DE1503290C - Verfahren zum Inbetriebsetzen einer Pumpe oder Pumpenturbine radialer Bauart in einem Speicherkraftwerk - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Inbetriebsetzen von Pumpen oder Pumpenturbinen radialer Bauart mit festen Laufradschaufeln in Speicherkraftwerken, insbesondere von -Maschinen, die eine große Leistungsaufnahme besitzen und für den Bereich mittlerer bis großer Förderhöhen ausgelegt sind, wobei die Pumpe oder. Pumpenturbine zunächst mit Druckluft entwässert, in Luft auf Synchrondrehzahl beschleunigt und anschließend entlüftet und von der Pumpeneintrittsseite her mit Wasser gefüllt wird.

Bei einem bekannten Verfahren zur Inbetriebsetzung von Pumpen oder Pumpenturbinen in Speicherkraftwerken wird die Pumpe zunächst durch Druckluft entwässert und dann mit Hilfe eines Hilfsantriebes in Luft auf Synchrondrehzahl beschleunigt. Als nächster Schritt wird die elektrische Hauptmaschine mit dem Netz verbunden. Durch langsames Entlüften der Maschine wird diese dann von derPumpeneintrittsseite her mit Wasser gefüllt. Bei Anlagen großer Leistung, die für eine Förderhöhe von über 100 m ausgelegt sind und bei denen die Leistungsaufnahme der Pumpe oder Pumpenturbine im Pumpbetrieb z. B. 40 MW und mehr beträgt, ergeben sich häufig während einer bestimmten Phase der Inbetriebsetzung Schwierigkeiten, da während des Füllens der Maschine mit Wasser die von der Maschine aufgenommene Leistung an einer bestimmten Stelle der . Anfahrcharakteristik innerhalb von Sekundenbruchteilen in unkontrollierbarer Weise sprunghaft, z. B. auf den doppelten Wert der vor diesem Sprung vorhandenen Leistungsaufnahme, ansteigt.

Da dieser sprungartige Anstieg über die Antriebsmaschine zu unangenehmen Rückwirkungen auf das elektrische Netz führt, ist es notwendig, diesen sprungartigen Anstieg in der Leistungsaufnahme zu vermeiden und auf einen längeren Zeitraum auszudehnen.

Für die Lösung dieses Problems sind für einstufige, einflutige Maschinen mit fliegend gelagertem Laufrad bereits mehrere Möglichkeiten vorgeschlagen worden, durch die der sprunghafte Anstieg vermieden wird. Bei Maschinen dieser Bauart werden z. B. an dem äußeren Umfang des Saugrohres während des Anfährens Leitschaufeln in radialer Richtung in das Saugrohr gestellt, durch welche die in dem Saugrohr durch das hochsteigende Wasser erzeugte Drallströmung zerstört wird.

Bei anderen Verfahren wird im Saugrohr unmittelbar vor dem Laufrad .eine künstliche Drallströmung, ähnlich derjenigen, wie sie vom Laufrad erzeugt wird, durch Einspritzen von Wasser mit Hilfe von tangential am Saugrohr angeordneten, aus der Druckleitung gespeisten Düsen erzeugt.

Durch dieses Verfahren wird erreicht, daß die Energie für die Anregung der in der Zulaufleitung herrschenden Drallströmung nicht mehr ausschließlich von dem Laufrad, d. h. von der Antriebsmaschine bzw. dem elektrischen Netz aufgebracht werden muß.

Eine weitere bekannte Maßnahme besteht darin, durch Einspritzen einer Luft-Wasser-Emulsion die Dichte des Mediums im Raum des Laufrades stetig von Luft auf Wasser zu verändern. Die Leistungsaufnahme ändert sich dann proportional mit der Dichte des geförderten Mediums. Die Dichteänderung erfolgt durch stetiges Verringern des Luftanteils relativ zum Wasseranteil der Emulsion. Dieses Verfahren besitzt den Nachteil, daß für die Erzeugung und Veränderung der Liift-Wasser-Emulsion relativ große Mischer notwendig sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeigt einen anderen, besonders einfachen Weg, durch den der sprunghafte Anstieg in der Leistungsaufnahme vermieden und über einen längeren Zeitraum ausgedehnt werden kann. Der während des Inbetriebsetzens stattfindende Füllvorgang der Pumpe bleibt dabei in jedem Zeitpunkt unter Kontrolle.

