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Verfahren und Anordnung zum Betrieb von Speicherkraftwerken mit ausrückbarer
Kupplung und zusätzlicher Antriebsvorrichtung für die Speicherpumpe Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Betrieb von Speicherkraftwerken, bei
denen zu Zeiten von überschuß an elektrischer Energie Wasser in ein Speicherbecken
gepumpt wird, welches dann zur Zeit erhöhten Bedarfes an elektrischer Energie durch
Turbinen abfließt und wieder elektrische Energie erzeugt.
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Derartige Speicherkraftwerke werden heute mit Maschinengruppen ausgestattet,
bei denen an der Welle eines an ein elektrisches Wechselstromnetz anschließbaren
Motorgenerators direkt das Laufrad einer Turbine angeordnet und über eine ausrückbare
Kupplung ein mit einer zusätzlichen Antriebsvorrichtung versehener, dauernd in Wasser
befindlicher Rotor einer Pumpe an diese Welle anschließbar ist. Bei Turbinenbetrieb
treibt die Turbine den Motorgenerator, und dieser erzeugt elektrische Energie. Die
Pumpe ist dabei ausgekuppelt und steht still. Bei Pumpenbetrieb wird die Pumpe mittels
der Kupplung mit dem Motorgenerator verbunden und von diesem, der nunmehr als Motor
arbeitet, angetrieben. Die Turbine wird dabei mittels eines Absperrschiebers von
der Wasserzufuhr getrennt, und das Turbinenrad dreht sich frei in der Luft.
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Beim Umschalten von Turbinenbetrieb auf Pumpenbetrieb muß zuerst die
Relativbewegung der Pumpe und des Motorgenerators beseitigt werden, damit die Kupplung
eingeschaltet werden kann. Das wird entweder so ausgeführt, daß die Turbine mit
dem Motorgenerator zum Stillstand gebracht wird und die Kupplung im Stillstand eingeschaltet
wird, oder es wird die Pumpe auf die Arbeitsdrehzahl des Motorgenerators gebracht,
worauf das Einschalten der Kupplung stattfinden kann. Die erstgenannte Maßnahme
hat den Nachteil, daß kurze Umschaltzeiten auf diese Weise nicht erreichbar sind
wegen der langen Auslaufzeit der Turbine und des Motorgenerators. Bei der zweiten
Umschaltweise muß die Pumpe mit einer zusätzlichen Antriebsvorrichtung versehen
sein, die dieser die bei Arbeitsdrehzahl zum Antrieb erforderliche Leistung zuzuführen
imstande ist. Dazu dient eine an die Welle des Motorgenerators angeschlossene hydraulische
Kupplung, oder es könnte eine mit selbständiger Wasserzufuhr versehene Peltonturbine
verwendet werden. Beide Einrichtungen sind, da sie auf den Leerlauf-Leistungsbedarf
der Pumpe dimensioniert sein müssen, der ungefähr 50 % des vollen Leistungsbedarfes
der Pumpe bei Förderung beträgt, sehr kostspielig und beanspruchen viel Raum.
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Es ist bekannt, die erforderliche Anwurfleistung der Pumpe dadurch
herabzusetzen, daß das Wasser aus dem normalerweise unter dem Wasserspiegel des
Entnahmebeckens befindlichen Pumpengehäuse durch Druckluft verdrängt wird. Diese
Maßnahme ist jedoch nicht überall anwendbar. Auch ist die mit voller Drehzahl laufende
Pumpe bei nachträglicher Zufuhr von Wasser einer besonderen Beanspruchung ausgesetzt,
die nicht immer erwünscht ist.
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Es ist auch eine Anordnung bekanntgeworden, welche zwei Kupplungen
verwendet, füe eine zwischen Turbine und Motorgenerator, die andere zwischen Pumpe
und Turbine. Diese Anordnung ist jedoch durch die Verwendung einer zweiten Kupplung
entsprechend teurer und bringt auch nicht die erwünschte Verkürzung der Umschaltezeit.
