Reducering av ledkransläckage Victoria Karlsson

Transkript

1 Reducering av ledkransläckage Victoria Karlsson Civilingenjörsprogrammet i energiteknik vid Umeå universitets tekniska högskola (löpnr. som tilldelas)

2 Sammanfattning Vattenfall AB Vattenkraft har konstaterat att vattenläckage genom turbinens ledkrans medför ett betydande produktionsbortfall. Ledkransen, som består av ett antal vridbara ledskovlar placerade i en cirkel runt turbinens löphjul, har till uppgift att reglera vattenflödet genom turbinen. Totalt uppgår förlusten till ungefär 74 GWh per år. För att reducera läckaget har ett antal tätningsåtgärder av turbinens ledkrans utförts genom åren, men en enhetlig sammanställning över detta saknades. Detta låg till grund för examensarbetet som gick ut på att göra en sammanställning och utredning av vilka tätningsförsök som gjorts, beskriva en metod för läckagemätning, göra en nulägesanalys av vilka tätningar som sitter i aggregaten idag samt ta reda på och beskriva lämpliga åtgärder som kan utföras för att minska ledkransläckage. Syftet med arbetet var att utreda den potentiella produktionsökningen som skulle kunna uppnås genom att minska ledkransläckaget i Vattenfall AB Vattenkrafts storskaliga vattenkraftverk. En modell skapades för att kunna beräkna ledkransläckage. Denna modell jämfördes och kalibrerades mot mätdata från ett antal kraftstationer. Modellen användes för att undersöka hur mycket ledkransläckaget kan minskas genom installation av nya ledkranstätningar. Resultaten visar att denna åtgärd i flera fall kan reducera läckaget betydligt. Ekonomiska beräkningar visar att de största besparingarna kan göras i Luleälven, där en investering på ungefär 11 Mkr kan medföra en produktionsökning på 26 GWh per år. Detta motsvarar en årlig produktionsintäkt av ungefär 8 Mkr. En viktig del i arbetet med att minska ledkransläckage är att ha en bra rutin för läckagemätning där mätningen utförs på ett standardiserat sätt och dokumenteras. Mätningarna bör även göras regelbundet för att aktuella värden alltid ska finnas till hands. I detta syfte har en metod för läckagemätning beskrivits och ett förslag till ett mätprotokoll har tagits fram. 2

3 Reduction of guide vane leakage Victoria Karlsson Abstract Vattenfall AB Vattenkraft has established that leakage of water through the closed guide vanes of hydropower turbines causes significant losses in production. The loss is approximately 74 GWh annually. The ambition of reducing this loss has led to a number of different measures to seal the guide vanes over the years, but a uniform compilation of these measures was missing. The work consisted of a compilation and investigation of the different measures that have been attempted, to describe a method for measurements of the leakage, to do an analysis of the different measures to seal the guide vanes that are used today and to find out and describe which measures that would be suitable to perform in ambition of reducing the leakage. The purpose was to investigate the potential increase in production that is possible to reach by reduction of the leakage through the closed guide vanes in Vattenfall AB Vattenkrafts largescale hydropower plants. A numerical model was developed to calculate the leakage. This model was compared and calibrated to data from a number of hydropower plants. The model was used to calculate how much the leakage can be reduced through installation of new sealings. The results show that this measure can reduce the leakage considerable in many cases. Economic calculations show that the largest saving can be made in Luleälven, where an investment of approximately 11 MSEK could result in an increased production of 26 GWh every year. This corresponds to a yearly value of approximately 8 MSEK. An important part in the work to reduce the leakage through the closed guide vanes is to have a good routine for measurements of the leakage, where the measurements are made in a standardized way and documented. The measurements should also be done regularly because current values must always be available. To this purpose, a method for measurements of the leakage has been described and a standardized measurement report has been proposed. 3

4 Förord Examensarbetet som ligger till grund för denna rapport ingår i Civilingenjörsprogrammet i Energiteknik vid Umeå universitet och omfattar 30 hp. Arbetet har utförts på uppdrag av Vattenfall AB Vattenkraft under hösten Jag vill rikta ett stort tack till mina handledare Magnus Nilsson, Vattenfall AB Vattenkraft och Kai Lillemägi, Vattenfall Power Consultant AB. Tack vare er har arbetet fortskridit utan några större problem. Ett stort tack vill jag även ge till Tord Eriksson, Vattenfall AB Vattenkraft som ordnade detta examensarbete till mig och lyckades hitta ett område som verkligen intresserar mig. Sist av allt vill jag tacka Robert Bengtsson och Fredrik Engström på Vattenfall Power Consultant AB för all hjälp jag fått samt den övriga personalen på Vattenfall AB Vattenkraft i Luleå för ert hjälpsamma och trevliga bemötande. Luleå, januari 2008 Victoria Karlsson 4

5 Variabellista Q läckage = Ledkransläckage [m 3 /s] A = Tilloppstubens tvärsnittsarea [m 2 ] Δ h = Tryckskillnad [mvp] Δ t = Tidsskillnad [s] E förlust = Energiförlust per år t stopp = Stilleståndstid [h] [MWh] P ekv = Effektutbyte i aggregatet [MW/m 3 /s] η = Turbinens verkningsgrad [-] ρ = Vattnets densitet [kg/m 3 ] g = Tyngdacceleration [m/s 2 ] H nom = Nominell fallhöjd [m] K förlust = Ekonomisk förlust k energi = Energipris [kr] A 2 = Spaltarea [m 2 ] D = Ledkransens diameter [m] a = Horisontell spaltbredd under [m] b = Horisontell spaltbredd över [m] l = Turbinlockets axiella rörelse [m] N = Antal ledskovlar [-] h skovel = Ledskovelhöjd [kr/mwh] [m] c = Vertikal spaltbredd [m] d = Ledskoveltapparnas diameter [m] p = Hydrostatiskt tryck [Pa] v = Vattnets hastighet [m/s] z = Höjd [m] h 2 = Nivåskillnad [m] H stat = Statisk fallhöjd [m] E prod.ökn. = Potentiell produktionsökning [MWh] Q före = Läckage innan tätning [m 3 /s] Q efter = Läckage efter tätning [m 3 /s] a faktor = Annuitetsfaktor [-] i = Kalkylränta [%] 5

6 n = Period [år] w f = Strömningsförluster [Pa] ξ = Friktionsförluster [Pa] L = Spaltlängd [m] D h = Hydraulisk diameter [m] f = Friktionsfaktor [-] y = Höjd på kanalen [m] x = Bredd på kanalen [m] h s = Spaltens höjd [m] Re = Reynolds tal [-] μ = Vattnets dynamiska viskositet [Pas] ε = Ytråhet [m] 6

