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Maximierung der Lebensdauer und Effizienz von Turbinen: Wie Global Hydro und SDT mit CONMONSense die akustische Echtzeitüberwachung für Wasserkraftwerke ermöglicht haben

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Sedimenterosion und Kavitation sind zwei der zerstörerischsten Kräfte, denen Wasserkraftwerke weltweit ausgesetzt sind.

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Branche: Wasserkraft und erneuerbare Energien
Anwendung: Wasserturbinen (Francis und Pelton)
Standort: Wasserkraftwerk Tumpen-Habichen, Tirol, Österreich
Lösung: CONMONSense AE-Sensoren von SDT Ultrasound, die die Softwarelösungen SediSense (Sediment) und CaviDect (Kavitation) von Global Hydro innerhalb der Hydrox-IoT-Plattform unterstützen

Zusammenfassung
Sedimenterosion und Kavitation sind zwei der zerstörerischsten Kräfte, denen Wasserkraftwerke weltweit ausgesetzt sind. Bis vor kurzem verließen sich Anlagenbetreiber auf stromaufwärts angeordnete Trübungssensoren oder statische Betriebsbeschränkungen, ohne direkten Echtzeit-Einblick in die tatsächlichen physikalischen Schäden im Inneren der Turbine zu haben.

Durch die Kombination der hochpräzisen, strukturgeführten Akustischen Emissions-Sensortechnologie (AE) von SDT mit der Hydrox-IoT-Edge-and-Cloud-Architektur von Global Hydro gelang es Global Hydro, eine einheitliche Echtzeit-Überwachungslösung zu demonstrieren. Diese gemeinsame Innovation wurde an drei Francis-Turbinen im 15-MW-Kraftwerk Tumpen-Habichen in Österreich implementiert und ermöglichte es, die Aufprallenergie von Sedimenten zu isolieren, Schwellenwerte für den Beginn der Kavitation zu ermitteln und deckte auf, dass aktive Kavitation die Turbine T3 dazu zwang, mit einer um 6 % größeren Leitschaufelöffnung zu laufen, als zur Erzielung derselben Leistung erforderlich war – ein vorübergehender Verlust an hydraulischem Wirkungsgrad, der mit der Kavitation selbst zusammenhing und unabhängig von dem laufenden Verschleiß durch Sedimenterosion im Kraftwerk war, der diesen zuvor überdeckt hatte.

Ausgestattet mit diesen Echtzeit-Erkenntnissen stellten die Betreiber von reaktiver Instandhaltung auf vorausschauenden Anlagenschutz um und reduzierten die Leistung dynamisch, um aktive Kavitation zu beseitigen und gleichzeitig

Die Herausforderung: Eine doppelte Bedrohung für Turbinenanlagen
Wasserkraftwerke, die in alpinen und von Gletschern gespeisten Einzugsgebieten betrieben werden, sind durch sedimentbeladenes Wasser starken betrieblichen Belastungen ausgesetzt. Harter Quarz und feiner Sand umgehen die stromaufwärts gelegenen Entsandungsanlagen und verursachen hydroabrasiven Verschleiß an Laufrädern, Leitschaufeln und Saugrohren.

Verschärft wird dieses Problem durch Kavitation, das Implodieren von Dampfblasen, das Mikrostrahlen und Oberflächenkorrosion verursacht. Sedimentpartikel senken die Druckschwelle für Kavitation, während durch Kavitation aufgeraute Oberflächen die abrasive Erosion beschleunigen.

Die Betreiber am Demonstrationsstandort standen vor drei wesentlichen Hürden:

Unzuverlässige Indikatoren
Vorgelagerte Trübungssensoren messen die Lichtstreuung im Wasser, nicht jedoch die tatsächliche kinetische Wucht oder das Schadenspotenzial von grobem Sediment, das die Turbine erreicht.
Versteckte Wirkungsgradverluste
Ohne interne Echtzeitüberwachung führten die Betreiber den gesamten Verschleiß der Komponenten ausschließlich auf Sedimente zurück, ohne zu wissen, dass auch aktive Kavitation vorlag, die sowohl im Laufe der Zeit die hydraulischen Oberflächen unbemerkt erodierte als auch in jedem Moment, in dem die Turbine in einem kavitierenden Betriebsbereich lief, den hydraulischen Wirkungsgrad beeinträchtigte.
Konservativer vs. risikoreicher Betrieb
Herkömmliche Kavitationsprävention stützt sich auf statische, auf den schlimmsten Fall ausgelegte Betriebsgrenzen, die entweder die Energieerzeugung aus sauberem Wasser beeinträchtigen oder bei unerwarteten Durchflussänderungen versagen.
Die Lösung: Sensortechnologie trifft auf fortschrittliches IoT
Um diese Grenzen zu überwinden, integrierte Global Hydro die CONMONSense AE-Sensoren von SDT als sensorische Grundlage für „SediSense“, seine KI-gestützte Sedimentüberwachungslösung, die direkt an den äußeren hydraulischen Oberflächen der Turbinen (Spiralgehäuse, Leitschaufeln und Saugrohrkonus) angebracht wurde. Dieselben Sensoren erfassen sowohl Sedimentabtrag als auch Kavitation; je nach Kundenanforderungen können SediSense (Sedimentüberwachung) und CaviDect (Kavitationsüberwachung) aktiviert werden.

