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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Pumpspeicherkraftwerkes mit einer reversiblen Pumpturbine, wobei sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere auf die Ausrichtung der Leitschaufeln bei einem Wechsel des Betriebsmodus bezieht.
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Pumpspeicherkraftwerke mit reversibler Pumpturbine sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise die
US 5 864 183 A ein solches Kraftwerk, welches üblicherweise ein Laufrad vom Typ Francis umfasst, das in der einen Drehrichtung als Turbine (Turbinenbetrieb) und in der anderen Drehrichtung als Zentrifugalpumpe (Pumpbetrieb) arbeitet. Außerdem beinhaltet ein solches Kraftwerk einen Leitapparat mit drehbaren Leitschaufeln.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren spielt der Leitapparat eine entscheidende Rolle. In einem Pumpspeicherkraftwerk hat der Leitapparat zwei Funktionalitäten zu erfüllen. Zum einen dient er als Schließorgan und zum anderen wird mit demselben die Wasserflussmenge geregelt. In der erstgenannten Funktionalität als Schließorgan muss der Leitapparat den Wasserdurchfluss zuverlässig unterbinden können. Um das zu gewährleisten besitzt der Leitapparat überlappende Leitschaufeln. Diese Ausführung kann beispielsweise aus den Schriften
DE 15 03 269 A oder
CH 428 442 A entnommen werden. Im geschlossenen Zustand überlappen die Leitschaufeln einander und sorgen so für eine zuverlässige Dichtung und Unterbrechung des Wasserflusses. Man spricht daher auch von Überdeckung. Für den Regelbetrieb, d.h. im Pump- oder Turbinenbetrieb, werden die Leitschaufeln von der Geschlossenstellung aus um ihre Drehachse gedreht, so dass zwischen den Leitschaufeln Öffnungen entstehen, durch die das Wasser strömen kann.
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Jeder Leitschaufel kann ein Drehwinkel zugewiesen werden. Dabei wird für die Geschlossenstellung für jede Leitschaufel der Drehwinkel 0° definiert. Beim Öffnen des Leitapparates werden die Leitschaufeln im gleichen Drehsinn verdreht, so dass beim Öffnen des Leitapparates alle Leitschaufeln positive Drehwinkel aufweisen.
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Aus dem Stand der Technik sind auch Schriften bekannt, die vorschlagen, dass die Leitschaufeln in Positionen gedreht werden sollen, die negativen Drehwinkeln entsprechen. So beispielsweise die
DE 12 43 119 B . Diese Schriften gehen jedoch immer von einem Leitapparat aus, dessen Leitschaufeln keine Überdeckung aufweisen, da sich in diesem Fall (d.h. mit Überdeckung) die Leitschaufeln in ihrer Bewegung von der Nullstellung zu negativen Drehwinkeln hin behindern würden. Es ist auch festzuhalten, dass die Motivation zur Einstellung von negativen Drehwinkeln in den genannten Schriften darin besteht, eine Drehrichtungsumkehr des Laufrades zu erzielen. Und zwar soll diese Umkehr aus dem Betrieb heraus erfolgen, d.h. ohne zuerst den Wasserfluss zu unterbrechen und das Laufrad dadurch abzubremsen. Dabei werden beispielsweise die Leitschaufeln, die im Turbinenbetrieb positive Öffnungswinkel aufweisen, auf eine Drehstellung durchgeschwenkt, die einem negativen Drehwinkel entspricht. Dadurch ändern sich die Strömungsverhältnisse dergestalt, dass das Laufrad durch diese Strömung zuerst abgebremst und dann in der anderen Drehrichtung beschleunigt wird. Sobald das Laufrad durch diese Wasserströmung die höchste Rückwärtsdrehzahl erreicht hat, wird auf Fremdantrieb umgeschaltet, und das Laufrad auf Pumpennenndrehzahl hochgefahren. Außerdem werden nunmehr die Leitschaufeln wieder in die Arbeitsstellung, d.h. auf positive Drehwinkel, zurückgeschwenkt (siehe
DE 12 43 119 B , Seite 2, Zeile 8ff). In der Praxis wird heute ein solches Verfahren jedoch nicht angewendet, da dadurch offensichtlich die Schließfunktion des Leitapparats verloren geht, und andererseits durch das beschriebene Verfahren zur Drehrichtungsänderung die hydraulische Maschine sehr hohen Belastungen unterworfen wird.
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Die Erfindung der vorliegenden Anmeldung hat es sich zur Aufgabe gestellt, den Wirkungsgrad eines Pumpspeicherkraftwerkes zu erhöhen, ohne dabei wesentliche Funktionalitäten zu verlieren, wie z.B. die Schließfunktion des Leitapparates. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb eines Pumpspeicherkraftwerkes gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausprägungen des Verfahrens befinden sich in den davon abhängigen Unteransprüchen.
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Die Erfinder haben erkannt, dass der Wirkungsgrad eines Pumpspeicherkraftwerkes durch die hydraulische Form der Leitschaufeln beeinflusst werden kann. Im Regelbetrieb, d.h. wenn die Leitschaufeln Drehwinkel aufweisen, die nicht Null sind, bilden sich zwischen den Leitschaufeln Kanäle aus, in denen das Wasser an den Leitschaufeln vorbei strömt. Dabei ist jeweils ein Ende der Leitschaufeln der Strömungsrichtung des Wassers zugewandt, und das andere Ende der Leitschaufeln ist jeweils von dieser Richtung abgewandt. Man spricht daher auch von der Anströmkante und der Abströmkante der Leitschaufeln. Es ist bekannt, dass die hydraulische Form einer solchen Leitschaufel dann möglichst wenig hydraulische Verluste erzeugt, wenn die Anströmkante dicker und abgerundet und die Abströmkante dünn und spitz ausgezogen aufgeführt wird.
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Den Erfindern ist aufgefallen, dass bei der Betriebsweise von Pumpspeicherkraftwerken gemäß dem Stand der Technik die Leitschaufeln im Regelbetrieb immer nur positive Drehwinkel aufweisen (siehe die Ausführungen oben). Außerdem sind die Leitschaufelprofile dabei stets so angeordnet, dass die abgerundete, dicke Anströmkante nach außen, d.h. vom Laufrad weg weist. Das bedeutet, dass nur im Turbinenbetrieb, d.h. dann wenn das Wasser von der Spirale aus zuerst an den Leitschaufeln vorbei in das Laufrad strömt, eine Strömung vorliegt, für die das Leitschaufelprofil wenig hydraulische Verluste aufweist. Im Pumpbetrieb ist die Wasserströmung umgekehrt, d.h. dass das Wasser vom Laufrad aus an den Leitschaufeln vorbei in die Spirale fließt. Dabei trifft das Wasser zuerst auf das schlankere, abgerundete Ende der Leitschaufeln und strömt von dem dick abgerundeten Ende der Leitschaufel aus ab. Dabei entstehen begreiflicherweise erhebliche hydraulische Verluste. Es ist daher klar, dass der Wirkungsgrad eines Pumpspeicherkraftwerkes mit Leitschaufeln, die in der beschriebenen dem Stand der Technik entsprechenden Weise orientiert sind, vor allem im Pumpbetrieb, aber auch im Turbinenbetrieb (siehe nächster Abschnitt) geringere Wirkungsgrade erreichen wie bei einem auf die jeweilige Betriebsart optimal gestalteten und ausgerichteten Leitschaufelprofil.
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Diese Problematik blieb den Ingenieuren, die ein Pumpspeicherkraftwerk hydraulisch auszulegen haben, natürlich nicht verborgen. Das Problem wurde bisher in der Weise eines Kompromisses gelöst, so dass die Leitschaufeln nur schwach gemäß dem beschriebenen optimalen Profil ausgestaltet sind. D.h. die Anströmkante ist nicht so dick und rund ausgebildet und die Abströmkante ist nicht so spitz ausgezogen, wie es bei nur einer Strömungsrichtung optimal wäre (siehe 1 und 2 unten). Damit verliert man etwas Wirkungsgrad im Turbinenbetrieb und erhält dafür einen besseren Wirkungsgrad im Pumpbetrieb.
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Die Erfinder haben erkannt, dass das Problem sich dadurch beheben lässt, dass auch im Pumpbetrieb die Abgerundete Anströmkante der Wasserströmung entgegenweist. Dazu müssen die Leitschaufeln ausgehend vom Regelbetrieb im Turbinenbetrieb um etwa 180° gedreht werden, was in der Definition der
DE 12 43 119 B negativen Drehwinkeln entspricht. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht daher auf einem Verfahren zum Durchschwenken von Leitschaufeln mit Überdeckung. Dabei wird unter dem Begriff „Durchschwenken“ eine Drehbewegung der Leitschaufeln verstanden, die den Nulldurchgang beinhaltet, d.h. von positiven Drehwinkeln zu negativen Drehwinkeln hin oder umgekehrt.
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Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
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1 Leitschaufelprofil eines Pumpspeicherkraftwerkes gemäß dem Stand der Technik; und
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2 Leitschaufelprofil optimiert für nur eine Anströmrichtung; und
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3 Teil eines Leitapparat mit Leitschaufeln mit Überdeckung in Geschlossenstellung gemäß dem Stand der Technik; und
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4 Teil eines Leitapparat mit Leitschaufeln mit Überdeckung in Geschlossenstellung nach Durchschwenken der Leitschaufeln nach dem erfindungsgemäßen Verfahren; und
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5 Schematischer Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Pumpspeicherkraftwerks; und
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6 Drehstellungen der Leitschaufeln beim Durchlaufen des erfindungsgemäßen Verfahrens im Falle einer geraden Anzahl von Leitschaufeln; und
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7 Drehstellungen der Leitschaufeln beim Durchlaufen des erfindungsgemäßen Verfahrens im Falle einer ungeraden Anzahl von Leitschaufeln
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In der Darstellung der 1 ist das Leitschaufelprofil eines Pumpspeicherkraftwerkes gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Es stellt einen hydraulischen Kompromiss dar, da es wie bereits oben beschrieben im Turbinenbetrieb von der rechten Seite her angeströmt und im Pumpbetrieb von der linken Seite her angeströmt wird.
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In der Darstellung der 2 ist hingegen ein Leitschaufelprofil dargestellt, das für den Fall optimiert wurde, dass es nur von der rechten Seite her angeströmt wird. Es besitzt eine höhere Asymmetrie und ein deutlich spitzer ausgezogene Abströmkante. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt den Einsatz dieses optimierten Leitschaufelprofiles, wodurch der hydraulische Wirkungsgrad sowohl im Pump- als auch im Turbinenbetrieb erhöht werden kann.
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In der Darstellung der 3 ist ein Teil eines Leitapparats in Draufsicht dargestellt. Es sind sechs der Leitschaufeln zu sehen. Die gestrichelten Kreise deuten den Raumbereich an, den jede einzelne Schaufel bei einer Drehung um die Leitschaufeldrehachse überstreichen kann. Diese Raumbereiche werden im Folgenden mit dem Ausdruck „Drehbereich“ bezeichnet. Es ist klar erkennbar, dass die Drehbereiche der Leitschaufeln einander überlappen, da es sich um einen Leitapparat mit Überdeckung handelt. Der Leitapparat befindet sich in der Geschlossenstellung. Die Leitschaufeln berühren einander und bilden so einen geschlossenen Ring. Im Turbinenbetrieb haben die Leitschaufeln positive Drehwinkel. Wenn die Leitschaufeln von positiven Drehwinkeln her in Geschlossenstellung (Drehwinkel Null) verdreht werden ergibt sich die in 3 dargestellte Anordnung. Es ist auch klar erkennbar, dass von dieser Anordnung aus jede der Leitschaufeln nur eine Drehung zu positiven Drehwinkeln ausführen kann, da eine Drehung in negativer Richtung durch die Nachbarschaufeln behindert wird.
