Instationäre Berechnungen für ein Laufwasserkraftwerk

Im Zuge der Erneuerung des hydraulischen Turbinenreglers und der Notschlussvorrichtung eines Laufwasserkraftwerks soll mittels einer transienten Analyse auch der Oberwasserkanal hinsichtlich Auswirkungen einer Notabschaltung untersucht werden. Dabei wird die Oberwasserstrecke von der Wehranlage bis zum Krafthaus in einem numerischen Modell nachgebildet, um das instationäre Verhalten des Freispiegelkanals bei einer Notabschaltung (Schnellschluss) der gesamten Anlage aus dem Volllast-Betrieb zu untersuchen. Um das instationäre Fließverhalten im Oberwasserkanal zu berechnen, wurde ein am Institut für Hydraulische Strömungsmaschinen der TU-Graz entwickeltes Berechnungsmodul verwendet. Die Grundlage für diese Software bilden die Saint-Venant-Gleichungen, welche unter Zuhilfenahme des Charakteristikenverfahrens gelöst werden.

Nenndaten Laufwasserkraftwerk:

  • Ausbauwassermenge von 120 m³/s
  • Fallhöhe H = 18,2 m
  • 2 Kaplanturbinen je 9,52 MW
  • Q = 60 m³/s, Drehzahl n = 187,5 rpm
  • Ausleitungsstrecke: 370 m langes Druckrohr (Ø 7,15 m) und 580 m Oberwasserkanal (Trapez-Querschnitt)
Laufwasserkraftwerk mit Stauwehr, Triebwasserweg und Kraftwerkshaus
Laufwasserkraftwerk mit Stauwehr, Triebwasserweg und Kraftwerkshaus

Untersuchte transiente Lastfälle bei Schnellschluss

  1. Abstellen des Kraftwerks in 8 s (Schnellschluss) aus dem Volllastbetrieb mit einer Maschine (Q = 60 m³/s auf Q = 0 m³/s)
  2. Abstellen einer Maschine in 8 s (Schnellschluss) aus dem Volllastbetrieb der Kraftwerksanlage (Q = 120 m³/s auf Q = 60 m³/s)
  3. Abstellen der Kraftwerksanlage aus dem Volllastbetrieb in 8 s (Schnellschluss beider Maschinen synchron (Q = 120 m³/s auf Q = 0 m³/s)
  4. Abstellen einer Maschine in 8 s (Schnellschluss) aus dem Volllastbetrieb der Kraftwerksanlage, die zweite Maschine wird 85 s später (zu diesem Zeitpunkt wird die Schwallwelle, welche beim Abstellen der ersten Maschine erzeugt wurde, am Übergangsbereich zwischen Druckrohr und Oberwasserkanal reflektiert) in ebenfalls 8 s abgestellt.
  5. Abstellen einer Maschine in 8 s (Schnellschluss) aus dem Volllastbetrieb der Kraftwerksanlage, die zweite Maschine wird 150 s später (zu diesem Zeitpunkt erreicht die am Übergangsbereich zum Druckrohr reflektierte Schwallwelle die Kraftwerkszentrale bzw. den Turbineneinlauf) in ebenfalls
    8 s abgestellt.

Exemplarisch für alle untersuchten transienten Lastfällen stehen folgende Abbildungen für den Lastfall A „Abstellen des Kraftwerks in 8 s (Schnellschluss) aus dem Volllastbetrieb mit einer Maschine (Q = 60 m³/s auf Q = 0 m³/s)“.

Minimale und maximale Wasserstandslinie im Oberwasserkanal für Lastfall A
Minimale und maximale Wasserstandslinie im Oberwasserkanal für Lastfall A
Minimale und maximale Wasserstandslinie im Oberwasserkanal für Lastfall A
Minimale und maximale Wasserstandslinie im Oberwasserkanal für Lastfall A
Transiente Verläufe von Wasserstand und Durchfluss am Kanalbeginn, Lastfall A
Transiente Verläufe von Wasserstand und Durchfluss am Kanalbeginn, Lastfall A
Transiente Verläufe von Wasserstand und Durchfluss am Turbineneintritt, Lastfall A
Transiente Verläufe von Wasserstand und Durchfluss am Turbineneintritt, Lastfall A

Ergebnis: Kein Überlaufen, aber überarbeitetes Notschlussregelkonzept

Mit einem Überlaufen des Oberwasserkanals ist nicht zu rechnen, jedoch wird darauf hingewiesen, dass der maximale Pegelstand höher liegt als die Auskleidung mit Betonplatten im Trapezkanal. Zusätzlich wurden die Ausnahmelastfälle „Segelstellung des Laufrades bei Lastabwurf“ sowie zum „Durchbrennverhalten bei teilblockiertem Leitapparat (2 Schaufeln durch Holz)“ analysiert. Es muss jedoch darauf hingewiesen werden, dass das beschriebene, derzeitige Notschlusskonzept bei Nicht-Funktionieren der Abstellung keineswegs imstande ist, die maximal auftretende Durchgangsdrehzahl zu steuern. Dies ist darin begründet, dass das Schließen des Laufrades deutlich länger dauert, als eine etwaige Beschleunigung des Laufrades bei Lastabwurf. Unter diesem Gesichtspunkt erscheint das vorgeschlagene neue Notschlussregelkonzept gegenüber der zu analysierenden Ausgangssituation als vorteilhaft.