Das Arbeitsgebiet Anlagendynamik am Institut für Strömungsmechanik und Hydraulische Strömungsmaschinen befasst sich mit der Regelungstechnik sowie instationären Vorgängen in hydraulischen Maschinen und Anlagen. Schwerpunkte bilden die Vorabsimulation von kritischen Betriebszuständen aller Art, die Systemanalyse bestehender Anlagen und der damit verbundene Entwurf und die Optimierung von Regeleinrichtungen.

Neue Anforderungen im liberalisierten Strommarkt

Infolge der Liberalisierung des Strommarktes wird heute von Wasserkraftanlagen mehr und mehr ein flexibler Betrieb verlangt. Neben der Bereitstellung der Energie selbst spielt die Frequenzregelung im Verbund eine zunehmend wichtigere Rolle. Damit die Frequenz im Verbundnetz bei 50 Hz gehalten werden kann, ist in Abhängigkeit des Energiebedarfes eine zeitnahe Leistungsbereitstellung oder -aufnahme erforderlich. Da Wasserkraftwerke zu den am schnellsten regelbaren Kraftwerksanlagen gehören, haben sie einen wesentlichen Anteil beim Ausgleich dieses kurzfristigen Bedarfes. Zudem stellen Pumpspeicherkraftwerke derzeit die einzige Möglichkeit dar, überschüssige Energie länger zu speichern, indem Wasser zu Schwachlastzeiten in einen Speichersee gefördert wird. Als Folge für Wasserkraftanlagen kommt es zu häufigen Betriebsartwechseln zwischen Pump- und Turbinenbetrieb sowie zu längerem Betrieb in Teillast. Dabei führt vor allem der schnelle Wechsel der Betriebsart zu einer Fülle schwer überschaubarer Betriebszustände. Für Neuanlagen müssen aus diesem Grund in der Regel umfangreiche Untersuchungen möglicher kritischer Betriebszustände zur Bemessung der Triebwasserwege und der Maschinensätze durchgeführt werden. Das Ziel ist stets, den Bau so zu Planen, dass ein flexibler Betrieb ohne Einschränkungen möglich ist. Bei bereits bestehenden Anlagen müssen dagegen häufig Betriebseinschränkungen hingenommen werden, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Das Ziel anlagendynamischer Untersuchungen von bestehenden Kraftwerken ist dann die Ermittelung dieser Betriebsgrenzen oder der Entwurf von Schutzschaltungen für die Anlage.

Simulation instationärer Vorgänge am IHS

Mit der am Institut für die Firma Voith Hydro entwickelten Software SIPROHS können hydraulische Anlagen und Netze basierend auf dem eindimensionalen Charakteristikenverfahren erfasst werden. Das Programm besitzt einen modularen Aufbau, so dass beliebig strukturierte hydraulische Systeme im Zeitbereich simuliert werden können. SIPROHS stellt eine Bibliothek von Programmmodulen zu Verfügung, mit der eine Vielzahl von Anlagenkomponenten beschrieben werden können. Derzeit verfügbar sind Module für hydraulische Maschinen (Pumpen, Turbinen, Pumpturbinen), Absperrorgane, Rohrverzweiger, Wasserschlösser und Windkessel, Ober- und Unterwasserbecken sowie Ober- und Unterwasserkanäle. Das Programm wird im Rahmen laufender Projekte weiterentwickelt mit dem Ziel alle möglichen Betriebszustände erfassen zu können.
Mit dem Programm VADYKAN, das ebenfalls für die Firma Voith Hydro entwickelt wurde, ist es darüber hinaus möglich, instationäre Strömungen in offenen Gerinnen durch Lösung der St.-Venantschen-Gleichungen zu berechnen. VADYKAN ist ebenfalls modular aufgebaut und besitzt Programmmodule für Turbinen, Wehre, Gerinneverzweigungen und Schleusen.

Als Beispiel für eine Anlagenberechnung mit SIPROHS ist die Simulation eines Lastabwurfes gezeigt. Ein Lastabwurf ist die unvorhergesehene Trennung der Turbine vom elektrischen Netz aus dem laufenden Betrieb. Die Beispielanlage repräsentiert eine typische Kleinwasserkraftanlage mit einer Leistung von 3,6 MW. Der schematische Triebwasserstrang ist in der untenstehenden Abbildung dargestellt.













Abbildung: Anlagenschema einer Kleinwasserkraftanlage

Um das Laufrad und den Generator nicht zu zerstören muss die Erhöhung der Drehzahl bei einer solchen Netztrennung begrenzt werden. Das wird erreicht, indem der Leitapparat möglichst schnell geschlossen wird. Nur durch zügiges Unterbinden der Beaufschlagung des Laufrades kann die Drehzahlerhöhung nach der Netztrennung begrenzt werden. Infolge der Durchflussänderung kommt es jedoch zu einem Druckanstieg (Druckstoß) in der Wasserführung. SIPROHS berechnet den instationären Verlauf des Durchflusses und der Energiehöhe (Druck) in der Wasserführung. An einem Punkt vor der Turbine ergibt sich der unten dargestellte zeitliche Verlauf von Drehzahl, Durchfluss und Druck während der Leitapparat geschlossen wird.

Abbildung: Verlauf von Drehzahl, Durchfluss und Druck beim Lastabwurf

In den Diagrammen ist eine kurze Schließzeit von 2 Sekunden (grüner Verlauf) verglichen mit einer Schließzeit von 6 Sekunden (roter Verlauf). Dabei ist deutlich zu erkennen, dass bei dem schnellen Schließen die Drehzahlerhöhung nach dem Lastabwurf geringer ist. Bei dem langsameren Schließen des Leitapparates steigt die Drehzahl hingegen zunächst weiter an. Aufgrund der kleineren Durchflussänderung in der Wasserführung fällt der Druckanstieg vor der Turbine geringer aus, als bei der kurzen Schließzeit. Mit Hilfe der Simulation kann in diesem Fall gefahrlos ermittelt werden, für welchen Druckanstieg die Rohrleitung auszulegen ist, sodass die Drehzahl nicht zu groß wird. Durch Anpassen des Schließverlaufes des Leitapparates können Druckanstieg und Drehzahlerhöhung auch beeinflusst werden. Durch die Vorgabe eines angepassten Schließgesetzes kann unter Umständen ein Kompromis gefunden werden.