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In der Darstellung der 4 ist derselbe Teil des Leitapparats wie in 3 dargestellt. Er befindet sich ebenfalls in Geschlossenstellung, da die Leitschaufeln einen geschlossen Ring bilden. Der Drehwinkel der Leitschaufeln beträgt –180°. Im Unterschied zu 4 überlappen die Leitschaufeln jedoch anders herum. Diese Anordnung ist in Pumpspeicherkraftwerken gemäß dem Stand der Technik nicht einstellbar, da die Leitschaufeln um von der in 3 gezeigten Anordnung in die in 4 gezeigte Anordnung überführt zu werden, nicht aneinander vorbei gebracht werden können. Nachdem die Leitschaufeln durch das erfindungsgemäße Verfahren durchgeschwenkt worden sind (Übergang vom Turbinen- in den Pumpbetrieb), lässt sich die in 4 gezeigte Geschlossenstellung jedoch ohne Problem im Pumpbetrieb einstellen.
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In der Darstellung der 5 ist der schematische Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren dient dazu, die Leitschaufeln bei einem Wechsel des Betriebsmodus so auszurichten, dass beim neuen Betriebsmodus die Leitschaufeln bezüglich ihrer An- und Abströmkanten dem Wasserfluss entsprechend optimal ausgerichtet sind.
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In 5 sind insgesamt drei Teilvorgänge dargestellt, wobei der erste Teilvorgang mit FS und die beiden anderen Teilvorgänge mit DS bezeichnet sind. Der Teilvorgang, der mit FS bezeichnet ist, beinhaltet das sogenannte „Freischwenken“ von Leitschaufeln. Unter Freischwenken wird das Verdrehen von Leitschaufeln verstanden, wobei die verdrehten Leitschaufeln soweit verdreht werden, dass das Profil der verdrehten Leitschaufel nicht den Drehbereich der benachbarten Leitschaufeln durchdringt. Der Verfahrensschritt Freischwenken kann dabei alle oder nur einen Teil der Leitschaufeln betreffen. Die Teilvorgänge, die mit DS bezeichnet sind, beinhalten das sogenannte „Durchschwenken“ von Leitschaufeln. Wie bereits weiter oben beschrieben bedeutet dabei Durchschwenken eine Verdrehung von Leitschaufeln, wobei die Verdrehung den Nulldurchgang beinhaltet, d.h. von positiven Drehwinkeln zu negativen Drehwinkeln hin oder umgekehrt. Erfindungsgemäß vollzieht sich das Durchschwenken dabei in wenigstens zwei einzelnen Untervorgängen sukzessive, wie in 5 dargestellt.
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Erfindungsgemäß ist die Durchführung des Schrittes „Freischwenken“ davon abhängig in welcher Lage sich die Leitschaufeln zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens befinden. Durchdringt keine der Leitschaufeln den Drehbereich einer anderen Schaufel, so kann der Vorgang FS natürlich entfallen. Der Vorgang FS dient lediglich dazu, die folgenden Durchschwenk-Vorgänge zu ermöglichen.
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Da der Wechsel des Betriebsmodus bei einem Pumpspeicherkraftwerk in der Regel bei unterbrochenem Wasserfluss stattfindet, kann man bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens von einem Ausgangszustand des Leitapparates ausgehen, bei dem der Leitapparat vollständig geschlossen ist (Geschlossenstellung). Falls der Ausgangsbetriebsmodus der Turbinenbetrieb war, so entspricht die in 3 dargestellte Anordnung diesem Ausgangszustand. Wenn der Ausgangsbetriebsmodus der Pumpbetrieb ist, so wäre die Anordnung wie in 4. In beiden Fällen durchdringen in der Geschlossenstellung alle Leitschaufeln den Drehbereich der benachbarten Leitschaufeln, so dass ein Durchschwenken von keiner Leitschaufel möglich ist. Daher muss beim Anfangszustand „Geschlossenstellung“ auf jeden Fall zunächst ein Freischwenk-Vorgang durchgeführt werden.
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Die erfindungsgemäß wenigstens zwei Durchschwenk-Untervorgänge betreffen dann jeweils unterschiedliche disjunkte Untergruppen der Leitschaufeln. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dann abgeschlossen, wenn alle Leitschaufeln durchgeschwenkt wurden. Es ist jedoch durchaus denkbar, dass im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens der Vorgang FS mehrmals vollzogen wird. Es kann auch vorkommen, dass der Vorgang FS nach einem Vorgang DS vollzogen wird. Die Erfinder haben zudem erkannt, dass es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zwei Ausprägungen gibt, die besonders vorteilhaft sind, weil sie mit einer minimalen Anzahl von Untervorgängen durchgeführt werden können und somit besonders wenig Zeit in Anspruch nehmen. Diese beiden Ausprägungen werden im Detail anhand der 6 und 7 erläutert.
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In der Darstellung der 6 sind übereinander jeweils ein Teil der Leitschaufeln des Leitapparates in Draufsicht dargestellt, wobei die Teilbereiche der Figur mit (a) bis (d) bezeichnet sind. Diese Teilbereiche zeigen jeweils den gleichen Teil der Leitschaufeln jedoch jeweils vor oder nach den einzelnen Vorgängen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die in 6 dargestellte Ausprägung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist besonders vorteilhaft für Leitapparate mit einer geraden Anzahl von Leitschaufeln. In (a) ist der Anfangszustand dargestellt. Der Leitapparat befindet sich in Geschlossenstellung gemäß 3. Daher ist ein Freischwenk-Vorgang notwendig. In (b) ist der Zustand der Leitschaufeln nach Durchführung des Freischwenk-Vorgangs dargestellt. Es wurde jede zweite Leitschaufel so weit verdreht, dass das Profil der verdrehten Leitschaufeln nicht den Drehbereich der jeweils benachbarten Leitschaufeln durchdringt. Genauso gut hätten auch alle Leitschaufeln um denselben Drehwinkel verdreht werden können (siehe auch Beschreibung zu 7). In (c) ist der Zustand der Leitschaufeln nach der Durchführung des ersten Durchschwenk-Vorganges dargestellt. Es wurde jede zweite Leitschaufel durchgeschwenkt. Im gezeigten Fall konnten das nur die Leitschaufeln sein, die im Frei-Schwenkvorgang nicht gedreht wurden, da nur diese Leitschaufeln durch den Frei-Schwenkvorgang einen freien Drehbereich erhalten haben. Falls im Frei-Schwenkvorgang alle Leitschaufeln gleichermaßen verdreht worden wären, so gäbe es für den ersten Durchschwenk-Vorgang zwei Möglichkeiten. Entweder könnten die Leitschaufeln gedreht werden, wie im gezeigten Beispiel, oder es könnten die anderen Leitschaufeln gewählt werden. In (d) ist der Zustand der Leitschaufeln nach der Durchführung des zweiten Durchschwenk-Vorganges dargestellt. Es wurden nun alle bisher noch nicht durchgeschwenkte Leitschaufeln durchgeschwenkt. Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren abgeschlossen.
