Physical modelling of mass oscillations in Roskrepp Hydropower Plant

Abstract

Hensikten med den nåværende studien er massesvingningsanalyse i Roskrepp Pumped Storage Project lokalisert i Sør-Norge. Kraftverket er i dag et konvensjonelt vannkraftverk som ønskes ominnredet til pumpens lagringskapasitet, på grunn av de nyeste tendenser med hensyn til kraftsystemstabilitet. Eieren av kraftverket, Sira-Kvina-selskapet, viste stor interesse for pumpede lagringsanlegg startet med studien om å oppgradere Roskrepp til et av disse. Roskrepp vannkraftverk er et vannkraftverk som ble satt i gang i 1979, og behandler et 83 m hode mellom Roskreppfjorden og Øyarvatn innsjøer ved hjelp av en 50 MW Francis turbin. Tatt i betraktning at tunnelsystemet, som for det meste besto av uforede tunneler og forsterkede rør, tåler pumpeforholdene, vil den nye konfigurasjonen føre til et mye mer ugunstige forbigående fenomener på grunn av mange start-stop-operasjoner. Derfor skal massesvingningsatferd for den nye anleggskonfigurasjonen evalueres. Studien er avhengig av et sett med data samlet inn fra feltet under drift av anlegg, brukt til kalibrering og validering av en 1:70 skala fysisk modell bygget i Hydraulic Laboratory (Vassdragslaboratoriet) i NTNU. Etterpå blir modellen brukt til simulering av de nye driftsforholdene som er karakteristiske for et pumpet lagringsanlegg. Eksperimentene blir utført i hypotesen om en ny reversibel pumpeturbinenhet installert i stedet for den nåværende turbinen. Eksperimentene vurderte implementering av en reversibel pumpeturbinenhet, med hensyn til maksimal utslipp som kan transporteres økonomisk av tunnelsystemet. Resultatene viste at de høyeste problemene med hensyn til massesvingninger er relatert til nedstrøms overspenningstank. Oppstrøms overspenningstank registrerte også noe svakt overskridelse av sin øvre grense, men løselig med noen små driftsbegrensninger. Dermed er omdesign ikke obligatorisk. Nedstrøms overspenningstank krever derimot øyeblikkelig omdesign og rekonstruksjon for at pumpelagerkonfigurasjonen skal være i drift. Etter dataanalysen vil en numerisk modell bli brukt for evaluering av mulige forbedringsalternativer og de optimale løsningene vil bli fremhevet. Løsningene foreslått av studien må deretter analyseres ved fysisk modellering for å sikre deres relevans.

The purpose of the present study is mass oscillations analysis in Roskrepp Pumped Storage Project located in south of Norway. The power plant is presently a conventional hydropower plant desired to be redesigned to a pump storage capacity, due to the most recent tendencies in terms of power system stability. The owner of the power plant, Sira-Kvina company, showed a high interest into pumped storage plants commenced with the study of upgrading Roskrepp into one of these. Roskrepp Hydropower Plant is a hydropower plant commissioned in 1979 which processes an 83 m head between Roskreppfjorden and Øyarvatn lakes using one 50 MW Francis turbine. Considering the tunnel system, mostly consisted of unlined tunnels and reinforced pipes, can withstand the pumping conditions, the new configuration will result into a much more adverse transient phenomena due to numerous start-stop operations. Therefore, mass oscillations behavior for the new plant configuration is to be evaluated. The study relies on a set of data collected from the field during plant operating, used for the calibration and validation of a 1:70 scale physical model built in Hydraulic Laboratory (Vassdragslaboratoriet) in NTNU. Afterwards, the model is used for the simulation of the new operating conditions characteristic to a pumped storage plant. The experiments are performed in the hypothesis of a new reversible pump turbine unit installed instead of the current turbine. The experiments considered the implementation of a reversible pump-turbine unit, with respect to the maximum discharge that can be economically transported by the tunnel system. The results showed that the highest issues in what regards mass oscillations are related to the downstream surge tank. Upstream surge tank also registered some slight exceeding of its upper boundary, however, solvable with some small operating restrictions. Thus, its redesigning is not mandatory. Downstream surge tank, on the other hand requires immediate redesigning and reconstruction for the pump storage configuration to be operative. Following the data analysis, a numerical model will be used for the evaluation of the possible improvement options and the optimal solutions will be highlighted. The solutions proposed by the study must be subsequently analyzed by physical modelling to ensure their relevance.