nyheter NYHETSBLAD FRÅN SVENSKT VATTENKRAFTCENTRUM SOMMAR 2013 Luft bottenutskovets värsta fiende sid 3 HAN KARTLÄGGER EROSIONSPROCESSEN sid 5 Att lära sig köra utan skadeverkningar sid 6 Ny seniorforskare nytt verksamhetsområde sid 7 1
SVENSKT VATTENKRAFTCENTRUM En vältajmad och lyckad satsning Sedan årsskiftet pågår en ny etapp av Svenskt VattenkraftCentrum. Det innebär att intressenterna tillsammans under de närmaste fyra åren planerar att satsa 110 miljoner kronor på forskning, utveckling och utbildning inom vattenkraft och gruvdammar. Med tillbakablick på det som varit är det glädjande att konstatera att SVCs modell för att skapa högkvalitativa utbildnings- och forskningsmiljöer inom vattenkraft och gruvdammar är framgångsrik. Nu bär SVC frukt samtidigt som svensk gruvnäring är inne i en period av ny- och tillbyggnad av dammar och vattenkraftindustrin investerar mellan 3 och 3,5 miljarder kronor per år för att vidareutveckla vattenkraften. Inom SVC 2009-2012 har 30 forskarexamina avlagts. Mer än 100 konferensbidrag och 40 artiklar i granskade vetenskapliga tidsskrifter har publicerats. Kunskapen från de forskarstuderande som SVC satsar på fångas upp. Den absoluta merparten av dem fortsätter att arbeta med frågor inom vattenkraft eller gruvdammar efter examen. SVC har också lett till ett ökat utbud av vattenkraft- och gruvrelaterade kurser vid lärosäten knutna till SVC och därmed fler studenter med kunskaper av central betydelse för SVCs intressenter. SVCs framgång bekräftas också i den utvärdering som genomfördes under 2012. Utvärde- ringen rekommenderar en fortsättning av SVC på åtminstone samma nivå som tidigare och konstaterar bland annat att Utan SVC skulle kompetenssituationen inom vattenkraftområdet vara kritisk. Denna rekommendation har intressenterna svarat upp emot. Det tackar vi för! Cristian Andersson, Centrumföreståndare SVC Foto: Lars Magnell Svenskt VattenkraftCentrum, SVC, är ett samarbete mellan ett trettiotal företag, myndigheter, branschföreningar samt Kungliga Tekniska högskolan, Luleå tekniska universitet, Uppsala universitet och Chalmers. Elforsk är centrumföreståndare för SVC. SVC skapar högkvalitativa och långsiktigt hållbara utbildnings- och forskningsmiljöer vid ovan nämnda lärosäten. Ett tiotal utvalda seniorforskare får riktade stöd för egen forskning och för att koordinera och utveckla SVCs miljöer och verksamhetsområden. I miljöerna ingår satsningar i hela utbildningskedjan från forskningsprojekt till grundutbildning. SVC innehåller två kompetensområden: Vattenbyggnad respektive Vattenturbiner och generatorer. Nuvarande etapp pågår 2013-2016. Produktion: Kreativ Media AB Formgivning: Gabriella Lindgren Omslagsfoto: Lars Magnell Tryck: Planograf, Stockholm 2013 2
VÅRA DOKTORANDER Att säkerställa funktionen hos bottenutskov är viktigt för driftsäkerheten. Problem som kan uppkomma i bottenutskov omfattar t.ex. tryckslag och kavitation. Man kan konstatera att ett flertal av de svenska bottenutskoven inte fungerar tillfredsställande, säger Ting Liu. Hennes doktorandprojekt syftar till att finna metoder som leder till bättre konstruerade bottenutskov. SVENSKT VATTENKRAFTCENTRUM Luft bottenutskovets värsta fiende Foto: Lars Magnell Det visar en inventering och förstudie av bottenutskov i Sverige som gjorts på uppdrag av SVC (Elforsk rapport 10:87). Studien visar att problem med bottenutskov ofta beror på luftmedrivning och ofullständig luftavgång vid avbördning. Luftmedrivning är beteckningen på det fenomen som uppstår när luft följer med vattnet ner i bottenutskovet via inloppsschaktet. Luften