die Schwerpunktfallhöhe oder die für die Auslegung eines Wasserkraftwerkes massgebende, z. B. aus einem Speicherbetriebsplan ermittelte Ausbaufallhöhe angesetzt werden.
Imfolgenden wird als massgebende Ausgangsgrösse die hier mit Hst bezeichnete Ausbaufallhöhe verwendet.
Die Ausbaufallhöhe Hst ist hier die am häufigsten auftretende Fallhöhe, entsprechend ist das Symbol Hst mit einem Querstrich versehen.
Im folgenden wird gezeigt, wie weitere Fall- bzw. Förderhöhen mit Hilfe von Hst berechnet werden. Um dies zu verdeutlichen, werden die entsprechenden Symbole dann ebenfalls mit einem Querstrich versehen.
Fallhöhenverluste sind die in der Triebwasserleitung auftretenden Energieverluste wie z.B. Einlauf- sowie Reibungsverluste durch die Rauhigkeit der Triebwasserleitung und werden mit A Ht bezeichnet.
Die Nutzfallhöhe ist diejenige Fallhöhe, welche sich nach Abzug der Fallhöhenverluste von der Bruttofallhöhe ergibt. Diese ist hier ein am häufigsten auftretender Durchschnittswert, da A Ht von Hst subtrahiert wird.
Analog sind Bruttoförderhöhe, Förderhöhenverluste und Nettoförderhöhe zu verstehen.
Die Bruttoförderhöhe Hp ist die von der Pumpe aufgebrachte Förderhöhe, welche um die Förderhöhenverluste des beim Pumpvorgang benützten Wasserkanals AHP vermindert, die Nettoförderhöhe ergibt. _
Ausgehend von der Ausbaufallhöhe Hst wirdmit A Hp eine am häufigsten vorkommende Bruttoförderhöhe Hp ermittelt.
Es gilt gemäss dem gesagten die Beziehung
Ht = Hst - A Ht
H„ = Hs, + A H„
(2)
Aus Gleichung 2_ist ersichtlich, dass sich Nutzfallhöhe Ht und Bruttoförderhöhe Hp in einem Pumpspeicherwerk um A Hp + A H, unterscheiden. AHp + AH, ändert sich entsprechend den Wasserkanalbedingungen des jeweiligen Pumpspeicherwerks. Bei den meisten heutigen Pumpspeicherwerken gilt
H„
= 1,05
Ht
(3)
Bei den meisten derartigen Kraftwerken kann daher die Pumpenturbine bei solchen durchschnittlichen Fall- bzw. Förderhöhenbedingungen nur dann mit maximalem Wirkungsgrad sowohl im Pump- als auch im Turbinenbetrieb arbeiten, wenn np und nt so festgelegt sind, dass sie - bei Einsetzen der Bedingungen nach Gleichung (3) in Gleichung (1) - die folgende Beziehung zueinander besitzen
55
%
— s 1,13 nt
(4)
np / VHpo nt
/vs;
= U (1)
Zum Index «o» siehe Beschreibung zu Fig. lb
60
Weiter ist es notwendig, Fall- bzw. Förderhöhe im Zusammenhang mit den im Wasserkanal auftretenden Verlusten noch etwas näher zu charakterisieren.
Mit Bruttofallhöhe wird die in einem Wasserkraftwerk ohne Abzug der Fallhöhenverluste zur Verfügung stehende gesamte Fallhöhe bezeichnet. Bei Speicherkraftwerken, welche einen zwischen Stauziel und Absenkziel (höchster und niedrigster Stau) wechselnden Oberwasserstand aufweisen, kann als Brutto-
In diesem Fall ist es nötig, eine umschaltbare Zweigang-Pumpenturbine zu benützen, bei welcher die Drehzahl im Turbinenbetrieb niedriger ist als im Pumpbetrieb.
Zur Realisierung dieses Zweigangssystems wurde vorgeschlagen, die Zahl der Pole eines mit dem Schaufelrad gekoppelten Synchrongeneratormotors zu ändern. Diese Massnahme wurde jedoch bisher nicht verbreitet angewandt, weil sie eine erhöhte Komplexität des Generatormotors bedingt.
