Mit rückwärtslaufenden Pumpen Energie wirtschaftlich zurückgewinnen

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Das richtige Layout

Soll eine Pumpe als Turbine eingesetzt werden, ist es wichtig, die Unterschiede im Leistungsvermögen der Maschine bei umgekehrter Fließ- und Drehrichtung zu kennen. Bei gleicher Drehgeschwindigkeit und gleichem Laufraddurchmesser gelten folgende allgemeine Unterschiede:

• Der Wirkungsgrad am Bestpunkt der Turbine entspricht ungefähr dem der Pumpe bzw. kann je nach Größe der Maschine etwas höher liegen.

• Die Wirkungsgradkurve bei Überlast fällt im Turbinenbetrieb langsamer ab als im Pumpenbetrieb, da die Verluste mit einer hohen Leistung verbunden sind.

• Der Wirkungsgrad-Bestpunkt der Turbine liegt bei einem höheren Durchfluss und einer größeren Fallhöhe, d.h., die Leistung ist im Turbinenbetrieb höher als im Pumpbetrieb.

• In den meisten Fällen ist die Wellenleistung am Bestpunkt der Turbine etwas höher als am entsprechenden Punkt der Pumpe.

• Die Kavitationsanfälligkeit ist im Turbinenbetrieb geringer als im Pumpbetrieb, da sich die Niederdruckzone im Turbinenbetrieb am Laufradaustritt befindet.

Sulzer hat bereits mehrere Hundert HPRTs in verschiedenen Ausführungen bereitgestellt und Methoden zur Berechnung der Leistungsfähigkeit von HPRTs auf der Basis der Pumpendaten entwickelt. Werden jedoch exakte Daten benötigt, ist ein Test unabdingbar. Turbinentests erfordern eine umfangreiche Ausrüstung und kosten daher deutlich mehr als ein Pumpentest. Um den entsprechenden Durchfluss und hohen Eintrittsdruck zu gewährleisten, ist eine Druckerhöhungspumpe mit ausreichender Leistung erforderlich. Die Ausgangsleistung der HPRT muss mit einem kalibrierten Generator, Drehmomentmesser oder Dynamometer gemessen werden. Aus den Messungen von Leistung, Durchfluss und Druck wird dann der Turbinenwirkungsgrad errechnet. Zur Verhinderung von Kavitation am HPRT-Austritt muss der Gegendruck am Austritt kontrolliert werden.

Betrachtung des Gesamtsystems

Die Bestimmung der Durchgangsdrehzahl ist eine wesentliche Voraussetzung für den Rückwärtsbetrieb der Pumpe. „Durchgehen“ ist der Betrieb bei maximaler Drehzahl ohne Last. Dieser außergewöhnliche Fall tritt ein, wenn die Netzverbindung des Generators aufgrund eines Stromausfalls oder eines Blitzschlags verloren geht. Dies kann in Bruchteilen von Sekunden passieren und muss bei der Auslegung eines hydraulischen Systems berücksichtigt werden. Die Durchgangsdrehzahl einer Radialmaschine kann je nach spezifischer Drehzahl und Bemessungsbedingungen zwischen 140 und 200 Prozent ihrer Nenndrehzahl betragen.

Dies sollte beim Generatorbetrieb und bei der Wahl der unter transienten Bedingungen arbeitenden Abschalteinrichtung berücksichtigt werden. Wird die HPRT zum Antrieb eines Generators verwendet, kann es sinnvoll sein, ein Untersetzungsgetriebe zwischenzuschalten und den Generator mit vier- oder sechspoligen Drehzahlen (1500 oder 1000 U/min bei 50 Hz Netzfrequenz bzw. 1800 oder 1200 U/min bei 60 Hz Netzfrequenz) zu be- treiben, wobei der Rotor des Generators mechanisch für zweipolige Drehzahlen (3000 U/min bei 50 Hz bzw. 3600 U/min bei 60 Hz) ausgelegt sein sollte.

Wasserkraftturbinen verfügen über Einrichtungen zur Steuerung des Durchflusses, z.B. in Form von Leitschaufeln, die dabei helfen, hohe Druckspitzen unter transienten Bedingungen zu vermeiden. In HPRT-Prozessanwendungen ist der Turbinen-Bypass stets leicht geöffnet und wird schnell angepasst, um die Regelung des Flüssigkeitsstands im Eintrittsbehälter zu ermöglichen, wenn das Turbineneinlassventil abschaltet.

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