innesluts i fickor längs väggarna på strömningsvägen och avbördas i form av både stora och små luftfickor som transporteras med vattenströmmen in i tunneln, vilket kan leda till skador. Den instängda luften kan orsaka vibrationer i schacket och kavitation i tunneln, förklarar Ting Liu vid Kungliga Tekniska högskolan. I sitt doktorandprojekt undersöker hon hur bottenutskoven skulle kunna utformas för att komma till rätta med dessa skadeverkningar. Modellförsök nödvändiga Den pågående forskningen är angelägen, för även om det idag finns kunskap om luftinblandning i vatten är det fortfarande svårt att förutsäga hur luftbubblor kommer att transporteras i snabbt strömmande vatten där sektionerna inte är idealiserade. Vidare är det fortfarande svårt att överföra resultat från tryckmätningar från modellskala till prototyp i luft/vattenblandat flöde. Detta beror på att tryckvågor fortplantas betydligt långsammare i ett komprimerbart flöde. Flera av de svenska bottenutskoven har utformats utifrån modellförsök och man kan konstatera att ett flertal av dem inte fungerar tillfredsställande, säger Ting Liu vars projekt är en direkt uppföljning av ovan nämnda förstudie. I det nu aktuella projektet har experimentella försök gjorts för att kunna bedöma vilket lägsta vattenflöde som krävs för att kunna transportera bort luftfickorna, berättar Ting Liu. Viktiga faktorer för luftfickornas rörelse i vattenflöden är tunnelns lutning, luftfickans storlek och form, samt tunnelns diameter och råhet. Om en tunnel är horisontell krävs ett mindre flöde i ett rektangulärt tvärsnitt för att transportera luftfickor nedströms jämfört med ett cirkulärt. Om bottenutskovet lutar nedåt i strömriktningen gäller dock motsatsen. Modelleringen har gjorts med en datormodell i programmet Fluent som tar hänsyn till vattnets turbulens. Därtill simulerades mängden luft som sögs ned i bottenutskovet när utskovsluckan öppnades. Resultaten från modelleringen visade att luftinblandning och självinblåsning avstannar nästan helt när vattenståndet i luckschaktet nedströms överstiger utskovsluckans öppning. De visade också Virvelbildning är ett gravitationsdominerat fenomen och är orsaken till att luft sugs in i bottenutskovet. att stora luftfickor ansamlades i tunneln. När dessa släpptes nedströms höjdes vattennivån där med flera meter. Virvelbildning Den senaste experimentella undersökningen i Ting Lius projekt handlar om virvelbildning vid ett vertikalt intag. Virvelbildning är ett gravitationsdominerat fenomen och ger upphov till att luft sugs in i bottenutskovet. Vi har undersökt hur intagsgeometrier påverkar virvelbildningen under olika driftförhållanden och vilken inverkan intagsutseenden har på virveln, säger Ting Liu, som räknar med att kunna presentera sin doktorsavhandling i februari nästa år. 3
SVENSKT VATTENKRAFTCENTRUM Farzad Ferdos framför den jättelika permeameter som byggts upp i Vattenfalls laboratorium i Älvkarleby. Tack vare den kan han i sitt doktorandprojekt undersöka och övervaka mycket turbulenta flödesregimer. 4 Foto: Privat
VÅRA DOKTORANDER Tiden mellan första observationen av koncentrerat läckage tills dammen havererar kan i värsta fall handla om timmar. Han kartlägger erosionsprocessen SVENSKT VATTENKRAFTCENTRUM Inre erosion i en fyllningsdamm är en lömsk process. När den väl blir synlig har den som regel redan pågått så länge att den kan utgöra ett allvarligt hot mot dammens stabilitet. Mot den bakgrunden jobbar Farzad Ferdos i sitt doktorandprojekt för att finna metoder som kan förutse konsekvenserna av inre erosion. Inre erosion är ett begrepp som omfattar all oönskad materialtransport genom dammkroppen. Sjunkgropar, sättningar och oväntat läckage är några tecken på att dammen är drabbad. Men då dessa symptom väl blir synliga har erosionen som regel pågått under lång tid. Om den inre erosionen fortgår innebär den en successiv försämring av dammkroppen. I sin allvarligaste form uppstår ett koncentrerat läckage genom eller under dammen. Tiden mellan första observationen av koncentrerat läckage tills dammen havererar kan i värsta fall handla om timmar. Det är därför angeläget att kunna förutsäga hur erosionsprocessen kan se ut för en specifik damm med sina speciella förutsättningar. Men det har hittills varit svårt att modellera erosionsprocessen, bland annat för att det inte funnits lämplig programvara, säger doktoranden Farzad Ferdos, som genomför sitt forskningsprojekt på Kungliga Tekniska högskolan. Viktiga randvillkor Modellutveckling och analyser i kombination med experimentell validering är huvudmomenten i projektet. Modellutvecklingen omfattar en numerisk lösningsrutin för vattenströmningen genom dammkroppen och hanterar viktiga randvillkor och strömningsregimer. Beräkningstekniskt är det viktigt att den inre erosionen, som fenomen betraktat, matematiskt implementeras på ett lämpligt sätt i strömningsekvationerna. Det är också viktigt att hantera den omättade zon som i samband med extrema läckagescenarier uppkommer under framåtlutande tätkärnor och strömning vid mycket höga Reynoldstal 1, förklarar Farzad Ferdos. Resultaten från experimenten använder vi för att validera de numeriska modellerna. På så sätt kan vi bestämma materialegenskaperna hos dammen med avseende på vattengenomsläpplighet, friktionsförlustsfaktorer och hur pass väl den kan stå emot erosion. När modellerna är helt utvecklade kommer vi att använda dem för att studera hur olikformighet i tätkärnan och filter kan leda till uppkomst av kritiska tryckgradienter 2 och kritiska förhållanden när det gäller dammens filterfunktion. Unika prov Ett viktigt forskningsbidrag i projektet är också att undersöka vattengenomsläppligheten (den hydrauliska konduktiviteten) genom ett lager siktat grovt grus och natursten. För detta ändamål används en så kallad permeameter, vilket enkelt utryckt är ett rör som fylls med det material vars vattengenomsläpplighet man vill undersöka. Men i det här fallet handlar det om en mycket storskalig apparat som specialdesignats och byggts upp i Vattenfalls laboratorium i Älvkarleby. Därmed kan vi också testa den typ av grova material som används i fyllningsdammar. Vi kan pumpa så mycket som 600 liter vatten per sekund genom materialet och därmed undersöka och övervaka mycket turbulenta flödesregimer, vilket faktiskt är unikt framhåller Farzad Ferdos. I projektet ska även en övergripande utvärdering sammanställas av riskerna för inre erosion ur ett dammsäkerhetsperspektiv. Bland annat kommer hårda läckagescenarier genom damkroppen, släntstabilitet och dammbrott analyseras. Farzad Ferdos doktorandprojekt beräknas vara färdigt under 2015. 1. Reynoldstal är den vanligast förekommande dimensionslösa storheten inom strömningsmekanik, och beskriver om fluiden strömmar laminärt eller turbulent. Källa: Wikipedia 2. Tryckgradient: Storhet som anger i vilken riktning trycket ökar mest och hur stor ökningen är per längdenhet. Källa: Nationalencyklopedin 5
