-
Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Veränderung der Wasserströmung
im Wasserlauf einer Wasserkraftanlage mit einem vor einer Öffnung eines
Zulaufs zu einer Turbine angeordneten Rechen zum Auffangen von Schwemmgut,
und einer stromaufwärts des Rechens befindlichen Absperreinrichtung
sowie einer vor der Öffnung des Turbinenzulaufs angeordneten
weiteren Absperreinrichtung.
-
In
Wasserkraftanlagen ist es zu verschiedenen Zwecken erforderlich,
die Wasserströmung im Wasserlauf zu verändern.
Beispielsweise muss für die Reinigung des Rechens die Wasserströmung
reduziert oder umgekehrt, für die Wartung oder den Tausch
der Turbine oder des Turbinenzulaufs die Strömung im Turbinenzulauf
vollständig unterbunden, sowie beispielsweise zum Spülen
des Wasserlaufs im Bereich der Wasserkraftanlage eine veränderte
Wasserströmung erzeugt werden.
-
Der
vor der Öffnung des Turbinenzulaufs angeordnete Rechen
dient dazu, Schwemmgut aufzufangen und somit den Turbinenzulauf
und vor allem die Turbine selbst vor Schwemmgut zu schützen. Derartige
Rechen bestehen üblicherweise aus parallel zueinander angeordneten
voneinander beabstandeten Rechenstäben. Schwemmgut, welches
größer als der Abstand der Rechenstäbe
ist, wird von den Rechenstäben aufgehalten. Hat sich eine
größere Menge Schwemmgut am Rechen verfangen,
wird die Strömung beeinträchtigt und der Zulauf
des Wassers in die Turbinenzuleitung und somit zur Turbine behindert.
Daher müssen die Rechen häufig gereinigt und das
aufgefangene Schwemmgut entfernt werden. Üblicherweise
werden Rechen mechanisch mittels Reinigungseinrichtungen, wie Harken
od. dgl., vom Schwemmgut befreit.
-
Aber
auch zur Reinigung der Turbinenschaufeln ist es ab und zu erforderlich,
den Turbinenzulauf von Wasser frei zu halten und die an der Turbinenschaufel
anhaftenden Verunreinigungen zu entfernen. Zu diesem Zweck wird
der Generator im Motorbetrieb angetrieben, wodurch die Verunreinigungen von
den Turbinenschaufeln abgeschleudert werden.
-
Auch
bei einer Wartung oder einem Tausch von Komponenten der Wasserkraftanlage
ist eine Trockenlegung des Wasserlaufs oder zumindest eine deutliche
Reduzierung des Wasserpegels im Bereich der Wasserkraftanlage üblich.
-
Für
all die genannten Aufgaben ist es erforderlich, die Wasserströmung
im Wasserlauf der Wasserkraftanlage zu verändern. Zu diesem
Zweck werden im Wasserlauf üblicherweise Absperreinrichtungen,
meist in Form eines vertikal beweglichen Schiebers oder so genannten „Schütz",
eingesetzt.
-
Beispielsweise
ist aus der
DE 103
46 166 A1 und der
DE
43 32 479 A1 ganz allgemein bekannt, eine Absperreinrichtung
in einem Wasserlauf vor dem Turbinenzulauf von Wasserkraftanlagen
anzuordnen. Weiters ist bekannt, unterhalb des Turbinenzulaufs im
Wasserlauf eine so genannte Spülöffnung vorzusehen,
die den Transport des Wassers bei geschlossenem Turbinenzulauf ermöglicht.
-
Aus
der
US 2003/0024865
A1 , der
US 4,877,352
A , der
US 5,516,213
A und der
US 6,171,023
A sind beispielsweise Systeme zur Änderung des
Wasserpegels in Wehranlagen bekannt, bei denen Absperreinrichtungen
und spezielle Regulierungseinrichtungen eingesetzt werden.
