Parametric study of water column separation in Francis pump-turbine draft tube

Etude paramétrique de la rupture de colonne d’eau dans le diffuseur d’une pompe-turbine Francis

¹ Power Vision Engineering sàrl, Ch. des Champs-Courbes 1, CH-1024 Ecublens, Switzerland
e-mail : christophe.nicolet@powervision-eng.ch, sebastien.alligne@powervision-eng.ch
² Litostroj Power d.o.o., Litostrojska 50, 1000 Ljubljana, Slovenia
e-mail : anton.bergant@litostrojpower.eu
³ Laboratory for Hydraulic Machines, EPFL, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Av. de Cour 33 bis, CH-1007 Lausanne, Switzerland
e-mail : francois.avellan@epfl.ch

Abstract

The paper presents the modelling, simulation and analysis of the transient behaviour of a 340 MW pump-turbine in case of emergency shutdown in generation mode with particular attention to the possible draft tube water column separation. First, the model of a pumped storage power plant with simplified layout is setup with the EPFL software SIMSEN. This model includes a penstock feeding one 340 MW pump-turbine with the related rotating inertia and a tailrace tunnel. The model of the tailrace tunnel allows for water column separation simulation. Thus, the related SIMSEN model is introduced and validations are briefly presented. Then, the influence of the tailrace tunnel length and diameter on the minimum pressure in the draft tube is investigated through a parametric study first without water column separation model. Finally, the simulation results of the transient behaviour of the pump-turbine with downstream water column separation are presented for different degree of severity triggered by the submergence and the tailrace tunnel dimensions taken as parameters.

Résumé

Ce papier présente la modélisation, la simulation et l’analyse des régimes transitoires induits par une pompe-turbine de 340 MW dans le cas d’un arrêt d’urgence en mode turbine avec une attention particulière portée au risque de rupture de colonne liquide pouvant survenir dans le diffuseur de la turbine. Tout d’abord, l’aménagement présentant une configuration simplifiée est modélisé au moyen du logiciel SIMSEN développé par l’EPFL. Ce modèle prend en compte la conduite forcée, une pompe-turbine de 340 MW avec les inerties en rotation, et la galerie de fuite, dont le modèle permet de modéliser la rupture de colonne liquide. Le modèle de rupture de colonne liquide implémenté en SIMSEN et sa validation sont brièvement présentés. Ensuite, l’influence de la longueur et du diamètre de la galerie de fuite sur les valeurs minimales de pression obtenues en cas d’arrêt d’urgence en mode turbine est étudiée au travers d’une analyse paramétrique sans le modèle de rupture de colonne liquide. Finalement, les résultats de simulation d’arrêt d’urgence en mode turbine induisant une rupture de colonne liquide dont l’apparition est induite par la réduction de l’enfoncement et la modification des dimensions de la galerie de fuite sont présentés.