SVENSKT VATTENKRAFTCENTRUM Våra seniorforskare SVC finansierar cirka 25 högskole- och industridoktorander. Doktoranderna är knutna till tio seniorforskare med tydlig inriktning mot vattenkraft och dammar. Forskningsprojekten bedrivs i huvudsak vid de fyra utvalda högskolorna Chalmers, Kungliga Tekniska högskolan, Luleå tekniska universitet och Uppsala universitet. Möt två av SVCs seniorforskare här. Foto: Lars Magnell Att lära sig köra utan skadeverkningar Håkan Nilsson är docent och verksam vid avdelningen Strömningslära på Chalmers. Just nu är han involverad i ungefär sju doktorandprojekt och två post doc-dito, inom olika tillämpningar av strömningsberäkningar och experiment. HÅKAN NILSSON Ålder: 41 Uppväxt: Falkenberg Utbildning/Karriär: Fysik och Oceanografi på Göteborgs universitet, doktorsstudier på Termo- och Fluiddynamik på Chalmers. Disputerade i augusti 2002 inom vattenturbinteknikprogrammet med Numerical Investigations of Turbulent Flow in Water Turbines. Docent 2008 på Chalmers. Bor: Lerum, Göteborg Familj: Gift med Maria, 2 barn: Emmy 11 år och Lukas 9 år Fritid: Tränar de stunder som finns över, och är innebandytränare för sonens lag. Jag jobbar i huvudsak med vattenkraft, vilket innebär ungefär en tredjedel av min tid. För tillfället är två av de doktorander jag handleder sysselsatta med projekt som finansieras av SVC. Projekten behandlar strömningen i vattenturbiner och kylning av generatorer. Övriga projekt, som inte har med vattenkraften att göra, studerar olika typer av strömning, till exempel strömning och elektromagnetism vid svetsning, strömning med fibrer, och strömningsinducerade krafter på stent-grafts vid behandling av bråck i aortan. Samtliga beräkningsprojekt använder sig av en beräkningskod baserad på öppen källkod, berättar Håkan Nilsson som också är aktiv i internationella grupperingar som utvecklar och validerar koden för bland annat vattenkraftstillämpningar. Hur ser du på utvecklingen av vattenkraften? Vattenkraften har ju som många vet en viktig roll som reglerkraft när mer oplanerbar elproduktion används. I och med det kommer maskinernas körmönster förändras vilket kan ge upphov till nya problem. Orsaken till dessa måste studeras noggrant för att man ska förstå vilka parametrar som är viktigast, och så att man kan anpassa driften så att maskinerna inte skadas. I övrigt genomgår vattenkraften ett generationsskifte inom personalstyrkan. Det är därför viktigt att fylla behovet av personal med kompetenta personer som studerat vattenkraftrelevanta kurser på högskolan. Bok på nattduksbordet: Computational Methods for Fluid Dynamics, av Ferziger and Peric Vattenkraften har ju som många vet en viktig roll som reglerkraft när mer oplanerbar elproduktion används. 6
Foto: Lars Magnell Den nuvarande forskningen har bland annat bidragit till att metoden att analysera sprickbildning i betongdammar har anammats av flera konstruktionskonsultbolag och nu används vid flera projekt. Ny seniorforskare nytt verksamhetsområde SVENSKT VATTENKRAFTCENTRUM Sedan 2012 finns inom SVC det nya verksamhetsområdet konstruktionsteknik. Ansvarig för verksamheten är Richard Malm, som har en gedigen erfarenhet från såväl den akademiska världen som kraftindustrin. Richard Malm Ålder: 33 Uppväxt: Salem (Rönninge) & Tumba Utbildning/Karriär: Civilingenjör 2004 Väg och Vattenbyggnadsteknik med inriktning bärande konstruktioner vid KTH. Doktorsstudier vid KTH Bro och stålbyggnad 2004 2009 inom området sprickinitiering och propagering i betongkonstruktioner med titel: Predicting shear type crack initiation and growth in concrete with non-linear finite element method. Forskare vid KTH Betongbyggnad (40 procent) sedan 2009. År 2012 ökade aktivitetsgraden till 60 procent i samband med rollen som seniorforskare vid SVC. Teknisk specialist Vattenfall Power Consultant (60 procent) från 2009 2011, anställningen övergick till Vattenfall Engineering (Vattenfall Research and Development) 2011-2013. Specialist numeriska beräkningar SWECO Infrastructure (40 procent) från 2013. Bor: Salem (Rönninge) Familj: Gift med Görel och har dottern Lilly som är 7 månader Fritid: Umgås med familj och vänner, tennis, se på film och serier. Bok på nattduksbordet: Jack Reacher prickskytten av Lee Child Det började med broar men blev så småningom mer och mer inriktning mot vattenkraften. Det berättar Richard Malm om sin akademiska och yrkesmässiga bana som nu lett fram till att han som seniorforskare leder SVCs nya verksamhetsområde konstruktionsteknik. Verksamheten är inrymd på KTH i Stockholm. Närmare bestämt vid avdelningen för Betongbyggnad, en del av institutionen för Byggvetenskap. Men det var vid avdelningen Brooch stålbyggnad som han inledde sin forskargärning, som 2009 gav honom doktorstitel. Trots att min forskning då primärt var inriktad på brobyggnad blev jag år 2007 engagerad i ett projekt som behandlade spricktillväxt i dammkonstruktioner för övrigt finansierat av Elforsks betongtekniska program. Det ledde till att de analyser som genomfördes i projektet till stor del kom att redovisas i min doktorsavhandling, och på den vägen är det, konstaterar Richard Malm. Som klippt och skuren Han säger att han blev väldigt intresserad när han och kollegorna fick besked att SVC planerade att starta en forskningsmiljö inom kon- struktionsteknik. Med den inriktning på forskningen som vi har på avdelningen passade den eftersökta profilen oss perfekt. Nu har SVC konstruktionsteknik varit i gång en tid, men befinner sig fortfarande i ett uppbyggnadsskede. Vi startade i september 2012 och till en början bestod arbetet mycket i att planera för lämpliga forskningsprojekt och utlysning av doktorandtjänst med mera. Det kommer att ta några år att utveckla verksamheten. Så de flesta av våra forskningsresultat redovisas ännu så länge via Elforsks betongtekniska program. Den nuvarande forskningen har bland annat bidragit till att metoden att analysera sprickbildning i betongdammar har anammats av flera konstruktionskonsultbolag och nu används vid flera projekt. Vi är nu också i gång med att inleda ett doktorandprojekt med fokus på vattenkraftens aggregatnära konstruktioner. Syftet är att studera hur vattenkraftens nya driftmönster, med flera planerade start och stopp, påverkar belastningen på de aggregatnära konstruktionerna, och hur uppsprickning av fundamentet påverkar belastningen från generatorn. forts. nästa sida 7
forts. Man kan säga att vår verksamhet är ganska tvärvetenskaplig. Därför känns det också angeläget att vi inom konstruktionsteknik kan få igång ett bra samarbete med våra forskarkollegor inom SVC. Forskningsnav Richard Malms egen forskning har huvudsakligen fokus på avancerade numeriska statiska eller dynamiska analyser som beaktar betongens icke-linjära egenskaper. Detta främst när det gäller vattenkraftens betongkonstruktioner. Men flera forskningsprojekt är även relaterade till beteenden hos andra typer av konstruktioner, som till exempel dynamisk belastning av militära skyddsanläggningar eller kärnkraftsanläggningar. Hans roll som seniorforskare är, som han säger, dels att vara navet kring den forskning som bedrivs inom SVC konstruktionsteknik med doktorander och förhoppningsvis även, vad tiden lider, en adjungerad professor. Efterforskningar efter lämpliga kandidater pågår för närvarande, men de växer inte på trän. Dessutom, eftersom jag har en koppling till industrin via en deltidsanställning hos Sweco