Simulation of Hydrodynamic Processes for the Overtopping Protection System at Hydropower Plants

I detta projekt har det kontrollerande avbördningsskyddet för vattenkraftverk, förkortat KAS, studerats närmare. KAS finns installerat vid många större vattenkraftverk och har till uppgift att automatiskt aktivera öppning av dammluckorna ifall vattennivån skulle stiga över dämningsgräns och både den ordinarie nivåregleringen och manuell reglering skulle utebli. På så sätt kan överströmning av dammen med eventuellt dammbrott som följd förhindras. Eftersom KAS är det yttersta skyddet ställs extra höga krav på tillförlitlighet. Därför behöver de elektiska och mekaniska komponenter som ingår i systemet vara robusta, väl beprövade och ha en lång livslängd. Dessutom ska systemet vara utformat på ett sådant sätt att även om ett fel skulle uppstå ska inte det leda till att hela systemet förlorar sin funktion. Minst lika viktigt som konstruktionen är att de parametrar som styr skyddssystemets funktion är rätt inställda. Det kan bland annat handla om vilken vattennivå som KAS ska aktiveras eller stängas för och om olika luckor ska ha olika aktiveringsnivåer. Vanligtvis beror dessa parametrar på varandra. Eftersom systemet är helt automatiskt måste man vid inställningen av parametrarna ta hänsyn till alla de driftsituationer och felhändelser som kan tänkas inträffa. Detta är särskilt utmanande för system av dammar som ligger geografiskt nära varandra. Det korta avståndet leder till att dammarnas magasinstorlek är liten vilket innebär att stignings- och sänkningsförlopp kan bli väldigt snabba. Det innebär dessutom att om dammluckorna öppnas vid en damm så kommer också åtgärder vid de intilliggande dammarna behöva göras inom kort tid och därför kan kommunikation mellan dammarnas KAS-system vara nödvändig. Fjärrkommunikation riskerar däremot samtidigt att minska funktionssäkerheten och bör därför så långt som möjligt undvikas. Tre dammar som ligger nära varandra är Porjus, Harsprånget och Ligga i Stora Luleälven. I detta projekt har en numerisk modell för att simulera hydrodynamiska förlopp för den aktuella älvsträckan utvecklats i beräkningsprogrammet MIKE 11. Särskild vikt har lagts på att korrekt beskriva flödet genom dammluckor och hantera de numeriska instabiliteter som uppstår vid bland annat simulering av snabba flödesförändringar och uttorkad älvfåra. Med hjälp av simuleringar och beräkningar har en metodik kunnat utvecklas för hur inställningar för KAS kan väljas för system av intilliggande dammar. Metoden bygger på att varje lucka tilldelas en individuell aktiverings- och stängningsnivå. Avståndet mellan aktiveringsnivåer anpassas till vattenytans stigningshastighet för olika flöden och tiden det tar att öppna luckan. Resultaten visar att om inställningarna för de enskilda dammarna väljs rätt kan ett gynnsamt förlopp erhållas för de flesta fallen. Vissa kombinationer av flöden och felhändelser riskerar däremot att leda till stora svallningar och att dämningsgräns överskrids markant inom kort tid efter felhändelsen. Om dessa följder ska undvikas med hjälp av automatik behöver tillrinning uppströms stoppas och magasin nedströms förtappas genom kommunikation mellan dammarnas KAS-system. Simuleringar är ett lämpligt verktyg för att studera de förlopp som kan uppstå vid magasinhantering och för att finna en lämplig reglerstrategi. De exakta värdena för de parametrar som beräknats däremot bör ej tillämpas innan dess att modellens noggrannhet validerats ytterligare.This Master thesis project concerns the dam overtopping protection system for hydropower plants, abbreviated DOPS. The system is installed at many major hydroelectric power plants and is designed to automatically initiate opening of the spillways if the water level would rise above the retention level and in the absence of both regular automatic control and manual control. In this way, overtopping of the dam with possible dam failure as a result can be prevented. A numerical model for simulating hydrodynamic processes for Porjus, Harsprånget and Ligga in Stora Luleälven has been developed in the computational software MIKE11. Particular emphasis has been on accurately describing the flow through spillways and handling the numerical instabilities that arise from rapidly varying flow and driedout flood beds. Through simulations and calculations, where a large number of scenarios have been tested, a methodology has been developed for setting parameters of the DOPS. This is non-trivial since the dams are geographically close to each other and have limited storage capacity. The method for setting parameters is based on the principle that each spillway is assigned with an individual activation and closing level. The vertical distance between activation levels is adjusted to the water surface rising velocity for different flow regimes and the time it takes for the gate to open. The results show that if the settings for the individual dams are chosen correctly, apropitious progress is achieved for most cases. Some combinations of flow and error events could however lead to large billows and that the retention level is exceeded significantly within a short time after the initial error event. If these consequences are to be avoided using an automatic system, upstream discharge needs to be stopped and the spillways of the dam downstream need to be opened in advance through communication between the DOPS of the dams