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Die in 7 dargestellte Ausprägung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist besonders vorteilhaft für Leitapparate mit einer ungeraden Anzahl von Leitschaufeln. In (a) ist der Anfangszustand dargestellt. Der Leitapparat befindet sich wieder in Geschlossenstellung. Daher ist ein Freischwenk-Vorgang notwendig. In (b) ist der Zustand der Leitschaufeln nach Durchführung des Freischwenk-Vorgangs dargestellt. Es wurden alle Leitschaufeln so weit verdreht, dass das Profil der verdrehten Leitschaufeln nicht den Drehbereich der jeweils benachbarten Leitschaufeln durchdringt. In (c) ist der Zustand der Leitschaufeln nach der Durchführung des ersten Durchschwenk-Vorganges dargestellt. Es wurden nur die Leitschaufeln durchgeschwenkt, die eine gerade Nummer haben. Dabei wurde beim Durchzählen bei der Leitschaufel begonnen, die in der Figur als dritte von rechts dargestellt ist. Es wurde entgegen dem Uhrzeigersinn durchgezählt. Die bezüglich dieser Nummerierung letzte Leitschaufel ist daher die zweite von rechts. Hätte man die Leitschaufeln mit ungerader Nummer in diesem Vorgang durchschwenken wollen, so hätten sich die erste und die letzte Leitschaufel dabei gegenseitig behindert (es wären dies im Beispiel die zweite und die dritte Leitschaufel von rechts gewesen). In (d) ist der Zustand der Leitschaufeln nach der Durchführung des zweiten Durchschwenk-Vorganges dargestellt. Es wurden nun die Leitschaufeln mit ungerader Nummer durchgeschwenkt mit Ausnahme der letzten Leitschaufel, da diese nicht zusammen mit der ersten Leitschaufel durchgeschwenkt werden kann. Es hätte auch genauso gut die erste Leitschaufel anstelle der letzten ausgelassen werden können. Somit ist ein dritter Durchschwenk-Vorgang notwendig, bei dem diese letzte Leitschaufel separat durchgeschwenkt wird. In (e) ist der Zustand der Leitschaufeln nach der Durchführung des dritten Durchschwenk-Vorganges dargestellt. Es wurden somit alle Leitschaufeln durchgeschwenkt. Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren abgeschlossen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es Leitschaufelprofile einzusetzen, die für eine vorherrschende relative Strömungsrichtung optimiert wurden (wie in 2 dargestellt). Damit erhöht sich sowohl im Pump- als auch im Turbinenmodus der Wirkungsgrad im Vergleich mit einem herkömmlichen Pumpspeicherkraftwerk, da nur so im Pump- und im Turbinenbetrieb die Leitschaufeln jeweils von der strömungsoptimierten Richtung her angeströmt werden können.
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Abschließend werden noch die Voraussetzungen diskutiert, die gegeben sein müssen, dass das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert in den wenigstens zwei Durchschwenk-Vorgängen, dass die Leitschaufeln wenigstens in zwei separaten Gruppen gedreht werden können. Das ist z.B. bei Leitapparaten mit einem einzelnen Regelring nicht möglich. Außerdem muss jede Leitschaufel um mehr als 180° drehbar sein, da nur so im Pump- und im Turbinenbetrieb die Leitschaufeln in unidirektionaler Anströmung verwendet werden können. Eine Realisierung dieser Anforderungen kann zum Beispiel dadurch erzielt werden, dass jede Leitschaufel mit einem separaten Rotationsaktuator individuell gedreht wird. Wenn der Rotationsaktuator direkt oberhalb der Leitschaufel am Leitschaufelzapfen angebracht wird, sind Drehungen größer als 180° ohne weiteres umsetzbar. Es können jedoch genauso gut einzelne Servomotoren, die über Hebel und Lenker an den Leitschaufeln angreifen, vorgesehen sein. Der große Drehbereich kann dabei durch Mittel zur Überwindung des Totpunktes realisiert werden. Es sind auch Anordnungen mit mehr als einem Regelring und entsprechenden Mitteln zur Überwindung des Totpunktes denkbar. Eine weitere Möglichkeit den Drehbereich auf über 180° zu erweitern besteht in Mechanismen, die ein „Umgreifen“ ermöglichen. Dabei wird in der Endstellung der konventionellen Drehbewegung die Verbindung zwischen Leitschaufel und Aktuator gelöst, der Aktuator zurückgedreht und anschließend die Verbindung zur Leitschaufel wieder hergestellt. Nun kann die Leitschaufel wieder in derselben Drehrichtung über die vormalige Endstellung hinaus weiter gedreht werden.
