Die Saughöhe eines Pumpspeicherkraftwerks wirkt sich direkt auf das Umleitungssystem und die Kraftwerksplanung aus. Eine geringe Aushubtiefe kann die entsprechenden Baukosten senken. Allerdings erhöht sich dadurch auch das Kavitationsrisiko während des Pumpenbetriebs. Daher ist eine genaue Höhenberechnung bei der frühen Installation des Kraftwerks sehr wichtig. Bei der frühen Anwendung von Pumpturbinen wurde festgestellt, dass die Laufradkavitation unter Pumpenbetriebsbedingungen stärker ausgeprägt ist als unter Turbinenbetriebsbedingungen. Bei der Konstruktion wird allgemein angenommen, dass die Turbinenbetriebsbedingungen eingehalten werden können, wenn die Kavitation unter Pumpenbetriebsbedingungen aufrechterhalten werden kann.
Die Auswahl der Saughöhe einer Halbaxial-Pumpturbine basiert im Wesentlichen auf zwei Prinzipien:
Erstens muss dies unter der Bedingung durchgeführt werden, dass unter den Betriebsbedingungen der Wasserpumpe keine Kavitation auftritt. Zweitens darf es während des Übergangsprozesses der Einheitslastabweisung nicht zu einer Wassersäulentrennung im gesamten Wassertransportsystem kommen.
Im Allgemeinen ist die spezifische Drehzahl proportional zum Kavitationskoeffizienten des Laufrads. Mit zunehmender spezifischer Drehzahl steigt auch der Kavitationskoeffizient des Laufrads, und die Kavitationsleistung nimmt ab. In Kombination mit dem empirisch berechneten Wert der Saughöhe und dem berechneten Wert des Saugrohrvakuums unter den gefährlichsten Übergangsbedingungen und unter Berücksichtigung der Prämisse, Tiefbauarbeiten so weit wie möglich einzusparen, verfügt die Anlage über eine ausreichende Eintauchtiefe, um einen sicheren und stabilen Betrieb zu gewährleisten.
Die Eintauchtiefe der Hochdruck-Pumpturbine wird anhand der Kavitationsfreiheit der Pumpturbine und der Abwesenheit einer Wassersäulenablösung im Saugrohr während verschiedener Übergangszustände bestimmt. Die Eintauchtiefe von Pumpturbinen in Pumpspeicherkraftwerken ist sehr groß, daher ist die Installationshöhe der Einheiten niedrig. Die Saughöhe von Hochdruckeinheiten, die in Kraftwerken in China in Betrieb genommen wurden, wie z. B. Xilong Pond, beträgt – 75 m, während die Saughöhe der meisten Kraftwerke mit 400–500 m Wassersäule etwa – 70 bis – 80 m beträgt und die Saughöhe von 700 m Wassersäule etwa – 100 m beträgt.
Während des Lastabwurfs der Pumpturbine führt der Wasserschlageffekt zu einem deutlichen Druckabfall im Saugrohrabschnitt. Durch die schnelle Erhöhung der Laufraddrehzahl während des Lastabwurfübergangs entsteht außerhalb des Laufradauslassabschnitts eine starke rotierende Wasserströmung, wodurch der Mitteldruck des Abschnitts niedriger wird als der Außendruck. Obwohl der Durchschnittsdruck des Abschnitts noch immer über dem Verdampfungsdruck des Wassers liegt, kann der lokale Druck in der Mitte niedriger sein als der Verdampfungsdruck des Wassers, was zu einer Wassersäulenablösung führt. Bei der numerischen Analyse des Pumpturbinenübergangs kann nur der Durchschnittsdruck jedes Rohrabschnitts angegeben werden. Nur durch eine vollständige Simulation des Lastabwurfübergangs kann der lokale Druckabfall bestimmt werden, um das Phänomen der Wassersäulenablösung im Saugrohr zu vermeiden.
Die Eintauchtiefe von Hochdruck-Pumpturbinen muss nicht nur den Anforderungen des Erosionsschutzes entsprechen, sondern auch sicherstellen, dass es während verschiedener Umwälzprozesse nicht zu einer Wassersäulenablösung im Saugrohr kommt. Die Super-Hochdruck-Pumpturbine weist eine große Eintauchtiefe auf, um eine Wassersäulenablösung während des Umwälzprozesses zu vermeiden und die Sicherheit des Wasserumleitungssystems und der Kraftwerkseinheiten zu gewährleisten. Beispielsweise beträgt die Mindesteintauchtiefe des Pumpspeicherkraftwerks Geyechuan 98 m und die des Pumpspeicherkraftwerks Shenliuchuan 104 m. Die inländischen Pumpspeicherkraftwerke Jixi 85 m, Dunhua 94 m, Changlongshan 94 m und Yangjiang 100 m.
Bei derselben Pumpturbine gilt: Je weiter sie von den optimalen Betriebsbedingungen abweicht, desto stärker ist die Kavitationsintensität. Bei hohem Auftrieb und geringem Durchfluss weisen die meisten Strömungslinien einen großen positiven Anstellwinkel auf, wodurch im Unterdruckbereich der Schaufelblatt-Saugfläche leicht Kavitation auftritt. Bei niedrigem Auftrieb und hohem Durchfluss ist der negative Anstellwinkel der Schaufelblatt-Druckfläche groß, was leicht zu Strömungsablösungen und damit zu Kavitationserosion an der Schaufelblatt-Druckfläche führen kann. Generell ist der Kavitationskoeffizient bei Kraftwerken mit großem Fallhöhenunterschied relativ hoch, und eine geringere Einbauhöhe kann die Anforderung erfüllen, dass bei niedrigem und hohem Auftrieb keine Kavitation auftritt. Bei stark schwankenden Fallhöhen erhöht sich daher die Saughöhe entsprechend. Beispielsweise beträgt die Eintauchtiefe von QX – 66 m und von MX – 68 m. Da die Fallhöhenunterschiede von MX größer sind, ist die Anpassung und Gewährleistung von MX schwieriger.
Berichten zufolge kam es in einigen ausländischen Pumpspeicherkraftwerken zu einer Wassersäulenablösung. Der Umbauprozess japanischer Hochdruck-Pumpturbinen wurde im Werk anhand eines Simulationsmodells umfassend untersucht. Das Phänomen der Wassersäulenablösung wurde eingehend untersucht, um die Einbauhöhe der Pumpturbine zu bestimmen. Die größte Herausforderung bei Pumpspeicherkraftwerken stellt die Systemsicherheit dar. Es muss sichergestellt werden, dass der Druckanstieg im Spiralgehäuse und der Unterdruck im Unterwasser auch unter extremen Betriebsbedingungen im sicheren Bereich liegen und die hydraulische Leistung ein erstklassiges Niveau erreicht, was die Wahl der Eintauchtiefe maßgeblich beeinflusst.
Veröffentlichungszeit: 23. November 2022
