Pre-rotation of inlet flow for a reversible pump turbine in pump mode

Abstract

Pumpekraftverk er et utmerket verktøy for å balansere energinettet og å utnytte fornybare energikilder mer effektivt. Ettersom elektrisk energi må bli brukt samstundes som det blir produsert, gir pumpekraft-teknologi muligheten til å lagre energi som ellers ville ha gått til spille. Norge har 50% av Europas vannlagerkapasitet og mye av denne kapasiteten kan bli brukt til å balansere Europas energinett [1]. Dette kan bli gjort ved å bygge om eksisterende vannkraftverk til pumpekraftverk. I følge NVE, er mange av vannkraftverkene i Norge passende for å bli bygd om til pumpekraftverk [2].

For å kunne gjenbruke et eksisterende vannkraftverk med Francis-turbiner ved å ettermontere reversible pumpeturbiner (RPTer), må problemet med kavitasjon i pumpemodus løses. Dette problemet har blitt foreslått løst ved å bruke en boosterpumpe foran RPTen. Denne boosterpumpen kan muligens produsere en roterende komponent i strømningen oppstrøms RPTen. Hvordan denne komponenten utvikles gjennom sugerøret mot RPTen er usikkert, og hvordan rotasjonen er på innløpet av RPTen er viktig for operasjonen og pumpekarakteristikken til maskinen.

Tidsuavhengige CFD-simuleringer (Computational Fluid Dynamics) på en komplett RPT-geometri har blitt gjennomført ved hjelp av den kommersielle programvaren ANSYS CFX. Pumpekurver, med og uten prerotasjon, 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 har en virvel ved utløpet som fungerer som prerotasjon for RPTen. Det kombinerte systemet er simulert med boosterpumpen 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 samme rotasjonsretning gir redusert løftehøyde.

Pumped hydropower storage is an excellent tool for balancing the energy grid and help utilize renewable energy resources more effectively. As electrical energy needs to be used as it is created, pumped hydro technology 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 the European energy grid. To do so, retrofitting of pumping abilities to existing hydropower plants is a viable option. According to a study performed by NVE, many of the hydropower plants in Norway are suitable for retrofitting 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 been proposed solved by the use of a booster-pump in front of the RPT. This booster-pump could produce a rotational component in the flow approaching the RPT. How this rotational component evolves as the flow approaches the RPT is uncertain, and how the rotation is at the inlet of the RPT is important for the operation 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 results suggest 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 the draft 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 combined system 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 provides additional head while pre-rotation in the same direction subtracts head from the system.