POST – Plant Operation Stability Modeling

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/501943

Short description (German)

Der Anteil an erneuerbaren Energiequellen in der heutigen Energiematrix ist stark steigend, nicht zuletzt aufgrund deren Schlüsselrolle in modernen Energiestrategien auf nationaler und internationaler Ebene. Die stochastische Natur einiger dieser Energiequellen, wie zum Beispiel Photovoltaik oder Windkraft, setzt das elektrische Netz starken Fluktuationen aus und gefährdet dadurch dessen Stabilität. Der flexible Betrieb von Wasserkraftwerken schafft hier eine entscheidende Abhilfe, durch die Bereitstellung von primärer und sekundärer Frequenzregulierungs- und Lastausgleichskapazitäten. Die dafür benötigte Ausweitung des Betriebsbereiches bringt jedoch nicht-homogene Druckverteilungen im Saugrohr der hydraulischen Maschinen hervor, welche zum Auftreten von Kavitation und in manchen Fällen zu systemkritischen hydroakustischen Instabilitäten führen können. Zahlreiche Forschungsinitiativen konzentrierten sich in der Vergangenheit auf das Entschlüsseln der physikalischen Mechanismen, welche diesen Instabilitäten zugrunde liegen. Ausserdem wurden eindimensionale hydroakustische Modelle zur Simulation von Zweiphasenströmungen und deren Einfluss auf die betriebliche Stabilität entwickelt, dessen Modellparameter hauptsächlich aufgrund von Messungen auf Modellturbinen in reduziertem Massstab am Lehrstuhl für Hydraulische Maschinen der ETH Lausanne (EPFL LMH) bestimmt wurden. Die Hauptschwierigkeit liegt allgemein im Transponieren der Messresultate vom reduzierten Massstab zu Originalmaschine, wofür der Umweg über die erwähnten Modelle in Kauf zu nehmen ist. Dieser Schritt wurde erfolgreich im Rahmen des HYBERBOLE Projektes (ERC/FP7-ENERGY-2013-1-Grant 608532) auf einer 444 MW Francis Turbine getestet. Um aber die allgemeine Gültigkeit der Methode zu bestätigen, unabhängig von der Kraftwerkskonfiguration und der Geometrie der hydroelektrischen Gruppen, ist es unabdingbar dies für andere Maschinen zu wiederholen und die numerischen Modelle entsprechen zu verfeinern. Zu diesem Zweck wird ein Francis Turbinenmodell auf dem Versuchstand der EPFL LMH aufgebaut und mit einem periodischen Strömungserreger ausgestattet. Letzterer besteht aus einem Drehventil und einer drehzahlvariablen Pumpe, welche die Strömung in einem breiten Frequenzband anregt. Die Eigenfrequenzen der Versuchsanordnung können so mit einer dynamischen Modalanalyse bestimmt werden, das heisst während langsamen Rampen der Drehventilgeschwindigkeit. Aufgrund dieser Messungen, welche an einer Vielzahl von Betriebspunkten wiederholt werden, kann man mit geeigneten eindimensionalen Modellen die hydroakustischen Parameter des Kavitationswirbelzopfs im Saugrohr bestimmen, wie zum Beispiel die Volumenviskosität, die Kavitationsnachgiebigkeit (Kompressibilität der Strömung durch Präsenz von Wasserdampf) oder der Massenamplifikationsfaktor (aufgrund der Kavitationsvolumenschwankungen). Das Weitern wird auch die Quelle der Druckschwankungen, welche durch die Rotation des Wirbelzopf entsteht, qualitativ und quantitativ mittels partikelbasierter Geschwindigkeitsmessung (2-D PIV) in horizontalen Ebenen des Saugrohrkonus untersucht, mit dem Ziel die Druckschwankungsamplituden auf der Originalmaschine genauer voraussagen zu können. Schlussendlich wird die Stabilität des Kraftwerks im Originalmassstab mit den ermittelten eindimensionalen hydroakustischen Modellen eruiert, was die Prognose der hydroakustischen Eigenfrequenzen, der Anregungsfrequenz durch den Wirbelzopf und der Amplituden der resultierenden Druckschwankungen voraussetzt. In einer zweiten Phase des Projektes sollen die Ergebnisse dann mittels Messungen auf der 9 MW Originalmaschine in Japan validiert und die Modelle allenfalls angepasst werden. Mit Bezug auf die vermehrten Anstrengungen, verstecktes Wasserkraftpotenzial zu nutzen, ist die Wahl einer Kleinwasserkraftanlage relevant.

