Но за последние несколько лет все больше и больше этих турбин ломались. Проблема особенно остро стоит в турбинах высокого давления, которые работают на высоте 200-300 метров.
«По крайней мере, пять основных гидроэлектростанций в Норвегии имели проблемы с турбинами за последние несколько лет, в том числе Свартисен», – говорит профессор Оле Гуннар Дальхауг из Департамента энергетики и технологического проектирования Норвежского университета науки и технологий. «Свартисену пришлось остановить производство на шесть месяцев, и энергетическая компания потеряла огромные деньги."
«Мы думаем, что знаем причину проблемы, но не можем произвести расчеты, которые позволили бы нам лучше ее понять», – говорит Дальхауг. "Это связано с резонансом и взаимодействием давления воды и стали в лопатках турбины."
Объясняется просто: изменяющееся течение воды, например, возникающее, когда производство начинается и останавливается в больших количествах, приведет к колеблющемуся давлению на стальные лопатки турбины. Если частота этого колебания приближается к основной частоте материала, это вызывает резонанс, который может ослабить сталь.
По сути, это то же самое, что апокрифическое хрустальное стекло, разбивающееся, когда оперный певец бьет нужную ноту.
Дальхауг ранее возглавлял Норвежский центр гидроэнергетики (NKVS), который является результатом сотрудничества нескольких университетов, исследовательских институтов, предприятий гидроэнергетики и правительства Норвегии.
Новый режим власти
Производство гидроэлектроэнергии можно включать и выключать в короткие сроки, и, следовательно, ее можно адаптировать к изменениям рыночных цен и потребностей в электроэнергии.
Такая гибкость означает, что это хороший вариант в сочетании с новыми устойчивыми источниками энергии, такими как энергия ветра и солнца. Норвежские гидроэлектростанции могут работать как своего рода «зеленая» батарея, обеспечивая достаточную мощность в пасмурные или тихие дни.
Но оказывается, что турбины Фрэнсиса не справляются с таким гибким графиком работы.
Проблема, похоже, возникла в результате нового режима производства электроэнергии, введенного в 1990-е годы.
Производство электроэнергии больше не контролировалось работой сетевых систем, а, скорее, рынком электроэнергии. Отдельные энергетические компании могли выбирать, когда они запускают свои турбины, в основном это решалось путем изменения цен и спроса на рынке электроэнергии.
«Турбины, установленные в 1960-х и 1970-х годах, были разработаны для более или менее постоянной работы при постоянном давлении. Теперь их можно запускать и останавливать до десяти раз в день.
Турбины не могут справиться с этим. В некоторых случаях сама сталь в лезвиях треснула », – говорит Дальхауг.
У новых турбин тоже были проблемы – турбина в Дриве вышла из строя всего через десять дней.
На электростанции Свартисен вышла из строя новая турбина.
Чтобы решить эту проблему, исследователи, энергетические компании и производители турбин объединились для сотрудничества.
Конкурирующие компании обмениваются данными и сравнивают их в нескольких различных исследовательских проектах, и все они работают для достижения одной и той же цели.
«Это первый раз, когда я знаю, что вся отрасль объединилась в одну команду над чем-то, что действительно является фундаментальным исследованием», – говорит Дальхауг. "Но это техническая проблема, общая для всех. Знания – это не то, о чем мы хотим соревноваться – это не то, что кто-то хочет упустить."
Самая важная задача – создать инструмент моделирования, чтобы увидеть, что происходит внутри турбины в различных условиях. Или просто найти метод расчета того, что турбины могут выдержать при разной степени деформации.
Как хрустальное стекло разбивается
«Мы думаем, что знаем причину проблем, но не можем ее вычислить», – говорит Дальхауг.
Это связано с резонансом и взаимодействием между давлением проточной воды и стали в лопатках турбины.
Объясняется просто: изменяющийся поток воды, например, возникающий при частом запуске и остановке производства, будет оказывать колебательное давление на стальные лопатки турбины. Если частота этого колебания приближается к основной частоте материала, это вызывает резонанс, который может ослабить сталь. По сути, это то же самое, что разбиться хрустальное стекло, когда оперный певец бьет нужную ноту.
К сожалению, найти основную частоту стали не так просто, как вы думаете. Такие факторы, как погружение в воду и вращение, могут вызвать его изменение.
"Есть много переменных, которые мы здесь не можем контролировать и которые пока не можем вычислить. Выполнение моделирования условий, которые так сильно меняются, требует огромных вычислительных мощностей », – объясняет Дальхауг.
Сложно рассчитать
Statkraft имеет много турбин Фрэнсиса высокого давления. По словам Kjell-Tore Fj, первый случай серьезного повреждения турбин произошел в 1978 году в крафтверке Leirdola?Рволд, руководитель отдела механических технологий Statkraft.
"С тех пор на Statkraft, а также на других энергетических компаниях Норвегии и Европы произошел ряд подобных инцидентов с аналогичными турбинами.
В последнее время у нас также были проблемы с некоторыми турбинами Фрэнсиса высокого давления. Проблема заключается в том, что поставщики не могут рассчитать соответствующие величины деформации и напряжения из-за изменяющихся потоков воды во время строительства турбин. Это означает, что мы, как покупатели, не можем быть уверены, что у приобретаемых нами деталей возникнут проблемы при их использовании ", – сказал Ф?Рволд объясняет.
Необходимость фундаментальных исследований
Проект Фрэнсис 99 стартовал в прошлом году. Различные группы сравнивают методы расчета и данные, основанные на общей эталонной модели. Первый саммит проекта был проведен в прошлом году с участием представителей 16 университетов, а также всех основных поставщиков турбин в этом секторе.
За этим проектом вскоре последует новый четырехлетний исследовательский проект High Head Francis.
Он инициируется Statkraft через NVKS, но будет управляться NTNU. Это также сотрудничество с энергетическими компаниями и поставщиками турбин, объясняет Дальхауг.
«Обычно предприятия заинтересованы в более практических исследованиях. Но в этом случае отрасль участвует в фундаментальных исследованиях.
У Statkraft есть представитель, который работает 200-300 часов в год, и другие предприятия вносят свой вклад с помощью исследователей в области технологий », – говорит он.
Третий шаг – проект ЕС, который будет запущен в следующем году, при условии, что он будет профинансирован.
«Гидроэнергетика играет ключевую роль в обеспечении энергией, наряду с другими устойчивыми источниками энергии.
Но сначала нам нужно понять, что происходит, и уметь рассчитать требования к безопасным, упругим турбинам », – заключает Дальхауг.