-
Bei
bekannten Wasserkraftanlagen sind mit Hilfe der vorhandenen Absperreinrichtungen
meist nur einige der oben genannten Funktionen in teilweise aufwändiger
Weise erzielbar.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaffung
einer oben genannten Anordnung zur Veränderung der Wasserströmung
im Wasserlauf einer Wasserkraftanlage, welche einfach realisierbar
ist und die verschiedenen notwendigen Funktionen in Wasserkraftanlagen,
insbesondere das Reinigen des Rechens ohne bewegliche Reinigungsharke,
die Trockenlegung des Turbinenzulaufs, beispielsweise für
die Wartung der Turbine und dgl., rasch und einfach ermöglicht.
Nachteile bekannter Anordnungen sollen vermieden oder zumindest
reduziert werden.
-
Gemäß einem
weiteren Verfahrensmerkmal wird zur Reinigung des Rechens die Öffnung
des Turbinenzulaufs mit der weiteren Absperreinrichtung geschlossen
und die Spülöffnung geöffnet, und die stromaufwärts
des Rechens befindliche Absperreinrichtung so weit geschlossen, dass
der Wasserpegel unter den Rechen gesenkt wird.
-
Die
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass mit Hilfe einfacher Komponenten
der Wasserkraftanlage verschiedene Funktionen bzw. verschiedene
Veränderungen der Wasserströmung im Wasserlauf
der Wasserkraftanlage in rascher und einfacher Weise ermöglicht
werden.
-
Gelöst
wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch eine oben
genannte Anordnung zur Veränderung der Wasserströmung
im Wasserlauf einer Wasserkraftanlage, wobei unterhalb der Öffnung
des Turbinenzulaufs eine Spülöffnung angeordnet
ist und die weitere Absperreinrichtung auch vor der Spülöffnung angeordnet
ist, so dass bei geöffneter Öffnung des Turbinenzulaufs
die Spülöffnung geschlossen und bei geöffneter
Spülöffnung die Öffnung des Turbinenzulaufs
geschlossen ist. Die erfindungsgemäße Anordnung
sieht also eine Steuerung der Menge des durch eine Spülöffnung
fließenden Wassers in Zusammenhang mit einer Steuerung
der Öffnung des Turbinenzulaufs mit Hilfe einer Absperreinrichtung
in Kombination mit der Steuerung des prinzipiellen Wasserzulaufs
mittels der stromaufwärts befindlichen Absperreinrichtung
vor. Dadurch können sämtliche bei Wasserkraftanlagen
notwendige Verfahren rasch und einfach durchgeführt werden.
Durch die Kombination der Absperreinrichtung vor der Öffnung des
Turbinenzulaufs und vor der Spülöffnung wird eine
Abhängigkeit der Menge der durch die Spülöffnung
fließenden Wassermenge von der durch den Turbinenzulauf
strömenden Wassermenge erzielt. Im Normalbetrieb beispielsweise
wird die Öffnung des Turbinenzulaufs vorzugsweise vollständig
freigegeben werden, wo hingegen die Spülöffnung
vorzugsweise vollständig von der Absperreinrichtung verdeckt
wird, so dass die gesamte Wassermenge durch den Turbinenzulauf strömt
und zum Antrieb einer Turbine verwendet werden kann. Natürlich
ist es möglich, dass beispielsweise im Falle von Hochwasser ein
Teil der Wassermenge über die Spülöffnung
am Turbinenzulauf und der Turbine vorbeigeführt wird. Durch
die Kombination der stromaufwärts angeordneten Absperreinrichtung
mit der weiteren Absperreinrichtung vor der Öffnung des
Turbinenzulaufs und der Spülöffnung können
verschiedene Veränderungen der Wasserströmung
im Wasserlauf der Wasserkraftanlage für verschiedene Funktionen rasch
und einfach erzielt werden.
-
Vorteilhafterweise
ist die weitere Absperreinrichtung von der Öffnung des
Turbinenzulaufs und der Spülöffnung durch einen
gemeinsamen Schieber gebildet. Mit Hilfe eines derartigen vertikal
verschiebbar gelagerten Schiebers kann gleichzeitig die Menge des
durch die Öffnung des Turbinenzulaufs fließenden
Wassers und die Menge des durch die Spülöffnung
fließenden Wassers gesteuert werden.
