CH654070A5 - Verfahren zum anfahren einer pumpspeicher-wasserkraftanlage im pumpenbetrieb. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfahren einer Pumpspeicher-Wasserkraftanlage im Pumpenbetrieb gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Für das Betriebs- und Arbeits verhalten von Einzeldreh-zahl-Pumpenturbinen der reversierbaren Ausführung gilt ganz allgemein, dass im Hinblick auf den dem höchsten Wirkungsgrad oder der höchsten Leistung zugeordneten Arbeitspunkt ein Unterschied beim Arbeitsverhalten als Pumpe und beim Arbeitsverhalten als Turbine gegeben ist.

So ist ganz besonders die Netto-Druckhöhe, bei der die Pumpenturbine als Turbine mit maximalem Wirkungsgrad arbeitet, grösser als die gesamte Druckhöhe, bei der die Pumpenturbine mit maximalem Wirkungsgrad als Pumpe arbeitet. In der Praxis ist in einem Pumpspeicher-Wasser-kraftwerk jedoch die Netto-Druckhöhe der Turbine während des Turbinenbetriebes kleiner als die gesamte Druckhöhe während des Pumpenbetriebes, und zwar um einen Betrag, der gleich dem Druckhöhenverlust des vom Wasser zwischen dem oberen Staubecken und dem unteren Staubecken zurückzulegenden Weges ist. Wird nun eine Pumpenturbine im Turbinenbetrieb mit einer Drehzahl oder mit einem Arbeitspunkt gefahren, der der höchsten Leistung oder dem höchsten Wirkungsgrad entspricht, dann wird bei Pumpenbetrieb mit einem niedrigeren Wirkungsgrad oder mit einer niedrigeren Leistung gearbeitet. Erst kürzlich ist eine neuartiges Pumpspeicher-Wasserkraftanlage vorgeschlagen worden, bei welcher eine Hilfspumpe (booster pump) zu einer reversierbaren Einzeldrehzahl-Pumpenturbine derart in Reihe angeordnet und geschaltet ist, dass dadurch der bei 5 Pumpenbetrieb sonst niedrige Wirkungsgrad verbessert wird. Die Hilfspumpe (booster pump) wird dabei derart in Betrieb genommen und gefahren, dass sie einen Druckhöhe oder einen Druck erzeugt, der über den von der Pumpenturbine erzeugten Druck hinaus erforderlich ist, wenn die sonst nied-lo rige Leistung oder der sonst niedrige Wirkungsgrad dann verbessert werden sollen, wenn die Pumpenturbine im Pumpenbetrieb arbeitet. Das bedeutet, dass die Hilfspumpe (booster pump) dann herangezogen wird, wenn ein Teil des für den Betrieb mit höchster Leistung oder höchstem Wirkungsgrad 15 erforderlichen Druckhöhe zusätzlich bereitzustellen ist, wenn die Pumpenturbine im Pumpenbetrieb gefahren werden soll. Um wirtschaftlich gerechtfertigt zu sein, müssen Pumpspeicher-Wasserkraftanlagen eben einen hohen Wirkungsgrad haben, so dass für die Entwicklung eines für das 20 Betreiben einer reversierbaren Einzeldrehzahl-Pumpenturbine geeigneten Verfahrens ein recht grosser Bedarf gegeben ist. Was jedoch das Betreiben und Fahren einer reversierbaren Einzeldrehzahl-Pumpenturbine mit Hilfspumpe (booster pump) betrifft, so steht man immer wieder vor techni-25 sehen Problemen. Dies gilt für die exakte Steuerung und Regelung, und das ganz besonders im Hinblick auf den Pumpenbetrieb, weil eben die Steuerung und Regelung des Pumpenbetriebes recht kompliziert ist.

Die Erfindung stellt sich somit als Aufgabe, für das 30 Anfahren im Pumpenbetrieb einer Pumpspeicher-Wasser-kraftanlage der eingangs genannten Art ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die Pumpenturbine und die Hilfspumpe (booster pump) im Pumpenbetrieb in Reihe oder hintereinander ohne komplizierte Anfahr- und Starttechnik einfach 35 und weich angefahren und in Betrieb genommen werden können.

Dies wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 beschriebenen Massnahmen erzielt. Die Ansprüche 2 bis 4 beschreiben besondere 40 Ausführungsarten des erfindungsgemässen Verfahrens.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in:

45 Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Pumpspeicher-Wasserkraftanlage, auf welche sich die Erfindung bezieht,

Fig. 2 und 3 Diagramme betreffend die Betriebs- und Steuerungssequenzen von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung.