65 Infolgedessen wird hauptsächlich ein System angewandt, bei dem die umschaltbare Pumpenturbine mit einer einzigen Dreh-_zahl betrieben wird, wobei der Wirkungsgrad sowohl im Pump-als auch im Turbinenbetrieb unvermeidlich niedrig ist.
Aufgabe der Erfindung ist, eine Anlage zur Stromerzeugung in einem Pumpspeicherwerk zu schaffen, welche mit höherem als bisher üblicherweise erreichbarem Wirkungsgrad arbeitet.
Diese Aufgabe wird durch eine Anlage gemäss Patentanspruch gelöst.
Durch die Wasserleitung wird sichergestellt, dass im Turbinenbetrieb der Anlage das die Pumpenturbine antreibende Wasser nur durch letztere fliesst, während im Pumpbetrieb das in das obere Wasserreservoir zu pumpende Wasser die Hilfspumpe und die Pumpenturbine passiert. Im Pumpbetrieb liegt also eine Serieschaltung von Pumpenturbine und Hilfspumpe vor.
Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. la und lb eine grafische Darstellung des jeweiligen Wirkungsgrads einer Pumpenturbine bei Pump- und bei Turbinenbetrieb,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Pumpspeicherwerks gemäss einer Ausführungsform einer Erfindung.
Fig. la zeigt die Wirkungsgrade r)p, r|t einer mit nur einer Betriebsdrehzahl sowohl für Pump- als auch für Turbinenbetrieb arbeitenden Pumpenturbine in Funktion der spezifischen Umfangsgeschwindigkeit n
Mit P und Q sind die Orte maximalen Wirkungsgrads im Pumpbzw. im Turbinenbetrieb bezeichnet.
Anstelle der spezifischen Umfangsgeschwindigkeit kann auch die Drehzahl per Im Fallhöhe n
vïF
zur Darstellung des Wirkungsgrads verwendet werden, da die Einheit der Drehzahl per Im Fallhöhe aus der Einheit der spezifischen Drehzahl durch Multiplikation mit einer Konstanten hervorgeht. Fig. lb zeigt die Wirkungsgrade einer Pumpenturbine im Betriebsbereich sowohl als Pumpe und als Turbine in Funktion der Drehzahl per Im Fall- bzw. Förderhöhe. Da np = nt (Voraussetzung, siehe oben) wird Hp bzw. Ht zur Charakterisierung der Betriebspunkte mit maximalem Wirkungsgrad verwendet. Dabei wird mit Hpo der Wert von Hp bei maximalem Wirkungsgrad in der Betriebsart als Pumpe und mit Ht0 der Wert von H, bei maximalem Wirkungsgrad in der Betreibsart als Turbine bezeichnet. Wie bereits erwähnt, beträgt das übliche Verhältnis zwischen den beiden Drehzahlen per Im Fall- bzw. Förderhöhe, bei denen jeweils der maximal mögliche Wirkungsgrad vorliegt, gemäss Gleichung (1) derzeit 1,1.
Fig. 2, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, zeigt einen lotrechten Schnitt durch ein unterirdisches Pumpspeicherwerk, auf welches die Erfindung anwendbar ist. Die Anordnung umfasst eine mit einer Drehzahl arbeitende Pumpenturbine 10 und einen unmittelbar mit ihr verbundenen Motorgenerator 12. Eine Rohrleitung 14 verbindet die Pumpenturbine 10 mit einem oberen Reservoir 16a, und einem unteren Reservoir 16b, wobei ein Saugkanal 18 einen Saugrohrabschnitt 20 mit dem unteren Reservoir 16b verbindet, während eine Zweigleitung 22 den Saugkanal 18 überbrückt und eine in
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ihrer Mitte angeordnete Hilfspumpe 24 enthält. Bei 26 und 28 sind Drosselklappen an der Seite der Pumpenturbine 10 bzw. an der Seite des unteren Reservoirs 16b in der Zweigleitung 22 angeordnet. Eine Antriebseinheit 30 dient für den Antrieb der Hilfspumpe 24. Zur Vereinfachung der Darstellung ist die Verbindung zwischen der Hilfspumpe 24 und der Antriebseinheit 30 nicht veranschaulicht, und die Hilfspumpe 24 selbst ist nur schematisch eingezeichnet.
