Pre-rotation of inlet flow for a reversible pump turbine in pump mode
Master thesis
Permanent lenke
http://hdl.handle.net/11250/2623183Utgivelsesdato
2019Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Pumpekraftverk er et utmerket verktøy for å balansere energinettet og å utnytte fornybare energikilder mereffektivt. Ettersom elektrisk energi må bli brukt samstundes som det blir produsert, gir pumpekraft-teknologimuligheten til å lagre energi som ellers ville ha gått til spille. Norge har 50% av Europas vannlagerkapasitetog mye av denne kapasiteten kan bli brukt til å balansere Europas energinett [1]. Dette kan bli gjort vedå bygge om eksisterende vannkraftverk til pumpekraftverk. I følge NVE, er mange av vannkraftverkene iNorge passende for å bli bygd om til pumpekraftverk [2].
For å kunne gjenbruke et eksisterende vannkraftverk med Francis-turbiner ved å ettermontere reversiblepumpeturbiner (RPTer), må problemet med kavitasjon i pumpemodus løses. Dette problemet har blittforeslått løst ved å bruke en boosterpumpe foran RPTen. Denne boosterpumpen kan muligens produsereen roterende komponent i strømningen oppstrøms RPTen. Hvordan denne komponenten utvikles gjennomsugerøret mot RPTen er usikkert, og hvordan rotasjonen er på innløpet av RPTen er viktig for operasjonenog pumpekarakteristikken til maskinen.
Tidsuavhengige CFD-simuleringer (Computational Fluid Dynamics) på en komplett RPT-geometri harblitt gjennomført ved hjelp av den kommersielle programvaren ANSYS CFX. Pumpekurver, med og utenprerotasjon, har blitt generert og undersøkt. Resultatene antyder at prerotasjon i motsatt retning av rotasjonsretningen til RPTen, genererer en økning i løftehøyde. Dette samsvarer med Eulers turbomaskin ligning.Samtidig ser det ut til at virkningsgraden ikke øker. Det er også observert at den sekundære strømningen som genereres nedstrøms av bendet i sugerøret, roterer i samme retning som den induserte prerotasjonen.
Videre har en mulig løsning med en mixed-flow boosterpumpe blitt undersøkt. Denne maskinen haren virvel ved utløpet som fungerer som prerotasjon for RPTen. Det kombinerte systemet er simulert medboosterpumpen roterende i både samme og motsatt retning som RPTen. Det samme mønsteret gjentas her.Prerotasjon i motsatt retning av rotasjonsretningen til RPTen gir økt løftehøyde, mens prerotasjon i sammerotasjonsretning gir redusert løftehøyde. Pumped hydropower storage is an excellent tool for balancing the energy grid and help utilize renewableenergy resources more effectively. As electrical energy needs to be used as it is created, pumped hydrotechnology supplies the opportunity of storing energy which is otherwise going to waste. Norway has 50%of the European hydro storage capacity [1], and much of this capacity could be used to help balance theEuropean energy grid. To do so, retrofitting of pumping abilities to existing hydropower plants is a viableoption. According to a study performed by NVE, many of the hydropower plants in Norway are suitable forretrofitting of pump-storage capabilities [2].
To be able to reuse existing power plants by retrofitting Francis turbines with Reversible Pump Turbines(RPTs), the obstacle of cavitation in pumping mode needs to be solved. The cavitation problem has beenproposed solved by the use of a booster-pump in front of the RPT. This booster-pump could produce arotational component in the flow approaching the RPT. How this rotational component evolves as the flowapproaches the RPT is uncertain, and how the rotation is at the inlet of the RPT is important for theoperation and characteristics of the RPT.
To investigate the matter of pre-rotation in an RPT; steady-state computational fluid dynamics simulations on the full geometry of an RPT have been conducted using the commercial ANSYS CFX software.Pump performance curves with and without pre-rotation have been obtained and investigated. The resultssuggest that counter pre-rotation gives additional head, following the Euler turbomachinery equation. However, efficiency does not increase. It is also observed that the secondary flows generated by the bend in thedraft tube, rotate in the same direction as the induced pre-rotation.
Further, a possible solution with a mixed-flow booster-pump in series with the RPT has been studied.This machine has swirl at the outlet, acting as pre-rotation for the flow towards the RPT. The combinedsystem is simulated with the booster-pump rotating in the same direction as the RPT, and the opposite.The results are similar to what was found when using a uniform pre-rotation. Counter pre-rotation providesadditional head while pre-rotation in the same direction subtracts head from the system.