-
Zur
Reinigung des Rechens wird die weitere Absperreinrichtung vollständig
vor der Öffnung des Turbinenzulaufs und die stromaufwärts
angeordnete Absperreinrichtung in im Wesentlichen vollständig geschlossener
Position angeordnet, so dass der Wasserpegel unter dem Rechen absenkbar
ist. Der Rechen zum Auffangen des Schwemmguts ist somit vom Wasser
befreit und kann vom Schwemmgut befreit werden. Während
der Reinigungsphase ist der Turbinenzulauf geschlossen, weshalb
die Turbine nicht angetrieben werden kann und keine elektrische Energie
erzeugt werden kann. Die Reinigungsphasen werden daher möglichst
kurz gehalten und eine effiziente und rasche Reinigung des Rechens
ermöglicht. Während der Reinigung wird die stromaufwärts des
Rechens befindliche Absperreinrichtung vorzugsweise bis auf einen
Minimalzwischenraum zur Durchleitung einer Restwassermenge geschlossen. Diese
Restwassermenge reicht zum allfälligen Abtransportieren
des Schwemmguts über die Spülöffnung
und verhindert darüber hinaus das kurzzeitige Austrocknen
des Wasserlaufs, wodurch Lebewesen und Pflanzen Schaden erleiden
könnten. Nach Beendigung der Reinigung des Rechens wird
die Öffnung des Turbinenzulaufs mit der weiteren Absperreinrichtung
wieder geöffnet und die Spülöffnung wieder
geschlossen und die stromaufwärts des Rechens befindliche
Absperreinrichtung geöffnet, so dass die gewünschte
Wassermenge in den Turbinenzulauf gelangen kann.
-
Vorteilhafterweise
ist der Rechen in Richtung stromaufwärts des Wasserlaufs
geneigt angeordnet, so dass der Rechen im Normalbetrieb von unten nach
oben mit Wasser durchströmt wird, und bei der Reinigung
die Wasserströmung durch den Rechen umgekehrt und dadurch
am Rechen anhaftendes Schwemmgut vom Wasser mitgerissen und durch
die Spülöffnung abgeführt wird. Auf diese
Weise kann eine rasche, automatische Reinigung des Rechens durchgeführt
werden. Das Schwemmgut wird in diesem Fall vom Wasser mitgeführt,
was in vielen Fällen sogar erwünscht ist, da im
Schwemmgut auch Nährstoffe für im Wasser befindliche
Lebewesen und Pflanzen enthalten sind.
-
Um
zu verhindern, dass Schwemmgut mit dem Wasser mittransportiert wird,
kann der Rechen in Richtung stromabwärts geneigt ausgebildet
sein, so dass der Rechen im Normalbetrieb von oben nach unten mit
Wasser durchströmt wird, so dass am Rechen anhaftendes
Schwemmgut am Rechen liegen bleibt und mittels konventioneller Rechenreinigungseinrichtungen
abtransportiert und entsorgt werden kann.
-
Durch
eine Einrichtung zum Umklappen des Rechens kann der Rechen im Bedarfsfall
beispielsweise bei Änderung der gesetzlichen Auflagen beispielsweise
von der stromaufwärts geneigten Anordnung in die stromabwärts
geneigte Anordnung umgelegt werden.
-
Zum
Anfahren der Turbine der Wasserkraftanlage ist die weitere Absperreinrichtung
teilweise vor der Öffnung des Turbinenzulaufs und die stromaufwärts
angeordnete Absperreinrichtung in geöffneter Position angeordnet,
so dass eine geringere Menge an Wasser als im Normalbetrieb in den
Turbinenzulauf strömt, so dass die Turbine vor dem Zuschalten
an ein Versorgungsnetz auf Leerlaufdrehzahl bringbar ist. Das Anfahren
der Turbine wird somit mit einer geringeren Menge an Wasser im Turbinenzulauf
vorgenommen. Vorzugsweise nach einer vorgegebenen Zeit wird die Öffnung
des Turbinenzulaufs vollständig geöffnet und die
Spülöffnung vollständig geschlossen,
so dass eine dem Normalbetrieb entsprechende Menge an Wasser in
den Turbinenzulauf strömen und die Turbine somit mit der
gewünschten Wassermenge betrieben werden kann.