och dessförinnan jobbat hos Vattenfall, ser jag det som min roll att knyta industrin närmare universiteten inom vårt forskningsområde. Till konstruktionsteknik har vi en referensgrupp med experter från kraftbolagen och konsultföretagen och tanken är att engagera dem att bli delaktiga i att påverka inriktningen på verksamheten. Ett nära samarbete mellan SVC konstruktionsteknik och kraftbolagen och konsultföretagen säkerställer förhoppningsvis att forskningen verkligen styrs mot de behov som finns på området, och att forskningsresultat och innovationer snabbare kommer till praktisk användning Tvärvetenskapligt Richard Malm konstaterar att konstruktionsteknik också har många beröringspunkter med övriga verksamhetsområden inom SVC. Till exempel finns en koppling till bergmekanik med avseende på grundläggning, och till rotordynamik när det gäller aggregatnära konstruktioner. Man kan säga att vår verksamhet är ganska tvärvetenskaplig. Därför känns det också angeläget att vi inom konstruktionsteknik kan få igång ett bra samarbete med våra forskarkollegor inom SVC. SVENSKT VATTENKRAFTCENTRUM SVC-dagar på Chalmers Den 25-26 september samlades ett 75-tal personer på Chalmers för att medverka vid SVC-dagarna 2012. Lennart Josefson, ledamot i SVCs styrelse och professor vid Chalmers, inledde med att hälsa deltagarna välkomna till den sjätte upplagan av SVC-dagarna. Cristian Andersson från Elforsk gav en överblick över SVC och vad verksamheten resulterat i sedan starten 2005. Under förmiddagen bjöds deltagarna också på presentationer av Olle Wåhlén, Jämtkraft och Peter Fröst, Andritz om Sveriges just nu största nybyggnationsprojekt inom vattenkraft som äger rum vid Hissmofors kraftverk i Indalsälven. Carl-Oscar Nilsson, E.ON Vattenkraft och Niklas Dahlbäck, Vattenfall Vattenkraft, ordförande för SVCs två styrgrupper gav en inblick i planerna för SVC 2013-2016. Eftermiddagen bjöd på parallella presentationer av pågående forskningsprojekt inom SVCs två kompetensområden och dagen avslutades med att Nicklas Hillgren, Uppsala universitet, Erwin Adi Hartono, Chalmers, Jesper Andersson, LTU samt Carin Alderman och Sophia Andersson från KTH stipendierades för bästa examensarbeten under 2011. Nicklas Hillgren har arbetat med hydrauliska transienter i vattenvägarna och arbetet har bidragit till att öka förståelsen för kavitationsproblem. Erwin Adi Hartonos examensarbete bestod i att designa, konstruera och genomföra mätningar av kylluftsflödet i en generatorrigg. Jesper Andersson har studerat dammövervakning och tolkning av övervakningsdata. Studien innehöll ett omfattande laborativt arbete om hur turbiditet bör mätas och mätdata hanteras. Carin Alderman och Sophia Andersson genomförde sina examensarbeten vid Tsinghua University i Kina. De undersökte flödesegenskaperna hos en av utskovstunnlarna i Baihetandammen numeriskt för att utreda kavitationsriskerna i tunneln. Dag två ägnades åt en workshop på temat reglerkraft där utmaningar ur ett elnäts-, marknads- och vattendragsperspektiv presenterades och diskuterades. SVC, Svenskt Vattenkraftcentrum är ett samarbete mellan: SVCs vision är att vara en av världens ledande utbildningsoch forskningsmiljöer inom vattenkraft och dammar. SVC ska säkerställa Sveriges kunskaps- och kompetensförsörjning för en effektiv och tillförlitlig vattenkraftproduktion och tryggad dammsäkerhet, som en viktig del av ett uthålligt energisystem. Kontakt 8 Centrumföreståndare SVC Cristian Andersson, Elforsk Tel: 08-677 25 34 cristian.andersson@elforsk.se Joel Sundström, Elforsk Tel: 070-222 65 21 joel.sundstrom@elforsk.se