Verfahren zum Betrieb einer Gezeiten-Wasserkraftanlage. Eine rationelle Ausnützung der Gezeiten- Wasserkräfte wird, von ganz wenigen Aus nahmefällen abgesehen, durch die einfache Anordnung eines Abschluldaninies ani Ein gang einer Meeresbucht erreicht, wobei das Wasser in den Abschlussdamm eingebaute Turbinen periodisch in entgegengesetzten Richtungen durchströmt. Diese Anordnung gibt bekanntlich die grösste Ausnutzung der Gezeiten-Wasserkraft, bei welcher die Unter bruchzeiten von möglichst kurzer Dauer sind, und dürfte infolgedessen wohl als einzige Ausbaumöglichkeit ernstlich in Frage kommen. Die eingebauten Turbinen müssen für beide Durchflussrichtungen benutzt werden können.
Es sind schon Vorschläge dieser Art be kannt, doch haften denselben derartige Nach teile an, dass sie sich für eine praktisch ein wandfreie Lösung des Problems der Aus nutzung der Gezeiten-Wasserkräfte nicht eignen.
Die grösste Ausnützungsmöglichkeit ge mäss der oben erwähnten Anordnung bedingt ein Arbeiten der Turbinen unter einem ver änderlichen Gefälle, wodurch sich für die Turbinen, bei einer günstigen Ausnutzung des jeweiligen Gefälles, entsprechend ver änderte Tourenzahlen ergeben. Diese Tat sache bringt den Nachteil, dass bei einer direkten Kupplung von Turbine und elek trischem Stromerzeuger die erzeugte Span nung und Frequenz nicht konstant sind. Zur Behebung dieses Nachteiles entstanden die Vorschläge, die in den Abschlussdamm ein gebaute Zentrale zur Speisung eines hydrau lischen Akkumulierwerkes zu verwenden, das unter konstantem Gefälle arbeitet.
Durch die Reibungsverluste in Pumpen und Lei tungen geht ein ganz erheblicher Prozentsatz der in der Gezeiten-Wasserkraft-Zentrale nutz bar gemachten Energie verloren, und über dies bedeutet ein besonderes Akkumulierwerk eine grobe Vermehrung des Anlagekapitals und der Gestehungskosten der erzeugten Stromeinheit.
Ferner müssen Durchflussöffnungen des Abschlussdammes und vor allem die Tur binenkanäle mit Absperrorganen versehen werden, um ein Durchströmen des Wassers zu verhindern, bis eine für den Betrieb der Turbinen genügende Differenz zwischen den Wasserspiegeln auf entgegengesetzten Seiten des Dammes sich eingestellt hat.
Die Durch- strömöffnungen müssen in einer derartigen Zahl vorhanden sein, dass, nachdem ein ge wisses Minimalgefälle erreicht ist, welches die untere Grenze der Ausnützbarkeit durch die Turbine bildet, und letztere abgestellt wird, der Wasserspiegelausgleich möglichst rasch herbeigeführt wird, um die Unterbruch zeit in der Stromerzeugung möglichst klein zu halten. Aus diesen Bedingungen ergibt sich eine sehr grosse Zahl von Durchfluss öffnungen und zu betätigenden Abschlussor ganen, deren Kosten im Verhältnis zur ge wonnenen Kraft derart hoch werden können, dass die Ausbauwürdigkeit einer Gezeiten- Wasserkraftanlage in Frage gestellt werden kann.
Zweck vorliegender Erfindung ist die Be seitigung der oben erwähnten Nachteile durch ein Verfahren zum Betriebe einer Gezeiten- Wasserkraftanlage, welches gestattet, in der im Abschlussdamm eingebauten Kraftzentrale Strom von konstanter Spannung und Frequenz zu erzeugen, die vorhandene Wasserkraft in der wirksamsten Weise auszunützen, eine Beschleunigung des Wasserspiegelausgleiches zu bewirken und dadurch die Unterbruchzeit in der Stromlieferung abzukürzen und die Zahl der zu reinen Abschlusszwecken nötigen Abschlussorgane stark zu reduzieren.
