000000290868 - Bundesamt für Energie BFE

Eidgenössisches Departement für
Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK
Bundesamt für Energie BFE
Jahresbericht 2011
Schwebstoff-Monitoring und Verschleiss an
Peltonturbinen
Suspended load monitoring and Pelton
turbine wear
\\homes7.vaw.baug.ethz.ch\homes\MSDesktop\Felix_2011 Schwebstoffmonitoring und Turbinenabrasion_BFE.docx
Auftraggeber:
Bundesamt für Energie BFE
Forschungsprogramm Wasserkraft
CH-3003 Bern
www.bfe.admin.ch
Kofinanzierung und Industriepartner:
- swisselectric research
Seilerstrasse 3
Postfach 7950
CH-3001 Bern
http://www.swisselectric-research.ch
- Gommerkraftwerke AG (gkw)
Michligschrota 2
CH-3995 Ernen
http://www.gkw-ag.ch
- Andritz Hydro AG
Obernaustrasse 4
CH-6010 Kriens
http://www.andritz.com/de/ANONID4F1C646C2FA9E078/hydro.htm
- Rittmeyer AG
Inwilerriedstrasse 57
CH-6340 Baar
http://www.rittmeyer.com
Auftragnehmer:
ETH Zürich
Versuchsanstalt für Wasserbau,
Hydrologie und Glaziologie (VAW)
Gloriastrasse 37/39
CH-8092 Zürich
www.vaw.ethz.ch
Forschungspartner der VAW:
Hochschule Luzern, Technik und Architektur
Kompetenzzentrum für Fluidmechanik und Hydromaschinen
Prof. Dr. Thomas Staubli
Technikumsstrasse 21
CH - 6048 Horw
http://www.hslu.ch/fmhm
Autoren:
Prof. Dr. Robert Boes, VAW, boes@vaw.baug.ethz.ch
Dr. Ismail Albayrak, VAW, albayrak@vaw.baug.ethz.ch
David Felix, VAW, felix@vaw.baug.ethz.ch
BFE-Bereichsleiter:
BFE-Programmleiter:
BFE-Vertragsnummer:
Dr. Michael Moser
Dr. Klaus Jorde
SI/500638-01
Für den Inhalt und die Schlussfolgerungen sind ausschliesslich die Autoren dieses Berichts
verantwortlich.
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Zusammenfassung
Bei Wasserkraftwerken, insbesondere an Hoch- und Mitteldruckanlagen in teilweise vergletscherten Einzugsgebieten (Fig. 1), bei welchen gefasstes Wasser ohne Aufenthalt in
einem Speichersee turbiniert wird, kann der Hydroabrasiv-Verschleiss an Turbinen (Fig. 2)
und Stahlwasserbauteilen infolge schwebstoffhaltigem Triebwasser erhebliche Betriebskosten und Ertragseinbussen verursachen [3]. Da bei Stauanlagen mit aktuellen Verlandungsproblemen auch die Möglichkeit des gezielten Turbinierens von schwebstoffhaltigem Wasser vermehrt geprüft wird und infolge des beobachteten Rückzugs von Gletschern
und Permafrost im alpinen Raum mehr Sedimente anfallen, gewinnt die Thematik weiter an
Aktualität.
An einer bestehenden Hochdruck-Wasserkraftanlage im Wallis (KW Fieschertal), die über
keinen Speichersee verfügt und bei welcher seit Inbetriebnahme im Jahr 1975 starker Hydroabrasiv-Verschleiss beobachtet wird, soll die Schwebstoffführung des Triebwassers mittels
neuartiger Messtechnik (in situ Laserdiffraktometer) [1] kontinuierlich erfasst werden. Die
Schädigung der Peltonturbine, d.h. der Materialabtrag an den Bechern und Düsenspitzen,
und die Reduktion des Wirkungsgrads werden durch mehrere Inspektionen bzw.
Messungen dokumentiert und mit der Einwirkung, d. h. der Schwebstoffführung des Triebwassers, korreliert, um Berechnungsansätze zur Prognose des Hydroabrasiv-Verschleisses
zu überprüfen und zu erweitern.
Da Kraftwerksbetreiber an möglichst robusten, kostengünstigen und aussagekräftigen Messsystemen zur Überwachung der im Zufluss und im Triebwasser enthaltenen Schwebstoffe
(Konzentration und Partikelgrössenverteilung, Fig. 5) interessiert sind [2], sollen neben dem
Laserdiffraktometer verschiedene andere optische und akustische Systeme miteinander
verglichen und Empfehlungen für die Anwendung der Messsysteme an Wasserkraftanlagen
formuliert werden.
Aus der verbesserten Kenntnis der Einflussfaktoren des Hydroabrasiv-Verschleisses lassen
sich Gegenmassnahmen und Strategien zur Verminderung von Abrasionsschäden ableiten
und die Anlagenkonzeption bzw. der Anlagenbetrieb durch Betrachtung des Gesamtsystems, welches aus baulichen Anlagen und elektromechanischer Ausrüstung besteht,
wirtschaftlich optimieren.
Fig. 1: Beispiel eines alpinen Einzugsgebiets mit teilweiser Vergletscherung und
hoher Sedimentverfügbarkeit (Blick auf den
Fieschergletscher, 2011, Bild: VAW).
Fig. 2: Beispiel von Abrasionsschäden an
den Bechern eines Pelton-Laufrads
(Ausstellungsobjekt beim der Wasserkraftanlage Emossion, VS, Bild: VAW, 2010).
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Projektziele
In dieser Forschungsarbeit soll mit Hilfe einer Fallstudie an einer bestehenden Hochdruckwasserkraftanlage in der Schweiz, an der starker Turbinenverschleiss auftritt, das
Prozessverständnis in Bezug auf den Hydroabrasiv-Verschleiss durch Schwebstoffe im
Triebwasser (Fig. 3 und Fig. 4) verbessert werden.
Die Schwebstoffe im Triebwasser sollen kontinuierlich unter Berücksichtigung der Korngrössen erfasst und mit der periodisch gemessenen Abrasion an Peltonturbinen und der
Wirkungsgradabnahme korreliert werden. Es soll ein möglichst vollständiger Messdatensatz
erstellt werden, welcher auch zur Kalibrierung von numerischen Modellen eingesetzt
werden kann.
Die Messresultate sollen in einem zweiten Teilprojekt mit bestehenden Berechnungsansätzen zur Prognose des Hydroabrasiv-Verschleisses und soweit möglich mit Daten von
Verschleissuntersuchungen an anderen Wasserkraftanlagen verglichen werden, um zur
Weiterentwicklung von Prognosemodellen für den Hydroabrasiv-Verschleiss beizutragen.
Dadurch soll letztlich die Effizienz der Wasserkraftnutzung gesteigert werden.
Als Beitrag für einen möglichst wirtschaftlichen Betrieb von Wasserkraftanlagen sollen verschiedene Messsysteme, mit welchen die Schwebstoffführung des Triebwassers (Konzentration und Partikelgrössenverteilung, Fig. 5) in Echtzeit überwacht werden kann, evaluiert,
im Labor und am Prototypen getestet und Empfehlungen für den Einsatz solcher Messgeräte
an Wasserkraftanlagen erarbeitet werden.
Fig. 3: Sedimente aller Korngrössen am
Gletschertor des Fieschergletschers, wenig
oberhalb der Wasserfassung des Kraftwerks
Fieschertal (Sept. 2011, Bild: VAW).
Fig. 4: Beispiel eines Bergflusses mit starker
Geschiebe- und Schwebstoffführung
(Mündung des Wisswassers in den Rotten,
bei Fiesch, August 2010, Bild: VAW).
Fig. 5: Beispiel von mineralischen Partikeln,
die kleiner sind als das übliche Bemessungskorn eines Entsanders und folglich in Laufwasserkraftwerken turbiniert werden
(Feinsand < 0.25 mm, mit Zentimetermassstab als Grössenvergleich, Bild: VAW).
Fig. 6: Laserdiffraktometer LISST 100X-C,
welches für die kontinuierliche Erfasssung
der Schwebstoffe im Triebwasser eingesetzt
wird. Es können Partikel zwischen 2 und
500 m in 32 Grössenklassen erfasst werden
(Bild: www.sequoiasci.com).
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Durchgefü
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Felix_2011 Schwebsttoffmonitoring und Tu
urbinenabrasion_BFE
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grad-Monitoring der Peltonturbinen, digitale Erfassung der Geometrie der Laufradbecher und Düsenspitzen.
Das Forschungsprojekt wird finanziell im Wesentlichen von swisselectric research
unterstützt. Engineering-Mitarbeiter von swisselectric-Mitgliedsunternehmen (z.B.
BKW) sind am Projekt beteiligt.
Der Betreiber des Kraftwerks, an welchem die Untersuchung durchgeführt wird,
beteiligt sich an den Kosten des Forschungsprojekts und trägt die Produktionsausfälle, die für die periodischen Turbineninspektionen im Sommerhalbjahr erforderlich werden.
Weiter beteiligen sich zwei Industriepartner am Forschungsprojekt: Andritz Hydro AG,
Kriens, für Peltonturbinen und Rittmeyer AG, Baar, für Sedimentmonitoring mit
akustischen Methoden [4].
Internationale Zusammenarbeit
Im November 2011 wurden an einem Workshop in Oslo zwischen der VAW und skandinavischen Wasserkraftingenieuren und Behörden Erfahrungen über den Umgang mit Sedimenten an Wasserkraftanlagen ausgetauscht. Der Workshop wurde von Statkraft, dem
grössten Energieversorgungsunternehmen Norwegens, welches auch an zahlreichen
Wasserkraft- und Sedimentforschungsprojekten im Ausland beteiligt ist, durchgeführt. Es
zeigte sich, dass die Sedimentproblematik eine zunehmende Bedeutung hat und ein grosser
Bedarf an Forschungsarbeiten in diesem Bereich besteht. Die im vorliegenden Forschungsprojekt eingesetzten Methoden und Messgeräte entsprechen dem internationalen Stand der
Technik.
Ausblick 2012
Im ersten Quartal 2012 werden die am Prototypen (im Feld) zum Einsatz kommenden
optischen und akustischen Messsysteme zur Erfassung der Schwebstoffe im Labor
getestet. Dazu werden in einem Tank verschiedenartige Schwebstoffpartikel mit steigender
Konzentration in Wasser angemischt und in Schwebe gehalten. Mir den verschiedenen
Messsystemen und mit Schöpfproben, die im Labor ausgewertet werden, werden die
Konzentration und sofern möglich die Korngrössenverteilung der Schwebstoffpartikel
bestimmt und anschliessend verglichen. So kann das Verhalten der Messgeräte unter
kontrollierten Bedingungen erforscht werden.
Im April 2012 soll mit den Messungen an der Prototypanlage (Fieschertal) begonnen
werden. Der Schwerpunkt der Messkampagne liegt auf der detaillierten Erfassung der
Schwebstoffführung des Triebwassers, welche zeitlich stark variiert. Dafür werden die
Messeinrichtungen wie Trübungs- und Streulichtsonden, das Laserdiffraktometer und der
automatische Wasserprobennehmer in der Drosselklappenkammer bzw. in der Zentrale installiert. Weiter ist ein System zur Zusammenführung der verschiedenen Messwerte und
Steuersignale (auch aus dem Kraftwerksleitsystem) und zur Datenübertragung und
-speicherung aufzubauen und zu betreiben.
Es ist vorgesehen, die Geometrie der Becher des Peltonlaufrads und der Düsenspitzen mit
einem optischen Digitalisierungssystem periodisch zu erfassen. Weiter soll die Schichtdicke
der Beschichtung der Laufradbecher periodisch gemessen werden, um anschliessend den
Materialabtrag quantifizieren zu können.
Im Herbst 2012, wenn der Schwebstofftransport infolge kühlerer Witterung abnimmt, werden
Auswertungen der erhobenen Daten durchgeführt. Basierend auf den Erkenntnissen der
ersten Schwebstoffsaison sind weitere Messungen in der zweiten Saison zu planen.
Gegen Ende 2012 ist die Arbeit an einer ersten wissenschaftlichen Veröffentlichung vorgesehen.
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Referenzen
[1]
Y. Agrawal, O.A. Mikkelsen & H.C. Pottsmith: Sediment monitoring technology for turbine erosion and reservoir
siltation applications, Proc. Hydro 2011 - Practical solutions for a sustainable future. Aqua-Media International Ltd. Prague, Czech Republic, 2011.
[2]
M. B. Bishwakarma & H. Støle: Realtime sediment monitoring in hydropower plants. J. Hydr. Res. 46(2): 282–288,
2008.
[3]
R. Boes: Kontinuierliche Messung von Schwebstoffkonzentration und –korngrössenverteilung im Triebwasser
und Quantifizierung der Hydroabrasion an einer Peltonturbine. Wasser Energie Luft, 102. Jahrgang, Heft 2: 101–107,
2010.
[4]
P. Gruber et al.: Monitoring water conditions by analyzing ultrasonic signal parameters, Proc. Hydro 2011 - Practical
solutions for a sustainable future. Aqua-Media International Ltd. Prague, Czech Republic, 2011.
[5]
J. H. Gummer: Combating Silt Erosion in Hydraulic Turbines. Hydro Review Wordwide, 17(1), 2009.
[6]
K. Winkler et al.: Understanding hydro-abrasive erosion, Proc. Hydro 2011 - Practical solutions for a sustainable future.
Aqua-Media International Ltd. Prague, Czech Republic, 2011.
[7]
Sulzer Hydro: Ein semi-empirisches Abrasionsmodell zur Vorhersage von hydro-abrasivem Verschleiss an X5 CrNi
13/4 Stahl. Bericht STT.TB94.020, 1996.
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