7 Innehållsförteckning 1 INLEDNING BAKGRUND PROBLEMFORMULERING SYFTE MÅL AVGRÄNSNINGAR METOD SAMMANSTÄLLNING AV TÄTNINGSFÖRSÖK OCH TÄTNINGSTYPER LÄCKAGEMÄTNING BERÄKNINGAR VATTENKRAFT VATTENTURBINER FRANCISTURBIN KAPLANTURBIN RÖRTURBIN LEDKRANS LEDKRANSLÄCKAGE LÄCKAGEFÖRLUSTER LEDKRANSTÄTNINGAR Horisontella tätningar Lister av polymerer Uppblåsbara tätningar Lister av metall Vertikala tätningar Problem med tätningar Lister av polymerer Uppblåsbara tätningar Lister av metall Nulägesbeskrivning av ledkranstätningar INLOPPSVENTILER Trottelventiler Klotventiler LÄCKAGEMÄTNING TEORI LÄCKAGEFÖRLUSTER TEORETISK LÄCKAGEBERÄKNING STRÖMNINGSFÖRLUSTERNAS INVERKAN PÅ LÄCKAGET ANNUITETSMETODEN KALIBRERING OCH JÄMFÖRELSE AV BERÄKNINGAR RESULTAT INSTALLATION AV LEDKRANSTÄTNINGAR EKONOMISK BERÄKNING STRÖMNINGSFÖRLUSTER

8 10 DISKUSSION SLUTSATSER FÖRSLAG PÅ FORTSATT ARBETE REFERENSER TRYCKTA KÄLLOR PERSONLIGA KONTAKTER INTERNET Bilaga 1 Nulägesbeskrivning av ledkransläckage och tätningar Bilaga 2 Ledkransdetaljer och tätningar Bilaga 3 Mätprotokoll ledkransläckage 8

9 1 Inledning Världens energianvändning fortsätter hela tiden att öka. Samtidigt har en ökande miljömedvetenhet lett till att energi från förnyelsebara energikällor efterfrågas i högre grad. Ett steg i denna riktning togs bland annat när Kyotoavtalet trädde i kraft år 2005 efter en internationell överenskommelse år Genom detta avtal ska utsläppen av växthusgaser minskas. Användningen av fossila bränslen står för en stor del av utsläppen och genom att minska denna användning och istället satsa på förnyelsebara energikällor, som exempelvis vattenkraft och vindkraft, kan utsläppen minskas. I Sverige är vattenkraften den mest betydande förnyelsebara energikällan. Vattenkraften står för nästan hälften av landets elproduktion. De fördelar som vattenkraften har är att den alltid är tillgänglig och lätt att reglera, vilket är bra för att klara av toppar i effektbehovet. En ökande satsning på vindkraft sker också i Sverige. Vindkraften kan bara producera energi när det blåser så därför behövs en effektreserv. Basen i denna reserv utgörs idag av vattenkraften. För att en större vindkraftsutbyggnad ska kunna ske skulle därför en utbyggnad av vattenkraften krävas Bakgrund Vattenfall AB Vattenkraft arbetar för tillfället med upprustningar och förnyelser av vattenkraftverken för att öka effektiviteten och skapa tryggare elleveranser. Genom olika metoder vill man minska förluster i anläggningarna. De energiförluster som finns i vattenkraftverken kan indelas i förluster i vattenvägar, förluster i turbin, förluster i generator och förluster i transformator. Av dessa kategorier sker de största förlusterna vanligtvis i turbinen. En del av dessa förluster utgörs i sin tur av förluster på grund av ledkransläckage 2 som medför oönskade produktionsförluster. Vattenfall AB Vattenkraft har en önskan om att kunna utvinna mer av den energi som annars går förlorad genom detta läckage och har därför ett intresse i att en utredning kring dessa förluster görs. 1.2 Problemformulering När ett vattenkraftsaggregat stoppas tillfälligt sker detta genom att ledskovlarna som sitter i turbinens ledkrans vrids till stängt läge. På detta sätt stängs vattentillförseln till turbinen av. Trots att ledskovlarna är stängda läcker en stor del vatten förbi och passerar turbinen. Detta problem är särskilt aktuellt idag eftersom aggregaten körs mer ojämnt, med fler starter och stopp, vilket leder till att de får längre stilleståndstider. Vattenkraften används för att producera när behovet är som störst och på så vis klara av toppar i effektbehovet. I Luleälven som är en effektutbyggd älv är problemet med ledkransläckage särskilt betydande. Att älven är effektutbyggd innebär att det inte finns tillräckligt med vatten för att kunna köra alla aggregat samtidigt hela tiden, utan tanken är att de ska vara tillgängliga för att kunna 1 Holm, Maria (2004) Vattenkraften i Sverige 2 Bernhoff, Hans m.fl. (2004) Vattenkraftens utvecklingspotential i befintliga anläggningar 9

10 utjämna effekttoppar. Aggregaten i Luleälven körs därför ganska ojämnt med många starter och stopp vilket leder till längre stilleståndstider. För att aggregaten snabbt ska vara klara för start igen står de ofta stilla med intagsluckan öppen. För att minska läckaget genom turbinens ledkrans har ett antal tätningsförsök utförts. Problemet är att det inte finns någon sammanställning av försöken som kan ge en bra överblick av vad som gjorts och hur det har fungerat. Utifrån detta finns en önskan från Vattenfall AB Vattenkraft om att det görs en noggrann utredning inom området. 1.3 Syfte Syftet med detta examensarbete är att utreda den potentiella produktionsökningen som kan uppnås genom att minska ledkransläckaget i Vattenfall AB Vattenkrafts storskaliga vattenkraftanläggningar. 1.4 Mål Målet med arbetet är att beskriva vilka åtgärder som kan vara lämpliga att utföra för att reducera ledkransläckage samt ta reda på vad dessa åtgärder kan leda till för besparingar. Förslag på åtgärder prioriteras genom en sammanvägning av deras energibesparing och kostnad. 1.5 Avgränsningar Arbetet begränsas till att omfatta sammanställning och utredning av olika tätningsförsök som gjorts, beskrivning av metod för läckagemätning samt göra en nulägesanalys av vilka tätningar som sitter i aggregatens ledkransar. Arbetet fokuseras på en möjlig åtgärd att täta ledkransen. I beräkningarna undantas rörturbiner och horisontella Francisturbiner eftersom dessa turbiner skiljer sig mycket ifrån vertikala turbiner. 10

11 2 Metod Arbetet inleddes med en litteraturstudie för att få en bild av vattenkraften i Sverige. Sedan inriktades studien till Vattenfall AB Vattenkrafts storskaliga vattenkraftstationer och i första hand de som ligger längs Luleälven. Det material som studerats är främst allmän litteratur om vattenkraft samt rapporter och dokument. Vidare har en del fakta om turbiner i anläggningarna hämtats ur pärmar med tekniska turbindata. För att få en bra bild av verkligheten och skapa en bättre förståelse har studiebesök vid vattenkraftstationer gjorts. Dessa besök inleddes redan under sommaren i samband med sommarpraktik på Vattenfall Service Nord AB där ett flertal av stationerna i Luleälven besöktes. Under besöken samlades även en del bildmaterial in. 2.1 Sammanställning av tätningsförsök och tätningstyper Innan arbetet med sammanställningen av utförda tätningsförsök inleddes gjordes en noggrann studie av olika varianter av tätningar för att få kunskap om deras utseende och funktion. Information samlades in från dokument och kompendier som tillhandahölls av Vattenfall AB Vattenkraft. Alla typer av tätningar som påträffats beskrivs i kapitel 5.2. Sammanställningen av olika tätningsförsök som gjorts genom åren begränsas till att omfatta Luleälven. Att valet föll på Luleälven beror på att det är just här som de flesta metoder testats eftersom Luleälven är effektutbyggd och flera av aggregaten har långa stilleståndstider och alltså stora läckageförluster. Vidare gjordes bedömningen att det räcker med att titta historiskt på Luleälven för då behandlas alla kända varianter av tätningar som provats. Syftet med sammanställningen är att få erfarenhet av de försök som gjorts och kännedom om problem som stötts på. Tanken bakom detta är framför allt att belysa problemen för att förhindra att liknande problem uppstår i framtiden. Vilken typ av tätning som finns i vattenkraftsaggregaten har sammanställts för samtliga kraftverk, se Bilaga 1. Tanken med nulägesbeskrivningen är att få en enhetlig sammanställning av hur det ser ut på stationerna idag eftersom detta saknas. En sådan beskrivning är bra att ha vid planering av eventuella framtida åtgärder. Den information som samlats in kommer från intervjuer med personal från Vattenfall Service Nord AB, Vattenfall AB Vattenkraft och Vattenfall Power Consultant AB. Intervjuerna har mestadels skett via telefon och i några fall via personliga kontakter och e-post. Tätningarnas utseende har också diskuterats för att säkerställa deras funktion. I de fall osäkerheter i uppgifterna funnits har en studie av ritningar utförts för att få så tillförlitliga uppgifter som möjligt. 2.2 Läckagemätning En viktig del i detta arbete var att beskriva hur mätning av ledkransläckage går till. För att kunna minska ledkransläckaget är det viktigt att tillförlitliga värden på uppmätta läckage finns 11

12 dokumenterade. En pålitlig och noggrann mätmetod är därför av största vikt för att kunna utreda läckagens omfattning och även för att kunna följa upp tätningsåtgärder som utförs. De läckagegarantier som lämnas av tillverkare av tätningar kan inte följas upp om inte en bra mätmetod finns. Metoden har därför beskrivits grundligt och viktiga delar har belysts för att kännedom om metoden ska spridas och mätningar utföras under lika villkor på samtliga stationer. Beskrivningen baseras på muntliga uppgifter och rapporter från utförda mätningar. I syfte att förbättra rutinen för mätning av ledkransläckage har även ett förslag till ett mätprotokoll tagits fram. Detta för att mätningarna ska utföras likadant och viktiga uppgifter ska anges. 2.3 Beräkningar En numerisk modell för beräkning av ledkransläckaget har skapats, se kapitel 7.2. I denna beräkningsmodell finns möjligheten att kunna variera spalterna genom vilka läckaget sker och se hur detta påverkar läckaget. Beräkningsmodellen jämförs och kalibreras med mätdata från ett antal vattenkraftstationer, se kapitel 9. Tanken är att få beräkningen att överensstämma med verkliga värden och jämföra resultaten med uppmätta läckagevärden. Modellen används för att räkna ut ett teoretiskt värde på läckaget efter att en tätningsåtgärd utförts. För att ta fram rekommenderade åtgärder genomförs en investeringskalkyl. Föreslagna investeringsåtgärder sammanställs slutligen i en lista som visar var åtgärder ska utföras för att ge de största besparingarna. Denna lista visar på så vis vilka aggregat som bör prioriteras. 12

13 3 Vattenkraft I ett vattenkraftverk utnyttjas vattnets lägesenergi för att skapa elektrisk energi. Från intaget leds vattnet till turbinen och vidare ut genom sugröret. I turbinen omvandlas vattnets rörelseenergi till mekanisk energi. Turbinen driver i sin tur generatorn där den mekaniska energin omvandlas till elektrisk energi. Via transformatorn som höjer spänningen till ledningsnätets spänning leds elektriciteten ut på nätet. Se Figur 1 för en översiktsbild av ett vattenkraftverk. Hur mycket energi som kan utvinnas beror av fallhöjden och vattenflödet. Fallhöjden är skillnaden i höjd mellan den övre vattenytan vid intaget och den nedre vattenytan nedströms kraftverket. För att skapa en högre fallhöjd och för att kunna lagra vattnet används dammar. Källa: Vattenfall AB Vattenkraft (bearbetad) Figur 1. Översiktsbild av Stornorrfors vattenkraftverk i Umeälven. Kraftverket har fyra turbiner med en installerad effekt på 575 MW och producerar årligen ungefär GWh. I Sverige står vattenkraften för nästan hälften av den totala elproduktionen som uppgår till ungefär 150 TWh. 3 Produktionen är fördelad över ett antal älvar varav Luleälven står för ungefär 14 TWh och är därmed den älv som producerar mest. I Luleälven ägs samtliga 15 vattenkraftverk av Vattenfall AB Vattenkraft som totalt äger 53 storskaliga vattenkraftverk i Sverige. Dessa har tillsammans 122 aggregat. 3 Holm, Maria (2004) Vattenkraften i Sverige 13

14 4 Vattenturbiner I svenska vattenkraftverk används i huvudsak två olika typer av turbiner; Francisturbiner och Kaplanturbiner. Kaplanturbiner finns både med vertikal och med horisontell uppställning. Den horisontella typen kallas för rörturbin. Fallhöjden och vattenflödet avgör vilken turbintyp som är lämpligast för att uppnå en så hög verkningsgrad som möjligt. En grov indelning av olika turbintyper kan utifrån fallhöjden göras enligt nedan. 4 Horisontell Kaplanturbin Vertikal Kaplanturbin Francisturbin 3-20 meter 6-60 meter meter 4.1 Francisturbin Francisturbinen uppfanns år 1849 av den amerikanske ingenjören James Bicheno Francis. 5 Turbinen är av radialtyp vilket innebär att vattnet som leds in genom spiralen strömmar via ledkransen i radiell riktning mot löphjulet. I löphjulet böjs vattenströmmen av och leds vidare genom sugröret i axiell riktning. Francisturbinens löphjul har fasta skovlar och effektregleringen sker med hjälp av ledkransen. I Figur 2 kan en översiktsbild av en Francisturbin ses. Källa: GE Energy (bearbetad) Figur 2. Översiktsbild av en Francisturbin. Ledskovlarna manövreras i detta fall med hjälp av en pådragsring. 4 Nyberg, Yngve (1991) Turbintyper och användningsområden 5 Küffner, Georg (2006) The Power of Water 14

15 4.2 Kaplanturbin Kaplanturbinen utvecklades av österrikaren Viktor Kaplan år Vattnet leds från spiralen genom ledkransen till ett skovellöst rum strax ovanför löphjulet där vattenströmmens riktning ändras från radiell till axiell. När vattnet når löphjulet är riktningen alltså axiell vilket medför att kaplanturbinen är av axialtyp. En kaplanturbins löphjul har ett antal vridbara skovlar, vanligen fyra till åtta stycken. Se Figur 3. Effektregleringen sker med hjälp av storleken på den volymström av vatten som tillåts passera den reglerbara ledkransen. För varje volymström finns en optimal vinkel på löphjulets skovlar för att uppnå bästa möjliga verkningsgrad för turbinen. Vinkeln ställs in med en servomotor som vrider löpskovlarna i önskat läge. Servomotorn är vanligtvis placerad i löphjulsnavet eller längs axeln mellan turbinen och generatorn. Från en tryckoljebox matas olja under tryck till servomotorn som är förbunden med en tapp på varje löphjulsskovel. Förbindelsen utgörs av en kolvstång, ett ok och länkar. På detta sätt kan skovlarna vridas med en vinkel upp till 30-36º från horisontalplanet. 7 Turbiner av kaplantyp med fasta löpskovlar förekommer också. Dessa turbiner kallas propellerturbiner och är en enklare och billigare variant som används vid fallhöjder upp till ungefär 30 meter. 8 Den första turbinen som Kaplan fick patent på var av denna typ. En annan variant är semikaplanturbinen som har reglerbara löphjulsskovlar och fast ledkrans. Vattenflödet till turbinen kan alltså inte varieras. En fördel med denna turbin är att den är billigare jämfört med en turbin med rörlig ledkrans. Denna turbin används framför allt när fallhöjden har liten variation. 9 Figur 3. Översiktsbild av en vertikalaxlad Kaplanturbin. Källa: GE Energy (bearbetad) 6 Spade, Bengt (1999) De svenska vattenkraftverken teknik under hundra år 7 Nilsson, Tomas (1991) Reglersystem 8 Fällström, PG (1994) Kompendium Vattenturbiner 9 Falkenhem, Roland (1991) Turbinkoncept 15

16 4.3 Rörturbin Rörturbinen (som även kallas bulbturbin) utvecklades i Tyskland under 1930-talet. Anledningen till den annorlunda konstruktionen var att man ville hitta ett billigare alternativ vid byggandet av vattenkraftverk genom att förenkla vattenvägarna. I jämförelse med byggandet av en vertikalaxlad turbin behövs varken spiral eller krökt sugrör. Rörturbinen är en horisontalaxlad turbin av kaplantyp. Den kan ha fasta eller vridbara löphjulsskovlar. Turbinen driver en generator som än placerad i en bulb direkt i vattenvägen. Bulben är spolformad för att minska strömningsförluster. Rörturbinen kan förses med en växellåda i bulben mellan turbinen och generatorn. På så sätt kan varvtalet ökas och detta medför att en mindre generator kan användas vilket är bra av utrymmesskäl i de ofta trånga bulberna. En mindre generator kostar dessutom mindre och den har bättre verkningsgrad. 10 En översiktsbild av rörturbin kan ses i Figur 4. Källa: GE Energy (bearbetad) Figur 4. Översiktsbild av en rörturbin. I själva verket är en rörturbin en horisontalaxlad variant av Kaplanturbin. 4.4 Ledkrans Runt turbinens löphjul sitter ett antal fasta stagpelare och innanför dem en ledkrans med vridbara ledskovlar som har till uppgift att reglera vattenflödet genom turbinen samt att ge flödet rätt hastighet och riktning vid inloppet till löphjulet. Se Figur 1 i Bilaga Spade, Bengt (1999) De svenska vattenkraftverken teknik under hundra år 16

17 Ledskovlarna har en avsmalnande profil och avståndet mellan dem smalnar också av något för att öka vattnets hastighet och uppnå en stabil strömning. 11 Ledskovlarna är vanligtvis 20 eller 24 stycken till antalet. Ledskovlarna öppnas och stängs synkront och maximal öppningsvinkel varierar mellan 30-60º. Hur mycket de är öppna kan ses på en skala inne i turbinkammaren. Se Figur 2 i Bilaga 2. Konstruktionen är utförd så att skovlarnas spetsar i öppet läge inte når så långt ut att de kan skada löphjulet eller att de orsakar en störande virvel efter sig. Vridningen kan ske med hjälp av en pådragsring som sitter på turbinlocket eller med individuella servomotorer kopplade till varje enskild ledskovel. 12 I fallet med pådragsring är varje ledskovel kopplad till ringen via en länk och en vev som är ansluten till en tapp på ovansidan av skoveln. Se Figur 5 samt Figur 3 i Bilaga 2. Kopplingen görs på ett sådant sätt att kraften i öppningsriktningen är dragande. Gynnsamt vid dimensioneringen av servomotorer är att välja vinkeln mellan vev och länk till 90º och vinkeln mellan länken och pådragsringens tangent till 60º när skoveln är i stängt läge. På detta sätt blir utväxlingen större när skovlarna befinner sig nära stängt läge vilket normalt kräver den största kraften vid manövrering. 13 Pådragsringen styrs av turbinregulatorn och vrids av en eller flera servomotorer. Genom att vrida ledskovlarna ändras vattnets genomströmningsarea till turbinen och vattenflödet kan därmed varieras. Källa: Küffner Georg (2006) The Power of Water (bearbetad) Figur 5. Beskrivning av ledkransens uppbyggnad. I detta fall regleras ledskovlarna med hjälp av en pådragsring. I figuren är dock inte kraften i öppningsriktningen dragande. Fördelen med att använda individuella vridservomotorer är att pådragsring och vev inte utsätter ledskoveltapparna för något böjmoment. En nyare konstruktion för stora turbiner är raka kolvservomotorer. Problemet med böjmoment motverkas här av att motorerna monteras på en kort ledskoveltapp. 14 Andra fördelar med denna konstruktion är att det tar mindre plats och att belastningsskydd i form av friktionsförband inte behövs. Däremot har det visat sig att 11 Falkenhem, Roland (1991) Typlösningar för komponenter 12 Fällström, PG (1994) Kompendium Vattenturbiner 13 Falkenhem, Roland (1991) Typlösningar för komponenter 14 Fällström, PG (1994) Kompendium Vattenturbiner 17