Erfindungsgemäss besteht das Verfahren zum Betrieb einer Gezeiten-Wasserkraftanlage, deren Kraftzentrale in einen Abschlussdamm eingebaut ist, dessen Durchflussöffnungen pe riodisch in entgegengesetztem Sinne durch strömt werden, darin, dass bei jedem eine Asynchronmaschine und mindestens eine Tur bomaschine aufweisenden Aggregat der Zen trale zwecks Erzeugung von Strom von kon stanter Spannung und Frequenz der mit einem veränderlichen Gefälle sich verändernden Drehzahl der Turbomaschine durch eine Änderung der Betriebsverhältnisse bestimmter Teile des Aggregates entgegengewirkt wird, unter gleichzeitiger Verwendung wenigstens eines Phasen-Kompensators zur Vermeidung ungünstiger Phasenverschiebungen und we nigstens eines unabhängig angetriebenen Synchrongenerators zur Festlegung der Pe riodenzahl,
wobei nach Erreichen eines be stimmten Minimalgefälles zunächst den Was serdurchfluss wesentlich hemmende Teile der Turbomaschine aus dem Durchflusskanal ent fernt und dann das Aggregat als Motor pumpe wirkend zur Herbeiführung eines be schleunigten Wasserspiegelausgleiches ver wendet wird und nach Erreichen dieses Aus gleiches durch die Turbomaschine selbst der Abschluss ihres Durehflusskanals im Damm bewirkt wird.
Zweckmässigerweise kann der sich verän dernden Drehzahl der Turbomaschine durch eine während des Betriebes vorzunehmende Änderung der elektrischen Schaltung der Asynchronmaschine oder durch Änderung des Übersetzungsverhältnisses zwischen Turbo- und Asynchronmaschinenwelle entgegenge wirkt werden.
Die zur Ausführung des Betriebsverfahrens dienende Kraftanlage besitzt erfindungsgemäss mindestens eine Arialturbine, welche zwei vor- und ausschaltbare und regulierbare Leit- apparate aufweist, von denen beim Arbeiten in der einen der beiden Drehrichtungen je weils nur der eine vorgeschaltet ist, während der andere ausgeschaltet ist.
Zweckmässigerweise können zwecks völ liger Freigabe des Wasserdurchflusses durch den Turbinenkanal beide Leitapparate zu gleich ausgeschaltet werden.
Ferner kann durch das innerhalb des Regulierbereiches liegende vollständige Schlie ssen wenigstens eines vorgeschalteten Leit- apparates ein wasserdichter Abschluss jedes Turbinenkanals erzeugt werden.
Eine beispielsweise Ausführungsform der Anlage zur Ausführung des Betriebsverfahrens ist auf beiliegender Zeichnung gezeigt, in welcher Fig. 1 ein vertikaler Schnitt in der Längs achse des Dammes durch ein aus zwei Tur bomaschinen und einem Generator bestehen den Aggregat der Zentrale ist; Fig. 2 ist ein vertikaler Schiritt durch das Aggregat in der Querachse des Dammes ; Fig. 3 zeigt einen C3rruridriss von Fig. 1: Fig. 4 zeigt schematisch die Stellung der Leitapparate beim Arbeiten der Turbine in der einen Drehrichtung; Fig. 5 zeigt die Stellung der Leitapparate beim Arbeiten der Turbine in der andern Drehrichtung;
Fig. 6 stellt die ausgeschaltete Stellung beider Leitapparate dar, zwecks Herstellung einer freien Durchflussöffnung, und in Fig. 7 befinden sich beide Leitapparate in der eingeschalteten und geschlossenen Stellung, um einen wasserdichten Abschluss des Turbinenkanals herbeizuführen.
Auf beiliegender Zeichnung bedeuten und b zwei Turbinen, die mit Hilfe der Stirnradgetriebe c und d auf einen gemein samen Asynchrongenerator g arbeiten. Es kann aber auch nur eine einzige Turbine auf einem Asynchrongenerator arbeiten. In der Arbeitswelle des Generators kann ein im Übersetzungsverhältnis veränderliches Ge triebe h der im schweizerischen Patent Nr. 80734 gezeigten Art eingebaut sein. Die Turbinen selbst sind mit je einem obern und einem untern Leitapparat ausgestattet, dessen Drehschaufeln e und f, um horizontale Achsen drehbar, eine genaue Belastungsre gulierung der Turbinen ermöglichen. In der einen Durchflussrichtung arbeitet bloss der eine Leitapparat, zum Beispiel in der Durch flussrichtung von oben nach unten der obere e (Fig. 4) und in der entgegengesetzten Durchflussrichtuug der untere Leitapparat f (Fig. 5).
