OptiSed – Optimization of high-head small hydropower plants at sediment-rich rivers

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/501760

Key words (English)

Sand trap, hydro-abrasive erosion, energy efficiency, cost effectiveness, optimized operation

Short description (German)

In alpinen Kleinwasserkraftwerken (KWKW) mit einigen hundert Metern Fallhöhe ohne Kopf­speicher sind Turbinen besonders von Hydroabrasiv-Verschleiss betroffen, wodurch die Unter­haltskosten steigen und die Produktion abnimmt. In einer Fallstudie am KWKW Susasca werden das Sedimentaufkommen, die Entsandung, die Turbinenabrasion und deren Auswirkungen unter­sucht, um zur Steigerung der Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit solcher KWKW beizutragen.

Short description (English)

In alpine small hydropower plants (SHPP) with heads of several hundreds of meters and no head­water storage, turbines are particularly affected by hydro-abrasive erosion. This increases main­tenance costs and reduces the electricity production. In a case study at the SHPP Susasca the sediment load, sand trap, turbine erosion and its consequences are investigated to contribute to increasing the energy efficiency and cost-effectiveness of such SHPPs.

Final report (German)

Turbinen von alpinen Kleinwasserkraftanlagen (KWKW) mit einigen hundert Metern Fallhöhe ohne Kopfspeicher sind besonders von Hydroabrasiv-Verschleiss betroffen. Dadurch steigen die Unterhalts­kosten, und die Elektrizitätsproduktion nimmt ab. In einer Fallstudie am KWKW Susasca bei Susch (GR) wurden das Sedimentaufkommen an der Wasserfassung, die Entsandung, die Turbinenabrasion, die Wirkungsgradveränderungen, sowie die betriebs- und energiewirtschaftlichen Auswirkungen der Sedimentbelastung und Optimierungsmassnahmen untersucht.

Die Messung von Fliessgeschwindigkeiten in den Entsanderkammern im Sommer 2019 zeigte, dass die Beruhigungsrechen nicht optimal ausgebildet waren. Daher wurden die Rechenstäbe verlängert. Eine erneute Messung im Sommer 2021 zeigte deutlich gleichmässigere Fliessgeschwindigkeiten, was die Absetzleistung des Entsanders begünstigt. Weiter wurde die Instrumentierung zur Messung der Sedimentniveaus in den Entsanderkammern verbessert, um bedarfsgerechte Spülungen (von Ferne) zu unterstützen.

In den Jahren 2019 - 2021 wurden die Konzentration der im Triebwasser enthaltenen Sedimentpartikel kontinuierlich gemessen sowie zeitweise auch deren Grössenverteilung und weitere Sedimenteigenschaften. In den Wintern wurde jeweils das Ausmass der Abrasion an den Turbinen quantifiziert und mit der Partikelbelastung korreliert. Weiter wurden die Änderungen der Turbinenwirkungsgrade seit der Inbetriebnahme des KWKW ausgewertet und mit der Abrasion korreliert. Die quantifizierten Zusammenhänge können als Grundlagen für Prognosen verwendet werden.

Die Erkenntnisse aus dem Projekt dienen dem verbesserten Entwurf neuer alpiner KWKW und der Optimierung bestehender Anlagen hinsichtlich Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit.

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• Schlussbericht [PDF] 15'221 kB

Final report (English)

Turbines of Alpine small hydropower plants (SHPP) with a head of several hundred metres and without headwater storage are particularly affected by hydro-abrasive erosion. This increases maintenance costs and reduces electricity production. In a case study at the SHPP Susasca near Susch (GR), the sediment yield at the water intake, the partial sediment exclusion at the sand trap, the turbine abrasion, the changes in turbine efficiency, as well as the economic and energetic effects of the sediment load and optimisation measures are investigated.

The measurement of flow velocities in the sand trap chambers in summer 2019 showed that the tranquilizing rakes were not optimally designed. Therefore, the rake bars were extended. A further measurement in summer 2021 showed a significantly more homogeneous flow velocity distribution, which favours the sediment settling. Furthermore, the instrumentation for measuring the sediment levels in the sand trap chambers was improved to support flushing as needed from remote.

In the years 2019 to 2021, the concentration of sediment particles contained in the turbine water was continuously measured, as well as their size distribution (for some periods) and other sediment properties. During the winters, the extent of abrasion on the turbines was quantified and correlated with the particle load. Furthermore, the changes of the turbine efficiencies since the commissioning of the SHPP were evaluated and correlated with the abrasion. The quantified correlations can be used as a basis for forecasts.

The findings of the project will serve to improve the design of new Alpine SHPP plants and to optimise existing ones regarding energetic and economic efficiency.

Final report (French)

Les turbines des petites centrales hydroélectriques (PCH) alpines ayant une chute de quelques centaines de mètres et pas de possibilité de stockage d'eau sont particulièrement touchées par l'usure. L'abrasion augmente les coûts d’entretien et diminue la production d'électricité. Dans une étude de cas à la PCH Susasca près de Susch (GR), l'accumulation de sédiments à la prise d'eau, le dessablage, l'abrasion de la turbine, les changements de leurs rendements, ainsi que les effets opérationnels et énergétiques de la charge sédimentaire et les mesures d'optimisation ont été étudiés.

La mesure des vitesses d'écoulement dans les chambres du dessableur durant l'été 2019 a montré que les grilles de tranquillisation (redresseurs d’écoulement) n'étaient pas optimales. Les grilles ont donc été rallongées. Une deuxième mesure en été 2021 a montré des vitesses d'écoulement nettement plus homogènes, ce qui favorise la décantation. Par ailleurs, l'instrumentation permettant de mesurer les niveaux de sédiments dans les chambres du dessableur a été améliorée afin de favoriser des purges (à distance) adaptées aux besoins.

Entre 2019 et 2021, la concentration des particules sédimentaires contenues dans l'eau motrice a été mesurée en continu, de même que la répartition de leur taille (pendant quelques périodes) et d'autres propriétés des sédiments. Pendant les hivers, l'abrasion des turbines a été quantifiée et corrélée à la charge en particules. De plus, les réductions du rendement des turbines depuis la mise en service de la centrale ont été évaluées et mises en corrélation avec l'abrasion. Les corrélations quantifiées peuvent être utilisées comme bases pour des prévisions.

Les résultats du projet seront utilisés pour améliorer la conception des nouvelles PCH dans les Alpes et pour optimiser des PCH existantes en termes d'efficacité énergétique et de rentabilité.