Druckstoßsicherung in einem Trinkwasserkraftwerk

Der in diesem Trinkwasserkraftwerk vorgesehene Druckstollen, die Rohrleitungen und Armaturen sowie die installierte Francisturbine wurden in einem Simulationsnetzwerk modelliert.

Das System besteht aus einem Oberwasserbehälter mit konstantem Wasserspiegel, in Form eines langen Felsstollens, der als kreisrund betrachtet wurde. Im Anschluss wird die Wassermenge in zwei parallele Druckrohrleitungen aufgeteilt. Am Ende beider Druckrohrleitungen befindet sich jeweils eine Absperrklappe. Die Francis-Turbine ist bei Lastabwurf für den auftretenden Druckstoß verantwortlich. Allerdings wird das komplette hydraulische Verhalten dieser Maschine in der Berechnung berücksichtigt. Das notwendige Kennfeld konnte beim Hersteller angefragt werden.

Wie üblich wurden verschiedenste Betriebs- und Ausnahmelastfälle betrachtet, so wurde etwa davon ausgegangen, dass die Nebenauslassklappe nicht geöffnet wird, und somit der maximal mögliche Druckstoß auftritt. Der Fall mit ordnungsgemäß funktionierender Bypass-Klappe wurde neben anderen natürlich ebenfalls behandelt.

Deutlich zu erkennen ist der Anstieg der Maschinenfallhöhe und somit auch des statischen Druckes in den Rohrleitungen durch den Drehzahlanstieg der Turbine nach dem Lastabwurf, welcher in Berechnungssekunde 10 [s] simuliert wurde. Der Anstieg der Maschinenfallhöhe rührt aus der durch die Maschinencharakteristik vorgegebenen Durchsatzminderung infolge des Drehzahlanstiegs und dem daraus resultierendem Druckstoß und Druckanstieg vor der Turbine. In der Abbildung sind nun dieselben Maschinendaten für den regulären Not-Aus Betrieb dargestellt.

Durch Berechnung der Druckeinhüllenden für die verschiedenen Betriebs- und Ausnahmelastfälle (längst nicht nur die zwei beispielhaft gezeigten) konnten nicht nur die zulässigen Drücke eruiert werden, sondern es konnten auch die nötigen Daten zur Berechnung der Lebensdauer der Anklage bereit gestellt werden. Denn wie das vorherige Bild zeigt – und auch allgemein bekannt ist – unterliegt die Anlage in praktisch allen vorgesehenen und nicht vorgesehenen Fahrweisen sehr vielen mehr oder weniger hohen Lastwechseln, die die Anlage nicht erheblich mehr beanspruchen können als die maximale Belastung und die daher besonders analysiert werden müssen.

Bei ordnungsgemäßer Funktion und Betätigung der vorgesehenen Maßnahmen liegt keine Druckstoßgefährdung der Anlage vor. Die geplante Betriebsweise des Trinkwasserkraftwerks führt zu keiner unzulässigen Überschreitung des maximal zulässigen Rohrbahninnendruckes. Es musste jedoch darauf hingewiesen werden, dass bei einem Versagen und bei einer abrupten Netztrennung des Generators mit einer unzulässigen Druckerhöhung in beiden Druckrohrleitungen an bestimmten identifizierten Stellen zu rechnen ist. Weiters Auch konnten bestimmte Maßnahmen identifiziert werden, die vor der Turbine bei einer Notabschaltung zu einer Erhöhung des Druckstoßes führen und die durch Verriegelungsmaßnahmen ausgeschlossen werden, was die sichere Betriebsweise des Kraftwerks ohne übertriebene Sicherungsmaßnahmen und – Investitionen ermöglicht.