18 problem med bland annat tätningar i servomotorerna ofta uppstår vilket leder till att service krävs relativt ofta. Systemet med individuella servomotorer är också känsligare än det med pådragsring eftersom synkronisering av skovlarnas rörelser är svårare att uppnå. Trots att vattenvägen ner till turbinen är försedd med intagsgrindar händer det att en del skräp kommer ner till ledkransen. Skräpet kan hindra ledskovlarnas rörelse så att de inte kan stängas igen. Detta kan leda till svårigheter att stoppa turbinen och om ledskovlarna tvingas igen med våld kan turbinen skadas. För att undvika detta är varje ledskovel försedd med ett överlastskydd. Det kan vara så kallade brottlänkar som är konstruerade att gå sönder vid en viss last eller friktionsförband mellan tappen och veven. När en ledskovel stöter mot något vid stängning slirar friktionsförbandet och ledskoveln hamnar i en avvikande vinkel jämfört med de andra skovlarna. På varje ledskovel sitter en gränslägeskontakt som indikerar och larmar till aggregatets kontrollsystem om en skovel hamnar i avvikande läge. Se Figur 4 i Bilaga 2. Genom att öppna skovlarna maximalt tvingas den avvikande skoveln tillbaka till ungefär rätt läge. Sedan kan maskinen stoppas igen. Att detta går att göra är av största vikt om läckaget genom ledkransen är stort på grund av den avvikande ledskoveln. Då kan det vara svårt att stoppa turbinen enbart med bromsarna Falkenhem, Roland (1991) Typlösningar för komponenter 18

19 5 Ledkransläckage Förutom att reglera vattenflödet under drift är ledkransens uppgift att stänga av vattenflödet till turbinen när den stoppas. För att ledkransen ska bli så tät som möjligt är skovlarna överlappade i stängt läge och ledkransen konstrueras så att spalterna mot intilliggande komponenter blir så små som möjligt. Trots detta är det svårt att uppnå en helt tät ledkrans ett visst läckage förekommer alltid. Läckagets omfattning påverkas av tillverknings- och montagetoleranser, deformationer som uppstår under belastning 16 samt dimension på ledkransen och den aktuella fallhöjden. Vissa turbiner med hög fallhöjd är försedda med en inloppsventil för att minska läckaget när aggregatet stoppas. Är läckaget genom den stängda ledkransen stort när turbinen ska stoppas finns det risk för att varvtalet inte går ner tillräckligt för att turbinen ska kunna bromsas. Ett stort läckage kan även leda till erosions- och kavitationsskador både på ledskovlar, turbinlock och nedre ledkransring. 17 Allt läckage medför också en produktionsförlust som motsvarar stora värden. För att anses som acceptabelt bör läckaget inte överstiga 3 av det normala vattenflödet genom turbinen. 18 Denna siffra är baserad på erfarenheter och är uppnåelig med de flesta typer av hårda tätningar som olika metallister. Med flexibla tätningar kan läckaget ofta reduceras ännu mer. Siffran brukar finnas med som en garanti i specifikationer och kontrakt med turbintillverkare. 19 Problemet med ledkransläckage är särskilt aktuellt eftersom vattenkraftaggregaten körs mer intermittent nu för tiden, vilket innebär att de får längre stilleståndstider. Att körningen ser ut på detta sätt beror på att vattenkraften fungerar som en effektutjämnare i det svenska elsystemet och produktionen styrs därför av behovet. När utbyggnaden av kraftslag som bara kan producera vid speciella förhållanden ökar kommer vattenkraftens roll som effektreglerare att öka. Ett exempel är utbyggnaden av vindkraft som bara kan producera el när det blåser tillräckligt Läckageförluster Läckage genom turbinens ledkrans medför ett produktionsbortfall som är önskvärt att minimera. Hur stora läckageförlusterna är beror till största delen av hur långa stilleståndstider aggregaten har. I Tabell 1 presenteras förluster på grund av ledkransläckage i de olika älvarna. 16 Fällström, PG (1994) Kompendium Vattenturbiner 17 Sääw, Egron (1988) Ledkranstätningar 18 Lagerberg, Bengt (1991) Typfall vid revision av turbinutrustning 19 Lillemägi Kai, Vattenfall Power Consultant AB 20 Holm, Maria (2004) Vattenkraften i Sverige 19

20 Tabell 1. Produktionsbortfall på grund av ledkransläckage i Vattenfall AB Vattenkrafts storskaliga vattenkraftverk. Älv Normalproduktion Produktionsbortfall Läckageförlust [GWh/år] [GWh/år] [kr/år] Luleälven , Skellefteälven , Umeälven , Ångermanälven , Indalsälven , Gimån 390 3, Dalälven 730 2, Göta Älv , Totalt , Att förlusterna i Luleälven är stora beror på att aggregaten har långa stilleståndstider och därmed betydande läckageförluster. Aggregat som vanligtvis körs på detta sätt är aggregaten i Ritsem, Porjus, Harsprånget och Letsi vilka alla har förhållandevis långa stilleståndstider och även ganska stora uppmätta läckagevärden. Dalälven har förhållandevis stora läckageförluster med tanke på att det i Dalälven finns många rörturbiner vilka i allmänhet har korta stilleståndstider och därmed inte så betydande förluster. Förlusterna i Dalälven kan förklaras med att de horisontella Francisturbinerna i Älvkarleby har stora uppmätta läckage och även betydande stilleståndstider. Detta leder till att dessa fem turbiner nästan helt står för hela läckageförlusten i Dalälven. Med hänsyn till de olika älvarnas normala årsproduktion har Gimån den klart största andelen läckageförluster. Här uppgår produktionsbortfallet på grund av ledkransläckage till ungefär 0,8 % av årsproduktionen. I Luleälven motsvarar ledkransläckaget ungefär 0,3 % av den normala årsproduktionen. Indalsälven har den minsta andelen förluster på grund av ledkransläckage jämfört med normal årsproduktion. De uppgår till 0,06 % av årsproduktionen vilket är förhållandevis lite. Den storleksmässiga fördelningen av läckageförlusterna i GWh per år mellan de olika älvarna kan ses i Figur 6. 20

21 Läckageförluster 4% 4% 2% 3% 12% 8% 3% 64% Luleälven Skellefteälven Umeälven Ångermanälven Indalsälven Gimån Dalälven Göta Älv Figur 6. Fördelning av läckageförluster mellan de olika älvarna. Den totala läckageförlusten uppgår till ungefär 74 GWh per år. Figur 6 visar tydligt att de största och mest betydande läckageförlusterna finns i Luleälven. Luleälven står ensam för ungefär 64 % av de totala läckageförlusterna. I Bilaga 1 (sammanställning) kan ledkransläckagen uppdelade på de olika aggregaten i respektive älv ses. 5.2 Ledkranstätningar För att minska läckaget genom ledkransen har ett flertal olika tätningsmetoder provats. Ledkransen har försetts med olika horisontella tätningar i turbinlocket och nedre ledkransringen samt även vertikala tätningar på var och en av ledskovlarna. Var tätningarna sätts in är delvis en kostnadsfråga men hänsyn tas även till hur stort läckaget är och hur mycket aggregatet står stilla. Önskemål om nya tätningars funktion är att de ska vara flexibla så att de kan täta bra trots olika ledskovlars spaltavvikelser och det faktum att spalterna ökar med vattentrycket samt att skräp och annat som tar sig ner till turbinen inte kan skada tätningarna. 21 Tätningarna ska vara motståndskraftiga mot slitande partiklar i vattnet och deras utformning får inte heller medföra ökad risk för kavitation eller strömningsförluster. De ska även klara av den låga temperatur som råder i vattnet utan att gå sönder eller bli alltför stela, vilket gäller framför allt gummitätningar. Tätningarna ska vara motståndskraftiga mot korrosion som vanligtvis kan drabba metaller. De ska vara driftssäkra och inte kräva alltför mycket underhåll eftersom det inte är önskvärt att behöva stoppa ett aggregat för problem med tätningarna Horisontella tätningar De horisontella tätningarna kan sitta vid ovansidan eller undersidan av ledskoveln, alltså i turbinlocket eller i den nedre ledkransringen, alternativt på båda ställena. Se Figur 7. Var 21 Sääw, Egron (1988) Ledkranstätningar 21

22 tätningen är placerad beror på om skovlarna är axiallagrade i den övre eller den undre tappen. När spiralen trycksätts rör sig turbinlocket i axiell riktning. Är ledskovlarna lagrade via den övre tappen följer de med i turbinlockets rörelse uppåt och en större spalt under dem uppstår. Är de istället lagrade via den nedre tappen bidrar turbinlockets rörelse till att en större spalt ovanför ledskovlarna uppkommer. Figur 7. Skiss över två ledskovlar sedda uppifrån. Mellan dem sitter en horisontell tätningslist. Illustration: Victoria Karlsson Tätningarna ska kunna ta upp den axiella rörelsen mellan turbinlocket och den nedre ledkransringen som uppstår. Ofta handlar det om rörelser på några tiondels millimeter Lister av polymerer Material som används är till exempel polyuretan, robalon eller vanligt gummi. Polyuretan är en plast som har ett brett användningsområde inom industrin. Egenskaper som bra slitstyrka, bra flexibilitet, samt mycket låg köldförstyvningstemperatur gör materialet lämpligt att använda som tätningslister. Robalon är ett plastmaterial som är väldigt slitstarkt. En nackdel är dock att robalon är en mycket hård plast vilket innebär att den inte kan komprimeras i lika hög grad som polyuretan. 22 Bilder på polyuretanlister kan ses i figurerna 5 och 6 i Bilaga 2. Listerna läggs ner i frästa spår i turbinlocket eller nedre ledkransringen mellan ledskovlarnas tappar och skruvas fast. Under listerna läggs även rostfria shimsplåtar för att tätningen ska få en korrosionsfri motyta med låg friktion. Plåtarna kan delas in i mindre bitar och användas för att få rätt höjd på listen i de fall spåret är ojämnt. Listernas profil kan utformas för att ge en fjädrande effekt när ledkransen stängs igen och skovlarna går över dem. Fräsningsarbetet för att göra spåren som listerna ligger i kan ses i figurerna 7 och 8 i Bilaga Uppblåsbara tätningar En annan metod är att använda gummilister som kan blåsas upp med tryckluft. Listerna består av en metallkärna omgiven av ett ungefär 5 mm tjockt gummiskikt och läggs ner i frästa spår. Metallkärnan har rektangulär tvärsnittsarea och gummit är fastvulkat på tre av fyra sidor. Den sida som inte sitter fast är den mot vattenvägen. När tryckluft tillförs underifrån pressas gummit mot ledskovelns ändplan. 23 Skisser av uppblåsbara tätningslister och deras funktion kan ses i figurerna 9 och 10 i Bilaga Lagerberg Bengt, GE Energy 23 Sääw, Egron (1988) Ledkranstätningar 22

23 Det finns två olika infästningssystem för listerna. De kan antingen skruvas fast med skruvar som sitter fast i metallkärnan eller så de kan även vara försedda med längsgående flänsar. På dessa läggs lister av rostfritt stål som skruvas fast och håller på så sätt gummilisten på plats. Luften leds i rörledningar från en kompressor ut till varje list genom en av listens fästskruvar som är genomborrad. Rörledningarna är i närheten av varje list försedda med avstängningsventiler så att luften till en läckande tätning kan stängas av. Listens ändar utgörs av massivt gummi för att den lättare ska kunna anpassas till spårets längd utan att luftfyllnadsutrymmet skadas. 24 Byggandet av ett tryckluftssystem för den nedre ledkransringen kräver åtkomst underifrån genom en montagekammare som går runt turbinen på en nivå strax under ledskovlarna. Även infästningen med skruvar genom metallkärnan kräver att montage kan ske underifrån. I äldre turbinkonstruktioner saknas ibland montagekammare och då är det inte möjligt att använda denna typ av tätning Lister av metall Metallister av brons eller mässing kan också användas för att täta ledkransen. Listerna läggs i frästa spår mellan ledskoveltapparna och skruvas fast. De är ungefär mm breda med en uppstickande höjd av ungefär 1 mm och är avfasade längs långsidorna. En bild på en monterad bronslist kan ses i Figur 11 i Bilaga 2. Den stora fördelen med metallister är hållbarheten och metallernas stelhet är den stora nackdelen. Höjdavvikelser mellan ledskovlarna medför ett ojämnt tryck på listen vilket leder till en sämre förmåga att täta. Brons och mässing är båda kopparlegeringar som innehåller tenn respektive zink. Brons har bättre korrosionsmotstånd och hållfasthet i jämförelse med mässing. Rostfritt stål är en järnlegering som har bra korrosionsmotstånd på grund innehållet av krom. 25 Det finns även olika typer av fjädrande metallister. För att de stela metallisterna ska få en fjädrande effekt förses de med en eller flera brickor runt varje skruv, mellan listen och ledkransringen. Brickorna är koniska och ger på så vis fjädrande effekt när ledskoveln trycker mot listen. 26 En annan variant ligger på en o-ring av gummi som ska ge listen en fjädrande effekt. Ekwall-Munding tätningen är en tätning som var vanlig mellan åren 1925 och Tätningen bestod en ansättningsbar ring tillverkad av rostfritt stål som var inbyggd i turbinlocket eller den nedre ledkransringen. Ringen var rörlig i axiellt led och pressades mot skovlarnas ändplan med vattentryck. Problemet med denna tätning var att det var svårt att få den stela ringen och samtliga ledskoveländar att ligga an mot varandra. Ledskovlarna har en viss inbördes höjdavvikelse som är svår att komma ifrån. 27 Smuts och rost hämmade också rörligheten hämmade också rörligheten och därmed funktionen hos tätningen. 24 Sääw, Egron (1988) Ledkranstätningar Ökvist Lars-Tage, Vattenfall Service Nord AB 27 Fällström, PG (1994) Kompendium Vattenturbiner 23

24 5.2.2 Vertikala tätningar Läckaget mellan ledskovlarna är inte lika omfattande som läckaget ovanför och under dem. Ytorna på skovelns framdel respektive bakdel som överlappar varandra vid stängning är frästa och ofta även justerslipade. Ledskovlarna kan även ha rostfri svetspåläggning på kontaktytorna för att inte påverkas av korrosion. Avståndet mellan skovlarna påverkas av att de kan deformeras vid de höga tryck som råder när ledkransen är stängd och på så vis kanske de inte ligger an mot varandra längs hela den vertikala sidan. För att minska läckaget kan därför en tätning sättas in. En metod är att sätta in en list av exempelvis gummi eller polyuretan. Metoden innebär att en list fästs i ett spår på skovelns framdel mot vilken den angränsande skovelns bakdel kommer att ligga an. Se Figur 8. För att listen ska hållas på plats kan man använda en låslist av stål som skruvas fast över en bit av listen. En annan möjlighet är att vulka fast listen i ett spår i en list av rostfritt stål som sedan skruvas fast. Figur 8. Skiss över två ledskovlar med vertikala tätningslister sedda från ovan. Illustration: Victoria Karlsson Problem med tätningar Många försök att täta ledkransen har varit mer eller mindre misslyckade. Tätningarna har inte klarat av att stå emot de förhållanden som råder under drift och därför gått sönder. För att anses som en fungerande tätning bör inte bara läckaget minskas utan tätningen ska även ha en viss livslängd och inte kräva alltför mycket underhåll. Livslängden bör åtminstone vara så lång att man inte behöver göra en avställning och tömma vattenvägarna bara för att byta tätningar. Normalt genomförs översyner av turbinens vattenvägar vart tredje till femte år. Tätningarna bör därför ha en livslängd som åtminstone motsvarar detta Lister av polymerer Vid en besiktning i Stornorrfors upptäcktes att flera av tätningarna hade skadats så mycket att bitar av dem slitits loss och delar av de övre listerna i turbinlocket var böjda och hängde ner. Detta hade i sin tur lett till att vissa av de vertikala polyuretanlisterna fått klämskador på 24

25 grund av de nedhängande bitarna som fastnat mellan skovlarna när de stängts igen. Samtliga av de vertikala listerna hade även eroderat och en del av dem hade flutit ut. 28 Att listerna på detta sätt hindrar ledkransen från att stängas bidrar därmed till ett större läckage. De lister som kläms mellan skovlarna vid stängning bidrar till att friktionsförbanden slirar och kan leda till att förbandens grundinställningar ändras. Förklaringen till problemet är att när ledkransen stängs minskar arean som vattnet kan passera genom, vilket leder till att vattnets hastighet ökar. När ledkransen är nära stängt läge är tryckdifferensen över ledkransen allra störst och därmed hastigheten på vattnet. Detta orsakar ett sug på polyuretanlisterna som då dras upp ur sina spår och går sönder när ledkransen regleras. I detta fall gjordes en bedömning att avståndet mellan skruvarna som håller fast de horisontella listerna var för stort. Genom att minska avståndet kan listernas hållbarhet förbättras. Robalonlister har provats i Seitevare. De fungerade inte särskilt bra eftersom de låg för lågt nere i spåren ungefär 2-3 mm under ledkransringen. De hade dessutom blivit vågiga efter att aggregatet varit i drift ett tag, vilket tyder på att materialet inte klarar av de rådande förhållandena i vattenvägarna. 29 Problem har även uppstått i användandet av gummitätningar eftersom gummi är ett mjukt material som lätt går sönder under de rådande förhållandena i turbinen. Vattnets låga temperatur påverkar gummits stelhet och det blir inte lika flexibelt som vanligt. Ett problem med gummilister är att vatten kan tränga in bakom dem och trycka ut dem i det strömmande vattnet vilket leder till att stållisten inte klarar av att hålla gummilisten på plats. För vertikala gummilister kan problemet undvikas genom att listerna vulkas fast i ett spår i en rostfri list som i sin tur skruvas fast på ledskoveln. Listerna får inte sticka ut för mycket från ledskovelns profil. Detta kan störa vattnets strömning och leda till kavitationsskador på ledskoveln Uppblåsbara tätningar Att de uppblåsbara gummitätningarna inte fungerar som de ska beror på att det kalla vattnet påverkar gummits egenskaper så att det blir stelare. När turbinen ska startas efter ett stopp töms listerna på luft innan man öppnar ledskovlarna. På grund av gummits stelhet sjunker inte listerna ihop tillräckligt sedan luften släppts ur dem. När ledkransen öppnas höjs listerna ytterligare på grund av att suget från vattnet vill dra upp dem ur sina spår. Vid stängning av ledkransen sticker de sedan upp för mycket vilket leder till att de går sönder. 31 Dålig inpassning är ett annat problem som förekommer. Detta kan dels bero på att spåren listerna ligger i inte är tillräckligt djupa eller att listerna är för höga. Listerna sticker därmed upp för mycket och när ledskovlarna regleras slits de sönder. 28 Ekmarker, Maria (2007) Utveckling vid byte av aggregat G1 i Stornorrfors Andersson, Kjell H (2005) Tillståndskontroll Turbin Seitevare 30 Lundqvist, Bo (1989) Harsprångets Kraftstation Aggregat 4 31 Ökvist Lars-Tage, Vattenfall Service Nord AB 25

