Stollenspeicher für Ausleitungskraftwerke

Durch die Kombination eines Stollenspeichers mit einem Bypass, welcher einen Energiedissipator beinhaltet, ergeben sich flexible Betriebsmöglichkeiten für den Schwall-Sunk-Ausgleich über das Wasservolumen im Ausleitungsstollen. Ein adäquates Bypass-system ermöglicht hierbei die Entkopplung des leistungsgesteuerten Maschinenbetriebs und des Wasserdurchflusses. Dies ermöglicht steile Leistungsgradienten der Maschinen und flache Durchflussgradienten, um gerade den Anforderungen des Sunkausgleichs gerecht zu werden.

Abb. 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein Ausleitungskraftwerk mit Stollenspeicher im Oberwasser, einem Stollenspeicherwasserschloss und einem Energieumwandler in der Kraftkaverne. Der Stollen ist im Entleerungszustand dargestellt. Ein Regelorgan nach dem Einlaufdüker ermöglicht eine unabhängige Steuerung des Speichervolumens. Der Düker gewährleistet, dass die Entlüftung des Speicherstollens durch den Entlüftungsschacht und nicht durch das Einlaufbauwerk geschieht. Durch die Nutzung des Energiedissipators kann ein mögliches Ausgleichsbecken in der Größe optimiert werden, da für diesen Fall Speicherwasser aus dem Oberwasser auch bei Abregelung der Turbinen gefördert werden kann. Insbesondere kann durch die Vorhaltung des Sunkausgleichs im Stollen der Pegel im Ausgleichsbecken tiefer sein und somit eine höhere Energieerzeugung gewährleistet werden, was bei Mitteldruckanlagen mit hohem Durchfluss relevant ist. Der Energiedissipator im Bypass der Turbine ermöglicht, dass das Sunkausgleichsvolumen im Oberwasserstollen vorgehalten werden kann. Der dargestellte Dissipator entspricht dem Druckregler der Turbinen des KW Tonstad (960 MW) in Norwegen, welche erfolgreich zur Druckstoßminderung eingesetzt werden. Dissipatoren oder Druckregler wurden vor allem in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts in vielen Kraftwerken mit Francisturbinen gebaut. Druckregler in Österreich sind etwa im KW Rodundwerk I und im PSKW Limberg I (Tauernkraftwerke A.G. 1955) in Betrieb. Mögliche weitere Ausführungen eines Regelorgans im Bypass sind modifizierte Kegelstrahlventile und Ringkolbenschieber.

Ein Wasserschloss zur hydraulischen Trennung des Triebwasserwegs ist bei Stollensystemen ab einer gewissen Stollenlänge notwendig, um die Regelbarkeit der Turbinen zu gewährleisten (Thoma 1910). Damit das Wasserschloss durch selbstständige Regelungsvorgänge keine Resonanzerscheinungen aufweist, muss dieses einen ausreichend großen horizontalen Querschnitt aufweisen, welcher bei Volumenänderungen durch Schaltvorgänge mit leistungsbeeinflussenden Druckänderungen interagiert. Besonders bei großen Durchflüssen und mittleren Fallhöhen erfordert das Stabilitätskriterium für den Wasserschlossschacht einen sehr großen Querschnitt. Dieses Kriterium wird üblicherweise nach Thoma (Thoma 1910; Jaeger 1949) oder Svee (Svee 1972; Leknes 2016) berechnet. Ein flacher Wasserschlossstollen mit den geneigt angeordneten Wasserschloss-Kammern im Fallhöhenbereich des Kraftwerks weist sehr große Querschnitte auf, welche somit das Stabilitätskriterium für die ausreichende Regelfähigkeit erfüllen und zudem Wasser speichern. Da die Reibungsverluste im Druckschacht, welche sich ungünstig auf die Stabilität auswirken, in der Betrachtung von Thoma nicht berücksichtigt werden, wird dieser mit einem Sicherheitsfaktor multipliziert. Es werden Werte von 1,5 [–] bis 1,8 [–] vorgeschlagen (Jaeger 1958). Genauere Berechnungen des erforderlichen Querschnitts können mittels Berechnungsformeln von Svee (1972) bzw. Leknes (2016) oder mit 1D-numerischen Stabilitätsberechnungen durchgeführt werden. Günstig auf die Stabilität wirken kurze Druckschächte und Betriebsbereiche, in denen die Gradiente des Wirkungsgrads der Turbinen ansteigt (vor dem Optimalwert des Wirkungsgrads). Eine absteigende Wirkungsgradgradiente der Turbinen (nach dem Scheitelpunkt bei Überlast) wirkt ungünstig auf den erforderlichen Stabilitätsquerschnitt. Gerade für Ausleitungskraftwerke mit geringen oder mittleren Fallhöhen kann somit der üblicherweise verwendete Sicherheitsfaktor von 1,5 [–] für den Stabilitätsquerschnitt vermindert werden.

Das Wasserschloss vermindert zudem die Druckstoßbelastung auf den Druckstollen und ermöglicht schnelles Anfahren und Abschalten der Turbinen, wobei die Trägheit der Wassermassen im Stollen durch das Wasservolumen im Wasserschloss überbrückt wird. Das Wasser im Triebwasserweg wird durch die Wasserspiegel- und damit Druckdifferenz zwischen Wasserschloss und Reservoir beschleunigt.

Es muss sowohl das Anfahren ohne Abreißen der Wassersäule gewährleistet sein, als auch das Abschalten ohne Überlaufen des Wasserschlosses. Gerade für die Anforderung des Anfahrens ergibt sich für Stollenspeicher-Wasserschlösser eine veränderte Bedingung verglichen mit sonst üblichen Hochdrucksystemen. Hier darf und soll der Stollen einen Freispiegelabfluss aufweisen. Allerdings darf die Wassersäule nicht abreißen, daher muss die Unterkammer des Wasserschlosses dafür ausgelegt und tief positioniert werden. Es ist wichtig, dass der Druckstollenquerschnitt vor dem Übergang in den Druckschacht aufgeweitet wird, um die variierenden Abflussgeschwindigkeiten ausgleichen zu können, ohne dass es zu einem Abreißen des Durchflusses kommt.

Die spezifische Darstellung eines möglichen Stollenspeicher-Wasserschlosses aus einer 3D-CFD-Simulation im Entleerungszustand (Abb. 2) zeigt eine tiefliegende Unterkammer, wo der freie Wasserspiegel beim Abschwingen bis in den Stollen ohne Abreißen absinken kann. Aufgrund der Stollenneigung und des Wasserschlosses können auch beliebige Zwischenschaltvorgänge ermöglicht werden.

Die differentiale Schachtanordnung ermöglicht im Fall des Abschaltens oder Notschlusses, dass die kinetische Energie im Stollen und im Wasserschloss durch das Aufschwingen über den Überlauf und die Differentialdrossel gedämpft wird. Die Überlaufhöhe bildet somit das Druckmaximum für die Massenschwingung. Eine Differentialkammer ist direkt nach der Unterkammer getrennt durch die Differentialdrossel vorgesehen. Die beiden Kammern sind als geneigte Stollen vorgesehen, wobei sich diese am erforderlichen Volumen aus der Massenschwingung und dem Stabilitätskriterium orientieren. Bautechnisch können somit beide Kammern vom selben Zugang aufgefahren werden. Die tiefe Differentialkammer verringert deutlich die Dynamik des Zurückfließens von Wasser aus dem Wasserschloss zum Becken im Fall des Abschaltens. Die Drossel ist notwendig, um beim Abschalten das Wasser aus der Unterkammer möglichst zurückzuhalten. Die Drosselung ist auf einen optimalen Durchmesser zu dimensionieren, wobei genügend Luft in der Oberkammer bleibt, um für den Fall des Abschaltens Volumen vorzuhalten. Mehrere konstruktive Ausführungen eines Stollenspeicherwasserschlosses sind denkbar.

Da ein vertikaler Wasserschlossschacht ungedrosselt und direkt am Übergang zum Druckschacht angeschlossen ist, weist die Konstruktion eine ideale Druckstoßreflektion auf. Diese ergibt sich, da der Schacht unbeeinflusst von der Unterkammer sehr geringe Trägheitswerte aufweist und somit physikalisch rasch auf Druckstöße reagieren kann. Diese Ausführung kann auch wegfallen, wenn nachgewiesen wird, dass der Druckstoß ausreichend durch den aufgeweiteten Stollen abgemindert werden kann und die Belüftung der Unterkammer gewährleistet ist. Da der aufgeweitete Stollen geringere Trägheitskoeffizienten aufweist, wirkt dieser günstig. Abb. 3 zeigt eine liegende Differentialdrossel mit geringerem Verlustbeiwert beim Ausfließen gegenüber dem Füllen.

Die Hydraulik von Druckstollensystemen kann effizient mittels 1D-numerischer Simulation untersucht werden. Dabei werden die transienten Vorgänge wie Massenschwingung und Druckstoßvorgänge berechnet und die Triebwasserwege sowie insbesondere das Wasserschloss für den instationären Betrieb ausgelegt. Um den Freispiegelabfluss im Stollen zweckmäßig zu modellieren, sind adäquate 1D-numerische Simulationen zielführend einsetzbar, wobei auf die Wirkung der Luft im Besonderen Acht zu geben ist. Anhand einer Abschlussarbeit am Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU Graz wurde die Hydraulik eines Stollenspeichers eines mittelgroßen Wasserkraftwerks studiert. Es wurde die 1D-numerische Simulationssoftwarte Wanda V4.2 (Deltares 2013) für diese Fragestellungen evaluiert (Wechtitsch 2014).

Im Wasserbaulabor der TU Graz konnten durch hybride Modellversuche (Numerik und physikalische Versuche) anhand großer Wasserschlossmodelle die 1D-numerischen Simulationen kalibriert werden (Richter et al. 2013). Bei Wasserschlössern, insbesondere in den Unterkammern, treten Strömungsübergänge von Druckströmungen auf Freispiegelabflüsse auf. Die Erfahrungen des hydraulischen Verhaltens der Unterkammern werden sowohl auf die Hydraulik des Stollens wie die Auslegung von Speicherstollen-Wasserschlössern übertragen.

Anhand einer Fallstudie werden 1D-Simulationen durchgeführt. Es werden Lastfälle für das Anfahren und das Abschalten sowie Stabilitätssimulationen evaluiert. Druckstollen weisen üblicherweise große Fließquerschnitte und hohe Reynoldszahlen auf. Bei Rückrechnungen von bestehenden Fließverlusten in Triebwasserwegen werden in Österreich für gewöhnlich Stricklerbeiwerte ermittelt. Für die transienten 1D-numerische Berechnungen werden diese Rauigkeitswerte in äquivalenter Sandrauigkeit umgerechnet. Der Stricklerbeiwert von glatten Betonstollen wurde von den Messungen des Druckstollens des Lünerseewerks umgerechnet von Di 3,05 m, K_ST = 85 m^1/3/s auf K_S = 0,276 mm (Buchegger 1961). Aufgrund der Vernachlässigung der Reynoldszahl im Strickleransatz vermindert sich der Stricklerbeiwert bei gleicher Rauigkeit für größere Druckstollenquerschnitte. Die Kraftwerksdimensionen für die Fallstudie werden folgendermaßen definiert:

Aufgrund der Fallhöhe und des relativ hohen Durchflusses im Stollen ergibt sich ein erforderlicher Stabilitätsquerschnitt für das Wasserschloss zu 888 m² mit einem Sicherheitsfaktor von 1,5 [−].

Abb. 4 zeigt die Auswertung für das Nutzvolumen der Fallstudie in Abhängigkeit von der Neigung. Es wird zwischen Entleerung bei Ausbauwassermenge (QA) und abgestufter Entleerung QA, QA/2 und QA/4 unterschieden. Bei Entleerungsbetrieb mit QA reißt die Wassersäule ab einem Punkt ab, wobei Entleerungsgrade von 50–65 % erreicht werden. Bei gestaffelter Entleerung, wie diese auch für einen Sunkausgleich realistisch sind, können je Neigung zwischen 90 % und knapp 100 % erreicht werden. Das Reibungsgefälle bei Druckabfluss beträgt 0,74 ‰, was eine minimale konstruktive Neigungsvorgabe sein kann.

Somit ist es je nach Anlage möglich, sowohl einen Teil des Speicherstollens für einen flexiblen Kraftwerksbetrieb und einen Teil für den Sunkausgleich vorzuhalten.

Für die hydraulische Dimensionierung eines Speicherstollen-Wasserschlosses sind folgende Teile mittels transienter Simulationen auszulegen:

Durch die flache Ausführung weisen Speicherstollen, insbesondere bei Ausleitungskraftwerken, geringe Innendrücke auf. Bei Anordnung eines Speicherstollen-Wasserschlosses mit Differenzialeffekt werden nur kurz höhere Drücke generiert. Daher kann für spezifische Stollensituationen und bei guten geologischen Voraussetzungen eine unausgekleidete Stollenvariante sowohl hydraulische (Stabilität und Volumen), konstruktive und wirtschaftliche Vorteile bieten.

Die Drossel generiert einen Differenzialeffekt. Da die Unterkammer sich in der Höhe mit dem Stollen überlappt, kann bei entsprechender Auslegung ein Anfahren bis zum Erreichen eines Freispiegelabflusses im Stollen zugelassen werden. Insbesondere ermöglicht eine flache Unterkammer auch eine erhöhte Flexibilität im Betrieb mit Freispiegelabfluss hinsichtlich zyklischer Schaltvorgänge.

3D-numerische Strömungssimulationen und/oder physikalische Modellversuche werden empfohlen, um ein konkretes Design hydraulisch hinsichtlich transienter Effekte von Befüll- und Entleerungsvorgängen, sowie das Verhalten der Luft zu untersuchen. Zudem ermöglichen 1D-numerische Stabilitätssimulationen eine wirtschaftliche Auslegung des horizontalen Wasserschlossquerschnitts.