-
Verfahren zur Verhütung von Schwall- und Sunkbildung beim Abschalten
von aus Kaplanturbine und Generator bestehenden Maschinensätzen in Flußkraftwerken
Beim Abschalten eines aus Kaplanturbine und Generator bestehenden Maschinensatzes
wird die Turbine normalerweise so gesteuert, daß nach dem Fallen des Leistungsschalters
das Laufrad und das Leitrad selbsttätig schließen. Das Maß der Schließbewegung von
Lauf- und Leitrad ist dabei so festgelegt, daß sich im Falle einer Totalabschaltung
des Maschinensatzes aus dem Vollastbetrieb heraus die Durchflußmenge der Turbine
innerhalb eines möb liehst kurzen Zeitraumes --- je nach Größe der Turbine in etwa
3 bis 7 Sekunden -- um über 900/0 verringert.
-
Bei Flußkraftwerken hat eine solch rasche starke Verringerung der
Turbinendurchflußmenge jedoch zur Folge, daß im Ober- und Unterwasser nach allen
Richtungen der freien Wasseroberfläche hin sich ausbreitende und unter anderem eine
Vergrößerung der Neigung des Oberwasserspiegels bzw. ein plötzliches Absinken des
Unterwasserspiegels verursachende Schwall- bzw. Sunkwellen entstehen, die insbesondere
für eine eventuell auf dem Wasserlauf betriebene Schiffahrt sowie auch für den Betrieb
der dabei meist unmittelbar neben der Kraftwerksanlage angeordneten Schiffsschleusen
eine erhebliche Gefährdung darstellen. Zumindest bei Kraftwerken in solchen Wasserläufen,
die gleichzeitig der Schiffahrt dienen, müssen deshalb besondere Maßnahmen vorgesehen
werden, durch die dem Auftreten von Schwall- und Sunkbildung beim Abschalten der
Maschinensätze entgegengewirkt wird.
-
Dies kann in bekannter Weise dadurch geschehen, daß der Maschinensatz
beim Fallen des Leistungsschalters automatisch auf einen Wasserwiderstand umgeschaltet
wird. Diese Maßnahme hat allerdings den Nachteil einer erheblichen Vergrößerung
und insbesondere Verteuerung der Anlagen durch die zusätzlichen Wasserwiderstände
und die dafür erforderliche Regulierung.
-
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Wehre der Kraftwerksanlage
mit einer Schnellsenkvorrichtung zu versehen, die beim Fallen des Leistungsschalters
automatisch anspricht. Um zu gewährleisten, daß über die Wehre etwa die dem verringerten
Durchfluß durch die Turbine entsprechende Menge Betriebswasser abgeführt wird, ist
hierbei ein genauer Wehrplan mit Automatik erforderlich, weshalb auch diese Maßnahme
verhältnismäßig aufwendig ist. Zudem hat sie aber auch den Nachteil, daß sich ein
vollständiges Verhüten der Schwallwelle mit ihr nicht erzielen läßt.
-
Eine weitere bekannte Maßnahme besteht in der Anordnung von Nebenauslässen
in den Turbinenspiralen oder auch in deren Zulaufkanälen. Von dem zusätzlichen Aufwand
für die Nebenauslässe und einer für diese erforderlichen entsprechenden Regulierung
abgesehen, kann auch diese Maßnahme nicht befriedigen, da sich mit ihr die Größe
der Schwall-und Sunkbildung wegen der zu langen Öffnungszeiten für die Auslässe
nur ungenügend reduzieren läßt.