Die Schaufeln des nicht arbeiten den Leitapparates werden mit Hilfe einer speziellen Einrichtung aus dem Durchfluss rohre der axialen Turbine herausgedreht und befinden sich in der in der Zeichnung je weils gezeigten Lage.
Soll der Wasserdurchfluss freigegeben wer den, so werden beide Leitapparate e und f aus dem Durchflusskanal herausgedreht, wie in Fig. 6 gezeigt, und es bleibt nur noch das Laufrad, welches, wie oben angegeben, als Axialpumpe benutzt werden kann. Soll endlich der Wasserdurchfluss ganz abgesperrt werden, so werden beide Leitapparate in ihre Arbeitsstellung eingeschwenkt und beide geschlossen (Fig. 7), wodurch ein dichter Abschluss des fraglichen Durehflusskanals ent stellt.
Die Arbeitsweise der gezeigten Gezeiten- Wasserkraftanlage ist folgende, wobei ange nommen werden soll, dass das Minimalge fälle, bis zu welchem die Turbine zu arbeiten hat, ca. 1 m betrage Turbinen und Generatoren arbeiten mit einer durch höheres Gefälle bedingten höheren Tourenzahl in einer Drehrichtung. Das Ge fälle nimmt langsam ab, es erfolgt die Schal tung auf die kleinere Geschwindigkeit der Turbine resp.
Generatoren, wobei Spannung und Frequenz des erzeugten Stromes dadurch konstant gehalten werden, dass man eine Pol umschaltung des Generators oder für ein Übersetzungsverhältnis 1 zu 2 eine Kaska denschaltung zwischen zwei benachbarten Generatoren vornimmt, resp. dass das Über setzungsverhältnis zwischen der Turbinen- und der Generatorwelle durch Verstellung des Getriebes h geändert wird. Es kommt dann der Zeitpunkt, wo das Gefälle nur noch ca. 1 m beträgt und der Generator abge schaltet werden muss. In diesem Zeitpunkt wird der eine arbeitende Leitapparat eben falls ausgeschaltet und der Generator auf Motor unigestellt. durch Verringern seiner Tourenzahl unter die synchrone Tourenzahl.
Das ganze Aggregat arbeitet im selben Dreh sinn als Motur und Pumpe weiter wie der Generator vorber. Sobald die beiden Wasser spiegel auf entgegengesetzten Seiten des Dammes ausgeglichen sind, oder auch prak tisch kurz vorher, werden beide Leitapparate geschlossen, und der Motor treibt nur noch das Laufrad leer zwischen zwei geschlossenen Wänden und kann nach Belieben des Ma schinisten während der eintretenden Pause auf die andere Drehrichtung umgeschaltet werden, d. h. direkt abgestellt und dann wieder in der andern Drehrichtung ange lassen werden.
Sobald ca. 1 m Gefälle vor handen ist, dreht die Gruppe als Motor schon in der neuen Drehrichtung, es braucht bloss der Austrittsleitapparat ganz weggedreht und der Eintrittsleitapparat entsprechend ge- öffnet zu werden, um sofort bei Erhöhung der Tourenzahl über die synchrone Touren zahl die Gruppe als Turbinengenerator in Arbeit zu haben. Bei steigendem Gefälle wird das Aggregat so weiter arbeiten, und sobald das Gefälle die Erhöhung der Touren zahl der Turbine erheischt, kann dies ohne weiteres geschehen, wobei die Spannung und Frequenz durch oben angegebene Massnahmen wieder konstant gehalten werden und das Aggregat wieder als Turbinengenerator mit erhöhter Tourenzahl arbeitet.
rin die ungünstigen Phasenverschiebungen der Asynchronmaschinen auszugleichen, sind Phasen-Kompensatoren vorgesehen. Auf das ganze Netz muss wenigsens ein Synchron generator arbeiten, um die Periodenzahl fest zulegen.
Die Vorteile einer derartigen Gezeiten- Wasserkraftanlage sind folgende: Die vor- und ausschaltbaren, sowie regu lierbaren Leitapparate ergeben eine Turbine mit möglichst gutem Nutzeffekt und guten Regulierfähigkeiten und dadurch eine schr gute Ausnützung der Gezeiten-Wasserkraft.
Dadurch, dass der Abschluss der Turbinen kanäle durch die Leitapparate selbst erfolgen kann, wird eine grosse Ersparnis an Anschluss organen erzielt.
Das Ausschalten der Leitapparate ergibt einen Durchflusskanal durch den Damm, in welchem dem durchfliessenden Wasser durch das leere Laufrad mir ein ganz geringer Widerstand entgegengesetzt wird. Die Durch flussmenge wird bei den ganz kleinen Spiegel differenzen, die sich unmittelbar vor dem Ausgleich ergeben, durch die Wirkung des Laufrades als Pumpe beträchtlich erhöht und somit die Ausgleichszeit verringert.
Die Verwendung von Asynchronmaschinen bietet den Vorteil, dass keine Parallelschal tung vorzunehmen ist und dass durch ein fache Tourenverstellung über oder unter die synchrone Tourenzahl sie als Generatoren oder Motoren arbeiten.
Method of operating a tidal hydropower plant. A rational use of the tidal water power is achieved, apart from very few exceptional cases, by the simple arrangement of a closure line at the entrance of a sea bay, with the water flowing through turbines built into the closure dam periodically in opposite directions. As is well known, this arrangement makes the greatest possible use of tidal water power, in which the interruption times are as short as possible, and as a result should be seriously considered the only expansion option. The built-in turbines must be able to be used for both flow directions.
There are already proposals of this type be known, but adhere to the same such after parts that they are not suitable for a practically flawless solution to the problem of exploiting the tidal water forces.
The greatest possible exploitation according to the above-mentioned arrangement requires the turbines to work under a changeable gradient, which results in correspondingly changed numbers of revolutions for the turbines when the respective gradient is used favorably. This fact has the disadvantage that with a direct coupling of the turbine and electrical power generator, the generated voltage and frequency are not constant. To remedy this disadvantage, the proposals arose to use a central unit built into the final dam to feed a hydraulic accumulator that works at a constant gradient.
Due to the friction losses in pumps and lines, a very significant percentage of the energy made usable in the tidal hydropower center is lost, and a special accumulator means a gross increase in the investment capital and the production costs of the electricity unit generated.
Furthermore, throughflow openings of the closing dam and especially the turbine channels must be provided with shut-off devices to prevent the water from flowing through until a difference between the water levels on opposite sides of the dam is sufficient for the operation of the turbines.
The number of through-flow openings must be such that, after a certain minimum gradient has been reached, which forms the lower limit of the usability of the turbine, and the latter is turned off, the water level equalization is brought about as quickly as possible to avoid the interruption time in to keep electricity generation as small as possible. These conditions result in a very large number of flow openings and closing organs to be actuated, the costs of which can be so high in relation to the power gained that the worthiness of a tidal hydropower plant can be questioned.
The purpose of the present invention is to eliminate the above-mentioned disadvantages by means of a method for operating a tidal hydropower plant, which allows the power station built into the terminal dam to generate electricity of constant voltage and frequency, to use the existing hydropower in the most effective way, an acceleration the water level adjustment and thereby shorten the interruption time in the electricity supply and greatly reduce the number of closing organs necessary for purely closing purposes.
According to the invention, the method for operating a tidal hydropower plant, the power plant of which is built into a terminal dam, the flow openings of which are periodically flowed through in the opposite sense, consists in the fact that for each unit of the central unit having an asynchronous machine and at least one turbo machine, for the purpose of generating Current of constant voltage and frequency is counteracted with a variable gradient changing speed of the turbomachine by changing the operating conditions of certain parts of the unit, while using at least one phase compensator to avoid unfavorable phase shifts and at least one independently driven synchronous generator to fix the number of periods,
After reaching a certain minimum gradient, parts of the turbomachine that significantly impede the flow of water are removed from the flow channel and then the unit is used as a motor pump to bring about an accelerated water level equalization and after this equalization is achieved by the turbomachine itself of their flow channel in the dam.
Conveniently, the changing speed of the turbo machine can be counteracted by changing the electrical circuit of the asynchronous machine during operation or by changing the gear ratio between the turbo and asynchronous machine shaft.
According to the invention, the power plant used to carry out the operating process has at least one Arial turbine, which has two control devices that can be switched on and off and regulated, of which only one is switched on when working in one of the two directions of rotation, while the other is switched off.
For the purpose of fully releasing the water flow through the turbine duct, both guide devices can expediently be switched off at the same time.
Furthermore, by completely closing at least one upstream control device located within the regulating area, a watertight closure of each turbine duct can be produced.
An example embodiment of the system for carrying out the operating method is shown in the accompanying drawing, in which Figure 1 is a vertical section in the longitudinal axis of the dam through one of two turbo machines and a generator consist the unit of the center; Figure 2 is a vertical section through the aggregate in the transverse axis of the dam; FIG. 3 shows a cross-sectional view of FIG. 1: FIG. 4 shows schematically the position of the guide devices when the turbine is working in one direction of rotation; 5 shows the position of the guide devices when the turbine is working in the other direction of rotation;
FIG. 6 shows the switched-off position of both diffusers for the purpose of creating a free flow opening, and in FIG. 7 both diffusers are in the switched-on and closed position in order to bring about a watertight closure of the turbine duct.
In the accompanying drawing and b mean two turbines that work on a common asynchronous generator g with the help of spur gears c and d. However, only a single turbine can work on an asynchronous generator. In the working shaft of the generator a gear ratio variable Ge gear h of the type shown in Swiss Patent No. 80734 can be installed. The turbines themselves are each equipped with an upper and a lower diffuser, the rotating blades e and f, which can be rotated about horizontal axes, enable precise load regulation of the turbines. In one flow direction only one diffuser works, for example in the flow direction from top to bottom the upper e (Fig. 4) and in the opposite flow direction the lower diffuser f (Fig. 5).
The blades of the diffuser not working are rotated out of the flow tubes of the axial turbine with the help of a special device and are in the position shown in the drawing.
If the water flow is to be released, both diffusers e and f are unscrewed from the flow channel, as shown in FIG. 6, and only the impeller remains, which, as stated above, can be used as an axial pump. If the water flow is finally to be shut off completely, both diffusers are swiveled into their working position and both are closed (Fig. 7), whereby a tight seal of the flow channel in question is ent.
The mode of operation of the shown tidal hydropower plant is as follows, whereby it should be assumed that the minimum gradient up to which the turbine has to work is approx. 1 m. Turbines and generators work with a higher number of revolutions in one direction of rotation due to the higher gradient . The gradient decreases slowly, there is the switching device to the lower speed of the turbine, respectively.
Generators, where the voltage and frequency of the generated current are kept constant by switching the generator pole or for a gear ratio 1 to 2 a cascade circuit between two adjacent generators, respectively. that the transmission ratio between the turbine and the generator shaft is changed by adjusting the transmission h. The time then comes when the gradient is only approx. 1 m and the generator has to be switched off. At this point in time the one working control apparatus is also switched off and the generator is switched to the motor. by reducing its number of revolutions below the synchronous number of revolutions.
The whole unit continues to work in the same direction of rotation as the motor and pump as the generator was preparing. As soon as the two water levels on opposite sides of the dam are equalized, or practically shortly beforehand, both guide devices are closed and the motor only drives the impeller empty between two closed walls and can open it during the break as the machine operator chooses the other direction of rotation can be switched, d. H. can be turned off directly and then left again in the other direction of rotation.
As soon as there is a slope of approx. 1 m, the group turns as the motor in the new direction of rotation, all that is required is to turn the outlet guide valve completely away and to open the inlet guide device accordingly, so that when the number of tours increases beyond the synchronous number of tours, the Group in work as a turbine generator. If the gradient rises, the unit will continue to work, and as soon as the gradient requires an increase in the number of tours of the turbine, this can be done without further ado, the voltage and frequency being kept constant again by the measures specified above and the unit again as a turbine generator with increased Number of revolutions is working.
Phase compensators are provided to compensate for the unfavorable phase shifts of the asynchronous machines. At least one synchronous generator has to work on the entire network in order to determine the number of periods.
The advantages of such a tidal hydropower system are as follows: The upstream and downstream switchgear and regulatable guide devices result in a turbine with the best possible efficiency and good regulating capabilities, and thus a very good utilization of the tidal water power.
The fact that the turbine ducts can be closed by the diffuser itself means that there is a great saving in connection organs.
Switching off the diffusers results in a flow channel through the dam, in which the flowing water is opposed by the empty impeller with very little resistance. In the case of the very small level differences that arise immediately before equalization, the flow rate is increased considerably by the effect of the impeller as a pump, thus reducing the equalization time.
The use of asynchronous machines has the advantage that there is no parallel connection and that they work as generators or motors by simply adjusting the speed above or below the number of synchronous speeds.