Design and assessment of a relief valve to prevent overpressure in hydroelectric power plants

The so called “revamping” of a power plant is a very widespread practice today, especially in former industrialized states, which have many of those plants dating back many decades. The general aim is to make improvement of some aspects, as efficiency, safety, reliability, and usually it is done simultaneously with other operation (checks, overhauling, parts substitution) to minimize the downtime. The idea behind this thesis work is to replicate, as faithfully as possible, the main steps for a real design work of some components in a hydroelectric power plant. To do this, the official documentation of a medium-size plant in Tasmania is considered. In particular is performed the functional and mechanical design of a pressure relief valve for a Francis turbine, which is a crucial component to minimize penstock overpressure when a fast shutdown is required. It is widely discussed the issue of safety, that is the reason for which the replacement of the old pressure relief system is required. At first is defined the general layout of the new valve, then hydraulic actuators and oil accumulation system are sized according to constraints and technical requests. Mechanical assessments for some significative components are implemented, together with a CFD analysis to verify the water flow behaves as we expect. In the end a suitable hydraulic control scheme is proposed. Each step of the work is explained and justified in the clearest possible way, underling reasons for a given choice rather than another one.

Il cosiddetto “revamping” di una centrale è oggi una pratica molto comune, specialmente nei primi stati industrializzati in cui molti impianti sono vecchi di decenni. In generale lo scopo è quello di migliorare diversi aspetti, come efficienza, sicurezza, affidabilità, e solitamente ciò viene fatto in contemporanea ad altri interventi (controlli, revisioni, sostituzioni di componenti) per minimizzare l’inattività. L’idea di questo lavoro di tesi è quella di replicare, più fedelmente possibile, i principali passaggi necessari alla progettazione di alcuni componenti di un impianto idroelettrico. Per farlo viene considerata la documentazione ufficiale di una centrale di medie dimensioni in Tasmania. In particolare, viene eseguita la progettazione funzionale e meccanica di uno scarico sincrono per turbina Francis, un componente fondamentale per minimizzare il colpo d’ariete in condotta in caso di arresto rapido della macchina. Viene ampiamente discusso il tema della sicurezza, che è il motivo per il quale è richiesta la sostituzione del vecchio scarico. Inizialmente è definito il layout generale della nuova valvola, dopo di che vengono dimensionati gli attuatori idraulici e il sistema di accumulo olio, facendo riferimento ai vincoli e alle caratteristiche tecniche richieste. Sono poi eseguite le verifiche meccaniche su alcuni componenti più significativi, seguite da una analisi CFD per verificare che il comportamento del flusso d’acqua sia vicino a quello previsto. Infine, viene proposto uno schema idraulico di comando adeguato alle modifiche. Tutti i passaggi sono spiegati e giustificati nel modo più chiaro possibile, sottolineando di volta in volta le ragioni di una scelta piuttosto che di un’altra.