Vannkraftkonstruksjoner

Tre forslag til designforbedringer i vannkraftverkets airbag

Uforede luftputekammer ble først utviklet i Norge og anses internasjonalt som en norsk spesialitet. Her kommer tre forslag som kan gjøre det fristende å bygge flere:

Lange trykktunneler må ha svingesjakt eller luftputekammer for å dempe bevegelsesenergien i vannet under start, stopp og lastendringer.

Fordeler med luftputekammer

Sammenlignet med en åpen løsning for svingekammeret er det store fordeler med å bruke et uforet luftputekammer:

  • Større frihet i plassering av tunnelene uavhengig av topografi (færre tunnelmeter og mindre falltap)
  • Ikke behov for adkomstvei på toppen slik som for åpent svingekammer (mer miljøvennlig og billigere)
  • Lavere trykkstøt og raskere reguleringsevne for turbinen (mer fleksibilitet)luftputekammer

Hvorfor bygger ingen luftputekammer?

Til tross for disse store fordelene har det ikke blitt bygget et eneste nytt luftputekammer i Norge de siste 30 år. Hvorfor?

Det er særlig luftlekkasjer og tidkrevende tømme- og fylleprosedyrer som er argumenter mot luftputekammer. Vi mener nye løsninger nå kan gjøre luftputekamre mer attraktive, og vi foreslår tre konkrete grep.

Kan sammenlignes med trykket i en fotball

Når du spiller fotball har du kanskje tenkt på at det er fint om ballen har passe lufttrykk, ikke for lite – da spretter den dårlig og fungerer ikke slik du ønsker. Heller ikke for mye – da får du vondt i foten og ballen kan til og med sprekke! For å fungere perfekt må ballen fylles med akkurat passe mye luft og det må ikke lekke for mye ut.

Akkurat det samme prinsippet gjelder for et luftputekammer: Lufttrykket må være akkurat passe for at kammeret skal fungere (blir det for høyt kan kammeret sprekke!), og det må ikke lekke ut for mye luft.

Der stopper kanskje likhetene, for der en fotball har en ventil, er nesten lufttett og kjapt kan fylles med luft, vil et luftputekammer kunne ta svært lang tid å fylle, det har ingen ventil og er sjeldent lufttett fra naturens side.

For en kraftverkseier kan de sistnevnte forholdene bety svært store kostnader og betydelig usikkerhet. Derfor vil vi foreslå tre designforbedringer for uforede luftputekammer:

1. Etablere en plugg med luke mellom luftputekammer og vannveg (ref. fotballens ventil)

2. Tette bergmassen rundt kammeret ved injeksjon slik at lufta ikke unnslipper

3. Utforme kammeret slik at bergspenningene bidrar til å holde på lufta

Der tiltak 2 og 3 kan sørge for reduserte luftlekkasjer, og redusert risiko ved nybygging av luftputekamre, kan tiltak 1 også kunne gi betydelig reduserte kostnader ved installasjon i eksisterende luftputekamre.

En plugg mellom luftputekammeret og trykktunnelen gjør det mulig å stenge av luftputekammeret ved behov slik at man kan holde luftputen trykksatt selv ved tømt vannveg (se figuren). Dette grepet gir flere gunstige effekter og vil drastisk redusere nedetiden ved tapping og fylling av vannvegen.

Luftputekammer 2

Det er naturlig å spørre seg om en slik avstengning er teknisk mulig, og om det i det hele tatt kan lønne seg?

Det korte svaret er ja, og ja.

Det kan vi kan begrunne med utgangspunkt i en case fra Kvilldal kraftverk som har verdens største luftputekammer.

Ved Kvilldal kraftverk tar luftfylling 5-7 uker, noe som representerer et relativt stort tapspotensiale. Det gjelder spesielt hvis man må tappe systemet på kort varsel. Ved Kvilldal er det gjort en forenklet kostnadsberegning for å kvantifisere den ekstra kostnaden som er direkte tilknyttet luftputen ved en nedtapping av vannvegen. Den viser at ekstrakostnaden som en enkelt tømme- og fylleprosedyre ved Kvilldal kraftverk blir på rundt 10 millioner kroner. Da er det naturlig å tenke at man ikke tømmer vannvegen uten å ha en svært god grunn.

En nåverdiberegning for investering av lukkemekanisme ved Kvilldal kraftverk viser marginal lønnsomhet. Vår beregning inkluderer imidlertid ikke uforventede akutte behov for nedtappinger, og andre positive effekter fra installasjon av lukkemekanisme, som bedrede reguleringsegenskaper som følge av strupning. I sum mener vi derfor at det er økonomisk mulig å argumentere for installasjon av en slik lukkemekanisme i Kvilldal kraftverk.

Selv om konseptet foreløpig ikke er utprøvd, mener vi at det er teknisk gjennomførbart. En av hovedutfordringene, og kanskje den største nyvinningen i det foreslåtte konseptet, er lukkemekanismen som pluggen må utstyres med. Vi har diskutert vår løsning med sentrale aktører i bransjen, og de deler vår vurdering av at dette kan la seg gjøre.

Vi ser for oss at avstengningen må styres ved å utstyre pluggen med en sidehengslet sirkulær stålport som manøvreres ved hjelp av et hydraulisk stempel, som skissert i planskissene under.

Tømt vanneveg.jpg

Hydraulikksystemet bør utføres som rustfri vannservo, og må være svært robust. Arbeidstrykket i stempelet trenger ikke være høyt siden det kun skal opereres med utlignet vanntrykk. Likevel må stempelet ha kapasitet stor nok til å overvinne rustne hengsler. I midten av porten må det være et mannlokk med tappeventil for manuell tapping av luftputa.

Siden betongpluggen ikke vil være i direkte kontakt med trykkluften kan den utformes med utgangspunkt i tradisjonelle dimensjoneringskriterier tilpasset luftputens dimensjonerende maksimaltrykk.

Uforede luftputekamre ble først utviklet i Norge og anses internasjonalt fremdeles som en norsk spesialitet. Vi ønsker med dette innlegget å bidra til at dette forblir en norsk spesialitet, noe som betinger at luftputekammer anses som et reelt alternativ til åpne svingeløsninger.

Vi håper derfor at de foreslåtte designforbedringer kan bidra til bedre økonomi og lavere prosjektrisiko ved bruk at luftputekammer slik at dette blir et reelt alternativ når ulike løsninger for svingearrangement vurderes.

Hele artikkelen om de foreslåtte designforbedringene kan lastes ned gratis på hjemmesidene til Fjellsprengningskonferansen, du finner den som artikkel nummer 10.

Tekst: Henki Ødegaard  og Kaspar Vereide

Les også: Hvordan man kan finne optimal plassering av konus

Innlegget er basert på en konferanseartikkel presentert på årets Fjellsprengningskonferanse i Oslo. Forfattere: M.Sc. Henki Ødegaard, stipendiat ved HydroCen, NTNU og Ph.D. Kaspar Vereide, førsteamanuensis II ved NTNU og prosjektutvikler ved Sira-Kvina kraftselskap

HydroCen er et Forskningssenter for Miljøvennlig Energi og skal levere kunnskap og innovative løsninger til norsk vannkraftsektor

0 kommentarer på “Tre forslag til designforbedringer i vannkraftverkets airbag

Legg inn en kommentar

Dette nettstedet bruker Akismet for å redusere spam. Lær om hvordan dine kommentar-data prosesseres.

%d bloggere liker dette: