Talsperren

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BlueM.Sim theory

Table of Contents

• Einleitung
• Modellierungstechnische Grundlagen
  • Begriffsdefinitionen
  • Programmstruktur und Datenhaltung
  • Bildung der Zuflussbelastung
  • Berechnungsreihenfolge
  • Simulation types
  • Time series management
• Hydrological Basics
  • Rural Catchments
    • Soil moisture calculation
    • SCS-Method
  • Urban Catchments
  • Individual discharges
  • Transport elements
  • Consumers
  • Branching points
  • Talsperren
    • Betriebsregelkonzept
    • Grundlegende Typen von Betriebsregeln
    • Grundsätze zur Beschreibung von Betriebsregeln
    • Umsetzung der Gesetzmäßigkeiten für die Simulation
    • Anwendung an einem Beispiel
  • Storm-water overflows
  • Regenüberlaufbecken
• Systemübergreifende hydrologische Methoden
  • Speicherbaustein
  • Systemzustände
    • Steuern und Regeln

Das Talsperrenmodul erhält seine Steuerungsanweisungen über funktionale Zusammenhänge, die zwischen den verschiedenen Nutzungen und dem Speicherinhalt und beliebigen anderen Systemzuständen definiert werden. Im Falle von Verbundsteuerungen oder korrespondierenden Kontrollquerschnitten existieren zusätzliche Steuerungsanweisungen, welche die Abgaben beeinflussen.

Die Berechnung von Speichern ist im Kapitel 2.3 detailliert erklärt.

Betriebsregelkonzept

Zum bestmöglichen wasserwirtschaftlichen Betrieb von Speichersystemen sind Handlungsanweisungen erforderlich, die eindeutig festlegen wie bei gegebenen Systembelastungen und -zuständen Wasser gespeichert, abgegeben oder verteilt werden soll. Die Summe dieser Anweisungen wird in einem Betriebsplan zusammengefasst. Ein Betriebsplan kann sich aus vielen Einzelvorschriften zusammensetzen, z.B. die Einhaltung einer Abgabe in Abhängigkeit des Speicherinhalts. Eine Einzelvorschrift kann wiederum als Betriebsregel bezeichnet werden.

Da die Formulierung einer Betriebsregel immer mit einem korrigierenden Eingriff in das natürliche Abflussverhalten in Verbindung steht, muss zu ihrer Ausführung die Möglichkeit zur Durchflussänderung gegeben sein. Dazu sind nur wenige wasserwirtschaftliche Elemente geeignet. Normalerweise werden diese Speicher mit regulierbaren Auslässen sein. Ansonsten stehen variable Aufteilungsbauwerke oder veränderliche Wehre zur Verfügung.

Der Zweck aller Betriebsregeln liegt in der Anpassung wasserwirtschaftlicher Systemzustände zur Einhaltung vorgegebener Zielvorstellungen. Dabei ist es unerheblich an welchem Ort die zu regelnden Systemzustände und Zielgrößen auftreten, solange über eine Änderung an den Systemzuständen die Zielgrößen beeinflusst werden können.

Speicher mit Wasserkraftanlagen

Wasserkraftanlagen treten in Verbindung mit Speichern auf. Soll ein Laufwasserkraftwerk abgebildet werden, ist der zugehörende Gewässerabschnitt als Speicher zu definieren.

In Abhängigkeit der Priorität von Wasserkraft gegenüber anderen Nutzungen gibt es verschiedene Konzepte zur Simulation von Turbinen. An den Talsperren der deutschen Mittelgebirgslagen tritt die Gewinnung von Wasserkraft in den meisten Fällen als Nebenprodukt auf. Dort nutzt man die Fallhöhe aus, um neben primären anderen Nutzungen einen weiteren Vorteil aus dem Bau einer Talsperre zu ziehen. Dort wird man versucht sein, immer genau dann Turbinen in Betrieb zu nehmen, wenn ausreichend Wasser zur Verfügung steht, ohne dabei konkurrierende Nutzungen zu beeinträchtigen.

Wasserkraft als Nebenprodukt

Hier bietet sich eine Näherungsberechnung an, welche die Turbinenabgabe in Abhängigkeit des aktuellen Wasserstandes, unter Beachtung von Schluckfähigkeit und Wirkungsgrad, definiert. Als Vereinfachung wird ein konstanter Unterwasserstand angenommen. Die notwendigen Berechnungsschritte sind im Folgenden gegeben:

1. Vorgabe mehrerer Stützstellen entlang des Speicherinhaltes
2. Iterative Berechnung der Turbinenabgabe für alle Stützstellen unter Annahme eines konstanten Unterwasserstandes
3. Vorgabe eines Grenzinhaltes, ab dem die Turbinenabgabe zugunsten anderer Nutzungen auf Null reduziert wird
4. Abgabenfunktion der Speichernutzung 'Wasserkraft' zuweisen
5. Simulation

Die Bestimmung der Abgabenfunktion für die Turbine ist somit als Vorleistung zu erbringen.

