Effizienzsteigerungsmaßnahmen im Donaukraftwerk Aschach

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1 EINLADUNG ZUM 1. VERBUND-FORSCHUNGSFORUM 2007 Die Verbund-Austrian Hydro Power AG lädt Sie herzlich ein zum 32. Forschungsforum mit dem Schwerpunkt Effizienzsteigerungsmaßnahmen im Donaukraftwerk Aschach Die Veranstaltung findet am Mittwoch, dem 25. April 2007, um 17:00 Uhr im Bassano-Saal des Kunsthistorischen Museums, 1010 Wien, Maria-Theresienplatz 1, statt. Begrüßung Dipl.-Ing. Hans Haider Generaldirektor der Österreichischen Elektrizitätswirtschafts-Aktiengesellschaft Forschung im Verbund Baurat h.c. Dipl.-Ing. Dr. Herbert Schröfelbauer Vorstandsvorsitzender der VERBUND-Austrian Hydro Power AG Vorträge: Diskussion: Untersuchung der Potentiale zur Effizienzsteigerung in der AHP Dipl.-Ing. Dr. Josef Mayrhuber Verbund-Austrian Hydro Power AG, Wien Berechnung und Optimierung des Laufrades mit numerischer Strömungsberechnung und evolutionsstrategischen Algorithmen Dr. Arno Gehrer Forschungsingenieur mit Schwerpunkt hydraulische Entwicklung von Axialturbinen und Pumpen mit CFD und Modellversuchen, Andritz, Graz Laufradtausch: Durchführung, Herausforderungen und Erkenntnisse Dipl.-Ing. Dr. Peter Hassler Verbund-Austrian Hydro Power AG, Wien Dipl.-Ing. Dr. Herbert Schröfelbauer Vorstandsvorsitzender der VERBUND-Austrian Hydro Power AG Im Anschluß laden wir zum Buffet. Bitte melden Sie sich bis spätestens Montag, 23. April 2007, mit beiliegender Fax-Antwort an oder per an:

2 1. VERBUND Forschungsforum 2007 Effizienzsteigerungsmaßnahmen im Donaukraftwerk Aschach 25. April 2007, Bassano-Saal des Kunsthistorischen Museums 1010 Wien, Maria-Theresienplatz 1 Dipl.-Ing. Hans Haider Generaldirektor der Österreichischen Elektrizitätswirtschafts-Aktiengesellschaft 1. VERBUND Forschungsforum

3 VERBUND Forschung im Verbund VV Baurat h. c. Dipl.-Ing. Dr. Herbert Schröfelbauer VERBUND-Austrian Hydro Power AG 1. VERBUND Forschungsforum Inhalt Forschungsforen, Verena 2006 Forschungsstatistik Energiepolitik - Senkung CO 2 Ausstoß - Erneuerbare - Effizienzsteigerung 1. VERBUND Forschungsforum

4 Forschung im Verbund Schriftenreihe Band 88 Forschungsforen, Publikationen, Internet Forschungsforen Forschungsberichte Umwelt- und Forschungsdaten 2003, 2004, 2005, 2006 in Arbeit Schriftenreihe der Forschung im Verbund 97 Bände erschienen 3 Bände in Arbeit Umwelt- und Forschungsdaten forschung_umwelt/ 1. VERBUND Forschungsforum VERENA Förderpreis 2006 VERENA Verbund Renewable Energy Award Förderpreise 2006 der Verbund-Stiftung 100 Jahre Elektrizitätswirtschaft Elektrizität aus Wasserkraft und neue erneuerbare Energien Preisgeld: Summe ,- Preisverleihung: 19. Nov Aktuell: 24 Einreichungen 1. VERBUND Forschungsforum

5 Forschungsstatistik 2006 Anzahl der Projekte Projektvolumen [Mio ] Projektvolumen (2006): 27,6 Mio davon Verbund 2006: 7,1 Mio Forschungsprojekte 2006: abgeschlossene Projekte - 44 laufende Projekte 30,0 28,6 33,5 24,85 41,3 6, ,5 5,4 4,3 43,5 5,9 53,8 7, , Istaufwendung Forschung Verbund [Mio ] Jahr abgeschlossene Projekte laufende Projekte Istaufwendungen Verbund Projektvolumen [Mio ] 0 1. VERBUND Forschungsforum Aspekte der EU-Energiepolitik bis % Treibhausgase (wenn möglich -30%) CO 2 -Abtrennung und Speicherung Klares Bekenntnis für Erneuerbare (RoE)! bindendes Ziel: 20 % vom Energieverbrauch (10 % bindendes Ziel für Biotreibstoffe) Ausbau der Wasserkraft (hat noch Potential) und neuen Erneuerbaren in Österreich 20% Energieeffizienzsteigerung 1. VERBUND Forschungsforum

6 Effizienzsteigerung: Wärmekraftwerk EU: Entwicklung hocheffizienter Wärmekraftwerke Hochtemperaturfeste Werkstoffe 700 C, Wirkungsgrade bis über 50%, (und CCS in EU: 12 Demonstrationsanlagen bis 2015) Verbund: Effizienzsteigerung im WKW Dürnrohr Tausch der Platten im Drehluftvorwärmer -> Leistungssteigerung 0,9 MW 1. VERBUND Forschungsforum Effizienzsteigerung im Donaukraftwerk Aschach Neue Turbinen, vergrößerter Laufraddurchmesser 8,6 m (alt: 8,4m) Erhöhung Ausbauwassermenge (von auf m 3 /s) Erhöhung der durchschnittlichen Jahreserzeugung um 45 GWh 4 neue Generatoren, Nennleistung: 98 MW (alt: 85 MW) Strom: 5388 A (alt 4670 A) Zeitraum: (4 Generatoren) 1. VERBUND Forschungsforum

7 Vorträge des 32. Forschungsforums Untersuchung der Potentiale zur Effizienzsteigerung in der AHP Dipl.-Ing. Dr. Josef Mayrhuber, Verbund-Austrian Hydro Power AG, Wien Berechnung und Optimierung des Laufrades mit numerischer Strömungsberechnung und evolutionsstrategischen Algorithmen Dr. Arno Gehrer, Forschungsingenieur mit Schwerpunkt hydraulische Entwicklung von Axialturbinen und Pumpen mit CFD und Modellversuchen, Andritz, Graz Laufradtausch: Durchführung, Herausforderungen und Erkenntnis Dipl.-Ing. Dr. Peter Hassler, Verbund-Austrian Hydro Power AG, Wien 1. VERBUND Forschungsforum VERBUND Forschungsforum

8 VERBUND-Austrian Hydro Power AG Untersuchung der Potentiale zur Effizienzsteigerung in der AHP Josef MAYRHUBER Verbund Forschungsforum 1/2007 Wien, 25. April 2007 Übersicht Zielsetzung Mehr Energie aus dem gleichen Wasserdargebot Wasserkraftpotentiale Ausgangssituation am Beispiel AHP-Anlagenpark Systematische Untersuchung der Potentiale anhand ausgewählter Beispiele Zusammenfassung und Ausblick Forschungsforum

9 Wasserkraftpotentiale Wasserkraftpotential Österreich (RAV) (1996) Ausbauwürdiges Potential: GWh/a Ausgebautes Potential: GWh/a Davon VERBUND GWh / a Davon AHP: GWh / a Inlandsstromverbrauch 2005: GWh Verbrauchswachstum: ca. 1,5 2,5 % pro Jahr Zusätzliche Potentiale Neuanlagen Verbesserte Nutzung bestehender Anlagen Forschungsforum Beispiele für Effizienzpotentiale Laufkraftwerke Beispiel Kraftwerk Aschach / Donau Beispiel Kraftwerk Lavamünd / Drau Beispiel Kraftwerk Gralla / Mur Kaplan-Laufrad Aschach Neu: Ø mm Speicherkraftwerke Beispiel Kraftwerk Arnstein Forschungsforum

10 Beispiele für Effizienzpotentiale Forschungsforum Ausgangspunkt 2003 Betriebliche Probleme Erhöhter Instandhaltungsaufwand Verkürzte Revisionsintervalle Störungen Verbesserungspotentiale CFD-Rechnung Bessere Abstömung Höhere Wirkungsgrade im Vollastbereich (1-2%) Höhere Kavitationsgrenze Schaden am Laufradmantel (Wassereintritt 2005) Kavitationsleiste mit Schaden (2001) Forschungsforum

11 KW Aschach: Genutzte Potentiale Turbine: um 1,5 2,5% höhere Wirkungsgrade Zunahme des Schluckvermögens: Laufräder Ø mm statt Ø mm Nabenverhältnis 0,38 statt 0,44 Erhöhung des Ausbaudurchflusses m³/s statt m³/s Anteil an RAV Erhöhung: 44 GWh 98,0% 96,0% 94,0% 92,0% 90,0% 88,0% Neue Hydraulik + kleinere Nabe + gr. Durchmesser ~2 % Alte Hydraulik 86,0% Generator: Verbesserung des Wirkungsgrads um 0,5 % Hoher Generator-Wirkungsgrad 98,1 98,6 % Anteil an RAV Erhöhung: 1 GWh Wirkungsgradgewinn von rund 2 % verbesserte Hydraulik der Turbine Forschungsforum Beispiel Laufkraftwerk Lavamünd / Drau Forschungsforum

12 Mögliche Effizienzsteigerungen Vergangenheit Stauzielerhöhung + 0,5m (1963) Unterwassereintiefung Maschinensanierung Zusätzliches Potential Ober- und Unterlieger mit höhere Ausbauwassermenge Engpaß der Drau-Kette Q_A [m³/s] Forschungsforum Edling Schwabeck Lavamünd Dravograd Vuzenica Vuhred Ozbalt Nutzbare Potentiale - Wasserwirtschaft Durchflußmenge Q [m³/s] Dauerlinien Drau - KW Lavamünd und KW Schwabeck offizielle Dauerlinie mit Speichereinfluß (Daten ) offizielle Dauerlinie - Verlagerung durch Schwellbetrieb Ausbaudurchfluß erweitert 465 m³/s Schluckfähigkeit bei Überöffnung 415 m³/s Ausbaudurchfluß 385 m³/s Zeit [Tage] derzeit rund 50 Tage Wehrüberlauf mit Einbau 4. Maschine: rund 30 Tage Wehrüberlauf RAV-Gewinn: ~ 5 GWh Forschungsforum

13 Nutzbare Potentiale der Anlage mit Erweiterung eta_tu [%] 94 Einsatzlinie DLA - Bestand und Ausbauvarianten Q prop m³/sec 82 Q_prop [m³/s] = 80 Kavitationsgrenze Überlastgrenze 80 Variante +1Propeller 78 Bestand: 3 MS Q [m³/s] zusätzlich: Wirkungsgradgewinn: rund 2 % ( ~ 3 GWh) in Summe: rund 8 bis 10 GWh / a möglich Forschungsforum Beispiel Laufkraftwerk Gralla / Mur Technische Daten Inbetriebnahme 1964 Leistung 2x7,25 = 14,5 MW Jahresarbeit 74 GWh Ausbaufallhöhe 8,3 m Ausbaudurchfluß 200 m³/s Wirkungsgrade (1962) Turbine ηmax 93,0% Turbine ηmittel 91,6% Generator cosφ=0,8 96,9% Forschungsforum

14 Wasserkraftpotentiale Gralla Betriebliche Probleme Erhöhter Instandhaltungsaufwand Erhöhte Störungshäufigkeit Generator - Ständer (Schaden 2004) m³/s Abflußdauerlinie ERWARTUNG + ~ 10 % IST 200 m³/sec Überschreitungsdauer [ Tage ] Erwartete Potentiale Erhöhung der nutzbaren Wassermenge ~2% Wirkungsgradgewinn ~1-2% Erhöhung des RAV ~3 GWh Laufradmantel Laufrad (schwarz) Forschungsforum Beispiel Speicherkraftwerk Arnstein Forschungsforum

15 Verluste Anlagenmessung Arnstein (2006) Energiehöhe relativ [%] 100% 80% 60% 40% 20% 0% Dreimaschinenbetrieb Zweimaschinenbetrieb Nutzenergie Verluste Einzelbetrieb bis Schieberhaus bis Tu-Einlaufkrümmer bis Turbinenwelle Druckstollen Rohrleitung Turbine Generator Nutzenergie bis Generatorklemme Durchflußmenge Q [m³/s] Anlagenverluste bei Q max bis zu rund ~ 28 % Forschungsforum Sanierungsvarianten & Nutzbare Potentiale 100% 80% 60% 40% 20% 0% 17,0% 3,0% 71,8% 29,0 MW Bestand 8,3 % 9,2% 9,2% 6,4% 3,3% 1,7% 1,7% 79,3% 80,9% 83,6% 32,0 MW Laufrad neu 32,7 MW Laufrad, Generator neu 33,9 MW Turbine, Generator neu Verluste Druckstollen Verluste Druckrohrltg Verluste Turbine Verluste Generator Nutzenergie Bestand (1926) Anlagenwirkungsgrad von ~ 72 % Aktueller Stand der Technik: ~ 84 % möglich Forschungsforum

16 Nutzbare Potentiale am Beispiel Arnstein Gleiche Wassernutzung Steigerung Anlagenwirkungsgrad auf 84 % möglich Erzeugungsgewinn von bis zu + 7 GWh / Jahr Leistungsgewinn bis zu + 4 MW Genehmigung? Entscheidend: Genehmigung (WRRL, Schwall, UVP?) Wirtschaftlichkeit Forschungsforum Zusammenfassung Potentiale liegen bei < 1% bis zu 15 % pro Anlage im Mittel + 2 % über alle Anlagen Erhebliches Potential für Effizienzsteigerung (AHP bis ca. 400 GWh möglich) Einzelfalluntersuchung je Anlage Kompetente Partner: Forschung und Industrie Ziele für den Betreiber Einfache und rasche Genehmigung Wirtschaftliche Lösungen Chancen für die Nutzung dieser Potentiale Forschungsforum

17 Berechnung und Optimierung des Laufrades mit numerischer Strömungsberechnung und evolutionsstrategischen Algorithmen 1. Verbund-Forschungsforum 2007 KW Aschach Arno GEHRER Inhalt Einleitung Numerische Methoden Berechnungsergebnisse Berechnung der bestehenden Turbine (ALT) Laufraddesign und Optimierung mit 3D-Euler Navier Stokes Simulationen (CFX) Vergleich ALT / NEU Modellversuch 2 1

18 Einleitung Entwicklung eines neuen Kaplan Laufrades für das Donaukraftwerk ASCHACH Alte Turbine Laufraddurchmesser D1=8400mm Drehzahl n=68.2 rpm Nabenverhältnis: 44% Ziel: Verbesserung der Turbine, insbesondere in der Volllast 3 Navier Stokes Simulationen (CFX) Kennfeldberechnung Modellierung der ganzen Turbine Frozen-Rotor Koppelung zwischen stehenden und rotierenden Komponenten 4 2

19 Berechnung der bestehenden Turbine (ALT), CFX (2 Phasen) Dampfzonen stimmen gut mit Modellversuch überein plausible Erklärung der Kavitationsschäden 5 Laufraddesign NEU Design 1: D1=8400 (=D ALT ) Nabenverhältnis 40% ALT Manuelle Auslegung mit 3D-EULER NEU1 Design 2: D1=8600 Nabenverhältnis 38% Automatische Optimierung mit dem evolutionsstrategischen Algorithmus NEU2 6 3

20 Optimierung: Software HAUSEIGENE SOFTWARE Schaufelgenerator Vorgabe von Strömungswinkel Schaufelkrümmung Automatischer Gittergenerator Schaufelkanäle Saugrohre Pumpenspiralen Peltonringleitungen 3D-Euler Code Wenige Minuten CPU Zeit Druckverteilungen Geschwindigkeitsprofile (Automatische) Optimierung 7 Optimierung: Ergebnis ( Pareto Front ) Zielfunktion 1 = sigma (Druckverteilung an der Laufschaufel) Zielfunktion 2 = Abweichung zu einem gegebenen Abströmungsprofil (Saugrohrverlust!!) 6.00 min. Zielfunktion Ausgangsindividuum Alle selektierten Individuen Selektierte der letzten Generation min. Zielfunktion

21 3D Euler Ergebnisse (Druckverteilung, Design 1) ALT NEU Volllast (Q=Q max ) Limitierung der Plots mit Dampfdruck Abgeschnittene Bereiche bedeuten Kavitation 9 Simulationsergebnisse (CFX), Vergleich ALT /NEU Verbesserung der Wirkungsgrade in der Volllast Steigerung der Kavitationsgrenze Design 2 (D=8600)! 10 5

22 Simulationsergebnisse (CFX), Vergleich ALT /NEU Kavitationsgrenze, Druckverteilung 11 Simulationsergebnisse (CFX), Vergleich ALT /NEU Kavitationsgrenze, Saugrohrstabilität 12 6

23 Modellversuch am VQ Prüfstand der ASTRÖ 13 Modellversuch, gemessene Wirkungsgrade und Kavitationsgrenzen, Variante 1 Wirkungsgrad (ALT) Mit dem ersten Entwurf konnten die Garantien nicht erreicht werden ETA / ETA max, ALT Wirkungsgrad (NEU) Garantie Wirkungsgrad (Variante1) H=H rated Die erste Annahme für das Geschwindigkeitsprofil am LR-Austritt passte offenbar nicht zum alten Saugrohr Q Max,NEU,8600 Q Max, ALT Q / Q max,alt 14 7

24 Modellversuch, gemessene Wirkungsgrade und Kavitationsgrenzen, Endvariante (Abnahme) Wirkungsgrad (ALT) Wirkungsgrad (NEU) Endvariante Wirkungsgrad (NEU) Abnahmeversuch Mit dem ersten Entwurf konnten die Garantien nicht erreicht werden Wirkungsgrad (NEU) Garantie Wirkungsgrad (Variante1) Die erste Annahme für das Geschwindigkeitsprofil am LR-Austritt passte offenbar nicht zum alten Saugrohr ETA / ETA max, ALT H=H rated Q Max,NEU,8600 Ermittelung neuer (Ziel-) Geschwindigkeitsprofile m.h.v. Sondenmessungen Wiederholung des Optimierungzyklus -mit vom Prüfstand ermittelter- Zielfunktion brachte das erwünschte Resultat! Q Max, ALT Q / Q max,alt 15 σ Anl /σ s = 1.19 Prototypmuschel AAG mit Grenzen σ Anl /σ s = 1.24 σ Anl /σ s = 1.17 σ Anl /σ s = 1.23 σ Anl /σ s = 1.17 σ Anl /σ s =

25 Abnahmeversuch, Kavitationsbeobachtung H P =14.5m, Q P =612m 3 /s Saug- und Druckseite praktisch frei Geringe Nabenkavitation 17 Zusammenfassung Bester Kompromiss zwischen Kosten und Nutzen (Jahresarbeit) war ein Laufradentwurf mit D=8600mm und einem Nabenverhältnis von 38 % Automatische Optimierung des Aschach Laufrades mit einem evolutionsstrategischen Algorithmus (gekoppelt mit 3D-EULER) Die numerische Optimierung musste mit Zielfunktionen, die von der Messung abgeleitet waren wiederholt werden (Anpassung an das alte Saugrohr) Optimale Ergebnisse erhält man mit Numerik (CFD) UND Modellversuch 18 9

26 Kraftwerk Aschach Laufradtausch: Durchführung Herausforderungen Erkenntnisse 1 EMI / Hassler Laufradtausch Aschach Kraftwerk Aschach INSTANDHALTUNG ( Definition ) - Maßnahmen zur Bewahrung und Wiederherstellung des Sollzustandes - sowie zur Feststellung und Beurteilung des Istzustandes von technischen Mitteln eines Systems. - Abstimmung der IH Ziele mit den Unternehmenszielen - Festlegung entsprechender Instandhaltungsstrategien 2 EMI / Hassler Laufradtausch Aschach

27 Kraftwerk Aschach INSTANDHALTUNG Prof. A. Sturm die Erfahrung zeigt, dass ca. 90% der erforderlichen Maßnahmen von guten Praktikern vorausbestimmt werden können - Regel basiert - Wissen basiert Prioritätsregel Erfahrung 3 EMI / Hassler Laufradtausch Aschach Kraftwerk Aschach Laufradtausch: Warum? Was? Wann? 4 EMI / Hassler Laufradtausch Aschach

28 Kraftwerk Aschach Laufradtausch: Warum? Gefährdungspotenzial Laufradring 5 EMI / Hassler Laufradtausch Aschach Kraftwerk Aschach Laufradtausch: Was? Laufradring Laufrad Leitschaufel Lager 6 EMI / Hassler Laufradtausch Aschach

29 Kraftwerk Aschach: Erneuerung Laufradring 7 EMI / Hassler Laufradtausch Aschach Kraftwerk Aschach Herstellung: Laufrad-Schaufeln Abguß der Flügel (VOITH/S.Paulo). 8 EMI / Hassler Laufradtausch Aschach

30 Kraftwerk Aschach: Herstellung der Laufradnabe TU4: Abguß der Naben (Fa. Skoda(CZ)) 9 EMI / Hassler Laufradtausch Aschach Kraftwerk Aschach: Herstellung der Schaufelhebel Guß (VA Traisen) 10 EMI / Hassler Laufradtausch Aschach

31 Kraftwerk Aschach: Einbau Laufschaufeln 11 EMI / Hassler Laufradtausch Aschach Kraftwerk Aschach: Zusammenbau Laufrad wegen neuem Außendurchmesser 12 EMI / Hassler Laufradtausch Aschach

32 Kraftwerk Aschach Formfehler Leitschaufel 13 EMI / Hassler Laufradtausch Aschach Kraftwerk Aschach Schadensablauf Traglagersegment 14 EMI / Hassler Laufradtausch Aschach

33 Kraftwerk Aschach Zusammenfassung - 6 Monate Revisionsdauer um 17 Tage überschritten - 6 Monate Revisionsdauer für andere TU fix - Engpass Leitschaufelsanierung - Abstimmung Anreißtoleranzen zu NC Fertigung - Sanierung Führungs- und Traglager - Neuanfertigung Ölsteuerleitungen - Fertigungskontrollen 15 EMI / Hassler Laufradtausch Aschach Kraftwerk Aschach Danke für Ihre Aufmerksamkeit 16 EMI / Hassler Laufradtausch Aschach

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