Ein digitaler Klon überwacht die Alterung von Druckrohrleitungen

Im Zusammenhang mit der Unbeständigkeit der Strompreise spielt die Instandhaltungsstrategie eine wichtige Rolle bei der Verwaltung von Wasserkraftanlagen. Sie sollte optimiert werden, um die Sicherheit der Druckrohrleitung und die gesamte Stromerzeugung über die gesamte Betriebszeit zu gewährleisten. Heutzutage erhöhen die primäre und sekundäre Steuerung sogar die mechanische Beanspruchung der Stahlauskleidungen von Druckbehältern. In dieser Arbeit bewerten Forschende der HES-SO die Anhäufung von Ermüdungsschäden an Druckrohrleitungen. Sie verwenden einen numerischen Klon (genannt Hydro-clone©, entwickelt von Power Vision Engineering) der Druckrohrleitung von Energie Electrique d'Emosson in La Bâtiaz, wo sie diese eingebaut haben.

Hydro-clone© ist ein innovatives Echtzeit-Simulations-Überwachungssystem, das eine solide kalibrierte und validierte numerische Kopie des Wasserkraftwerks umfasst und in der Lage ist, in Echtzeit jedes dynamische Verhalten der Anlagen auf der Grundlage von in-situ gemessenen Randbedingungen zu reproduzieren. Dieses System diagnostiziert kontinuierlich den Zustand des Wasserkraftwerks durch numerische Klonierung seiner wichtigsten hydraulischen und elektrischen Komponenten [1]. Das Hydroklon-System ist seit 2014 im 200-MW-Kraftwerk La Bâtiaz implementiert und getestet worden und ist seit fünf Jahren kontinuierlich in Betrieb [2].

Vergleich des relativen Index der akkumulierten Schäden entlang der Druckleitung für 24 Stunden Betrieb unter verschiedenen Betriebsarten von [2].

In dieser Arbeit verglichen die Forschenden der HES-SO die von Hydro-Clone simulierte Druckschwankungg mit Spannungsmessungen an der Ober- und Unterseite der Druckrohrleitungen. Diese Ergebnisse zeigen die sehr guten Korrelationen zwischen der Druckoszillation und der Spannung in der Stahlauskleidung. Es beweist auch, dass der Klon in der Lage ist, zuverlässige Daten zu erzeugen, selbst wenn keine physikalischen Messungen vorliegen.

Abbildung 1 zeigt deutlich den beträchtlichen Einfluss der Bereitstellung von Hilfsdiensten auf die Ermüdung der Druckrohrleitung. Tatsächlich führt die Bereitstellung von Primär- und Sekundärregelung zu einem Schadensindex, der etwa 10-mal grösser ist als ohne Hilfsdienste. In Bezug auf die Lebensdauer führt dies zu einem zehnmal schnelleren Ermüdungsverschleiss der Druckrohrleitung, wenn diese Dienste aktiv sind. Für den Anlagenverwalter kann ein solcher Anstieg Wartungskosten um das Zehnfache erhöhen.

Der maximale Schadensindex ergibt sich für den Fall sowohl bei den primären als auch bei den sekundären Kontrolldiensten. Um die Auswirkungen der einzelnen Dienste auf die Ermüdung zu isolieren, wäre die Bearbeitung eines Tages mit nur einem primären Kontrolldienst erforderlich. Das Profil des Schadensindexes zeigt, dass der obere Teil der Druckleitung, wo das Verhältnis von Spannung zu Druck am wichtigsten ist, am anfälligsten für Ermüdung ist.

Hydro-Clone kann auch das Verhalten des Wasserkraftwerks nach einem bestimmten Szenario simulieren und den besten Betriebspunkt (eine Kombination von Turbinenparametern) finden, um den Index der Ermüdungsschäden eines bestimmten Betriebs zu reduzieren. Es ist auch möglich, die vom SCADA-System (Supervisory Control and Data Acquisition) vor der Installation von Hydro-Clone erfassten Daten zu vergleichen. Daher wird es möglich sein, einige relevante Muster in den früheren SCADA-Signalen zu erkennen und diese zur besseren Bewertung der Restlebensdauer der Druckrohrleitung zu verwenden.

Künftig wird der numerische Klon auch in Kombination mit einem in-situ-Rissausbreitungssensor eingesetzt werden. Damit wird es möglich sein, die Risswachstumsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von den Druckschwankungen zu überwachen und somit den gerissenen Druckbehälter bis zur Reparatur sicher zu betreiben.

Dr. Samuel Rey-Mermet

Anthony Gaspoz

Daniel Biner