Die Erfindung.ist dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluft nicht nur in bekannter Weise auf der Pumpeneintrittsseite zugeführt, sondern während des Füllvorganges ebenso auch mindestens teilweise auf der Pumpeneintrittsseite durch mindestens eine Öffnung, die vor der Eintrittskante der Schaufeln des bzw. des ersten Laufrades angeordnet sind, gedrosselt wieder aus der Maschine entweicht.

Das neue Verfahren kann bei einflutigen und doppelflütigen sowie bei einstufigen und bei mehrstufigen Maschinen angewendet werden, wobei die Anordnung der Antriebswelle sowohl horizontal als

ao auch vertikal sein kann. Dabei ergeben sich für mehrstufige Maschinen mit durchgehender Welle zusätzliche Vorteile, wenn die Luft durch Öffnungen zwischen der Einlaufspirale und dem ersten Laufrad weggeführt wird.

Weiterhin läßt sich der Füllvorgang von mehrstufigen Maschinen beschleunigen, wenn zusätzlich Wasser in den Strömungskanal hinter dem ersten Laufrad in die Maschine eingespeist wird. Ferner kann •bei mehrstufigen Maschinen, die eine horizontal Hegende Welle besitzen und bei denen ein Teil der Zulaufleitung mindestens angenähert horizontal, etwa in der Höhe der Welle verläuft, vorteilhaft von der Maßnahme Gebrauch gemacht werden, daß die Luft durch auf dem Umfang des horizontalen Teiles der Zulaufleitung angeordnete Öffnungen entweicht.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert:

F i g. 1 zeigt einen Horzontalschnitt durch eine mehrstufige Pumpe bzw. Pumpenturbine, deren Welle horizontal angeordnet ist und die einen horizontal verlaufenden Teil der Zulauf leitung besitzt, der etwa in der horizontalen Ebene der Maschinenwelle liegt; F i g. 2 stellt ein Diagramm dar, in dem eine bestimmte Phase der Inbetriebsetzung der Maschine nach F i g. 1 gezeigt ist. Auf der Ordinate ist dabei in Prozenten das Verhältnis des momentanen Drehmoments zu demjenigen im Normalbetriebspunkt der Maschine aufgetragen, während auf der Abszissenachse die Zeit in Sekunden dargestellt ist; bei konstanter Drehzahl entspricht das Verhältnis demjenigen der beiden Leistungsaufnahmen in den gegebenen Betriebszuständen;

F i g. 3 stellt ebenfalls, eine mehrstufige Maschine dar, jedoch verläuft der gezeigte Schnitt hier in senkrechter Richtung; diese Maschine besitzt also eine vertikal verlaufende Zulaufleitung;

F i g. 4 schließlich zeigt ebenfalls in einem senkrechten Schnitt eine vertikal angeordnete, einstufige, einflutige Pumpenturbine mit fliegend gelagertem Laufrad.

Bei der im Horizontalschnitt gezeigten Maschine nach F i g. 1 ist die waagerecht angeordnete Welle 1, die in nicht dargestellten Lagern gelagert ist, an den Stellen 2 und 3 mittels Stopfbüchsen abgedichtet.'Auf der Welle 1 sind Laufräder 4, 5, und 6 befestigt, die mit festen Laufradschaufeln 30 ausgerüstet sind, deren Eintrittskanten mit 28 bezeichnet sind. Die Laufräder 4 bis 6 sind strömungsmäßig durch im Gehäuse

7 der Maschine verlaufende, mit feststehenden Leitschaufeln 8 und 9 versehene Strömungskanäle 10 und 11 miteinander verbunden. An der Austrittsseite des letzten Laufrades 6 schließt sich der ebenfalls mit festen Leitschaufeln 12 versehene Diffusor 13 an. Auf diesen folgt in Strömungsrichtung die Druckspirale 14, die in eine das Absperrorgan 15 enthaltende Druckleitung 16 übergeht. Diese führt zu einem nicht dargestellten Speicherbecken.

Auf der Pumpeneintrittsseite wird das Wasser aus dem Unterwasserbecken durch die Zulaufleitung, die in der Zeichnung nur in ihrem letzten, etwa auf gleicher Höhe mit der Welle 1 in horizontaler Richtung verlaufenden Teil 17 dargestellt ist, der Einlaufspirale 29 und dann dem ersten Laufrad 4 zugeführt.

