Investigation of S-shape instabilities in reversible pump-turbines and systematic development of countermeasures

Abstract

Der steigende Energieverbrauch erfordert innovative Technologien, die zwar eine ökonomische Rentabilität von verfügbaren Ressourcen ermöglichen, jedoch auch ökologische Aspekte und Verträglichkeiten mit der Umwelt berücksichtigen. Um eine kontinuierliche Energieversorgung trotz volatiler Energieträger wie Wind und Sonne weiterhin zu gewährleisten, ist es unumgänglich, eine zuverlässige und flexible Energiespeicherung zu forcieren. Für derartige Anforderungen finden sogenannte Pumpspeicherkraftwerke ihre Anwendung, da diese entsprechend rasch auf etwaige Frequenzschwankungen innerhalb des elektrischen Netzes reagieren können. In dieser Kraftwerkstype werden häufig reversible Pumpturbinen als hydraulische Maschinen eingesetzt, deren Betrieb jedoch instabil werden kann, wenn die Kennlinien im Turbinenbetrieb eine S-förmige Charakteristik aufweisen - (den sogenannten S-Schlag. Als Folge wechselt der Betriebszustand der Anlage abrupt vom Turbinen- in den Rückwärtspumpenbetrieb, was wiederum zu erhöhten Druckschwankungen und schlussendlich zu signifikanten Belastungen der einzelnen Komponenten führt. Der S-Schlag kann unter Umständen den Anfahr- und Synchronisationsprozess verzögern und somit die Reaktionszeiten auf entsprechende Frequenzfluktuationen im elektrischen Netz maßgeblich beeinflussen. Zudem kann er bei Lastabwürfen erhebliche Probleme verursachen. Man benötigt daher exakte Voraussagen und detaillierte Untersuchungen dieser auftretenden Instabilitäten, um die wirkenden Mechanismen und Einflüsse des S-Schlages zu ergründen und daraus Kompensationsmaßnahmen zur Stabilisierung der Kennlinien abzuleiten. Um all die heutigen Anforderungen an den Betrieb derartiger reversibler Pumpturbinen erfüllen zu können, bedarf es ehrgeiziger Entwicklungen und innovativer Designs. Diese Forschungsarbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung des S-Schlages in reversiblen Pumpturbinen sowie einer systematischen Entwicklung von Gegenmaßnahmen. Dabei werden zugrundeliegende Mechanismen und auftretende Strömungsphänomene analysiert und die Sensitivitäten einzelner Hauptparameter hervorgehoben. Basierend auf den daraus gewonnenen Erkenntnissen werden alternative Designvarianten unter dem Aspekt der Wettbewerbsfähigkeit und der Fertigungsmöglichkeit entwickelt und anschließend auf einem Voith-Prüfstand des Forschungs- und Entwicklungszentrums Brunnenmühle in Heidenheim (Deutschland) validiert. Der erste Teil dieser Arbeit beschreibt neben der steigenden Notwendigkeit von Pumpspeicherkraftwerken auch die wachsenden Ansprüche an derartige Technologien in Hinblick auf eine zuverlässige Energiebereitstellung. Die damit verbundenen Herausforderungen und aufkommenden Problemstellungen definieren schlussendlich das eigentliche Forschungsziel dieser Arbeit. Da insbesondere der Betrieb von reversiblen Pumpturbinen durch den S-Schlag beeinflusst wird, erfolgt im zweiten Abschnitt eine detaillierte Beschreibung ihrer hydraulischen Komponenten und Betriebsmodi. Im zweiten Teil werden die Grundlagen der numerischen Strömungsberechnung erläutert und die mathematischen Zusammenhänge einer Unsicherheitsbetrachtung dargelegt. Der dritte Teil beschreibt jene Methodik, mit deren Hilfe sowohl die instabilen Kennlinien als auch die zugrundeliegenden lokalen Phänomene im Inneren der hydraulischen Maschine entsprechend erfasst werden können. Die finalen Einstellungen werden anschließend anhand unterschiedlichster Testfälle validiert. Hierfür wird beispielsweise auf die Untersuchungsergebnisse der HydroDyna Modellmaschine [26] zurückgegriffen, die eine Vielzahl an experimentellen Daten für den instabilen Betriebsbereich liefern. Zudem werden die untersuchten Pumpturbinen vorgestellt. Der vierte Teil umfasst den eigentlichen Hauptteil dieser Arbeit und reflektiert die analytischen, numerischen und experimentellen Untersuchungen und Ergebnisse. Im ersten Schritt erfolgt eine analytische Betrachtung der Problemstellung. Es werden kinematische Modelle entwickelt, mit deren Hilfe die instabilen Kennlinien approximiert werden können. Zudem erfolgt eine Stabilitätsklassifizierung von unterschiedlichen Betriebszuständen anhand grundlegender, analytischer Überlegungen. Die Resultate dieser Betrachtungsweisen fungieren als Grundlage für die nachfolgende Strömungsanalyse. Diese beruht auf den numerischen Strömungsberechnungen für die beiden Leitradöffnungen 10° und 26°. Es werden die Kennlinienverläufe numerisch reproduziert und die auftretenden Strömungsphänomene (ausgehend vom Bestpunkt, über den Synchronisationspunkt, bis in den Rückwärtspumpenbetrieb) untersucht. Ziel ist es, die zugrundeliegenden Mechanismen zu beschreiben und die Ursachen des S-Schlages zu analysieren. Der Einfluss von sogenannten Misaligned Guide Vanes (MGVs) auf das Stabilitätsverhalten der hydraulischen Maschinen wird ebenfalls erörtert. Die Ergebnisse der analytischen und numerischen Untersuchungen dienen als Basis für die nachfolgenden Designstudien. Es werden Designmodifikationen am Leit- und am Laufrad unter dem Aspekt der Wettbewerbsfähigkeit und der Fertigungsmöglichkeiten entwickelt und untersucht. Eine Sensitivitätsstudie veranschaulicht die Einflüsse von Hauptparametern auf die Intensität des S-Schlages. Drei Designvarianten werden auf einem Prüfstand des F&E Entwicklungszentrums Brunnenmühle validiert und mit der originalen Pumpturbine verglichen. Im fünften Teil dieser Arbeit werden alle Resultate nochmals aufbereitet, zusammengefasst und deren Korrelationen diskutiert. Es erfolgt eine Bewertung der Designvarianten hinsichtlich Stabilitätsverbesserung und Wirkungsgrad. Zudem werden Impulse für weitere Forschungsarbeiten gesetzt.

The increasing power consumption requires innovative technologies to ensure economic viability of available resources and to consider their ecological aspects and compatibility with the environment. As electricity generated by using wind- and solar energy has become more and more volatile, an efficient energy storage is needed to enable continuous availability of power. Focusing on flexible load balancing, pumped-storage power plants (PSPPs) are ideally suited for rapidly responding to abrupt frequency changes within the electric grid. They typically use reversible pump-turbines (RPTs) as hydraulic machines. Their operation might become unstable in turbine mode if so-called S-shaped characteristics (S-curves) occur. Those instabilities adversely affect the start-up procedure and prevent fast responses to grid frequency fluctuations. As a result, the operation switches back and forth between turbine and reverse pump mode, causing intensified pressure pulsations and in consequence strong mechanical vibrations. For this reason, precise predictions of S-shaped characteristics are necessary to investigate their causes and underlying mechanisms, to get a better understanding about occurring phenomena and to avoid such instabilities in the future. Fulfilling the requirements of a stable and reliable operation under continuously expanding operating ranges is a great challenge for the design and necessitates ambitious developments. Derived therefrom, this thesis deals with the investigation of S-shape instabilities in reversible pump-turbines, combined with a systematic development of countermeasures. Influencing phenomena and driving mechanisms of such an unstable operation are analyzed and sensitivities of particular parameters highlighted, while the focus is put on potential solutions for improving system stability. As a consequence, alternative design variants are developed considering the aspect of competitiveness and manufacturing possibilities. Several modifications are subsequently validated on a test-rig at Voith's R&D laboratory Brunnenmühle in Heidenheim (Germany). Part I reviews the global importance of hydroelectricity and surveys the modern role of PSPPs concerning their compensation of frequency fluctuations within the electric grid. The related description of future challenges for a reliable load balancing reveals emerging problems and research objectives. Hence, the operation of RPTs is particularly affected by such S-shape instabilities, the second chapter of this part emphasizes the operating principle and the individual components of this type of hydraulic machine. Part II gives a theoretical overview on computational fluid dynamics (CFD) covering the governing equations, the turbulence modeling, the near-wall treatment and the numerical methods. Basics of experimental uncertainties are explained too. Part III provides a methodology to accurately predict S-shaped characteristics and to determine local effects in hydraulic machines appropriately. It describes the investigated scaled RPT models, the numerical setup and the validation test cases. As an example, the HydroDyna project was introduced to analyze flow phenomena along the S-curve and disclosed a variety of experimental data. These results are used for validating the final numerical setup, comparing integral quantities and local pressure distributions with experimental data in the vaneless space at low discharge. Part IV comprises the actual main part of this work and reflects the results of analytical, numerical and experimental investigations. The unstable operation of reversible pump-turbines and the underlying mechanisms are initially observed from an analytical perspective. Based on simple formulations, kinematic models are derived to approximate S-shaped characteristics. Further theoretical approaches deal with a stability classification of local flow conditions. Focusing on fundamental correlations between an unstable operation and arising flow phenomena, these analytical assessments are intended to provide initial indications of potential causes of S-shape instabilities. In a further step, the numerical results are highlighted, involving predictions of S-shaped characteristics and a flow analysis which describes flow phenomena from best efficiency point (BEP) along the S-curve down to operation in reverse pump mode at a wicket gate opening of 10° and 26°. The influence of Misaligned Guide Vanes (MGVs) is carried out as well. Combined with the results of the flow analysis, it serves as a basis for the subsequent design study. Several modifications are performed on the guide vane and the runner design, aiming to improve system stability under the aspect of competitiveness and manufacturing possibilities. A sensitivity study additionally clarifies the influence of main design parameters on the slope of characteristics. Three different design modifications are experimentally validated on a test-rig at the R&D laboratory Brunnenmühle. The results are compared with those obtained from the original design. In Part V, relevant results of Part III and Part IV are discussed and their consequences on system stability and efficiency assessed. A comparison of analytical, numerical and experimental results quantifies their significance and allows conclusions to be made on potential correlations. Furthermore, research perspectives are introduced and impulses for future works presented.