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Nach der Erfindung werden die erwähnten Nachteile dadurch beseitigt,
daß bei einer derartigen Anlage das Umschalten von Turbinen- auf Pumpenbetrieb und
umgekehrt bei einer gegenüber der Arbeitsdrehzahl verminderten Drehzahl erfolgt,
bei Antrieb der Pumpe mittels der zusätzlichen Antriebsvorrichtung.
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Die Anordnung zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch
gekennzeichnet, daß die zusätzliche Antriebsvorrichtung des Rotors der Pumpe für
höchstens 10% der Leerlauf-Leistungsaufnahme
des Rotors bei Arbeitsdrehzahl
dimensioniert ist.
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Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten
Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Turbinen-Pumpen-Anlage mit
Motorgenerator, Fig. 2 ein Diagramm des Verlaufes der Drehzahl der Turbinen-Motorgenerator-Gruppe
während der Auslaufzeit, Fig.3 ein Diagramm des Leistungsbedarfes des Pumpenlaufrades
in Abhängigkeit von dessen Drehzahl.
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In Fig. 1 ist mit der Welle 1 eines Motorgenerators 2 das Laufrad
einer Wasserturbine 3 verbunden, deren Wasserzufuhr aus einem nicht gezeichneten
Speicherbecken durch eine Rohrleitung 4 erfolgt, welche durch einen Schieber 5 absperrbar
ist. Am anderen Ende der Welle 1 des Motorgenerators 2 ist der feste Teil einer
ausrückbaren Zahnkupplung 6 befestigt. Der bewegliche Teil dieser ausrückbaren Zahnkupplung
ist mit einer Welle 7 verbunden, an der sich das Laufrad einer Peltonturbine 8 und
das Laufrad einer Pumpe 9 befindet. Das Wasser wird der Pumpe 9 durch eine
Saugleitung 10 zugeführt und wird durch eine Druckleitung 11 in das Speicherbecken
geführt. In der Druckleitung 11 ist ein Absperrschieber 12 angeordnet. Der Peltonturbine
8 wird Druckwasser durch eine Rohrleitung 13, in der ein Absperrorgan
14 angeordnet ist, zugeführt. Die Zahnkupplung 6 ist mit einem Betätigungsmechanismus
15 versehen. Der Motorgenerator 2 ist mittels eines Schalters 16 an
das Netz 17 anschließbar. Die Anlage ist unter dem Wasserspiegel des Entnahmebeckens
angeordnet. Aus dem Gehäuse der Turbine 3 kann bei geschlossenem Schieber 5 das
Wasser durch Zufuhr von Druckluft aus einer Druckluftquelle 18 über ein Absperrorgan
19 verdrängt werden.
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Bei Turbinenbetrieb ist die Kupplung 6 ausgerückt, der Absperrschieber
12 gesperrt und der Absperrschieber 5 geöffnet. Die Turbine 3 treibt den Motorgenerator
2 an, und dieser liefert elektrische Energie ins Netz 17. Soll nun von Turbinenbetrieb
auf Pumpenbetrieb umgeschaltet werden, so wird durch den Absperrschieber 5 die Wasserzufuhr
zur Turbine eingestellt und der Motorgenerator 2 durch den Schalter 16 vom Netz
17 abgeschaltet. Die Umdrehungen der Welle 1 beginnen sich zu verlangsamen, und
zwar nehmen diese infolge der starken Bremswirkung der Wasserfüllung der Turbine
anfänglich rasch ab. Gleichzeitig wird mit Hilfe der Peltonturbine 8 das Laufrad
der Pumpe 9 beschleunigt, und zwar auf eine Drehzahl von etwa 30% der Arbeitsdrehzahl
des Motorgenerators 2. Erreicht nun die Welle 1 bei ihrer verzögerten Drehbewegung
die Drehzahl der Welle 7, so wird die Kupplung 6 eingerückt. Darauf wird der Schieber
5 der Turbine geöffnet, und die gesamte Gruppe wird mit Hilfe der Turbine 3 bei
geschlossenem Schieber 12 auf die Arbeitsdrehzahl gebracht. Nach dem Erreichen dieser
Arbeitsdrehzahl wird bei Synchronlauf der Motorgenerator 2 durch Schließen des Schalters
16 ans Netz angeschlossen und der Schieber 5 der Turbine geschlossen. Der Motorgenerator
übernimmt den Antrieb der Pumpe 11, deren Schieber nunmehr geöffnet ist. Das Laufrad
der Peltonturbine 8, deren Wasserzufuhr nach dem Einrücken der Kupplung 6 durch
Schließen des Schiebers 14 unterbrochen wurde, dreht sich frei in der Luft, ebenso
wie das Laufrad der Turbine 3, aus deren Gehäuse das Wasser durch Druckluft verdrängt
wurde.
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Wie aus dem Diagramm in Fig. 2 ersichtlich ist, erfolgt ein Absinken
der Drehzahl der Turbine 3 mit dem Motorgenerator 2 auf etwa 301/o der Arbeitsdehzahl
bedeutend schneller als der Stillstand dieser Gruppe, da die Verzögerung etwa nach
der im Diagramm dargestellten Kurve a verläuft.
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Dazu kommt noch, wie in Fig. 3 gezeigt ist, daß der Antriebskraftbedarf
des im Wasser sich drehenden Laufrades der Pumpe 9 ungefähr von der dritten Potenz
der Drehzahl abhängig ist und nach der Kurve b verläuft. Aus dem Diagramm ist ersichtlich,
daß die Antriebsleistung des Pumpenläufers und daher auch die von der Peltonturbine
8 zu liefernde Leistung bei 30 % der Arbeitsdrehzahl nur einige wenige Prozent,
theoretisch 0,33 = 0,027, d. h. 2,7 0/0 der bei Arbeitsdrehzahl erforderlichen Leerlaufleistung
beträgt. Erfindungsgemäß ist es also möglich, bei einer derartigen Anlage mit einer
für ungefähr die gleiche Leistung wie für das Anwerfen in der Luft dimensionierten
Peltonturbine, d. h. einer sehr kleinen und billigen Einrichtung, ein Umschalten
von Turbinen- auf Pumpenbetrieb oder umgekehrt durchzuführen, und zwar in einer
im Verhältnis zum Umschalten im Stillstand stark verkürzten Zeit.
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Beim Abschalten der Pumpe muß die Kupplung ebenfalls entlastet werden.
Auch das geschieht erfindungsgemäß analog zum Einschaltvorgang bei etwa 3011/o der
Drehzahl, wobei zur Entlastung der Kupplung die Peltonturbine 8 dient.
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Der Motorgenerator 2 kann auch als Phasenschieber verwendet werden,
d. h., er läuft in diesem Fall an das Netz angeschlossen bei abgeschalteter Pumpe
und mit in Luft drehender Turbine. Soll von Phasenschieberbetrieb auf Pumpenbetrieb
umgeschaltet werden, so wird erfindungsgemäß der Schalter 16 geöffnet und die Pumpe
mittels der Peltonturbine 8 auf etwa 30% der Arbeitsdrehzahl gebracht. Dabei kann
vorteilhafterweise das Gehäuse der Turbine 3 mit Wasser gefüllt werden, um den Motorgenerator
2 rascher abzubremsen. Erreicht der Motorgenerator 2 die Drehzahl der Pumpe 9, wird
die Kupplung 6 eingeschaltet und die ganze Gruppe mittels der Turbine 3 auf Arbeitsdrehzahl
gebracht. Nach dem Einschalten des Schalters 16 bei Synchronlauf wird der Schieber
5 der Turbine 3 geschlossen und deren Gehäuse mit Luft gefüllt.
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Es versteht sich, daß außer der im vorliegenden Beispiel erwähnten
Peltonturbine der Antrieb des Läuferrades der Pumpe 9 auch durch andere Mittel,
z. B. durch einen Elektromotor, erfolgen kann. Dabei besteht ebenfalls erfindungsgemäß
der Vorteil, daß diese für höchstens 10% der Leerlauf-Antriebsleistung der Pumpe
bei Arbeitsdrehzahl ausgelegt zu werden brauchen.