-
Zur
Revision der Turbine kann die weitere Absperreinrichtung vor der Öffnung
des Turbinenzulaufs und die stromaufwärts angeordnete Absperreinrichtung
in zumindest annähernd vollständig geschlossener
Position angeordnet sein. In diesem Zustand wird durch die Restwassermenge
verhindert, dass Lebewesen und Pflanzen im Wasserlauf durch ein
Austrocknen Schaden erleiden, wo hingegen eine Wartung von Komponenten
der Wasserkraftanlage er leichtert bzw. ermöglicht wird.
Natürlich ist es möglich, dass zur Verrichtung
von Arbeiten im Wasserlauf die stromaufwärts angeordnete
Absperreinrichtung vollständig geschlossen wird. In diesem
Fall wird der Wasserzulauf vollständig unterbunden und
die Wasserkraftanlage trocken gelegt.
-
Um
eine automatische Steuerung der Absperreinrichtung zu ermöglichen,
ist vorzugsweise eine Einrichtung zur Steuerung der Absperreinrichtungen
vorgesehen. Eine derartige Steuereinrichtung kann durch einen Mikroprozessor
oder einen Rechner gebildet sein, der die entsprechenden Antriebe zum
Bewegen der Absperreinrichtungen ansteuert. Zur Überwachung
können weiters Sensoren vorgesehen sein, welche entsprechende
Informationen an die Steuereinrichtung liefern.
-
Die
Absperreinrichtungen sind vorteilhafterweise durch im Wesentlichen
vertikal beweglich angeordnete Schieber, so genannte „Schütze",
gebildet.
-
Vorteilhafterweise
werden die Absperreinrichtungen hydraulisch betrieben.
-
Die
vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen,
welche ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen, näher
erläutert.
-
Darin
zeigen: 1 eine teilweise entlang der
Schnittlinie I-I aus 2 geschnittene Draufsicht auf
einen Wasserlauf im Bereich einer Wasserkraftanlage gemäß der
vorliegenden Erfindung; 2 einen Schnitt durch den Wasserlauf
aus 1 entlang der Schnittlinie II-II im Normalbetrieb; 3 die
Anordnung gemäß 2 während
der Reinigung des Rechens, wobei das Schwemmgut vom Wasser mittransportiert
wird; 4 die Anordnung gemäß 2 beim
Anfahren der Turbine; 5 die Anordnung gemäß 2 während
der Revision der Turbine; und 6 die Anordnung
gemäß 2 während Arbeiten
im Wasserlauf.
-
1 zeigt
einen Wasserlauf 1 im Bereich einer Nasserkraftanlage 2.
Das Wasser fließt entsprechend dem Pfeil X im dargestellten
Beispiel von der rechten zur linken Seite der 1.
-
Das
Wasser gelangt über eine Öffnung 3 in den
Zulauf 4 zu einer Turbine 5, welche durch die Strömung
des Wassers in Drehung versetzt wird, wodurch elektrische Energie
erzeugt wird. Danach wird das Wasser wieder ins Flussbett geleitet.
Vor der Öffnung 3 des Turbinenzulaufs 4 ist
ein Rechen 6 angeordnet, welcher den Turbinenzulauf 4 und
insbesondere die Turbine 5 vor im Wasser befindlichem Schwemmgut 7 schützt.
Wie aus der Schnittdarstellung gemäß 2 besser
ersichtlich, ist der Rechen 6 vorzugsweise in Richtung
stromaufwärts des Wasserlaufs 1 geneigt angeordnet,
so dass der Rechen 6 im Normalbetrieb von unten nach oben
mit Wasser durchströmt wird. Das Schwemmgut 7 sammelt
sich somit an der Unterseite des Rechens 6. Zur Reinigung
des Rechens 6, aber auch zur Wartung der Turbine 5 oder
anderer Komponenten der Wasserkraftanlage 2, ist stromaufwärts
des Rechens 6 eine Absperreinrichtung 8 angeordnet,
welche beispielsweise durch einen vertikal bewegbaren Schieber 9,
einen so genannten „Schütz", gebildet sein kann.