Short description (English)

The share of renewable energy sources (RES) in the power mix is continuously increasing, given their key role in modern energy policies. Their intermittent nature compromises the stability of the electrical power system (EPS), for which the flexible (offdesign) operation of hydropower plants (HPP) is a crucial remedy, though the provision of primary and secondary grid frequency control as well as load balancing. The required regimes are characterized by non-homogeneous pressure distributions in the draft tube of hydroelectric generating units, leading in turn to the formation of cavitation and in certain cases to associated, system-critical hydroacoustic instabilities. Numerous efforts have been undertaken recently to understand the underlying physical mechanisms causing and sustaining these flow instabilities. Moreover, 1-D hydroacoustic models were developed to simulate the two-phase flow and its impact on the operational stability of the power plant. These models are based on an experimental determination of the relevant physical parameters performed during reduced scale model testing at the EPFL Laboratory for Hydraulic Machines (EPFL LMH). Generally speaking, the major difficulty is to transpose the experimental results from a reduced scale to the full-scale prototype machine and this is where the mentioned models come into play. This has recently been achieved for the 444 MW Francis turbine demonstrator in the HYPERBOLE research project (ERC/FP7-ENERGY-2013-1-Grant 608532). However, to prove the general validity of the approach and to assess the influence of the plant layout and the turbine geometry, it is essential to repeat this operation on one or several other test cases. For this purpose, a reduced scale model of a Francis turbine will be installed on the experimental facilities of EPFL LMH. It will be equipped with a flow excitation system composed of a rotating valve and a variable speed pump, in order to excite the test rig across a wide range of frequencies. Dynamic modal analysis, i.e. slow ramp-up of the valve frequency, will be performed to capture the test rig eigenfrequencies. Based on the results of the measurements performed over a wide range of operating conditions, the hydro-acoustic parameters (i.e. the bulk viscosity, cavitation compliance and mass flow gain factors) of the vortex rope can be derived by using a proper 1-D hydroacoustic model of the entire test rig. The investigation will also focus on a proper identification of the excitation source induced by the vortex rope by 2-D Particle Image Velocimetry (2-D PIV), to improve the prediction of the pressure pulsations amplitude on the real machine. Finally, the stability of the full-scale machine will be assessed by using a 1-D hydroacoustic model of the corresponding hydropower unit. This implies the prediction of both the unit’s eigenfrequencies and vortex frequency, as well as the pressure pulsation amplitudes. It is planned that the results will ultimately be validated by extensive onsite testing of the full-scale 9 MW hydroelectric unit in Japan during a second phase of the project. The test case was purposely chosen to be a small hydro unit, given the efforts to seize hidden hydro potential in this range worldwide. 

Final report (German)

Der Anteil der Wasserkraft an der gesamten Stromerzeugung im europäischen Stromnetz lag 2017 bei 15 %. In der Schweiz stammten im Jahr 2018 37,5 GWh des erzeugten Stroms aus Wasserkraft. Um die ehrgeizigen Ziele der Energiestrategie 2050 zu erreichen, müssen nicht nur die verborgenen Potenziale erschlossen, sondern auch die bestehenden Anlagen optimiert werden. Das bedeutet, dass von den rund 650 bestehenden Wasserkraftwerken viele in den kommenden Jahren neue Konzessionen beantragen müssen und ein erheblicher Modernisierungsbedarf besteht. Die Aufrüstung zu einer flexibleren Betriebsart wird von der Genauigkeit der Tools zur Bewertung der Strömungsstabilität abhängen, die im Rahmen dieses Forschungsprojekts entwickelt werden. Dieser Bericht fasst die durchgeführten experimentellen Kampagnen, die numerischen Simulationen und die wichtigsten Ergebnisse des Projekts zusammen. 

In der ersten Versuchskampagne wurde das Modell einer Francis-Turbine auf dem PF1-Prüfstand des PTMH an der EPFL installiert. Der Prüfstand wurde mit einem Durchflussanregungssystem ausgestattet, das aus einem Drehventil und einer Pumpe mit variabler Drehzahl besteht und den Kreislauf über einen weiten Bereich von Frequenzwerten anregen kann. Es wurden Druckmessungen entlang des Hydraulikkreislaufs durchgeführt, um das hydroakustische Verhalten des Systems zu untersuchen und seine Eigenfrequenzen als Funktion des Betriebszustands der Maschine sowohl bei Teillast als auch bei Hochlast zu identifizieren. In dieser ersten Phase wurde festgestellt, dass der gewählte Testmodus für die Untersuchung von Kavitationsphänomenen geeignet ist, die für die Stabilität des Kraftwerks sehr relevant sind. Tatsächlich zeigt das getestete Turbinenmodell eine außergewöhnlich gut entwickelter Wirbelkern, die in einem breiten Bereich von Kavitationszahlwerten kavitiert. Dieses Ergebnis ermöglichte es, die zweite Phase der Messungen auf die Betriebsbedingungen zu fokussieren, die aufgrund des Auftretens von Kavitation im Diffusorkonus der Maschine anfälliger für Instabilität sind.

In der zweiten Phase der Tests wurde das gleiche Modell der Francis-Turbine auf dem PF3-Prüfstand des PTMH der EPFL installiert. Der erste Teil der zweiten Phase wurde wie die erste Phase durchgeführt. Auf diese Weise konnte überprüft werden, dass die hydroakustischen Parameter der Maschine in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen in beide Prüfständen einem ähnlichen Trend folgen. Die erzielten Werte waren jedoch in den beiden Tests leicht unterschiedlich. Für die erste Eigenfrequenz wurde ein maximaler Unterschied von 30 % festgestellt, der auf die unterschiedlichen Hydraulikkreise der beiden Prüfstände zurückzuführen ist. Zusätzlich zu den Tests des Erregersystems umfasste die zweite Kampagne Geschwindigkeitsmessungen im Diffusorkonus unter verschiedenen Betriebsbedingungen der Maschine, einschließlich Teillast und Hochlast. Zu diesem Zweck wurde die Particle Image Velocimetry (PIV) mit fluoreszierenden Partikeln durchgeführt. Dadurch konnten Messungen unter Kavitationsbedingungen durchgeführt werden, die auf der Titelseite abgebildet sind. Diese Messungen zeigten, wie sich das Geschwindigkeitsfeld im Diffusorkonus ändert, sobald eine Instabilität auftritt. Für die obere Teillastinstabilität wurde beobachtet, dass die Strömung in Abhängigkeit vom momentanen Kavitationsvolumen, das in der Messebene vorhanden ist, durch völlig unterschiedliche Strukturen gekennzeichnet sein kann. Die schnelle Dynamik dieser Strukturen führt zu großen Amplitudenwerten der Druckschwankung. Im Falle des Hochlastregimes wurden diese Geschwindigkeitsmessungen zur Erklärung des Strömungsverhaltens und der Strömungsvariationen herangezogen, die bei selbsterregten, durch große Amplituden gekennzeichneten Schwingungen des Kavitationsvolumens auftreten. Die zweite Testkampagne umfasste auch Visualisierungen der Hochgeschwindigkeitsströmung, die für eine grosse Bandbreite von Betriebsbedingungen durchgeführt wurden. Die Nachbearbeitung dieser Visualisierungen ermöglichte die Berechnung der hydroakustischen Parameter des Systems durch die Auswertung des Wirbelkernkavitationsvolumens. Transiente numerische 1-D-Simulationen des reduzierten Modells, das die gesamte Prüfstand umfasst, wurden in SIMSEN durchgeführt, um die wichtigsten hydroakustischen Parameter des Systems zu identifizieren und das dynamische Verhalten der Maschine sowohl unter Teillast- als auch unter Volllastbedingungen vorherzusagen. Der Vergleich der gemessenen mit den von SIMSEN berechneten Eigenfrequenzen zeigt einige Diskrepanzen, die auf Unsicherheiten bei den Messungen und/oder bei der Berechnung des Kavitationsvolumens zurückzuführen sein könnten.

Final report (English)

As a dispatchable Renewable Energy Source (RES), hydropower accounted for 15% of the total electricity generated in the European interconnected transmission system in 2017 (562.8 TWh out of 3,676.3 TWh). In Switzerland, 37.5 GWh (55.4%) of the produced electricity came from hydro in 2018. To reach the ambitious goals of the Energy Strategy 2050, not only does the hidden potential have to be seized, but also the current assets must be optimized. This means that among the 650 or so power stations in the existing hydropower fleet, many of them will have to apply for new concessions over the next years and significant refurbishment needs will emerge. Upgrading to more flexibility in operations will rely on the precision of the stability assessment tools that is sought to further develop in this research project. This report summarizes the performed experimental campaigns, numerical simulations and all main findings, which were achieved during the project.

In the first experimental campaign, a reduced-scaled model of a Francis turbine was installed on the PF1 test rig of the EPFL PTMH experimental facility. The test rig was equipped with a flow excitation system made of a rotating valve and a variable speed pump, which can excite the circuit across a wide range of frequency values. Pressure measurements have been performed along the hydraulic circuit to study the hydro-acoustic response of the system and identify its eigen frequencies depending on the operating condition of the machine both at part load and full load. During this first phase, it was established that the selected test case is suitable for the study of the cavitation phenomena, which are highly relevant to the stability of the power plant. In fact, the tested turbine model presents an exceptionally well-developed vortex rope that cavitates under a relatively large range of cavitation number values. This focalizes the second phase of the measurements on the operating conditions that are more prone to instability due to the appearance of cavitation in the draft tube.

In the second phase of the experiments, the same Francis turbine model was installed on the EPFL PTMH PF3 test rig. The first part of the second phase was like that of the first phase. This allowed verifying that the hydro-acoustic parameters of the machine would follow a similar trend with the operating conditions on both test rigs. The obtained values, however, were slightly different for the two tests. Concerning the first eigen frequency, a difference of maximum 30% was observed, which is attributed to the different layouts of the two test rigs. In addition to the excitation test, the second campaign included velocity measurements in the draft tube under various operating conditions including part load and full load. Particle Image Velocimetry (PIV) with fluorescent particles was implemented for this purpose. This allowed performing measurements under cavitation conditions, an illustration of which is shown on the cover page. These measurements revealed how the velocity field changes in the draft tube once an instability occurs. It has been observed for the upper part-load instability that depending on the instantaneous cavitation volume present in the measurement plane, the flow might take totally different structures. The fast dynamics of these structures leads to fluctuating pressure values of high-amplitude oscillations. In case of the full-load regime, these velocity measurements have been used to explain the flow behavior and discharge variations that occur during the self-excited high-amplitude oscillations of the cavitation volume. The second campaign included high-speed flow visualizations performed for a wide range of operating conditions. Post-processing of these visualizations enabled the computation of the hydro-acoustic parameters of the system by the evaluation of the cavitation volume of the vortex rope. 1-D transient numerical simulations of the reduced-scale model including the entire test rig have been performed in SIMSEN to identify the key hydro-acoustic parameters (i.e. the bulk viscosity, cavitation compliance and mass flow gain factors) of the system and predict the dynamic behavior of the machine at both part-load and full-load. Comparing the measured natural frequencies with those computed by SIMSEN reveals some degrees of discrepancies, which might be due to the uncertainties in the measurements or the computation of the cavitation volume in the draft tube for instance.

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• Final Report [PDF] 11'284 kB

Final report (French)

L’hydroélectricité représentait le 15 % de l’électricité totale produite dans le réseau électrique européen en 2017. En Suisse, 37.5 GWh de l’électricité produite provenaient de l’hydroélectricité en 2018. Pour atteindre les objectifs ambitieux de la Stratégie énergétique 2050, il faut non seulement saisir le potentiel caché, mais aussi optimiser les actifs actuels. Cela signifie que parmi les quelque 650 centrales de la flotte hydroélectrique existante, un grand nombre d’entre elles devront demander de nouvelles concessions au cours des prochaines années et d’importants besoins de modernisation seront requis. La modernisation vers une plus grande flexibilité des modes d’opération reposera sur la précision des outils d’évaluation de la stabilité de l’écoulement dont le développement est adressé dans le cadre de ce projet de recherche. Le présent rapport résume les campagnes expérimentales réalisées, les simulations numériques et les principaux résultats obtenus au cours du projet.

Dans la première campagne expérimentale, le modèle réduit d’une turbine Francis a été installé sur le banc d’essai PF1 de la PTMH de l’EPFL. La plateforme était équipée d’un système d’excitation de l’écoulement constitué d’une vanne rotative et d’une pompe à vitesse variable, qui peuvent exciter le circuit sur une large gamme de valeurs de fréquence. Des mesures de pression ont été effectuées le long du circuit hydraulique pour étudier la réponse hydroacoustique du système et identifier ses fréquences propres en fonction de l’état de fonctionnement de la machine à la fois à charge partielle et à forte charge. Au cours de cette première phase, il a été établi que le mode d’essai retenu convient à l’étude des phénomènes de cavitation, qui sont très pertinents pour la stabilité de la centrale. En fait, le modèle de turbine testé présente une torche exceptionnellement bien développée qui cavite sous une large gamme de valeurs de nombre de cavitation. Ce résultat à permis de focaliser la deuxième phase des mesures sur les conditions de fonctionnement qui sont plus sujettes à l’instabilité en raison de l’apparition de la cavitation dans le cône du diffuseur de la machine.

Dans la deuxième phase des tests, le même modèle de la turbine Francis a été installé sur le banc d’essai PF3 de la PTMH de l’EPFL. La première partie de la deuxième phase était comme celle de la première phase. Cela a permis de vérifier que les paramètres hydroacoustiques de la machine suivraient une tendance similaire en fonction des conditions d’opération dans les deux plateformes. Les valeurs obtenues étaient cependant légèrement différentes pour les deux essais. En ce qui concerne la première fréquence propre, une différence de 30% maximum a été observée, qui est attribuée aux différents circuits hydrauliques entre les deux plateformes. En plus des essais ave système d’excitation, la deuxième campagne comprenait des mesures de vitesse dans cône du diffuseur dans diverses conditions d’opération de la machine, y compris la charge partielle et la forte charge. Particle Image Velocimetry (PIV) avec des particules fluorescentes a été effectué à cette fin. Cela a permis d’effectuer des mesures dans des conditions de cavitation, dont une illustration est présentée sur la page de garde. Ces mesures ont révélé comment le champ de vitesse change dans le cône du diffuseur une fois qu’une instabilité se produit. Pour l’instabilité de la charge partielle supérieure, on a observé que, selon le volume de cavitation instantanée présent dans le plan de mesure, l’écoulement peut être caractérisé par des structures totalement différentes. La dynamique rapide de ces structures conduit à des valeurs de fluctuation de la pression de grande amplitude. Dans le cas du régime à forte charge, ces mesures de vitesse ont été utilisées pour expliquer le comportement de l’écoulement et les variations de débit qui se produisent pendant les oscillations auto-excitées du volume de cavitation caractérisé par des grandes amplitudes. La deuxième campagne d’essais comprenait aussi des visualisations de l’écoulement à haute vitesse réalisées pour un large domaine de conditions de fonctionnement. Le post-traitement de ces visualisations a permis de calculer les paramètres hydroacoustiques du système par l’évaluation du volume de cavitation de la torche. Des simulations numériques transitoires 1-D du modèle réduit comprenant l’ensemble de la plateforme ont été effectuées dans SIMSEN pour identifier les principaux paramètres hydroacoustiques du système et prédire le comportement dynamique de la machine à la fois à charge partielle et à forte charge. La comparaison des fréquences naturelles mesurées avec celles calculées par SIMSEN révèle quelques écarts, qui pourraient être dus aux incertitudes dans les mesures et/ou au calcul du volume de cavitation.