Im folgenden ist die Arbeitsweise des Pumpspeicherwerks mit der vorstehend beschriebenen Konstruktion näher erläutert. Im Turbinenbetrieb der Pumpenturbine werden zunächst die Drosselklappen 26 und 28 zum Schliessen der Zweigleitung 22 betätigt, wodurch der Saugkanal 18 mit dem unteren Reservoir 16b verbunden wird, wobei die Pumpenturbine 10 als normale Wasserturbine arbeitet. Dabei wird ein vom oberen Reservoir 16a kommender Wasserstrom Qt der Pumpenturbine 10 für ihren Antrieb über die Rohrleitung 14 zugeführt, um dann in den Saugrohrabschnitt 20 auszutreten. In dieser Betriebsart treibt die Pumpenturbine 10 den Motorgenerator 12 zur Erzeugung von elektrischem Strom an. Der in den Saugrohrabschnitt 20 eintretende Wasserstrom fliesst hierauf über den Saugkanal 18 in das untere Reservoir 16b. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Hilfspumpe 14 nicht in Betrieb.
Im Betrieb der Pumpenturbine 10 als Pumpe wird andererseits die Zweigleitung 22 durch Verstellung der Drosselklappen 26 und 28 geöffnet, während der parallel zur Zweigleitung 22 verlaufende Teil des Saugkanals 18 geschlossen wird. Gemäss Fig. 2 ist somit der Saugrohrabschnitt 20 mit dem unteren Reservoir 16b über die Zweigleitung 22, die in den Mittelteil des Saugkanals 18 einmündet, und einen Teil des Saugkanals 18 an der Seite des unteren Reservoirs 16b verbunden. In dieser Betriebsart wird die Pumpenturbine 10 durch den Motorgenerator 12 angetrieben, während die Hilfspumpe 24 durch ihre Antriebseinheit 30 in Drehung versetzt wird. Da die Pumpenturbine 10 und die Hilfspumpe 24 hydraulisch miteinander in Reihe geschaltet sind, strömt ein Wasserstrom Qp, der durch die Hilfspumpe 24 vom unteren Reservoir 16b in den benachbarten Teil des Saugkanals 18 eingesaugt wird, über die Zweigleitung 22 zur Pumpenturbine 10, durch den der Pumpturbine 10 benachbarten Teil des Saugkanals 18 und durch den Saugrohrabschnitt 20, wobei das Wasser durch die Pumpenturbine 10 unter Druck gesetzt und über die Rohrleitung 14 zum oberen Reservoir 16a hochgefördert wird.
Da somit die Pumpenturbine 10 im Turbinenbetrieb als Turbine arbeitet, während im Pumpbetrieb die Pumpenturbine 10 und die Hilfspumpe 24 gleichzeitig in Reihe miteinander betrieben werden, bedarf die durch diese Reihenschaltung erzeugte Förderhöhe näherer Erläuterung.
Die fürden Pumpbetrieb der Anlage notwendige Bruttoförderhöhe Hpi, welche auf Hst basiert, lässt sich als Summe der Bruttoförderhöhe Hp der Pumpenturbine 10 und der Bruttoförderhöhe Hp2 der Hilfspumpe 24 wie folgt ausdrücken.
Hpl = Hp + Hp2 (5)
Wie bereits früher beschrieben, soll die Pumpenturbine in beiden Betriebsarten mit derselben Drehzahl betrieben werden. Aufgrund der baulichen Gegebenheiten des Kraftwerks liegt eine bestimmte, am häufigsten auftretende Nutzfallhöhe Ht vor. Um, wie Fig. lb zeigt, den Punkt Q als Betriebspunkt zu erhalten, muss eine bestimmte Drehzahl nt der Pumpenturbine sichergestellt werden. Wird nach obiger Bedingung nt = np in Gleichung (1) eingesetzt, folgt für die Pumpenturbine
Hp Hpo 1
- = = 0,82 (6)
Ht Ht0 (1,1)2
3
5
10
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25
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Aus Gleichung (6) geht hervor, dass die im Turbinenbetrieb im Betriebspunkt Q (Fig. lb) betriebene Pumpenturbine nur dann auch im Pumpbetrieb mit maximalem Wirkungsgrad arbeitet, wenn ihre Bruttoförderhöhe Hp0 wesentlich geringer ist als ihre Nutzfallhöhe Ht0 im Turbinenbetrieb.