Unter Umständen kann in dieser Zulaufleitung eine nicht dargestellte Zubringerpumpe eingebaut sein, um den an der Pumpeneintrittsseite der Maschine notwendigen Druck zu erreichen.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in dem horizontalen Teil 17 der Zulaufleitung öffnungen 18 vorgesehen. Diese sind von einem Ringkanal 19 umschlossen, in den eine Leitung * 20 mündet. Die Leitung 20 verzweigt sich vor dem Ringkanal 19 in zwei Zweigleitungen 21 und 22, von denen die eine 21 über das Absperrorgan 23 an eine Druckluftquelle angeschlossen ist, während die andere 22 über die einstellbare Drosselblende 24 und das Absperrorgan 25 in einen nicht dargestellten Ablauf führt. Die Leitung 21 dient der Zufuhr und die Leitungen 22 der Abfuhr der Druckluft.

In den Strömungskanal zwischen dem ersten und dem zweiten Laufrad 4 bzw. 5 mündet eine Leitung 26, die mit einer nicht dargestellten Wasserquelle geeigneten Druckes über ein Absperrorgan 27 und eine Drosselblende 31 verbunden ist.

Das Diagramm der Fig. 2 stellt die Phase des Inbetriebsetzens dar, bei der die Maschine von der Pumpeneintrittsseite her mit Wasser gefüllt ist und das Absperrorgan 15 in der Druckleitung 16 noch geschlossen ist. ,

Dieses Diagramm zeigt in Abhängigkeit von der Zeit das momentane Drehmoment M der Maschine als prozentualen Bruchteil des Drehmoments M₀₀ im Normalbetrieb. Bei konstanter Drehzahl stellt dieses Verhältnis ein Maß für die jeweilige Leistungsaufnahme dar. Das Diagramm ist an einer Modellpumpe von etwa 600 kW Betriebsleistung aufgenommen worden.

Zur Zeit ϊ=0 der Darstellung ist die Pumpe schon durch Zuführen der Druckluft über die Leitung 21 entwässert, durch eine Hilfsmaschine auf Synchrondrehzahl im entwässerten Zustand beschleunigt, und die elektrische Hauptmaschine ist bereits auf das Netz geschaltet worden. Die Leistungsaufnahme der Maschine beträgt zu diesem Zeitpunkt etwa 3% der vollen Leistung im Betriebszustand.

Zur Zeit /=10 see wird, nachdem vorher durch Schließen des Absperrorgans 23 die Luftzufuhr abgesperrt worden ist, das Absperrorgan 25 geöffnet. Dadurch kann die Druckluft auf der Pumpeneintrittsseite, durch die Blende 24 gedrosselt, entweichen. Die Drosselung des Luftstromes wird durch die einstellbare öffnung der Blende 24 — bei der Modellpumpe beträgt der Blendendurchmesser z. B. einige Millimeter — so eingestellt, daß der Anstieg der Leistungsaufnahme 5% der vollen Leistung pro Sekunde nicht überschreitet. Durch Wahl eines anderen Blendendurchmessers für die Blende 24 kann jedoch dieser Anstieg pro Sekunde willkürlich verändert werden.

Gleichzeitig mit dem Entweichen der Druckluft beginnt das Wasser aus der Zulaufleitung in Richtung auf die Pumpeneintrittsseite hin zu strömen. Sobald es mindestens von einem Teil der Eintrittskanten 28 der Schaufeln 30 des ersten Laufrades 4 erfaßt wird, wird es durch die Maschine hindurch auf

ίο die Druckseite der Maschine gefördert. Die Leistungsaufnahme der Pumpe zeigt dabei den in F i g. 2 gestrichelt dargestellten Verlaufe. Aus dieser Darstellung ist zu entnehmen, daß der Anstieg der Leistungsaufnahme in verschiedenen Stufen unterschiedlicher Steilheit vor sich geht, wobei die Füllung nach etwa 115 Sekunden beendet und der maximale Druck erreicht ist. Nun kann das Absperrorgan 15 in der Druckleitung 16 geöffnet und die Pumpe in bekannter Weise bis auf ihren Betriebszustand hochgefahren werden.

öffnet man gleichzeitig mit dem Absperrorgan 25 auch das Absperrorgan 27 in der Leitung 26, so daß Wasser aus der Zulauf leitung in den Strömungskanal 10 hinter dem ersten Laufrad 4 zusätzlich einströmen

as kann, so folgen die Leistungsaufnahme und die Füllung der Pumpe dem strichpunktierten Verlauf b, der ebenfalls stufenförmig ist. Durch diese zusätzliche Maßnahme kann das Absperrorgan 15 in der Druckleitung 16 bereits nach etwa 70 Sekunden, also bedeutend früher geöffnet werden. Der Füllvorgang wird dadurch also erheblich beschleunigt. '.