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Was die Zeichnung betrifft, so sind in den verschiedenen Darstellungen gleiche oder ähnliche Teile auch mit gleichen Hinweiszahlen gekennzeichnet. So zeugt Fig. 1 ganz besonders eine als Turbine und als Pumpe zu verwendende rever-55 sierbare Einzeldrehzahl-Pumpenturbine 1, mit der ein Motorgenerator 2 direkt gekoppelt ist. Dargestellt ist auch noch eine Rohrleitung 3, die in die Pumpenturbine 1 führt und mit einem oberen (und nicht dargestellten) Wasserhaltungsbecken verbunden ist. Wiedergegeben sind weiterhin 60 auch noch: ein unteres Wasserhaltungsbecken 6; ein Ablaufwasserführungstunnel 5, der eine Ablaufleitung 4 der Pumpenturbine 1 mit dem unteren Wasserhaltungsbecken 6 verbindet: eine Abzweigungsleitung 7, die zur Umgehung des Wasserablauftunnels 5 einem Teil dieses Wasserableitungs-fis stollens 5 parallel zugeordnet ist; schliesslich auch noch eine Hilfspumpe 9, die in der Abzweigungsleitung 7 angeordnet und montiert ist. An der Austrittsseite der Hilfspumpe (booster pump) 9 ist ein Ventil 10 in die Abzweigungsleitung 7 ein

gebaut, wohingegen ein Ventil 11 in den Teil des Wasserablauftunnels 5 eingebaut ist, der zur Abzweigungsleitung 7 parallel liegt. Ein Motor 8 ist derart angeordnet und eingebaut, dass er die Hilfspumpe (booster pump) 9 antreiben kann. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist die Verbindung zwischen der Hilfspumpe (booster pump) 9 und der Antriebseinheit 8 weggelassen worden, d. h. nur die Hilfspumpe (booster pump) 9 ist skizzenhaft dargestellt. Zur Pumpenturbine 1 gehören auch noch (nicht dargestellte Führungsschaufeln, die als Ventil an der Auslassseite der Pumpenturbine 1 wirksam werden. Die Wasserkraftanlagen werden nun wie folgt betrieben, wobei in der Zeichnung die jeweils zutreffenden Betriebszustände des Einlassventiles 10 und des Einlassventiles 11 wie folgt dargestellt sind:

Die Vollinie kennzeichnet jeweils für das Ventil 10 den Öffnungszustand, während für das Ventil 10 die gestrichelte Linie den Schliesszustand kennzeichnet. Demgegenüber steht für das Ventil 11 die Vollinie für den Schliesszustand dieses Ventiles, während die gestrichelte Linie im Falle des Ventiles 11 für den Öffnungszustand steht.

Beim Turbinenbetrieb der Pumpenturbine 1 wird das Ventil 10 zunächst einmal in die mit gestrichelter Linie wiedergegebene Schliesszustand gebracht, so dass die Zweigleitung 7 geschlossen und abgesperrt ist. Demgegenüber wird das Ventil 11 in die mit gestrichelter Linie wiedergegebenen Öffnungszustand gebracht, was wiederum zur Folge hat, dass der Wasserabführungstunnel 5 mit dem unteren Wasserhaltebecken 6 verbunden ist und die die Pumpenturbine 1 als Turbine arbeitet. In Fig. 1 ist diese Position mit gestrichelten Linien dargestellt und wiedergegeben. In diesem Fall wird von einem (nicht dargestellten) oberen Wasserhaltungsbecken aus das Wasser derart geführt, dass es über die Rohrleitung 3 in die Pumpenturbine 1 hineinströmt, dass es die Pumpenturbine 1 antreibt und schliesslich die Pumpenturbine 1 wieder verlassend in die Wasserabführungsleitung 4 fliesst. Die Pumpenturbine 1 arbeitet dabei im Turbinenbetrieb und treibt den Motorgenerator 2 an, v/elcher dann elektrischen Strom erzeugt. Das der Wasserabführungsleitung 4 zuströmende Wasser wird über den Wasserablauftunnel 5 in das untere Wasserhaltungsbecken 6 geführt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Hilfspumpe (booster pump) 9 nicht eingeschaltet und arbeitet nicht.

