Performance prediction method for hydraulic power recovery turbines

Reverse pumps are standard pumps operated as hydraulic turbines reversing the fluid direction across them and using the motor as a generator1. Pump in Reverse can fulfil pressure reduction aim and contemporary recover part of the energy, which makes them an alternative for pressure reducing valve (PRV) within Water Distribution Network, representing an interesting economically viable solution to reduce the power consumption print of water management industry2. The exploitation of hydropower resources within water distribution network is hampered by two main problems: the high variability of flowrate and hydraulic head and the limited power dissipated in pressure reduction nodes. As a consequence, the profitability of a micro-hydro power station is granted only by plant sizes between 3 and 20 kW 3. Due to the reduced initial investment compared with true turbines, Pumps as Turbines are one kind of reverse pumps which have been widely studied for water distribution network application. But there is another more profitable field of use suitable for reverse pump application. Hydraulic Power Recovery Turbines (HPRT) are standard centrifugal pumps functioning as turbines, differing from Pumps As Turbines because they do not require any motor or generator. The recovered energy is used to feed the pump they are directly coupled with, allowing them to be used in industrial fluid processes where the pressure of the flow must be increased and decreased due to process requirements. The profitability of this solution is to exploit a mass-produced item, widely available and whose prime costs are optimized and parametrized levelling on an extremely developed manufacturing sector as for pumping industry.4 Therefore, reverse pump present low return period of investment even if exploited within small hydro power capacity. Contemporary, the main drawback of this technology is still the reduced knowledge about pump turbine mode conversion and its effects on machine performance. Still a universally valid method for turbine mode performance prediction must be developed although many scholars and researchers have addressed the profitability of this solution 5 developing different models to forecast reverse pump performances, each of which presents its own applicability and validity. In this thesis a new empirical model will be presented which derives the turbine mode performance curves from the standard pump mode behaviour. This model has been elaborated analysing 25 Flowserve machine turbine and pump test, comparing their hydraulic characteristics and developing a mathematical relationship between the best efficiency points of the two modes, eventually obtaining the characteristic curve of the HPRT.

Le classiche pompe centrifughe possono essere utilizzate come turbine idrauliche invertendo la direzione del flusso al loro interno e utilizzando il motore come un generatore. Questa tecnologia permette la depressurizzazione di un fluido e un conseguente recupero energetico, il che le rende un’interessante alternativa per le valvole di riduzione della pressione nelle reti di acquedotto. In passato, le pompe usate come turbine sono state studiate per tale ambito applicativo, ma vi è un altro settore in cui tale tecnologia risulta profittevole. All’interno di processi industriali in cui viene utilizzato un fluido che, per esigenze di trattamento, debba essere pressurizzato e conseguentemente depressurizzato, si hanno notevoli valori di portate e pressioni e contemporaneamente condizioni operative costanti. Tali condizioni rendono tale settore molto più profittevole rispetto alle classiche installazioni in reti acquedottistiche, soggette alla variabilità delle grandezze in gioco definita dalle necessità dell’utenza. In quest’ottica vengono utilizzate le Hydraulic Power Recovery Turbines, ovvero delle pompe centrifughe utilizzate al contrario come turbine che non dispongono di un proprio motore, ma sfruttano quelle di una pompa cui sono direttamente accoppiate, utilizzando la potenza recuperata per alimentare la pompa. Il maggiore vantaggio di questa tecnologia consiste nella possibilità di ottenere un dispositivo di recupero energetico da un macchinario prodotto in serie in ambito industriale, e disponibile anche in aree remote con brevi tempi di recapito. D’altro canto non esiste ancora un metodo generalmente applicabile per prevedere, partendo dal comportamento come pompa, quello che la macchina mostrerà una volta invertita. Esistono diversi metodi, ognuno dei quali presenta ristretta validità, e l’approssimazione da essi fornita comporta una certa distanza fra il comportamento previsto e quello di test. Analizzando le HPRT prodotte da Flowserve Worthington Srl è stato sviluppato un metodo empirico che possa sostituire quello attualmente utilizzato in azienda che possa incrementare l’accuratezza di previsione del comportamento turbina a partire da quello standard in modalità pompa.