Wie dem Verlauf b zu entnehmen ist, steigt die Leistungsaufnahme auch bei zusätzlicher Füllung der Pumpe durch Einspeisen von Wasser in den Strömungskanal 10 hinter dem ersten Laufrad 4 in mehreren Stufen an, wobei Abschnitte unterschiedlicher Steigung, sich mehrmals wiederholend, aufeinanderfolgen.

Der ausgezogen dargestellte Verlauf α der Leistungsaufnahme schließlich gibt die an der erwähn-

ten Modelipumpe gemessene Leistungsaufnahme wieder, wenn die Druckluft, wie bisher üblich, auf der Druckseite der Pumpe abgelassen wird. Zwar läßt sich bei diesem bekannten Verfahren die maximale Leistung bereits nach etwa 25 Sekunden erreichen; es zeigt sich jedoch der unerwünschte sprungartige Anstieg von etwa 30% auf etwa 60% der maximalen Leistungsaufnahme, der nach der Erfindung vermieden wird.

Es sei nun versucht, die sich in der Pumpe bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens abspielenden Vorgänge zu deuten. Jedoch sei darauf hingewiesen, daß diese Erklärung nur den Versuch einer Deutung darstellt.

Der stufenförmige Verlauf der Kurven b und c in Fig. 2 deutet an, daß die Druckluft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aus der Maschine nicht kontinuierlich, sondern schubweise entweicht. Es wird daher angenommen, daß die Auslaßöffnungen 18 für die Luft von dem durch den Zulaufleitungsteil 17 in Richtung auf die Pumpeneintrittsseite fließenden Wasser zeitweise mindestens teilweise verschlossen sind. Sobald das von den Laufradschaufeln bereits erfaßte Wasser, wie oben erwähnt, durch die Maschine auf die Druckseite gefördert wird, verdrängt es die sich dort befindende Luft rückwärts in Richtung auf den Pumpeneintritt hin, wobei die Rückströmung der Luft durch eine Art »Auftrieb«, ähnlich wie Gasblasen in einem Gefäß, hervorgerufen wird. Sind nun

die Austrittsöffnungen durch Wasser verschlossen, so könnte entweder die Luft in der Maschine komprimiert werden, bis es ihr gelingt, das Wasser vor den öffnungen zeitweise wieder zu verdrängen. Es wäre jedoch auch möglich, daß einzelne Luftblasen, die sich auf ihrem Weg rückwärts durch die Maschine bilden, wieder zerrissen werden und sich erneut bilden, schließlich durch den »Auftrieb« vor die Austrittsöffnungen gelangen und durch den Ringkanal und die Ablaufleitung entweichen können.

Da, wie oben erwähnt, jedoch detaillierte Untersuchungen und Betrachtungen noch nicht angestellt worden sind, kann eine Aussage darüber, welche der verschiedenen Mechanismen den tatsächlichen Verhältnissen entspricht, nicht gemächt werden. Es wäre auch denkbar, daß beide beschriebenen Möglichkeiten gleichzeitig oder nacheinander auftreten. Weiterhin ist auch nicht geklärt worden, ob in den steilen Teilen der gezeigten Kurven b und c der F i g. 2 nur oder überwiegend Luft und in den flacheren Teilen nur oder überwiegend Wasser durch die Austrittsöffnungen und die Ablaufleitung strömt, oder umgekehrt.

Da die Verhältnisse in den sich gegenseitig durchdringenden Strömungen der Luft und des Wassers, auf die auch noch die mechanische Bewegung der sich drehenden Laufräder einwirkt, sehr verwickelt und kompliziert sind und ihre Beobachtung wahrscheinlich durch die Ausbildung von Gischt und durch starke Verwirbelungen und Durchmischungen von Luft und Wasser sehr erschwert wird, ist es daher, zumindest vorläufig, nur möglich, den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichten Erfolg im Experiment mit Hilfe einer Registrierung des Verlaufes der von der Pumpe während des Füllens aufgenommenen Leistung, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, nachzuweisen.

Die in F i g. 3 in einem Vertikalschnitt gezeigte Maschine unterscheidet sich von der nach Fig. 1 nur in wenigen Details. In F i g. 3 besitzt die Zulaufleitung keinen horizontalen Teil 17, sondern verläuft vor ihrer Einmündung in die Einlaufspirale 29 vertikal. Weiterhin sind die öffnungen 18, 'durch die die Druckluft zu- und abgeführt wird, in diesem Beispiel in Strömungsrichtung hinter der Einlaufspirale 29, unmittelbar vor dem ersten Laufrad 4 angeordnet. Der Ablauf des Füllvorganges und die Kurven für die Leistungsaufnahme in Abhängigkeit von der Zeit zeigen ein ähnliches Verhalten, wie es im Zusammenhang mit F i g. 1 und 2 bereits beschrieben und erläutert worden ist.