Soll andererseits die Pumpenturbine 1 im Pumpenbetrieb arbeiten, dann wird das Ventil in die mit Vollinie dargestellte Öffnungsposition gebracht, was wiederum zu Folge hat, dass die Zweigleitung 7 geöffnet wird, dann wird weiterhin auch das Ventil 11 in die mit Vollinie dargestellte Schliessposition gebracht und dadurch der zur Zweigleitung parallel liegende Teil des Wasserablauftunnels 7 geschlossen. In diesem Falle steht das Wasserabführungsrohr 4 mit dem unteren Wasserhaltebecken 6 in Verbindung, und zwar über die den Auslass der Zweigleitung 7 in der Mitte des Wasserabführungstunnels 5 und einem Teil des Wasserabführungstunnels 5 auf der Seite des unteren Wasserhaltungsbeckens 6. In Fig. 1 ist diese Position mit Vollinien dargestellt. In diesem Falle wird die Pumpenturbine 1 vom Motorgenerator 2 angetrieben, wohingegen die Hilfspumpe (booster pump) 9 angetrieben wird von der Antriebseinheit 8. Weil nun die Pumpenturbine 1 und die Hilfspumpe (booster pump) hydraulisch in Reihe oder hintereinander geschaltet sind, fliesst das Wasser, welches auf der Seite des unteren Wasserhaltungsbeckens 6 von der Hilfspumpe (booster pump) 9 von diesem unteren Wasserhaltungsbecken 6 her in den Wasserabführungstunnel 5 gesaugt wird, in die Pumpenturbine 1 und zwar durch die Zweigleitung 7, durch den pumpenturbinenseitigen Teil des Wasserabführungstunnels 5 und durch das Wasserabführungsrohr 4. Das Wasser wird dabei mit Druck beaufschlagt und nach oben über die Rohrleitung 3 in das obere Wasserhaltungs3 654070

becken gedrückt. Nachstehend soll nun in aller Ausführlichkeit ein bevorzugtes Verfahren, für das Anfahren und Starten der Pumpenturbine 1 und der Hilfspumpe (booster pump) 9 beschrieben und erläutert werden:

s Als erstes wird ein (nicht dargestelltes) Ventil an der Auslasseite der Pumpenturbine 1 geschlossen, wird das Ventil in die mit gestrichelter Linie wiedergegebene Position gebracht, wird auch das Ventil 11 in die mit gestrichelter Linie dargestellte Position gebracht, wobei als Folge davon die Zweiglei-lo tung 7 geschlossen und abgesperrt wird, während der zur Zweigleitung parallel geführte Abschnitt des Wasserführungstunnels 5 geöffnet wird, wobei dadurch weiterhin eine Verbindung zwischen dem Inneren der Pumpenturbine 1 und dem unteren Wasserhaltungsbecken 6 hergestellt wird. Dann 15 wird zum Absenken des Wasserspiegels von einem (nicht dargestellten) Kompressor Luft in das Innere der Pumpenturbine 1 gedrückt. Ist der Wasserspiegel bis unter den/die (nicht dargestellten Rotor/Rotoren oder Läufer der Pumpenturbine 1 abgefallen, wird die Pumpenturbine 1 in Luft als 20 Pumpe von einem internen Anlassermotor kleiner Leistung angefahren und gestartet, um dann nach dem Hochfahren auf eine vorgegebene Solldrehzahl parallel mit dem äusseren Elektronetz verbunden zu werden. Gleichzeitig mit der Pumpenturbine oder nach dem Anfahren der Pumpenturbine 1 25 wird auch die Hilfspumpe (booster pump) 9 von einem zur Antriebseinheit 8 gehörenden internen Antriebssystem in Wasser angefahren und gestartet, woraufhin dann die Hilfspumpe (booster pump 9) nach dem Hochfahren auf eine vorgegebene Solldrehzahl auch parallel in das äussere Elelctro-30 netz geschaltet wird. Wenn die Pumpenturbine 1 parallel in das äussere Elektronetz geschaltet ist, wird mit dem Absaugen der noch im Inneren der Pumpenturbine 1 vorhandenen Luft begonnen, wobei dazu ein (nicht dargestellter) Vakuumanschluss verwendet wird. Wenn der Vorgang der 35 Luftabsaugung abgeschlossen oder fast abgeschlossen ist, wird das Ventil 11 zum Schliessen und Absperren des Wasserabführungstunnels 5, d.h. des Parallelabschnittes dieses Wasserabführungstunnels 5, in die mit Vollinie wiedergegebene Position gebracht. Nach dem vollständigen Schliessen -io des Ventiles 11, wird das Ventil 10 in die mit Vollinie gekennzeichnete Position eingestellt, was wiederum zur Folge hat, dass dadurch die Zweigleitung 7 geöffnet wird. Gleichzeitig oder in der Folge wird auch das Ventil an der Auslassseite der Pumpenturbine 1 geöffnet, damit die Pumpenturbine 1 als 45 Pumpe und die ihr in Reihe nachgeschaltete Hilfspumpe 9 arbeiten können. Fig. 2 zeigt die Zeitsteuerungssequenzen für das zuvor beschriebene Verfahren.