26 En del problem med kondensvatten i tryckluftsledningar och tätningar har även noterats. Rörledningarna till tätningarna utformas därför med en svag lutning så att kondensvattnet kan rinna ut. För att undvika kondens kan även en lufttork installeras. Denna tork består av en lufttank som placeras lågt och svalt i vilken den inkommande tryckluften kyls ner och avger därmed sin fuktighet innan den leds vidare till tätningarna Lister av metall Lister av metall har ofta en bra hållbarhet men problemet är att de stela listerna inte klarar av att täta lika bra som en flexibel tätning. Problemet med rörliga metalliska tätningar är att de förlorar sin rörlighet på grund av att smuts och korrosion får dem att kärva vilket då leder till att de förlorar en stor del av sin tätande funktion Nulägesbeskrivning av ledkranstätningar I Luleälven finns i dagsläget ledkranstätningar installerade i 16 stycken aggregat. De tätningar som finns är metallister, uppblåsbara tätningslister, polyuretanlister och vertikala gummilister. Polyuretanlister finns i fyra av dessa aggregat och planer på att sätta in sådana tätningar i ytterligare tre aggregat finns redan. 33 Fyra aggregat i Skellefteälven har i dagsläget uppblåsbara tätningslister inmonterade. Av dessa fyra aggregat har dessutom två av dem vertikala gummilister som tätar mellan ledskovlarna. Stornorrfors är den enda stationen i Umeälven där det finns ledkranstätningar. Ett aggregat har både horisontella och vertikala polyuretanlister installerade och två har uppblåsbara tätningslister och vertikala gummilister. Ångermanälven har 11 aggregat som har ledkranstätningar. De tätningar som sitter här är uppblåsbara tätningslister och metallister samt vertikala lister av både gummi och metall. I Indalsälven finns ledkranstätningar installerade i fyra aggregat. Tätningarna består av horisontella lister av metall och vertikala gummilister. Av de tre aggregat Vattenfall äger i Gimån sitter uppblåsbara tätningslister i ett av aggregaten och vertikala gummilister i ett annat. Älvkarleby är den enda station i Dalälven som har ledkranstätningar. I ett av aggregaten här sitter uppblåsbara tätningslister inmonterade. I Göta Älv finns ledkranstätningar i ett av aggregaten i Hojum. Där sitter uppblåsbara tätningslister i turbinlocket ovanför ledskovlarna och bronslister i den nedre ledkransringen under skovlarna. Planer på att sätta in bronslister både upptill och nedtill i ett annat av aggregaten i Hojum finns också Lundqvist, Bo (1989) Harsprångets Kraftstation Aggregat 4 33 Lillemägi Kai, Vattenfall Power Consultant AB 34 Nilsson Kjell-Åke, Vattenfall Power Consultant AB 26

27 En sammanställning av vilka ledkranstätningar som finns installerade i Vattenfall AB Vattenkrafts samtliga vattenkraftsaggregat i dagsläget kan ses i Bilaga Inloppsventiler Vid kraftverk med höga fallhöjder som har långa stilleståndstider kan läckageförlusten bli mycket kostsam. Som en åtgärd för att minska förlusten kan möjligheten att fälla ner intagsluckan övervägas. Intagsluckan är däremot inte konstruerad för att öppnas och stängas för ofta. I ett sådant fall kan stängning med en inloppsventil vara ett bra alternativ. För fallhöjder upp till 200 meter används ventiler av trotteltyp och för högre fallhöjder klotventiler. Ventilerna kan inte användas för att strypa flödet utan de är antingen helt öppna eller stängda. De innehåller en tätning av gummi eller metall. Metalltätnig är att föredra vid hög fallhöjd och manöverfrekvens. 35 Ventilerna öppnas och stängs med servomotorer. I vattenkraftverken i Luleälven som har förhållandevis låga fallhöjder finns det inga inloppsventiler. De av Vattenfalls kraftverk som har inloppsventiler är Gejmån i Umeälven och Sillre i Indalsälven. Båda har klotventiler. De har fallhöjder på 245 respektive 180 meter och är tillsammans med Stalon i Ångermanälven, som har en fallhöjd på 190 meter, de högsta utbyggda fallhöjderna bland Vattenfalls kraftverk. Kraftverket Juktan i Umeälven byggdes som ett pumpkraftverk med både en klotventil och två trottelventiler för omledning av vattnet. På 90-talet byggdes stationen om till ett konventionellt kraftverk och sedan dess används ventilerna sällan. 36 Huruvida en ventil ska sättas in eller inte är en kostnadsfråga som måste vägas mot de potentiella vinsterna. Vid byggandet av kraftverket i Stalon togs därför beslutet att ingen ventil skulle stättas in trots den höga fallhöjden. Beslutet fattades delvis på grund av att de potentiella besparingarna bedömdes vara för små men även på grund av att erfarenheterna av inloppsventiler var begränsad vid tidpunkten för byggandet i början av 1960-talet Trottelventiler En trottelventil består av en ventiltallrik inne i ett rör som kan vridas till öppet eller stängt läge. Ventiltallriken är uppbyggd av två parallella skivor och mellan dem sitter ett fackverk. Eftersom tallriken sitter mitt i vattenvägen orsakar den strömningsförluster när ventilen är i öppet läge. 38 Utvecklings- och forskningsaggregaten (G8 och G9) i Porjus gamla kraftstation är försedda med en trottelventil istället för intagslucka. Fallhöjden hos dessa aggregat är 54 meter och ventilen sitter nära intaget. 35 Fällström, PG (1994) Kompendium Vattenturbiner 36 Fallström, PG (1994) Turbinfakta för Umeälven 37 Fallström, PG (1994) Turbinfakta för Ångermanälven 38 Fällström, PG (1994) Kompendium Vattenturbiner 27

28 5.3.2 Klotventiler En klotventil består av ett klot med ett rörelement som kan vridas runt. I öppet läge genomströmmas röret av vattnet och eftersom öppningen har samma diameter som rörledningen så blir strömningsförlusterna därmed små. Klotventilen är dyrare än trottelventilen eftersom bygglängden är större vilket medför både dyrare ventil och inbyggnadskostnad. 39 Ventilen placeras vanligtvis i anslutning till spiralinloppet. 39 Fällström, PG (1994) Kompendium Vattenturbiner 28

29 6 Läckagemätning Läckaget genom den stängda ledkransen mäts genom att bestämma hur fort vattennivån innanför den stängda intagsluckan sjunker undan. Metoden går ut på att registrera tryck i tilloppstuben vid två olika tidpunkter. Vattnet i tilloppstuben sjunker undan på grund av läckaget genom ledkransen. Till att börja med måste tilloppstubens eller luckschaktets tvärsnittsarea vara känd så att ett flöde kan beräknas utifrån hur mycket vattnet sjunker. En tryckgivare som tillfälligt placeras i ett befintligt tryckuttag på spiralen mäter hela tiden vilket vattentryck som råder och dessa värden skickas till en dator. Trycket anges i enheten mvp (meter vattenpelare) och anger hur mycket vatten som finns ovanför nivån där tryckgivaren sitter. Det uppmätta trycket loggas sedan mot en tidsaxel och en graf med trycket beroende av tiden kan fås fram. I denna graf kan två punkter väljas och tryck samt tidpunkt för dessa punkter kan avläsas. Genom ekvationen Q läckage = Δh A Δt (1) där A = Mätområdets tvärsnittsarea [m 2 ] Δ h = Tryckskillnad [mvp] Δ t = Tidsskillnad [s] kan läckaget sedan beräknas. Tryckskillnaden ses som en nivåskillnad mellan avläsningspunkterna. Se Figur 9 för exempel. Källa: Kai Lillemägi, Vattenfall Power Consultant AB Figur 9. Mätning av läckage genom ledkransen. I figuren avläses tidsskillnad samt nivåskillnad mellan två valda punkter. Denna mätning är utförd på aggregat G1 i Vietas kraftstation. 29