Published December 17, 2021 | Version v1
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Effect of start and stop cycles on hydropower plants: modeling the deterioration of the equipment to evaluate the cycling cost

Description

The objective of this research is to model the degradation of hydroelectric equipment in order to estimate the cost of starts and stops. After the deregulation of the energy market, hydroelectric power plants are now operating with up to 6-7 cycles per day, which can be considered as three times what they were designed for. This mode of operation can be very damaging to the equipment of hydro plants. Until now, very few methods have been proposed to estimate the additional cost of this mode of operation, they are mainly based on economic or technico-economic analyses, without looking at the cause of the degradation, which makes them auditable. Thus, the work of this thesis focuses on the design of a methodology that relies on auditable methods to estimate the cost of starts and stops. These methods are representative (by material) and reproducible (can be applied by different operators) based on explicit assumptions and validated by EDF experts. In a first step, a study has been carried out by collecting experts' opinions and analyzing historical data in order to determine which components of the power plant are the most impacted by start and stops and which types of degradation they generate. We then proposed three different degradation estimation methods, each adapted to a particular type of equipment, based on the main degradation mechanisms or phenomena and on the available data. The first method proposes an estimation of the damage of turbine runners subjected to polycyclic fatigue using in situ deformation measurements. The damage estimated during start and stop sequences is compared to the damage estimated during stabilized operation sequences, thus providing a cost in equivalent hours of stabilized operation. On each sequence of recordings, a Rainflow analysis is used to extract the numbers and magnitudes of recorded stress cycles, which are then converted to damage using a Woehler curve and accumulated using the Palmgren-Miner rule to obtain the damage rate. The second method aims at estimating the reduction of the generator life. First, we compare the estimated lifetimes on two populations of power plants, one including cycled and one not cycled, in order to confirm the negative effect of cycling on the lifetimes of the plants. We then quantify this loss in lifetime using an accelerated aging model expressing an acceleration factor as a function of temperature cycling characteristics, and we determine the characteristics of the temperature cycles generated by the start-stops from measurements recorded using the EDF online monitoring tool. Finally, a third method estimates the additional cost of starts and stops by taking into account the degradation of equipment such as the shut-off valve and the circuit breaker, based on feedback, databases and expert judgement. (author)

Abstract (French)

L'objectif de ces travaux de recherche est de modeliser la degradation du materiel hydroelectrique afin d'estimer le cout des demarrages et d'arrets. Apres la deregulation du marche d'energie, les centrales hydroelectriques fonctionnent aujourd'hui avec jusqu'a 6-7 cycles par jour, ce qui peut etre considere comme le triple de ce pour quoi elles ont ete concues. Ce mode de fonctionnement peut etre tres dommageable pour les materiels des centrales hydrauliques. Jusqu'a present, tres peu de methodes ont ete proposees pour estimer le cout supplementaire de ce mode d'operation, elles se fondent principalement sur des analyses economiques ou technico-economiques, sans s'interesser a la cause de la degradation, ce qui les rend peu auditables. Ainsi, le travail de cette these porte sur la conception d'une methodologie qui se base sur des methodes auditables afin d'estimer le cout de demarrage et d'arret. Ces methodes representatives (par materiel) et reproductibles (pouvant etre appliques par differents operateurs) reposent sur des hypotheses explicites et valides par les experts d'EDF. Dans un premier temps, une etude a ete menee a partir de recueil d'avis d'experts et de l'analyse d'historiques de donnees afin de determiner quels sont les composants d'une centrale les plus impactes par les arrets demarrage et quels types de degradation ils engendrent. Nous avons ensuite propose trois methodes d'estimation de la degradation differentes, chacune adaptee a un type de materiel en particulier, a partir de mecanismes ou phenomenes principaux de deterioration et en fonction des donnees disponibles. La premiere methode propose une estimation des endommagements des roues de turbines soumises a de la fatigue polycyclique en utilisant des mesures de deformation in situ. Les dommages estimes pendant des sequences de demarrage et d'arret sont compares a ceux estimes pendant des sequences de fonctionnement stabilise, ce qui permet de fournir un cout en equivalent heures de fonctionnement stabilise. Sur chaque sequence d'enregistrements, une analyse Rainflow est utilisee pour extraire les nombres et les amplitudes des cycles de contraintes enregistrees, qui sont ensuite convertis en dommages elementaires a l'aide d'une courbe de Woehler et cumule a l'aide de la regle de Palmgren-Miner, pour obtenir le taux d'endommagement. La deuxieme methode vise a estimer la reduction de la duree de vie des alternateurs. Dans un premier temps, nous comparons les durees de vie estimees sur deux populations de centrales, l'une comprenant des centrales cyclees et l'autre non cyclees, afin de confirmer l'effet negatif du cyclage sur la duree de vie des centrales. Nous quantifions ensuite cette perte en duree de vie a l'aide d'un modele de vieillissement accelere exprimant un facteur d'acceleration en fonction de caracteristiques de cycles en temperature et nous determinons les caracteristiques des cycles de temperature generes par les demarrages-arrets a partir de mesures enregistrees a l'aide de l'outil de surveillance en ligne d'EDF. Enfin, une troisieme methode estime le surcout des demarrages et des arrets en tenant compte de la degradation des materiels tels que la vanne de pied et le disjoncteur, a partir de retour d'experience, les bases de donnees et l'avis d'experts. (auteur)

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Original title (French)
Effet des cycles de demarrages et d'arrets sur les centrales hydrauliques: modelisation de la deterioration des materiels pour l'evaluation des couts de cyclage

Publishing Information

Imprint Pagination
155 p.
Report number
FRNC-TH--14145

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Notes
185 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses