Direct simulation of surge tank stability

This thesis deals with the issue of surge tank stability in hydropower plants, investigating methods used to design the surge tank area required to guarantee stability. Currently, Thoma equation (1910) is widely accepted as the standard approach for surge tank dimensioning. However, this approach has proven excessively conservative, often leading to over-dimensioned surge tanks. Recent developments in computational power enable us to consider alternative methods, with the direct simulation, consisting in the numerical simulation of the entire hydropower plant, as one of the most promising. This study draws a comparison between Thoma equation approach and the direct simulation. A 1D numerical model of Roskrepp power plant (Vest-Agder County, Norway) is developed and calibrated in the LVtrans freeware. Transients originating from different scenarios are analysed. Simulation results show that the direct simulation method proves superior, with a more accurate dimensioning of the surge tank. However, Thoma equation, albeit less accurate, still proves relevant for the early stages of design, when limited design data are available.

Questa tesi tratta l’argomento della stabilità del pozzo piezometrico negli impianti idroelettrici, con l’intento di analizzare alcuni metodi per selezionare l’area di un pozzo piezometrico necessaria per garantire la stabilità. Attualmente, l’equazione di Thoma (1910) è il metodo standard nel dimensionamento dei pozzi piezometrici. Tuttavia, esso si è dimostrato eccessivamente conservativo, portando al sovradimensionamento. L’aumento di potenza di calcolo degli ultimi anni permette di valutare metodi alternativi, fra cui la simulazione diretta, che consiste nella simulazione numerica dell’intero impianto, rappresenta uno dei più promettenti. Questo studio presenta un confronto fra l’equazione di Thoma e la simulazione diretta. Un modello numerico monodimensionale dell’impianto di Roskrepp (Contea di Vest-Agder, Norvegia) è stato costruito e calibrato utilizzando il freeware LVtrans. I transitori generati in diversi scenari sono stati analizzati. Dai risultati delle simulazioni emerge che la simulazione diretta è un metodo migliore, che permette un dimensionamento più accurato del pozzo piezometrico. Tuttavia, il metodo di Thoma, nonostante la minore accuratezza, è ancora rilevante per le prime fasi della progettazione, quando i dati disponibili sono limitati.