Tester nye løpehjul til pumpeturbinene på Duge
En skalamodell av oppgraderingsprosjektet ved Duge for Sira-Kvina er i testriggen til Aker Solutions for finjustering, kalibrering og verifisering.
Da Sira-Kvina kraftselskap i 2016 oppdaget sprekker i de to løpehjulene til pumpekraftverket Duge i Siravassdraget i Agder, ble det en lett avgjørelse for selskapet å investere i å rehabilitere det gamle anlegget.
– Egentlig er det utrolig imponerende at de gamle løpehjulene hadde holdt seg så godt etter nesten 50 års drift, sier produktutvikler Kaspar Vereide hos Sira-Kvina. Mer om det lenger ned i saken.
Lange tradisjoner
Det ble Aker Solutions som fikk oppdraget med å designe nye løpehjul og ledeapparat til de reversible francisturbinene, såkalte pumpeturbiner, på Duge pumpekraftverk.
Det var ikke overraskende, siden dette industrielle miljøet går i en ubrutt linje bakover, via Rainpower og GE Hydro helt tilbake til Kværner Brug, som på 1980-tallet produserte de originale pumpeturbinene til Duge.
– Vi startet faktisk laboratoriet her i Trondheim med å teste og verifisere de første løpehjulene til Duge allerede i 1985, sier laboratoriesjef Henning Lysaker i Aker Solutions til Energiteknikk.
Han forteller at den nye designen på turbinene, og løpehjulene, nå rett og slett heter Kværner Turbines, for å understreke den lange, ubrutte linjen bakover i historien.
Utvikling
Lysaker sier selskapet fremdeles har modellene av de gamle løpehjulene, men at de har bygd en helt ny 1:7-skalamodell som de nå har i testriggen.
– Teknologien og numerikken har utviklet seg så langt siden den gangen, at vi har modellert og regnet på løpehjul og ledeapparat på nytt, forteller han.
Noe har de likevel kunnet gjenbruke. Siden selve kraftverket med vannveier er det samme nå som den gangen, har de brukt det gamle tegningsunderlaget fra Duge da de modellerte de nye delene.
Leveres i 2028 og 2029
Aker Solutions begynte de fysiske testene av skalamodellen i desember, og skal etter planen være ferdig med tester og verifikasjoner i juli. Når Sira-Kvina har akseptert resultatene, kan selskapet starte produksjonen av to løpehjul og ledeapparat, som skal leveres i 2028 og 2029.
Det som er bra for turbinen, er ofte ikke så bra for pumpa. Når vi gjør endringer, må vi ha to tanker i hodet på samme tid for å optimalisere begge driftsmodusene.
Henning Lysaker, Aker SolutionsPlanen er å holde det ene aggregatet i drift mens de arbeider på det andre, slik at anlegget aldri trenger å stanse.
Hvert av de to aggregatene i kraftverket yter rundt 100 MW i turbindrift som tidligere, mens effekten i pumpedrift vil økes fra ca. 80 MW til over 90 MW.
Avansert
– En pumpeturbin er den mest avanserte hydrauliske maskinen vi kan levere. Den må ha tilstrekkelig løftehøyde, og den må kunne operere fra minimum til maksimum reservoarhøyder som både turbin og pumpe, forteller Lysaker.
På Duge er pumpe- og fallhøyden maksimalt 240 meter, mens brutto reguleringshøyde er om lag 120 meter.
Falltapene adderes til brutto fallhøyde i pumpedrift og subtraheres i turbindrift, så maskinen får ulikt netto driftsområde i turbin og pumpedrift.
Paradoksal
En pumpeturbin er en paradoksal maskin. Lysaker peker på at det må være et kompromiss mellom turbin og en pumpe.
– Det som er bra for turbinen, er ofte ikke så bra for pumpa. Når vi gjør endringer, må vi ha to tanker i hodet på samme tid for å optimalisere begge driftsmodusene, sier Lysaker.
Avløpet i pumpedrift må designes nøyaktig for å treffe med løftehøyden. Men dette skal også være innløpet i turbindrift. Da må det være utformet for å oppnå en god virkningsgrad og gode kavitasjonsegenskaper i turbindrift.
Avløpet i turbindrift er viktig for hvordan turbinen fungerer for å treffe riktig effekt, mens vinklene må justeres for også å fungere med hensyn på kavitasjon i begge driftsmoduser.
Kavitasjon
Kavitasjon er implosjon av luftbobler nær skovlflatene som kan skape materialtæringer.
– Vi har kontroll på kavitasjon på avløpet i turbinmodus. Men i pumpedrift skal vi gjøre noen justeringer, forklarer Lysaker.
Når det er et stort fallhøydeområde i pumpedrift, blir det nemlig veldig store forskjeller i strømningsvinkler inn på innløpet av pumpa.
Nå kan vi gå fra full produksjon til full pumpe opptil flere ganger om dagen, avhengig av signaler fra markedet. Det blir ekstreme påkjenninger for gammelt utstyr.
Kaspar Vereide, Sira-Kvina– I turbindrift ligger bestpunktet gjerne langt unna driftsområdet. Da kan vi få utfordringer med innløpskavitasjon. Dette må vi også sjekke ut, sier Lysaker.
Det jobbes i tillegg med å få full kontroll også på innfasing av turbinen i turbin- og pumpedrift.
– Vi vil ha en stabil karakteristikk sånn at vi får en rolig start. Det er viktig både i turbin- og i pumpedrift. Det nye hjulet vil få et bredere driftsområde enn det eksisterende, sier Lysaker, som har en klar forventning om en betydelig forbedring også i virkningsgraden, uten at han kan oppgi noe måltall nå.