Mit Hilfe dieser Absperreinrichtung 8 kann der Wasserzulauf
zur Wasserkraftanlage 2 reduziert oder vollständig
unterbunden werden. Unterhalb der Öffnung 3 des
Turbinenzulaufs 4 ist eine Spülöffnung 12 angeordnet, über
welche das Wasser außerhalb des Turbinenzulaufs 4 geführt
werden kann. Vor der Öffnung 3 des Turbinenzulaufs 4 und
der Spülöffnung 12 ist eine weitere Absperreinrichtung 10 vorgesehen, mit
der die Öffnung 3 des Turbinenzulaufs und die Spülöffnung 12 gegengleich
geöffnet bzw. geschlossen werden können. Vorteilhafterweise
ist die weitere Absperreinrichtung 10 durch einen gemeinsamen Schieber 11 gebildet,
der zwischen der Öffnung 3 und der Spülöffnung 12 in
vertikaler Richtung bewegbar ist. Am Turbinenzulauf 4 kann
ein Belüftungsventil 13 angeordnet sein, über
das in verschiedenen Betriebsarten Luft in den Turbinenzulauf 4 angesaugt werden
kann. Durch ein Kombinieren der Stellung der Absperreinrichtung 8 bzw.
des Schiebers 9 mit der weiteren Absperreinrichtung 10 bzw.
dem Schieber 11 kann die Wasserströmung im Wasserlauf 1 verschiedenartig
verändert werden je nach notwendiger Funktion, wie im Folgenden
anhand einiger Beispiele erläutert wird.
-
2 zeigt
die Wasserkraftanlage 2 im Normalbetrieb. In diesem Fall
ist die stromaufwärts angeordnete Absperreinrichtung 8 bzw.
der Schieber 9 vollständig geöffnet,
so dass die gesamte Wassermenge des Wasserlaufs 1 zum Rechen 6 und
danach zur Öffnung 3 des Turbinenzulaufs 4 strömt.
Die weitere Absperreinrichtung 10 bzw. der Schieber 11 ist so
angeordnet, dass die gesamte Öffnung 3 des Turbinenzulaufs 4 freigegeben
ist und somit die gesamte Wassermenge in den Turbinenzulauf 4 und
in der Folge zur Turbine 5 gelangt. Die Spülöffnung 12 ist durch
den Schieber 11 vollständig geschlossen, weshalb
kein Wasser über die Spülöffnung 12 an
der Turbine 5 vorbeigeführt wird.
-
3 zeigt
nun den Fall während der Reinigung des Rechens 6,
wobei erfindungsgemäß die Öffnung 3 des
Turbinenzulaufs 4 mit der weiteren Absperreinrichtung 10 bzw.
dem Schieber 11 geschlossen wird, so dass kein Wasser in
den Turbinenzulauf 4 gelangen kann. Die Spülöffnung 12 hingegen
ist vollständig geöffnet. Die stromaufwärts
angeordnete Absperreinrichtung 8 bzw. der Schieber 9 wird
so weit geschlossen, bis der Wasserpegel P stromabwärts der
Absperreinrichtung 8 bzw. des Schiebers 9 unter den
Rechen 6 abgesenkt wird. Während dieses Vorgangs
wird die Wasserströmung durch den Rechen 6 gegenüber
dem Normalbetrieb von unten nach oben in entsprechend der Richtung
des Pfeils Y von oben nach unten umgekehrt, wodurch am Rechen 6 anhaftendes
Schwemmgut 7 vom Wasser mitgerissen und durch die Spülöffnung 12 abgeführt
wird. Dies stellt eine effiziente und rasche Möglichkeit
der Reinigung des Rechens 6 dar. Gleichzeitig wird über
das Belüftungsventil 13 Luft in den Turbinenzulauf 4 angesaugt
und die Turbine 5 trocken bewegt, so dass Verunreinigungen
von den Turbinenschaufeln abgeschleudert werden. Dadurch, dass der
Turbinenzulauf 4 oberhalb der Spülöffnung 12 angeordnet
ist, bleibt Geschiebe im Normalbetrieb vor der Spülöffnung 12 liegen
und wird bei jedem Öffnen der Absperreinrichtung 10 bzw.
des Schiebers 11 sowie allfälliges Schwemmgut 7 abgeführt.
-
4 zeigt
eine Anordnung während des Anfahrens der Turbine 5,
bei der die weitere Absperreinrichtung 10 bzw. der Schieber 11 die Öffnung 3 des
Turbinenzulaufs 4 nur teilweise frei gibt, so dass eine
geringere als im Normalbetrieb vorgesehene Menge an Wasser in den
Turbinenzulauf 4 gelangt. Dadurch kann die Turbine 5 mit
weniger Wasser in Rotation versetzt werden bis sie die Leerlaufdrehzahl erreicht
hat. Der restliche Teil des Wassers wird über die Spülöffnung 12 neben
dem Turbinenzulauf 4 abgeführt. Die stromaufwärts
des Rechens 6 befindliche Absperrein richtung 8 bzw.
der Schieber 9 befindet sich in teilweise geöffneter
Stellung. Nach dem Erreichen der Leerlaufdrehzahl wird die Turbine 5 an ein
Versorgungsnetz zugeschaltet und danach die Öffnung 3 des
Turbinenzulaufs vollständig freigegeben, indem die Absperreinrichtung 10 bzw.
der Schieber 11 nach unten verschoben wird und die Spülöffnung 12 entsprechend
verschlossen wird. Schließlich wird die Absperreinrichtung 8 bzw.
der Schieber 9 vollständig geöffnet.
-
5 zeigt
eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Anordnung
zur Veränderung der Wasserströmung im Wasserlauf 1 einer
Wasserkraftanlage 2 während der Revision der Turbine 5.
In diesem Fall wird die Öffnung 3 des Turbinenzulaufs 4 mit Hilfe
der Absperreinrichtung 10 bzw. des Schiebers 11 vollständig
geschlossen und die stromaufwärts des Rechens 6 befindliche
Absperreinrichtung 8 bzw. der Schieber 9 bis auf
einen Mindestzwischenraum Z geschlossen. Dadurch wird eine gewisse
Restwassermenge durch den Wasserlauf 1 geführt,
die verhindert, dass der Wasserlauf 1 während
der Revisionsarbeiten vollständig trockengelegt wird, wodurch Lebewesen
und Pflanzen Schaden erleiden würden und das ökologische
Gleichgewicht im Wasserlauf beeinträchtigt würde.
-
Schließlich
zeigt 6 eine weitere Variante der Anordnung zur Veränderung
der Wasserströmung im Wasserlauf 1 einer Wasserkraftanlage 2, wobei
beispielsweise für Arbeiten im Wasserlauf 1 eine
vollständige Absperrung des Wasserzulaufs vorgenommen wird,
indem die stromaufwärts des Rechens 6 befindliche
Absperreinrichtung 8 vollständig geschlossen wird.
Dadurch wird kein Wasser über die Spülöffnung 12 oder
den Turbinenzulauf 4 geführt, und es können
im Trockenen verschiedene Arbeiten an sämtlichen Komponenten
der Wasserkraftanlage 2 vorgenommen werden.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Anordnung
zur Veränderung der Wasserströmung im Wasserlauf 1 einer
Wasserkraftanlage 2 ermöglicht mit Hilfe einfacher
und kostengünstiger Komponenten die rasche und einfache
Erzielung verschiedener Wasserströmungen für verschiedene
Zwecke, wie z. B. die Reinigung des Rechens 6, Entfernung
von Geschiebe, das Anfahren der Turbine 5 oder das Absperren
des Wasserlaufs 1 für Revisionsarbeiten an der
Turbine 5 od. dgl..
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10346166
A1 [0007]
- - DE 4332479 A1 [0007]
- - US 2003/0024865 A1 [0008]
- - US 4877352 A [0008]
- - US 5516213 A [0008]
- - US 6171023 A [0008]