När ett vattenkraftverk används som reglerkraft för att balansera mer variabel elproduktion som till exempel vindkraft kan det leda till ett stort slitage på vattenturbinens axel och turbinblad. Det uppstår skadliga tryckpulsationer till följd av en virvel som bildas i vattenturbinens sugrör när de körs på lågt pådrag.
På Luleå tekniska universitet (LTU) har forskaren Joel Sundström och hans kollegor utvecklat ett flödessystem där ett antal cylindrar förs in i turbinens sugrör, som förhoppningsvis ska minska det skadliga slitaget på turbinen:
– Vår tanke är att man ska mäta belastningen på turbinblad och turbinaxel i realtid när man kör reglerlast. När man då upptäcker att det blir för stor belastning på de här komponenterna ska vårt flödessystem kicka in och en eller flera cylindrar förs in turbinens sugrör.
Cylindrarna körs inte in i blindo, berättar Joel Sundström.
– När försöken utförs mäter vi hela tiden hur turbinen mår och vilken belastning den utsätts för. Beroende på hur stor den skadliga virveln är kan cylindern föras in olika långt.
Den lilla testriggen ger oss stora möjligheter att testa olika idéer och gör att vi detaljerat kan mäta hur cylindrarna interagerar med flödet.
Målet är att uppnå de optimala positionerna för cylindrarna där turbinen mår så bra som möjligt.
Testas i fyra skalor
Det som är unikt med projektet är att flödessystemet testas i fyra olika skalor. Till en början byggdes en liten testrigg i labbet på LTU med en effekt på cirka 50 W, och sedan september testas systemet på Vattenfalls testlabb i Älvkarleby som har en turbineffekt på 50 kW. Nästa steg kommer i maj i år när mätningar ska genomföras i Porjus U9 med en effekt på 10 MW och de sista mätningarna genomförs vid Oksla kraftstation i Norge där det finns en Francisturbin med en effekt på 200 MW.
– Den lilla testriggen ger oss stora möjligheter att testa olika idéer och gör att vi detaljerat kan mäta hur cylindrarna interagerar med flödet, vilket är svårt i Älvkarleby och omöjligt i de riktiga kraftverken, säger Joel Sundström.
– Om det är något som går fel i den lilla testriggen kan jag bara stoppa vattnet med fingret och sen torka med en trasa. När vi ska mäta i Porjus U9 i maj däremot är det oerhört viktigt att vi noggrant beräknar att alla ingående komponenter klarar de förväntade belastningarna. Det får ju lite större konsekvenser om något skulle gå fel i ett så stort vattenkraftverk, säger Joel Sundström.
Del i ett EU-projekt
Flödessystemet är en del i EU-projektet AFC 4 Hydro där forskningsaktörer från Sverige, Norge och Spanien deltar, bland andra Vattenfalls forskningsenhet (se faktaruta).
– Vi är en bra bit på väg och samarbetet flyter på väldigt bra. Alla inblandade har olika roller och olika kompetens. Det gör att vi kan se med olika ögon på design och analyser av mätningar. Det är lätt att höras och stämma av via Teams, säger Joel Sundström.
Norska FDB arbetar med ett kompletterande system för att minska slitaget i turbinen. Försök pågår med att spruta in vatten kontinuerligt via tre eller fyra stationer i sugröret. Det här är inte en helt ny idé, men den testas nu i större skala.
I labbskala har forskarna haft stor flexibilitet när de provat de två metoderna, men i ett riktigt kraftverk finns det begräsningar:
– I ett labb är flexibiliteten i hur man kan komma åt sugröret väldigt stor, man kan nå det i 360 grader, men i verkligheten är det mer komplicerat. I Porjus till exempel når vi bara 120 grader av turbinen – det blir spännande att se hur vårt system presterar där, säger Joel Sundström.
Förberedelserna för mätningarna i Älvkarleby och nu i Porjus har gått väldigt smidigt trots att vi bara ses på Teams, berättar Joel Sundström:
– Det är väldigt mycket som behöver förberedas inför den här typen av mätningar. Alla inblandade måste få en möjlighet att undersöka det de behöver, men vi måste även se till att vi får plats med våra system rent fysiskt.
Att köpa in komponenter till själva flödessystemet är inte en jättestor investering. Troligtvis räcker omkring några hundratusen kronor för att köpa in system och komponenter, tror Joel Sundström:
– Om man installerar systemet vid ett planerat driftstopp så blir det ingen kostnad för produktionsbortfall heller.
Skadliga virvlar
Michel Cervantes, professor på LTU, fick idén till flödessystemet när han läste en vetenskaplig artikel om de skadliga virvlarna som återfinns i turbiners sugrör.
Enligt artikeln kunde virvlarna transformeras till ett mindre skadligt fenomen om man injicerade vatten med ett pulserande flöde i form av en sinuskurva. Artikeln väckte en idé om pulsera vattnet i vattenkraftverk:
– Efter initiala studier på LTU kom vi dock fram till att bättre resultat kunde uppnås genom att köra in cylindriska objekt istället för att injicera vatten, berättar Joel Sundström.
Fortfarande återstår en del utmaningar med systemet. Dels behöver forskarna bättre förstå vad som händer med flödet rent strömningsmekaniskt när cylindrarna körs in i sugröret. En annan utmaning är att hitta en lösning på hur cylindrarna ska kunna få plats utanför turbinen och att få flödessystemet helt driftsäkert:
– Löser vi de här utmaningarna kan det här projektet helt klart utveckla vattenkraftens förmåga som balanskraft, avslutar Joel Sundström.
Tre länder deltar i EU-projektetEU-projektet AFC 4 Hydro bedrivs som ett samarbete mellan LTU, Universitat Politecnica de Catalunya (UPC), Flow Design Bureau (FDB) i Norge, Vattenfall R&D, stiftelsen Porjus vattenkraftcenter och Statkraft i NorgeBudgeten för projektet ligger på 4,8 miljoner euro. Projektet inleddes i juni 2019 och ska vara klart i slutet av maj 2023.Läs mer på afc4hydro.eu
Marie Kofod-Hansen
