Hydraulischer Kurzschluss in einem Pumpspeicherkraftwerk
Für ein Pumpspeicher-Kraftwerk, das ursprünglich für den Wälzpumpbetrieb (Pumpen bzw. Leistungsaufnahme in den Nachtstunden und Leistungserzeugung bzw. Turbinieren tagsüber) konzipiert worden ist, wurden umfangreiche Untersuchungen bezüglich der Eignung auf die Betriebsweise des hydraulischen Kurzschlusses durchgeführt. Da die Kraftwerksanlage dafür nicht ausgelegt wurde, diese Betriebsweise jedoch eine größere Flexibilität des Regelbetriebs bietet, sollten vor allem die Auswirkungen auf die Verteilrohrleitung und die Maschinenwelle im transienten Kraftwerksbetrieb analysiert werden.
Das Kraftwerk greift auf einen Hochspeicher als Oberwasserbecken und den Stauraum eines Laufwasserkraftwerks als Unterwasserbecken zurück. Der Triebwasserweg der Anlage besteht aus einem vertikalen Schacht und einem ca. 1000 m langen Betonstollen, in dessen Anschluss sich eine Verteilrohrleitung befindet. Diese bedient 3 Maschinensätze, die jeweils aus einer Francis-Turbine und einer zweiflutigen, zweistufigen Speicherpumpe bestehen. Die gesamte Verteilrohrleitung ist fest im Berg einbetoniert, nur etwa 3,5 m ragen an den Enden der sechs Äste der Verteilrohrleitung ins Freie und sind von außen zugänglich. Die Francis-Turbine und die Speicherpumpe bilden gemeinsam mit dem Motorgenerator und einer kleinen Anwurf-Turbine einen von drei Maschinensätzen dieser Kraftwerksanlage.
Die durchgeführten Untersuchungen befassen sich dabei im Detail mit den Auswirkungen des hydraulischen Kurzschlusses auf die Verteilrohrleitung, das instationäre Anlagenverhalten bzw. das Druckstoßphänomen und die Maschinenwelle.
Da die Verteilrohrleitung nicht bzw. nur während der Wartungsarbeiten in mehrjährigen Zyklen zugänglich ist, wurden umfassende CFD-Berechnungen durchgeführt, um die Strömungssituation in der Verteilrohrleitung zu analysieren und die derzeitige Betriebsweise mit dem Betrieb im hydraulischen Kurzschluss gegenüberzustellen. Zu untersuchen war dabei, ob neben den zu erwartenden Strömungsverlusten auch strömungsinduzierte Druckpulsationen in der Verteilrohrleitung auftreten und die Zuströmung zu den Turbinen stören.
Um das stationäre und instationäre hydraulische Verhalten der gesamten Kraftwerksanlage zu untersuchen, wurden über 100 Lastfälle kreiert und im Zuge der Druckstoßberechnungen simuliert.
In Erfahrung gebracht wurden dabei sind nicht nur die durch die verschiedenen Betriebsweisen auftretenden Druckstöße, sondern auch Anlagendurchflüsse in Störfällen sowie Maschinenbelastungen wie Überdrehzahlen oder maximale Drehmomente. Diese Daten werden mitunter zur Beurteilung der Belastung der Maschinensätze benötigt. Um die Anlagensimulationen mit hinreichender Genauigkeit durchführen zu können, wurden überdies die nicht bekannten hydraulischen Eigenschaften des Einlaufbauwerks des Hochspeichers, sowie der Absperrarmaturen vor den hydraulischen Maschinen im Krafthaus mittels CFD-Berechnung untersucht.
Im Zuge der Festigkeitsanalyse der Maschinenwelle wurden die Maschinenbelastungen bewertet und die derzeitige Betriebsweise mit dem Betrieb im hydraulischen Kurzschluss verglichen. Weiters wurde eine Modalanalyse des Maschinensatzes durchgeführt um eventuell vorhandene Schwingungsanregungen festzustellen.