-
Zwecks Vermeidung zusätzlicher Einrichtungen macht man auch davon
Gebrauch, die Regulierung der Kaplanturbinen von Flußkraftwerken in besonderer Weise
auszubilden, nämlich so, daß der Wasserdurchfluß durch die Turbine bei einem Lastabwurf
zumindest noch so lange, wenn auch in verringertem Maße, aufrechterhalten wird,
bis eine normale Wehrsenkung eingeleitet ist und das überschüssige Wasser über das
Wehr abzufließen beginnt. So ist es beispielsweise bekannt, die Regulierung der
Kaplanturbinen von Flußkraftwerken so auszubilden, daß nach dem Fallen des Leistungsschalters
das Laufrad auf Vollöffnung eingesteuert wird, während sich das Leitrad frei am
Fliehkraftpendel der Reguliervorrichtung auf die zugehörige Leerlaufstellung einreguliert,
so daß die Turbine so lange die der Vollöffnung des Laufrades entsprechende maximale
Leerlaufwassermenge bei Normaldrehzahl abführen kann, bis durch die gleichzeitig
eingeleitete Wehröffnung der Wasserabfluß vom Wehr übernommen wird, woraufhin das
Laufrad geschlossen und die Turbine in die normale Leerlaufstellung gebracht wird.
Dabei wird von der bekannten Eigenschaft der Kaplanturbinen Gebrauch
gemacht,
daß die Durchflußmenge der Turbine im Leerlauf bei vollgeöffnetem Laufrad wesentlich
größer ist als bei gleicher Drehzahl und geschlossenem Laufrad; bei den in Flußkraftwerken
Verwendung findenden Niederdruck-Kaplanturbinen bei Normaldrehzahl beispielsweise
40 bis 60% der Vollwassermenge bei voller Öffnung des Laufrades gegenüber 8 % bei
geschlossenem Laufrad.
-
Gemäß einem anderen bekannten Vorschlag wird nach dem Fallen des Leistungsschalters
das Laufrad entsprechend einer vorgegebenen fest eingestellten Schließzeit gleichmäßig
geschlossen. Gleichzeitig wird das Leitrad zwangläufig so in Schließrichtung gesteuert,
daß möglichst eine solche Abhängigkeit der Leitradöffnung a0 von der Laufradöffnung
g. erreicht wird, die derjenigen für den Betrieb der Turbine ohne Leistungsabgabe,
also im Leerlauf, gleichkommt. Da zwecks Vermeidung einer zu großen Drehzahlsteigerung
hierbei der für den normalen Betrieb geltende Zusammenhang zwischen der Laufradöffnung
(p und der Leitradöffnung a0 möglichst rasch aufgehoben werden muß, wird das Leitrad
anfänglich sehr schnell und im weiteren Verlauf des Abschaltvorgangs zunehmend langsamer
geschlossen, und zwar so, daß der durch die Turbine gehende Wasserstrom zunächst
sehr schnell auf etwa die Hälfte und dann bis zum Ende des Abschaltvorgangs allmählich
weiter auf die normale Leerlaufwassermenge von etwa 8% der Vollastwassermenge verringert
wird.
-
Da bei beiden bekannten Abschaltvorgängen nach dem Fallen des Leistungsschalters
innerhalb weniger Sekunden ein erheblicher Teil des zuvor durch die Turbine gehenden
Wasserstroms abgesperrt wird, läßt sich mit ihnen gleichermaßen die Entstehung von
Schwall und Sunk nicht völlig verhindern, sondern bestenfalls im Sinne einer Erniedrigung
der Schwallhöhe und der Sunktiefe beeinflussen, wobei das erzielte Ergebnis aber
in vielen Fällen, insbesondere da, wo es an der für ein möglichst rasches Verflachen
der Schwall- und Sunkwellen erforderlichen Ausdehnung der Wasseroberfläche quer
zur Strömungsrichtung fehlt, den Erfordernissen nicht gerecht wird. Darüber hinaus
weisen die bekannten Abschaltvorgänge aber noch verschiedene andere Mängel auf.
So ist es beispielsweise nicht möglich, den zuerst beschriebenen Abschaltvorgang
durchzuführen, wenn die Leerlaufwassermenge bei vollgeöffnetem Laufrad über die
Teilwassermenge der im Betrieb befindlichen Turbine liegt, da hierbei der umgekehrte
Fall einer Sunkbildung im Oberwasser verbunden mit einem Schwall im Unterwasser
eintreten würde. Andererseits hat der zuletzt beschriebene Abschaltvorgang beispielsweise
den Nachteil, daß eine mit der Verringerung der durch die Turbine gehenden Wassermenge
auf etwa 8% der Vollwassermenge gleichlaufende Wehrsenkung absolut notwendig ist.
Damit der Wasserdurchfluß nicht unterbrochen wird, ist es hierbei ferner eine notwendige
Voraussetzung, daß die Wehre unmittelbar neben der Turbinenanlage liegen.
-
Zweck der Erfindung ist es, das Abschalten von aus Kaplanturbine und
Generator bestehenden Maschinensätzen in Flußkraftwerken in einer solchen Weise
zu ermöglichen, daß selbst bei ungünstigen Verhältnissen, beispielsweise wenn unmittelbar
neben der Turbinenanlage eine Schiffsschleuse und erst in größerer Entfernung davon
die Wehranlage angeordnet ist, die Entstehung von Schwall und Sunk zumindest nahezu
völlig verhindert wird. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der im Augenblick
des Abschaltens durch die Turbine gehende Wasserstrom nach dem Fallen des Leistungsschalters
oder nach einer anderweitigen Auslösung des Abschaltvorgangs während einer möglichst
kurz zu wählenden einstellbaren ersten Zeitspanne durch Öffnen des Laufrades um
einen bei jedem Abschaltvorgang gleichen, unabhängig von der jeweiligen Belastung
im Augenblick des Abschaltens einstellbaren Betrag, beispielsweise 15,6% (5° Laufradwinkel),
und durch gleichzeitiges Schließen des Leitrades um einen bei jedem Abschaltvorgang
ebenfalls gleichen, der gewählten Laufradöffnung entsprechend festgelegten Betrag,
beispielsweise 21%, in voller Höhe aufrechterhalten wird, ferner dadurch, daß er
dann während einer einstellbaren zweiten längeren Zeitspanne durch kontinuierliches
Schließen des Leitrades bei unveränderter Laufradöffnung allmählich bis ungefähr
auf die der vorhandenen Laufradöffnung bei Normaldrehzahl entsprechende erhöhte
Leerlaufwassermenge verringert wird, daß er dann während einer dritten Zeitspanne
durch freies Einregulieren der Leitradöffnung über das Fliehkraftpendel des Reglers
in die der unveränderten Laufradöffnung bei Normaldrehzahl entsprechende Leerlaufstellung
auf die zugehörige erhöhte Leerlaufwassermenge eingesteuert und in dieser Größe
so lange aufrechterhalten wird, bis die Wehranlage den Wasserabfluß übernimmt, und
daß der Wasserstrom dann schließlich während einer vierten Zeitspanne durch Schließen
des Laufrades über das Fliehkraftpendel des Reglers bis zur normalen Leerlaufstellung
auf die normale Leerlaufwassermenge verringert wird.
-
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird vorgesehen, die
erste kurze Zeitspanne des Abschaltvorgangs und/oder den Betrag der öffnungs-bzw.
Schließbewegung des Laufrades und des Leitrades so zu bemessen, daß nicht nur ein
konstanter Wasserdurchfluß durch die Turbine erhalten bleibt, sondern daß auch die
durch die schnelle Änderung der Zuordnung zwischen Laufradöffnung 99 und Leitradöffnung
a0 bedingte Drehzahlsteigerung einen Wert von maximal 40% der Normaldrehzahl der
Turbine nicht überschreitet. Entsprechend der einmal festgelegten Werte ergibt sich
dann im gesamten Belastungsbereich der Turbine bei jedem Abschaltvorgang während
der ersten kurzen Zeitspanne nach Fallen des Leistungsschalters stets derselbe Drehzahlanstieg.
-
Da im weiteren Verlauf des Abschaltvorgangs die Drehzahlsteigerung
mit Sicherheit unter derjenigen während der ersten kurzen Zeitspanne bleibt, eignet
sich das erfindungsgemäße Verfahren demnach nicht nur zur Verhütung von Schwall-
und Sunkbildung, sondern auch zur Begrenzung der Durchgangsdrehzahl bei Strömungsmaschinen
mit verstellbaren Leit-und Laufradschaufeln, insbesondere Kaplanturbinen. In diesem
Fall müßte dann selbstverständlich vorgesehen werden, daß das Verfahren nicht nur
nach dem Fallen des Leistungsschalters bzw. einer anderweitigen Auslösung eines
Abschaltvorgangs, sondern auch bei jeder ein zulässiges Maß überschreitenden plötzlichen
Teilentlastung einsetzt und dann bei Erreichen einer solchen Zuordnung zwischen
der Laufradöffnung (p und der Leitradöffnung aa, bei der die Gefahr eines überschreitens
dervorgegebenen höchstzulässigen Durchgangsdrehzahl der Turbine nicht
mehr
besteht, wieder aussetzt und die Turbine weiterhin vom Regler entsprechend seiner
normalen Funktion auf die der veränderten Belastung entsprechende Zuordnung zwischen
der Laufradöffnung q- und der Leitradöffnung a" einreguliert wird.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Zeichnung am Beispiel einer
Niederdruck-Kaplanturbine mit einem 5flügeligen Laufrad an Hand einiger Diagramme
im Vergleich mit den bekannten Abschaltvorgängen veranschaulicht. In F i g. 7 ist
die Laufradöffnung ri-, in F i g. 2 die Leitradöffnung aa, in F i g. 3 der durch
die Turbine gehende Wasserstrom Q und in F i g. .1 die Drehzahlsteigerung über der
Zeit aufgetragen, und zwar in den punktiert gezeichneten Kurven 1 für den erfindungsgemäßen
Abschaltvoraang und in den ausgezogen bzw. Qestrichelt gezeichneten Kurven 2 und
3 für die bekannten Abschaltvorgänge.
-
Den für eine Abschaltzeit von etwa 65 Sekunden gezeichneten Diagrammen
ist ein vorausgehender Betrieb der Turbine bei Nennleistung und Vollwasserstrom
zugrunde gelegt, der für alle drei Abschaltvorgänge durch die strichpunktiert gezeichneten
Kurvenstücke links der Zeit 0 Sekunden, bei der das Fallen des Leistiln"sscllalters
erfolgt, dargestellt ist. Ferne wurde bei der nur als Beispiel zu wertenden Darstellung
an`=enommen, daß das Laufrad und das Leitrad bei der Wassermenge 100°'e nicht üb@:.röffnet
sind.
-
Beim erfindungsgemäßen Abschaltvorgang (Kurven 1) wird nach dem Fallen
des Leistungsschalters im Zeitpunkt 0 Sekunden das Laufrad innerhalb einer ersten
sehr kurzen Zeitspanne ti - hier etwa 2 bis 3 Sekunden - um einen einmal gewählten,
dann aber unabhängig von der jeweiligen Belastung bei jedem Abscllaltvorgana, also
beispielsweise auch bei einer 50e eigen Abschaltöffnung des Laufrades, Gleichen
Betrag; x geöffnet und aleiclizeitig das Letrad um einen ebenfalls einmal gewätllteii,
dann aber unabh@inai`@ von der jeweili-en Belastung bei jedem Abschaltvor@gana,
also beispielsweise auch bei einer 5J'1 Ul@rell Abschaltöfnung des Leitrades, gleichen
Betrag v Geschlossen. Die Werte von x und 1? sind dabei so aufeinander abgestimmt,
daß der im Augenblick des Abschaltens durch die Turbine gehende Wasserstrom während
dieser Zeitspanne t, unverändert aufrechterhalten bleibt. Bei dem hier veranschaulichten
Beispiel sollen die Werte x und v ihrer Größe nach außerdem so bemessen und mit
der Dauer der Zeitspanne ti so abgestimmt sein, daß die Drehzahlsteigerung im Verlauf
dieser ersten Phase des Abschaltvor@(ailgs mit Sicherheit nicht Größer ist als beispielsweise
35 °;'o der Normaldrehzahl.
-
Im weiteren Verlauf des erfindungsgemäßen Abschaltvorgangs wird innerhalb
einer zweiten längeren Zeitspanne t" - hier etwa 40 Sekunden - das Leitrad bei konstanter
Laufradöffnung kontinuierlich und hier auch gleichmäßig geschlossen und dadurch
der durch die Turbine geLende Wasserstrom in entsprechender Weise allmählich bis
angenähert auf die der unveränderten Laufradöffnung bei Normaldrehzahl entsprechende
erhöhte Leerlaufwassermene verringert. Durch Verlängern oder auch Verkürzen der
einstellbaren Lehradschließzeit hat man es dabei in der Hand, die Wasserstromabnahme
abweichend von der Darstellung in F i g. 3 in jeder gewünschten und nach eingestellter
Leitradschließzeit t., mehr oder weniger schnell der Normaldrehzahl -nähert, wird
dann die weitere Verstellbewegung des Leitrades freigegeben, d. h. das Leitrad kann
sich nunmehr während einer dritten Zeitspanne t.; frei am Pendel des Reglers auf
die der auch weiterhin unverändert beibehaltenen Laufradöffnung bei Normaldrehzahl
entsprechende Leerlauföffnung einregulieren, wobei sich der Wasserstrom auf die
zugehörige erhöhte Leerlaufwassermenge einstellt. Dieser Zustand wird so lange beibehalten,
bis wieder normale Verhältnisse hergestellt sind und der Wasserstrom dann im Verlauf
einer hier nicht dargestellten weiteren Abschaltphase auf die normale Leerlaufwassermenge
verringert oder in anderer Weise beeinflußt wird.
-
Demgegenüber wird bei dem einen bekannten Abschaltvorgang (Kurven
2) nach dem Fallen des Leistungsschalters das Laufrad in verhältnismäßig kurzer
Zeit immer auf volle Öffnung gebracht und das Leitrad frei am Pendel des Fliehkraftreglers
auf die der Vollöffnung des Laufrades entsprechende Leerlauföffnung bei Normaldrehzahl
einreguliert, während leim anderen bekanntenAbschaltvorgang (Kurven3) Lauf- und
Leitrad vom Fallen des Leistullgsscllalters weg zwangläufig in Schließrichtung auf
die normale Leerlaufstellung eingesteuert werden. In beiden Fällen schließt dabei
das Leitrad anfänglich sehr schnell Lind in sehr erheblichem Maße, wodurch unmittelbar
nach dem Auslösen des Abschaltvorgangs eine so rasche und starll-e Verringerung
des Wasserstroms verursacht wird, daß ein vollständiges oder doch zumindest nahezu
vollständiges Verhüten von Schwall und Sunk nicht möglich ist.
-
Wie aus F i g. 4 zu ersehen ist, steigt bei den angenommenen Abschaltbedingungen
die Drehzahl in der ersten kurzen Zeit nach dem Fallen des Leistungsschalters in
beiden bekannten Fällen zumindest ebenso stark an wie beim erfindungsgemäßen Abschaltvorgatlg,
während sie sich dann im weiteren Verlauf des Abschültvorgangs im einen Fall (Kurven
2) auf einen niedrigeren, im anderen Fall (Kurven 3) auf einen höheren Wert einstellt.
Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Abschaltvorgang, bei dem die maximale Drehzahlsteigerung
in der ersten kurzen Zeit nach dem Fallen des Leistungsschalters im gesamten Belastungsbereich
konstant ist, ändert sich diese bei den bekannten Abschaltvorgängen entsprechend
der jeweiligen Abschaltbelastung und kann dabei noch größere als die dargestellten
Werte annehmen.