Untersuchung des dynamischen Verhaltens einer reversiblen Pumpturbine bei Betrieb mit Luft

Abstract

Die steigende Nutzung von regenerativen Energien senkt einerseits die Schadstoffemissionen, erhöht aber andererseits die Anforderungen an die Stabilisierung und Regelung des Verbundnetzes. Deshalb werden unter anderem Pumpspeicherkraftwerke immer häufiger im Phasenschieberbetrieb betrieben. Bei dieser Betriebsart wird die Maschine ausgeblasen, d. h. der Wasserpegel wird so weit abgesenkt, dass das Laufrad der Pumpturbine in Luft, oberhalb einer freien Wasseroberfläche, rotiert. Unter bestimmten Bedingungen wird eine Oszillation der Wasseroberfläche angeregt, die unter Umständen sogar ins Laufrad ragt. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob das Überschreiten der Pumpgrenze (= Stabilitätsgrenze) der Pumpturbine, während des Phasenschieberbetriebes, ein möglicher Anregungsmechanismus für diese Oszillation ist. Dafür wurde das Modell mit konzentrierten Parametern von Greitzer auf den Francis-Pumpturbinen-Prüfstand der TU Wien angewandt. Dieses Modell wurde ursprünglich für Axialkompressoren entwickelt und später von Hansen auch erfolgreich auf Radialmaschinen angewandt. Mit diesem Modell lässt sich das Instabilitätsverhalten eines stationär betriebenen Kompressors bestimmen. Dafür wird das Kompressorsystem in drei Bereicheaufgeteilt: Kompressorkanal, Plenum und Drosselkanal. Die Anwendung des Modells mit konzentrierten Parametern erfordert neben gewissen Systemparametern auch die stationäre Kompressorcharakteristik. Die Charakteristik wurde durch gesammelte Messdaten des 4-Quadranten-Kennfelds bestimmt. Die Lösung des Differentialgleichungssystem wurde mit dem Berechnungsprogramm MATLAB durchgeführt. Dabei wurden Simulationen mit verschiedenen Aufteilungen der drei Bereiche, sowie Variationen diverser Parameter durchgeführt. Die Ergebnisse werden in dieser Arbeit gezeigt und mit Messdaten der Oszillation der freien Wasseroberfläche verglichen.

The increasing use of regenerative energies reduces pollutant emissions, but also leads to higher efforts for the stabilization and regulation of the power grid. For this reason, pumped storage power plants, among other things, are increasingly being operated in synchronous condenser mode. In this operating mode is the water level lowered and the runner of the pump turbine rotates in air, above a free water surface. Under certain conditions an oscillation of the water surface is stimulated. In this thesis it was investigated whether exceeding the surge margin (= stability limit) of the pump turbine is a possible excitation mechanism for this oscillation. Therefore the so-called Lumped Parameter Model of Greitzer was applied to the Francis pump turbine test rig of the Vienna University of Technology. This model was originally developed for axial compressors and later successfully applied by Hansen to radial machines. With this model the instability behaviour of a compressor during stationary operation can be determined. For this purpose the compressor system is divided into three areas: Compressor duct, plenum and throttle duct. The application of the Lumped Parameter Model requires certain system parameters as well as the stationary compressor characteristics. The characteristic was determined by collected measurement data of the 4-quadrant characteristic map. The solution of the differential equation system was performed with the program MATLAB. Simulations with different divisions of the three areas and variation of various parameters were performed. The results are shown in this thesis and compared with measured data of the oscillation of the free water surface.