Beispiel:

Abbildung 48: Iterative Berechnung der Turbinenabgabe

Es sei eine Turbine mit ihrem Wirkungsgrad gegeben. Bei Vorgabe einer erwünschten Leistung muss der Turbinendurchfluss iterativ berechnet werden, da Fallhöhe, Wirkungsgrad und Verlusthöhe vom Durchfluss abhängen. Wird der Wasserspiegel im Unterwasser als konstant angenommen, kann für beliebige Wasserstände im Speicher ein leistungsabhängiger Durchfluss berechnet werden. Die Annahme eines konstanten Unterwasserstandes erscheint im Hinblick auf Talsperren mit hohen und stark schwankenden Oberwasserständen aber wenig unterschiedlichen Unterwasserständen als Näherungslösung gerechtfertigt.

Die gegenüber den Hauptnutzungen zurückgesetzte Priorität kommt durch das Zurücknehmen der Funktion auf Null zum Ausdruck. Ergebnis der Vorberechnung der Turbinenleistung ist eine eindeutige Funktion entlang des Speicherinhaltes.

Durch Verschieben des Punktes 'S1' nach rechts wird die Turbinenabgabe früher auf Null reduziert. Damit bleiben für andere Nutzungen mehr Reserven frei. Grundsätzlich ist bei der Aufstellung der Funktion auf den Wirkungsgradbereich zu achten und gegebenenfalls die Funktion entlang des Speicherinhaltes einzuschränken.

Abbildung 49: Beispiel einer speicherinhaltsabhängigen Turbinenabgabe bei konstantem Unterwasserstand

Wasserkraft als Hauptprodukt

Ist die Produktion von Wasserkraft Hauptziel des Talsperrenbetriebs, so steht die maximale Leistungsabgabe einer Turbine im Vordergrund. Für eine genauere Betrachtung sollte auch der Unterwasserstand korrekt einbezogen werden. Die Berechnungsreihenfolge ändert sich:

1. Ermittlung/Festlegung der Kenngrößen der Turbine. Dazu gehören die Leistung, maximale Schluckfähigkeit, durchflussabhängiger Wirkungsgrad und die Angabe durchflussabhängiger Verlusthöhen.
   Während der Simulation folgen die nächsten Berechnungsschritte:
2. letzten Unterwasserstand abgreifen
3. Iterative Berechnung des Turbinendurchflusses Q_Turbine mit einem geschätzten Wasserstand im Speicher
4. Für den betroffenen Speicher erfolgt eine Inhalts- und Abgabenberechnung nach Kapitel 2.3 unter Berücksichtigung aller am Speicher wirkenden Nutzungen, wobei Q_Turbine konstant gehalten wird
5. Vergleich der neuen und alten mittleren Wasserstände im Zeitintervall
6. Ist das WSP-Abbruchkriterium nicht erreicht, neuen mittleren Wasserstand im Speicher schätzen und ab 3. die Berechnung wiederholen

Auf diese Art erreicht die Turbine immer die erwünschte Leistung, solange die maximal mögliche Durchflussmenge des Auslasses nicht überschritten wird.

Bei der Wasserkrafterzeugung als Hauptprodukt ergibt sich nun ein in Abhängigkeit des Ober- und Unterwasserstandes veränderlicher Turbinendurchfluss. Der wesentliche Unterschied zur Wasserkraftnutzung als Nebenprodukt liegt im variablen Unterwasserstand, der einmal höhere oder niedrigere Nettofallhöhen verursacht und dadurch die optimale Abgabe der Turbine beeinflusst.

Ist beabsichtigt, nur für bestimmte Speicherinhalte eine Turbine auf optimaler Leistung zu fahren, kann die Turbine durch eine zusätzliche speicherinhaltsabhängige Abgabenfunktion oder eine Systemzustandsfunktion gemäß dem Faktorkonzept aus Kapitel 2 beeinflusst werden. Diese wird zwischen 0 bis maximaler Speicherinhalt und für die y-Achse einheitenlos zwischen 0 und 1 definiert. Der Turbinendurchfluss dient als Faktor.