Aus alle dem ist zu erkennen, dass die Pumpenturbine 1 und die Hilfspumpe (booster pump) 9 unabhängig und so gleichzeitig gesteuert und geregelt werden, und zwar vom Vorgang des Anfahrens und Startens an bis zu dem Vorgang der Parallelschaltung in das äussere Elektronetz, und dies ohne gegenseitige Überlagerung und Störung durch Veränderungen in der Wasserströmung und im Wasserdruck, der ss durch den Anfahrvorgang verursacht werden könnte, und dies unter der Voraussetzung, dass die Wasserführung zwischen der Pumpenturbine und der Hilfspumpe 9 durch das Schliessen des Ventiles 10 geschlossen und gesperrt wird. Deswegen können die Pumpenturbine 1 im Pumpenbetrieb 60 und auch die Hilfspumpe (booster pump) 9 weich, glatt und prompt angefahren und in Betrieb genommen werden und schliesslich auch noch durch Parallelschaltung an das äussere Elektroneîz gelegt werden.

Darüber hinaus wird auch die Hilfspumpe (booster pump) 65 9 dann entlüftet, wenn der statische Druck des Wassers aus dem unteren Wasserhaltungsbecken 6 dann auf die Pumpenturbine 1 einwirken kann, wenn diese Pumpenturbine 1 mit dem unteren Wasserhaltungsbecken 6 verbunden ist. Das

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aber bedeutet, dass eine solche Luftabsaugung sicher und vollständig durchgeführt werden kann.

Wenn der Vorgang des Luftabsaugens abgeschlossen ist, wird das Ventil 11 durch Ansteuerung dann geschlossen, wenn sich auch das Ventil 10 in der Schliesstellung befindet, so dass dann nur der statische Wasserdruck 6 aus dem unteren Wasserhaltungsbecken auf das Ventil 11 übertragen wird und einwirkt. Das aber bedeutet, dass das Ventil 11 sehr sicher zum Schliessen gesteuert werden kann.

Darüber hinaus wird das Ventil an der Auslassseite der Pumpenturbine 1 fast gleichzeitig mit dem Ventil 10 geöffnet, so dass im Pumpenbetrieb die Pumpenturbine 1 als Pumpe und die Hilfspumpe (booster pump) 9 hintereinander angefahren und betrieben werden können, ohne dass dabei ein zu hoher Schliessdruck der Hilfspumpe (booster pump) 9 auf das Wasserabführungsrohr 4 und auf den Parallelabschnitt des Wasserabführungstunnels 5 zwischen Hilfspumpe (booster pump) 9 und Pumpenturbine 1 einwirkt.

Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird das Ventil 11 zum Schliessen und Absperren des zum Wasserabführungstunnel 5 gehörenden Parallelabschnittes dann oder fast dann in die mit Vollinie wiedergegebene Position gebracht, wenn der Vorgang der Luftabsaugung abgeschlossen worden ist. Die Erfindung soll aber nicht nur auf das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt sein. So kann beispielsweise das Ventil 11 zum Schliessen und Absperren des zum Wasserabführungstunnel 5 gehörenden Parallelabschnittes dann in die mit Vollinie wiedergegebene Position gebracht werden, wenn die Pumpenturbine 1 parallel an das äussere Elektronetz angeschlossen worden ist, woraufhin nach dem Schliessen des Ventiles 11 unter Verwendung eines (nicht dargestellten) und mit der Pumpenturbine 1 verbundenen Vakuumsystemes damit begonnen werden kann, die noch im Inneren der Pumpenturbine 1 vorhandene Luft abzusaugen. Nach dem Beginn der Luftabsaugung kann dann das Einlassventil 10 zum

Öffnen der Zweigleitung 7 in die Position gebracht werden, die für dieses Ventil 10 mit Vollinie wiedergegeben ist. Gleichzeitig mit der Beendigung des Vorganges der Luftabsaugung kann das Ventil an der Auslassseite der Pumpen-s turbine 1 geöffnet werden, so dass hintereinander und in Reihe die Pumpenturbine 1 als Pumpe und die Hilfspumpe 1 betrieben werden können. In Fig. 3 dargestellt ist die zeitliche Steuerungsfolge für das zuvor beschriebene Verfahren.

