Verktøy for levetidsberegning av Francis løpehjul

Norske vannkraftverk designet er i stor grad bygd med tanke på en mest mulig jevn energiproduksjon med et begrenset antall start/stopp. Som følge at et deregulert og internasjonalt marked for kraft så er kjøremønsteret de senere årene i stor grad blitt styrt av markedsprisen på kraft noe som har medført at mange kraftverk har fått langt flere start/stopp og hyppigere og større lastendringer enn tidligere. Videre, et økt innslag av ikke-regulerbar kraft som vind og småkraft er også med på å påvirke driften. Det endrede driftsmønsteret øker belastningen på komponentene og dermed også levetiden til turbinene. Gjennomsnittsarderen til norske vannkraftanlegg nærmer seg 45 år, og mange anlegg viser i dag tegn på utmatting av kritiske komponenter og trenger konstant vedlikehold og oppgraderinger. Et hovedmål i dette prosjektet er å utvikle et verktøy som kan estimere sannsynligheten for driftsavbrudd som funksjon av historisk og planlagt fremtidig kjøremønster. Faren for driftsavbrudd er her hovedsakelig relatert til utmattingssprekker i løpehjulet. I løpehjul er utmatting i all hovedsak knyttet til sveisene siden disse alltid vil inneholde små feil og defekter som vil vokse over tid og kan føre til utmattingsbrudd. Rainpower har laget et program, kalt Rainpower Lifetime, som estimerer forventet levetid til løpehjul. Dette programmet kombinerer data fra spenningsmålinger i løpehjulet, operasjonsdata og materialdata for å gi et best mulig estimat på forventet levetid. Dette verktøyet vil hjelpe Rainpower til bedre å sikre strukturell integritet til løpehjulene og kraftverkseierne til å optimalisere deres produksjon og vedlikeholdsplaner. Nøyaktigheten til levetidsanalysene er helt avhengig av gode materialdata. Siden det finnes svært lite utmattingsdata tilgjengelig for sveiste konstruksjoner med en material og sveisekvalitet tilsvarende det en har i Francis løpehjul, så startet Rainpower i 2017 et prosjekt for å gjøre utmattingstester, dvs. fremskaffe såkalte SN-kurver som gir antall cykler (N) til brudd som funksjon av spenningsvidden (S) til belastningen. Utfordringen med slike tester er at Francis løpehjul er utsatt for såkalt høy cykel utmatting, dvs. milliarder av spenningscykler før sprekken når en slik lengde at brudd inntreffer. Det betyr at hver test tar svært lang tid og videre, det kreves mange tester med forskjellige spenningsamplituder for å få SN-kurver med tilstrekkelig nøyaktighet. Dette arbeidet, i samarbeid med NTNU og Sintef ble avsluttet i 2018. Videre har Rainpower gjort spenningsmålinger på prototype løpehjul i luft, i vann og montert på aksel og nedsenket i vann for å definere innvirkningen på egenfrekvensen under påvirkning av ulike ytre forhold. Prosjektet har også omfattet målinger av spenninger under drift på ulike prototyper under alle driftsforhold for å kunne samholde med numeriske beregninger. I prosjektet er det også utviklet en model turbin som er instrumentert for spenningsmålinger - og egenfrevensene er målt under ulike driftsforhold. Prosjektet har vært meget viktig for Rainpowers even til å måle og beregne dynamiske spenninger - og metodikk som er viktig for leveranser av høytrykks Francis turbiner

1. Utvikle en beregningsverktøy som nøyaktig kan prediktere dynamisk spenningsvariasjon under kontinuerlig og temporær drift for høytrykks francis løpehjul (HHF). Vi har gjort store fremskritt i prosjektet, og kan i dag prediktere dynamisk spenningsvariasjon. Vi har fått flere gode prototype målinger å kalibrere regneverktøyet vårt mot, og har også justert beregningsmetoden og analysen. 2. Utvikle en beregningsverktøy som regner ut sannsynlighet for driftsavbrudd som funksjon av tid og kjøremønster på et høytrykks francis løphjul. Dette er utført og foreligger i form av Softwaren Rainpower Lifetime som beskrevet. Se sluttrapport for utfyllende informasjon

Dagens høyttrykks Francisturbiner har utfordringer med strukturell pålitelighet. De fleste turbinene i Norge er bygget for 30-50 år siden og nærmer seg slutten på teknisk levetid. Dette skaper risiko for nedetid og uplanlagt driftstans ved kraftverkene. Utfordringene forsterkes av endret kjøremønster med mer start/stopp-kjøring for å kompensere for økt bruk av ny fornybar kraftgenerering i nettet. For å bedre design mot utmatting på nye leveranser, og optimalisere drift og vedlikehold av installerte turbiner, er det nødvendig å utvikle verktøy for nøyaktig estimering av belastning og teknisk levetid på løpehjul, som er den mest kritiske komponenten i turbinene. Dette vertøyet vil bli brukt i designprosessen av nye løpehjul, og for å estimere gjenværende levetid som en funksjon av historisk og fremtidig kjøremønster. Vertøyet vil således hjelpe leverandøren av utstyret til forbedret design, og kraftverks-operatøren til bedre produksjonsplanlegging. Dette FoU-prosjket vil bli kjørt med personell fra Rainpower siden mye av arbeidet er relatert til vår designkomepetanse og er dermed kritisk mht vår konkurranseevne. Det vil være et samarbeid med norske kraftverkseiere om målinger av av utvalgte prototyper - Statkraft ved måling av Svartisen A1 og BKK ved måling av Steinsland. Vi ser for oss et samarbeid mot NTNU rundt modellforsøk og kartlegging av fysiske fenomener som lydforplantningshastighet, dempning, egenfrekvenser og probabilistiske metoder for estimering av levetiden. Prosjektet har en horisont på 3 år og en kostnadsramme på 12.0MNOK.