Første på 10 år
Laboratoriesjefen forteller at Duge-modellen er den første pumpeturbinen de har modellert og testet på 10 år.
– Vi har tidligere vært en betydelig leverandør til pumpekraftverk over hele verden. Vi har jobbet veldig mye med pumpeturbiner tidligere også i laboratoriet. Vi har levert noen av de største pumpeturbinene i verden da vi het Kværner og GE, sier han.
Han nevner spesielt norske Aurland 3 (2×150 MW), kinesiske Tianhuangping (6×300 MW) og ikke minst sveitsiske Robiei (4×41 MW), som Energiteknikk besøkte og skrev om i 2010.
– Vi har hatt masse oppdrag på store pumpeturbiner. Nå har det ligget nede noen år, men vi har fått en ny sjanse til å satse på nyutvikling igjen med Aker som et stort industriselskap i ryggen, sier han.
I fjor startet de to prosjekter på pumpeturbinutvikling. Et rent utviklingsprosjekt i laboratoriet, og ett som fokuserte regulering av pumpeturbiner.
– Dette bidro til at vi kunne konkurrere om og vinne kontrakten på Sira-Kvina, sier Lysaker.
Endret kjøremønster
Kaspar Vereide i Sira-Kvina forteller at kjøremønsteret til Duge er endret dramatisk de siste 4–5 årene. Tidligere gikk maskinene i turbinmodus stort sett hele vinteren, for de snudde til pumpemodus under snøsmeltingen på våren. Da pumpet de gjerne en hel måned.
Det øvre magasinet, Svartevatn, er Norges tredje største vannkraftmagasin målt i energiinnhold. Det er et såkalt treårsmagasin, det vil si at det tar tre år med tilsig for å fylle det opp. Det er et av magasinene som skal sikre Norsk energiproduksjon i virkelige tørrår.
De siste årene er bruken av Duge pumpekraftverk og magasinet Svartevatn endret vesentlig.
– Nå kan vi gå fra full produksjon til full pumpe opptil flere ganger om dagen, avhengig av signaler fra markedet. Det blir ekstreme påkjenninger for gammelt utstyr, sier Vereide.
Hadde ekstra stål
Andre parametere teller også inn. For femti år siden hadde man ikke samme nøyaktige regneverktøy som i dag, og beregnet gjerne litt ekstra stål i konstruksjonen.
Det er en stor jobb på Duge, med mange brytere for å håndtere strøm i begge retninger avhengig av turbin eller pumpedrift.
Kaspar Vereide, Sira-KvinaDet har sannsynligvis bidratt til at pumpeturbinene tross alt har holdt seg godt gjennom disse årene.
En faktor som teller mot, er at pumpeturbiner gjerne ikke har vært like moden teknologi som reine vannkraftturbiner. Designen til et løpehjul til en francisturbin har mye større erfaringsbase enn løpehjul til en reversibel francisturbin.
Ytterligere modernisering
Vereide forteller at Sira-Kvina har planer om ytterligere moderniseringer av anlegget.
– Vi skal blant annet skifte hele kontrollanlegget. Det er en stor jobb på Duge, med mange brytere for å håndtere strøm i begge retninger avhengig av turbin eller pumpedrift. Vi skal få ny, digital utrustning på stasjonen med førsteklasses instrumentering og datainnsamling, sier han.
Vereide forteller at de har fått hjelp av konsulentselskapet Flow Design Bureau til en «tjuvstart» på datainnsamling.
– De har hjulpet oss med å sette opp en lokal, isolert datainnsamling som kobles inn på turbinregulatoren og noen av de viktigste vernene, blant annet vibrasjonsvernet. Så vi får allerede i dag en del mer data enn det det gamle kontrollanlegget tillater, sier Vereide.
Øker effekt og virkningsgrad
Selv om denne rehabiliteringen ikke har som hovedmål å hente ut mer energi fra anlegget, forventer Vereide likevel en økning i effektiviteten.
– Vi tror at et sprang på rundt to prosentpoeng bedre virkningsgrad i turbindrift med nye løpehjul og nytt ledeapparat er realistisk, sier han.
Ledige stillinger
Les mer:
ABB er tildelt en kontrakt for levering av kontroll- og apparatsystemer til Hydro Energis pumpekraftverk Illvatn.
Fisketrappa fungerer godt og det er ikke grunnlag for ny konsesjonspliktvurdering selv etter funn av to laks med snuteskader, ifølge NTE.
Et nytt doktorgradsarbeid skal bidra med kunnskap til utvikling av en simuleringsmodell for bruk ved ombygging av eksisterende kraftverk til pumpedrift, også med sikte på å begrense flom.
Å Energi Vannkraft skal oppgradere lukene ved Åmli kraftverk i Arendalsvassdraget.
NVE øker anslaget for krafttap i forbindelse med fisketiltak i Skotfoss kraftverk fra 3,4 til 5,9 GWh.
Statkraft vil heve kvaliteten på revurderingene av tre fyllingsdammer i Bjåsjø-magasinet etter å ha fått ni avvik fra NVE.
Forte Vannkraft søker eiere som kan ta Norhard inn på markedene for horisontal infrastrukturboring som vannforsyning og kabler.
Jølstra Kraft er sterkt uening i Statnett-krav om tilknytning til dobbel samleskinne, som vil koste elvekraftverket i Jølster rundt 20 millioner kroner.