In diesem Falle wird das Ventil 10 zum Öffnen der Zweig-10 leitung auf die mit Vollinie dargestellte Position gleichzeitig mit dem Beginn oder dem Einsetzen der Luftabsaugung eingestellt. Aus diesem Grunde wird dabei der von der Hilfspumpe (booster pump) 9 erzeugte Wasserdruck derart auf das Wasserabführungsrohr 4 der Pumpenturbine 1 übertragen, 1S dass dabei der Luftabsaugungsdruck in der Pumpenturbine 1 erhöht und der Vorgang der Luftabsaugung schnell abgeschlossen wird. Gleichzeitig mit der Beendigung des Vorganges der Luftabsaugung kann die Pumpenturbine 1 als Pumpe betrieben werden, kann in Reihe oder hintereinander 20 dazu im Pumpenbetrieb die Hilfspumpe in Betrieb genommen werden, und zwar ganz einfach dadurch, dass das Ventil lOgeöffnet wird.

Die mit Fig. 1 wiedergegebenen Pumpspeicher-Wasser-2S kraftanlage ist zwar an beiden Enden des Zweigrohres oder der Zweigleitung 7 mit dem Wasserabführungstunnel 5 verbunden, dennoch kann die Erfindung auch bei einer Pumpspeicher-Wasserkraftanlage Anwendung finden, bei welcher die Zweigleitung 7 direkt mit dem unteren Wasserhaltungs-30 becken 6 verbunden ist.

Es dürfte klar sein, dass aufgrund des zuvor Beschriebenen zahlreiche Modifikationen und Änderungen möglich sind. Es sollte deshalb klar sein, dass im Rahmen der Patentansprüche die Erfindung auch anders verwirklicht und realisiert 3s werden kann, als dies in der Patentbeschreibung beschrieben worden ist.

B

3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

654070 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Anfahren einer Pumpspeicher-Wasser-kraftanlage im Pumpenbetrieb, wobei die Anlage eine rever-sierbare Einzeldrehzahl-Pumpenturbine, die mit einer zwischen einem oberen Wasserhaltungsbecken und einem unteren Wasserhaltungsbecken geführten Hauptwasserführungsleitung hydraulisch verbunden ist, eine Hilfspumpe, die in einer hydraulisch parallel zu einem Abschnitt der Wasserführungsleitung zwischen der Pumpenturbine und dem unteren Wasserhaltungsbecken geführten Zweigleitung angeordnet ist, Ventile zum Öffnen und Schliessen dieses Abschnittes der Wasserführungsleitung und der Zweigleitung, sowie ein erstes Ventil, das zwischen der Pumpenturbine und dem oberen Wasserhaltungsbecken angeordnet ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass, nachdem der genannte Abschnitt der Hauptwasserführungsleitung (3,4,5) geöffnet worden ist und die Zweigleitung (7) und das erste Ventil geschlossen worden sind, die Pumpenturbine (1) in Luft als Pumpe angefahren und auf eine erste vorgegebene Drehzahl hochgefahren wird, die Hilfspumpe (9) angefahren und auf eine zweite vorgegebene Drehzahl hochgefahren wird und danach die Luftabsaugung der noch im Innern der Pumpenturbine vorhandenen Luft begonnen wird, der genannte Abschnitt der Hauptwasserführungsleitung (3,4,5) geschlossen wird, die Zweigleitung (7) und nach Beendigung der Luftabsaugung das erste Ventil geöffnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anfahren der Hilfspumpe (9) in V/asser erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schliessen des genannten Abschnitts der Wasserführungsleitung ungefähr zu dem Zeitpunkt erfolgt, zu dem die Luftabsaugung beendet ist, und dass das Öffnen der Zweigleitung (7) dann erfolgt, wenn das Schliessen des genannten Abschnitts der Wasserführungsleitung beendet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Luftabsaugung nach dem vollständigen Schliessen des genannten Abschnitts der Wasserführungsleitung begonnen wird und dass die Zweigleitung (7) geöffnet wird, nachdem mit der Luftabsaugung begonnen worden ist.