Experimentelle Untersuchung zur Leerlaufdrehzahl einer Pumpturbine

Abstract

Die Gewinnung von Energie aus erneuerbaren Energiequellen spielt eine immer größere Rolle in unserem Alltag und trägt so dem Nachhaltigkeitsgebot Rechnung. Eine der größten Herausforderungen hierbei ist jedoch die notwendige Speicherung der erzeugten Energie, um Engpässe zu überwinden. Hier spielt nun die Pumpspeicheranlage eine wesentliche Rolle, da mit dieser Energie (Wasser) zwischen einem Ober- und Unterbecken transportiert wird und je nach Richtung Energie erzeugt (bis in den MW Bereich) oder Energie in Form von potenzieller Energie gespeichert wird. Mit dem Hintergrundwissen der immer größeren Nachfrage nach der Speicherung und der allgemeinen Erzeugung von Energie, wird den Maschinen immer mehr abverlangt und man möchte das Maximum aus jedem Energieerzeuger herausholen. Eine Gefahrenquelle birgt der Lastabwurf bei Betrieb der Anlage, der im Falle eines Kurzschlusses im Kraftwerk zustande kommen kann. Infolgedessen das Beschleunigen der Maschine auf Durchgangsdrehzahl. Dies hat nicht nur wirtschaftliche Auswirkungen, sondern die Anlage wird auch sehr großen dynamischen Belastungen ausgesetzt. In dieser Arbeit wird das Verhalten der Durchgangsdrehzahl (Runaway Speed) bei Lastabwurf auf einem Pumpturbinenmodell am Institut für Energietechnik und Thermodynamik der Technischen Universität Wien untersucht. Es wird mittels Abschätzungsformeln aus der Literatur eine Erhebung der möglichen Durchgangsdrehzahl durchgeführt, mit dieser, anschließend jene Durchgangsdrehzahl abgeschätzt werden soll, die sich für das Modell unter Einhalt jeglicher Grenzen ergibt. Diese Abschätzung soll in weiterer Folge mit den erhobenen Messwerten in Bezug auf Genauigkeit, Komplexität und Abweichungen voneinander untersucht und beurteilt werden. Die Arbeit gliedert sich in zwei praktische Bereiche. Einerseits soll ausgehend von erhobenen Messwerten aus dem Vier-Quadranten-Kennfeld im Turbinenbetrieb eine Gegenüberstellung der Durchgangsdrehzahl in Relation zu den Drehzahlen bei maximalem Wirkungsgrad erfolgen. Andererseits soll die Synchronisationskurve der Maschine sowie die Charakteristiken der Durchgangsdrehzahl erfasst werden. Weiters wird im Zuge der Runaway-Kurve eine Sensibilitätsanalyse der Drehzahlen durchgeführt.

Generating energy from renewable sources is playing an increasingly important role in our everyday lives, helping to meet the challenge of sustainability. However, one of the biggest challenges is the need to store the generated energy in order to overcome bottlenecks. This is where pump storage systems plays a key role, as it transports energy (water) between an upper and a lower reservoir and, depending on the direction, generates energy (up to the MW range) or stores energy in the form of potential energy. Against the backdrop of an ever-increasing demand for energy storage and generation in general, more and more is being demanded of the machines and the desire is to get the maximum out of each energy generator. One source of danger is a black out of the generator, which can occur in the event of a short circuit in the power plant. This has not only economic consequences, but also exposes the system to very high dynamic loads and accelerations up to runaway speed. This thesis investigates the behaviour of the runaway speed during load shedding of a pump turbine model at the Institute of Power Engineering and Thermodynamics at the Vienna University of Technology. Using estimation formulae from the literature, a survey of the possible runaway speeds is carried out, which is then used to estimate the runaway speed that results for the model within all limits. This estimate will then be analysed and evaluated in terms of accuracy, complexity and deviation from the measured values. The work is divided into two practical areas. On the one hand, a comparison of the runaway speed with the speeds at maximum efficiency is to be made on the basis of the measured values from the four-quadrant map during turbine operation. On the other hand, the synchronisation curve of the machine and the characteristics of the runaway speed will be recorded. Finally, a sensitivity analysis of the speeds along the runaway curve is carried out.