Damit die Pumpenturbine in den Betriebspunkten P_und Q von Fig. lb arbeiten kann, muss dieBruttoförderhöhe Hp2 der Hilfspumpe die Bruttoförderhöhe Hp = Hpo der Pumpenturbine zur Bruttoförderhöhe Hpl ergänzen.
Um Hp2 zu bestimmen, wird wie folgt vorgegangen:
Division der Gleichung (5) durch Ht liefert
Hp2 Hpl Hp
_ (7)
Ht Ht Ht
Durch diese Division sind in Gleichung (7) Terme entstanden, deren Werte aus den Gleichungen (3) und (6) bekannt sind.
Hpj Hp
(3): = 1,05 (6): —— = 0,82
Ht Ht
[Aufrund der Reihenschaltung von Pumpenturbine und Hilfspumpe wird sinngemäss in Gleichung (3) Hpi gesetzt.]
Es folgt: _
Hp2
= 0,23 (8)
Ht
Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, dass die Pumpenturbine sowohl in der Pumpe- als auch in der Turbinenbetriebsart bei maximalem Wirkungsgrad betrieben werden kann, wenn die Pumpenturbine 10 und die Hilfspumpe 24 derart gebaut sind, dass sie durch die Gleichungen (6) und (8) beschrieben werden könne. Die Bruttoförderhöhe der Hilfspumpe 24, Hp2, muss gemäss Gleichung (8) 23 % der Nutzfallhöhe Ht der Pumpenturbine 10 betragen. Der Antrieb für eine derartig gebaute Hilfspumpe sowie die Hilfspumpe selbst erhöhen jedoch die Kosten eines Pumpspeicherwerks wesentlich.
Erfindungsgemäss soll deshalb eine Hilfspumpe 24 derart gebaut sein, dass ihre Bruttoförderhöhe Hp2 weniger als 23 % der Nutzfallhöhe einer Pumpenturbine 10 beträgt, wobei dann die Pumpenturbine immer noch im Bereich einer höheren als des bisher üblichen Wirkungsgrads arbeitet. Dies bedeutet:
Ist die Bruttoförderhöhe Hp2 zur Verkleinerung der Leistung der Zubringerpumpe 24 reduziert, muss die Bruttoförderhöhe Hp der Pumpenturbine entsprechend dieser Verringerung ver-grössert sein, so dass das Verhältnis von Bruttoförderhöhe Hp zur Nutzfallhöhe Ht die Grösse von 0,82 gemäss Gleichung (6) übersteigt. Hierbei ergibt sich ersichtlicherweise ein unerwünschtes Resultat, d.h. eine Minderung des Betriebswirkungsgrads der Pumpenturbine. Erfindungsgemäss befindet sich dagegen das Verhältnis Hp / H, in einem die bisher angewandte Grösse von 1,05 gemäss Gleichung (3) nicht übersteigenden Bereich, d.h. _ _
0,82 <HP/Ht< 1,05 (9)
Infolgedessen kann die Grösse der Zubringerpumpe 24 verringert sein. Unter Zugrundelegung der Gleichung (9) ist der Wirkungsgrad der Pumpenturbine im Vergleich zu dem Fall verbessert, in welchem Pump- und Turbinenbetrieb bei einer einzigen Drehzahl unter Aufrechterhaltung des bisher üblichen Werts von Hp / Ht durchgeführt werden, obgleich sich dabei der genannte ideale Zustand nicht erzielen lässt. Zur Erzielung dieser Verbesserung ist ein Wert für das Vehältnis Hp / Ht unter Berücksichtigung der im folgenden aufgeführten Umstände bestimmt.
Bei einem nur mit einer Pumpenturbine ausgerüsteten bisherigen Pumpspeicherwerk führen die Verluste im Wasserkanal dazu, dass die von der Pumpenturbine aufzubringende Bruttoförderhöhe notwendigerweise grösser ist als die zur Verfügung stehende Nutzfallhöhe.
Diese Tatsache stellt ein grosses Hindernis für die Wahl der Anlage zur Stromerzeugung sowie für die Erreichung eines hohen Betriebswirkungsgrades dar.
Um dieses Hindernis zu verringern, empfiehlt es sich, den Wert des Verhältnisses Hp / Ht auf etwa 1 festzulegen.
Damit die Pumpenturbine mit verbessertem Wirkungsgrad arbeiten kann, sei also
HP
— = 1,00 (10)
Ht
Durch Einsetzen der Gleichungen (3) und (10) in Gleichung (7) ergibt sich:
Sp2 Hpl Hp
—— = — — = 1,05 - 1,00 = 0,05 (11)
Ht Ht Ht
Gemäss Gleichung (11) liegt der Wert des Verhältnisses Hp / Ht der Pumpenturbine 10 bei 1,00, das heisst, er ist grösser, als es dem Idealzustand gemäss Gleichung (8) entsprechen würde. Es ist somit nicht möglich, sowohl in Pump- als auch im Turbinenbe-triebdenmaximalen Wirkungsgrad zu erreichen. Da der Wert von Hp /Ht jedoch kleiner ist als derjenige, welcher bei den bisherigen Pumpspeicherwerken gemäss Gleichung (3) vorliegt, arbeitet die Pumpenturbine 10 mit höherem Wirkungsgrad bzw. höherer Leistung als bei den bisherigen Anlagen. Gemäss Gleichung (11) beträgt ausserdem das Verhältnis zwischen der Bruttoförderhöhe HP2 der Hilfspumpe 24 und der Nutzfallhöhe Ht der Pumpenturbine weniger als ein Viertel der Grösse von 0,23 für den Idealfall, so dass die Leistung der Zubringerpumpe ebenfalls kleiner ist als ein Viertel der Grösse im Idealfall, woraus sich eine entsprechende Kostensenkung ergibt.
Bei der erfindungsgemässen Anlage zur Stromerzeugung in einem Pumpspeicherwerk ist somit neben der Pumpenturbine 10, die sowohl im Pump- als auch im Stromerzeugungsbetrieb mit j eweils gleicher Drehzahl umläuft, eine Hilfspumpe 24 vorgesehen. Bei der Stromerzeugung wird ein Wasserstrom unmittelbar vom oberen Reservoir 16a zur Pumpenturbine 10 geleitet, ohne durch die Hilfspumpe 23 zu fliessen, so dass die Pumpenturbine als Turbine arbeitet. In der Pumpbetriebsart wird andererseits das Wasser aus dem unteren Reservoir 16b zum oberen Reservoir 16a durch die Summe der Brottoförderhöhen Hp und Hp2 von Pumpenturbine 10 bzw. Hilfspumpe 24 hochgefördert, wobei die Hilfspumpe 24 im Wasseransaugkanal der als Pumpe arbeitenden Pumpenturbine 10 mit letzterer in Reihe geschaltet ist. Auf diese Weise kann ein Betrieb der Pumpenturbine 10 mit hohem Wirkungsgrad realisiert werden.
Als Ergebnis der vorstehend erwähnten Überlegungen empfiehlt es sich, solch eine Pumpenturbine 10 und eine Hilfspumpe 24 zu verwenden, bei welchem die Werte der Verhältnisse
Hp Hp2 —— und ———
H, Ht innerhalb von Bereichen liegen, die wie folgt begrenzt sind:
Erste Grenze:
Hp Hp2
—- = 0,82 und —— = 0,23 (12)
H, Ht
4
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
5 650 062
Zweite Grenze: Die Pumpenturbine arbeitet jedoch nicht mit maximal mögli-
_ _ chem Wirkungsgrad.
Hp Hp2 Entsprechend umgekehrt liegen die Verhältnisse bei einer
= 1,00 und —— = 0,05 (13) Anlage, welche derart gebaut ist, dass obige Verhältnisse bei der
Ht H, 5 ersten Grenze liegen.
Je nach Wasserpegelbedingungen des Kraftwerks, dem VerLiegen die Werte obiger Verhältnisse bei der zweiten Grenze, hältnis zwischen Pump- und Turbinenbetriebszeit sowie Herstel-besteht der Vorteil darin, dass der Antrieb für die Hilfspumpe lungs- und Betriebskosten der Anlage ist eine in ihren Eigen-sowie die Hilfspumpe selbst vergleichsweise klein und entspre- schatten zwischen der ersten und der zweiten Grenze liegende chend billig sind. io Anlage vom wirtschaftlichen Standpunkt aus optimal.
M
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PL | Patent ceased |