■ Bei der Maschine nach F i g. 4 ist die elektrische Hauptmaschine 40 über die vertikal angeordnete Welle 41 mit dem einzigen, fliegend gelagerten Laufrad 42 einer einstufigen, umkehrbaren Pumpenturbine verbunden. Das Laufrad 42 ist wiederum mit festen Schaufeln 43 ausgerüstet, deren Eintrittskanten mit 44 bezeichnet sind. An der Austrittsseite ist das Laufrad 42 zunächst von einem verstellbaren Leitschaufelkranz 45 umgeben, dessen Verstellmechanismus 46 nur angedeutet ist und der während des Inbetriebsetzens der Pumpe geschlossen ist. Auf den Leitschaufelkranz 45 folgen, in Strömungsrichtung während des Pumpbetriebes gesehen, die festen Diffusorschaufel? und die Druckspirale 48, an die die mit dem Absperrorgan 49 versehene Druckleitung 50.anschließt.

Die nur teilweise angedeutete Zulaufleitung 51 geht über den Krümmer 52 in das vertikale Einlaufrohr der Pumpenturbine über, das konzentrisch mit der Welle 41 verläuft und an die Eintrittsöffnung 54 des Pumpengehäuses 55 angeschlossen ist.

Ähnlich wie in den bisher beschriebenen Beispielen besitzt das Einlaufrohr 53 kurz vor der Eintrittsöffnung 54 einen Kranz von öffnungen 56, die von einem Ringkanal 57 umgeben sind. In diesen führt' wiederum eine Leitung 58, die sich in die beiden Leitungen 59 und 60 verzweigt. An die Leitung 59, in ίο der das Absperrorgan 61 angeordnet ist, ist eine nicht dargestellte Druckluftquelle angeschlossen, während die mit dem Absperrorgan 62 und der Drosselblende versehene Leitung 60 wiederum in einen Ablauf führt. Der konstruktive Aufbau zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht also in seinen Einzelheiten der in F i g. 1 beschriebenen Anordnung, so daß sich bei der Maschine nach Fig. 4 ein ähnlicher Ablauf des Füllvorganges ergibt wie bei den anderen gezeigten Beispielen.
ZO Abschließend sei noch erwähnt, daß die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht auf die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Maschinen begrenzt ist. Es ist z. B. auch auf vertikal angeordnete mehrstufige Maschinen oder horizontal anas geordnete einstufige Pumpen anwendbar. Selbstverständlich können auch doppelflutige Maschinen in gleicher Weise gefüllt werden, wobei dann jede Pumpeneintrittsseite so auszubilden wäre, wie es in den Beispielen der F i g. 1 und 3 für einflutige Maschinen gezeigt worden ist.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Inbetriebsetzen von Pumpen oder Pumpenturbinen radialer Bauart mit festen Laufradschaufel in Speicherkraftwerken, insbesondere von Maschinen, die eine große Leistungsaufnahme besitzen und für den Bereich mittlerer bis großer Förderhöhen ausgelegt sind, wobei die Pumpe oder Pumpenturbine zunächst mit Druckluft entwässert, in Luft auf Synchrondrehzahl beschleunigt und anschließend entlüftet und von der Pumpeneintrittsseite her mit Wasser gefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluft nicht nur in bekannter Weise auf der Pumpeneintrittsseite zugeführt, sondern während des Füllvorganges ebenso auch mindestens teilweise auf der Pumpeneintrittsseite durch mindestens eine Öffnung (18, 56) die vor den Eintrittskanten (28, 44) der Schaufeln (30, 43) des

(42) bzw. des ersten Laufrades (4) angeordnet ist, gedrosselt wieder aus der Maschine entweicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, für mehrstufige Maschinen mit durchgehender Welle, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft durch Öffnungen

(18) zwischen der Einlaufspirale (29) und dem ersten Laufrad (4) abgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1. für mehrstufige Maschinen, dadurch gekennzeichnet,daß zusätzlich Wasser in den Strömungskanal (10) hinter dem ersten Laufrad (4) eingespeist wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, für mehrstufige Maschinen mit horizontaler Welle und mit mindestens einem mindestens angenähert horizontalen, etwa in der Höhe der Welle verlaufenden Teil der Zulaufleitung, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft durch auf dem Umfang des horizontalen Teiles (17) der Zulaufleitung angeordnete öffnungen (18) entweicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen