Untersuchung der Schwebstoffbelastung, der hydro-abrasiven Erosion und der Wirkungsgradänderungen

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501610

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Turbinen von Hoch- und Mitteldruck-Wasserkraftanlagen können durch schwebstoffhaltiges Wasser stark abgenutzt werden, was zu Minderproduktion und hohen Unterhaltskosten führt. Um den Betrieb solcher Anlagen zu optimieren, sind verlässliche und praktische Messmethoden und Prognosemodelle für die Schwebstoffbelastung, die Turbinenerosion und Wirkungsgradänderungen erforderlich. Im vorliegenden Pilotprojekt werden solche Messmethoden und ein empirisches Berechnungsmodell für die Erosion an beschichteten Peltonlaufrädern weiterentwickelt. Dafür werden von 2018 bis 2020 Messungen am Hoch-druck-Wasserkraftwerk Fieschertal im Kanton Wallis durchgeführt und ausgewertet. Die Optimierung des Betriebs von Hoch- und Mitteldruck-Wasserkraftanlagen bezüglich der Feinsedimente und ihrer Auswirkungen trägt dazu bei, das Wasserkraftpotential effizienter zu nutzen und die Wirtschaftlichkeit zu verbessern.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Sediment-laden water causes turbine erosion in high- and medium-head hydropower plants (HPPs). This reduces the electricity generation and increases the maintenance costs. To optimize the operation of such HPPs, there is a need for reliable and practical measuring techniques and prediction models with respect to the sediment load, turbine erosion and efficiency changes. In the present pilot project, relevant measuring techniques and an empirical model for the erosion on coated Pelton runners are further inves-tigated based on three years of measurements (2018 - 2020) at the high-head HPP Fieschertal in the Canton of Valais, Switzerland. Optimizing the operation of high- and medium HPPs with respect to fine sediment and its consequences will contribute to use the hydropower potential more efficiently and to im-prove the cost effectiveness.

Schlussbericht (Deutsch)

Turbinen von Hoch- und Mitteldruck-Wasserkraftanlagen können durch schwebstoffhaltiges Wasser stark abgenutzt werden, was zu erheblichen Unterhaltskosten, Wirkungsgradabnahmen und Minderproduktion führt. Zu dieser Problematik wurde von 2018 bis 2021 am Hochdruck-Laufwasserkraftwerk Fieschertal (Wallis) ein BFE-Pilotprojekt durchgeführt. Mit einer innovativen Methodenkombination wurden die Schwebstoffbelastung, die Turbinenabrasion und die Wirkungsgradänderungen detailliert gemessen und ausgewertet. Zusammen mit Daten aus den Vorgängerprojekten seit 2012 resultierte eine umfassende Messreihe über neun Jahre, wie sie bisher in der Literatur nicht zu finden ist. Auf dieser Basis wurden Modelle für die Vorhersage der Abrasion an beschichteten Peltonlaufrädern und deren Wirkungsgradreduktion weiterentwickelt bzw. kalibriert. Weiter wurden betriebliche Massnahmen (vo-rübergehende Ausserbetriebnahmen von Wasserkraftanlagen während hoher Schwebstoffbelastung) und Revisionsarbeiten untersucht, um den Anlagebetrieb wirtschaftlich zu optimieren. Es wird erwartet, dass die Resultate dieses Projekts zur Steigerung der Energieeffizienz und der Wirtschaftlichkeit von Hoch- und Mitteldruck-Wasserkraftanlagen an stark sedimenthaltigen Fliessgewässern beitragen.

Zugehörige Dokumente

• Schlussbericht_deutsch [PDF] 30'323 kB

Schlussbericht (Englisch)

Turbines of high- and medium-head hydropower plants (HPP) can be heavily eroded by water containing suspended sediment particles. This leads to considerable maintenance costs, efficiency reductions and production losses. This problem was addressed in a SFOE pilot project at the high-head run-of-river HPP Fieschertal in Valais, Switzerland, from 2018 to 2021. Using an innovative combination of methods, the suspended sediment load, turbine abrasion and efficiency losses were measured and analysed in detail. Building on the previous projects since 2012, an unprecedented comprehensive data series over nine years was compiled. On this basis, models to predict abrasion on coated Pelton runners and their efficiency reduction were further developed and calibrated. Moreover, operational measures (temporary shutdowns of HPP in periods with exceptionally high suspended sediment loads) and refurbishment works were investigated to economically optimise the HPP operation. It is expected that the results of this project will contribute to increasing the energetic and economic efficiency of high- and medium-head hydropower plants on watercourses with increased sediment loads.

Zugehörige Dokumente

• Final_report_german [PDF] 30'323 kB

Schlussbericht (Französisch)

Les turbines des centrales hydroélectriques à haute et moyenne chute peuvent être fortement usées par des particules des sédiments fins transportés en suspension dans les eaux motrices. Ceci entraîne des coûts de maintenance considérables, des réductions des rendements et des pertes de production. Cette problématique a été abordée dans un projet pilote de l'OFEN à la centrale hydroélectrique au fil de l'eau à haute chute de Fieschertal (Valais) de 2018 à 2021. En utilisant une combinaison innovante de méthodes, la charge en sédiments fins, l'abrasion des turbines et les changements de leur rendement ont été mesurés et évalués en détail. En combinaison avec des résultats des projets précédents depuis 2012, une série des données sur neuf ans a été obtenu qui n’était pas disponible dans la littérature avant. Sur cette base, des modèles pour prédire l'abrasion des roues Pelton revêtues et leur réduction en efficacité ont été développés plus avant et/ou calibrés. En outre, des mesures d'exploitation (mises hors service temporaires des aménagements hydroélectriques pendant les périodes où la charge de particules en suspension est exceptionnellement élevée) et des travaux de révision ont été étudiés afin d'optimiser l'exploitation de l’aménagement d'un point de vue économique. Les résultats de ce projet contribueront à accroître l'efficacité et la rentabilité des centrales hydroélectriques à haute et moyenne chute sur les cours d'eau fortement chargés en sédiments.

Zugehörige Dokumente

• Rapport final_allemand [PDF] 30'323 kB