Wichtige technische Merkmale:

Hochfrequente Ultraschallsensorik (20–100 kHz): Die piezoelektrischen Sensoren von SDT erfassen die durch Partikelaufpralle und Mikroimplosionen erzeugte Hochfrequenzenergie und filtern dabei niederfrequente (<20 kHz) Hintergrundgeräusche der Maschinen heraus.
Heterodynverfahren auf Sensorebene: Das interne Heterodynverfahren von SDT wandelt Ultraschallsignale in den hörbaren Frequenzbereich um. Dadurch kann Standard-Beckhoff-SPS-Hardware Daten effizient erfassen, ohne dass teure Erfassungssysteme mit extrem hoher Bandbreite erforderlich sind.
Statistische Signalkomponentenanalyse: Ein Expectation-Maximization (EM)-Mischmodell trennt das Signal in zwei unterschiedliche Indikatoren auf:
Rayleigh-Rauschkomponente: Misst das kontinuierliche Hintergrundrauschen durch Partikelaufprall (Sedimenterosionsindikator).
Weibull-Impulskomponente: Erfasst scharfe, energiereiche transiente Spitzen (Kavitationsindikator).
Baseline-Kompensation durch maschinelles Lernen: Ein Gradient-Boosting-ML-Modell (trainiert auf der Cloud-Plattform von Global Hydro) prognostiziert das betriebliche Hydraulikrauschen auf Basis von Telemetriedaten (Leistung, Wasserstand, Druck, Schieberöffnung). Durch Abzug dieser Basislinie wird die reine Sedimentaktivität in Echtzeit isoliert.
Ergebnisse und betriebliche Auswirkungen
Die Feldvalidierung an drei Francis-Turbinen führte zu überzeugenden betrieblichen Durchbrüchen:

1. Aufdeckung versteckter Kavitation und ihrer Echtzeit-Effizienzverluste
Bei Turbine T3 zeigte die akustische Überwachung scharfe Impulsspitzen, wenn die Leitschaufelöffnung 85 % überschritt. Im Betrieb innerhalb dieses Kavitationsbereichs benötigte die Turbine im Vergleich zu kavitationsfreien Bedingungen eine um 6 % größere Leitschaufelöffnung, um genau dieselbe Leistungsabgabe zu erreichen. Das AE-System lokalisierte sowohl die genaue Schwelle für den Beginn als auch den unmittelbaren Verlust an hydraulischem Wirkungsgrad durch aktive Kavitation – ein Echtzeit-Betriebseffekt, der sich von einem längerfristigen Wirkungsgradverlust unterscheidet, den Sedimente oder Kavitationserosion durch akkumulierten Verschleiß letztendlich verursachen könnten, und der deutlich früher messbar ist.

2. Vorausschauende Leistungsreduzierung und Risikobeseitigung
Dank der Echtzeit-Transparenz durch die SDT-Sensoren begrenzten die Betreiber die maximale Leitschaufelöffnung der Turbine T3 dynamisch und reduzierten die Spitzenleistung von 3.200 kW auf 3.000 kW. Im Laufe monatelanger kontinuierlicher Überwachung nach der Maßnahme verschwanden die Kavitationsimpulsspitzen, und die impulsive Leistungskomponente nach Weibull brach ein, während das Rayleigh-Hintergrundsignal (Sediment) stabil blieb. Dies bestätigte, dass die Leistungsreduzierung die Kavitationsaktivität beseitigte, ohne das anhaltende Sedimentsignal zu beeinträchtigen. Die Gesamtproduktion des Kraftwerks blieb unbeeinträchtigt, da benachbarte Turbinen die Last ausgleichen konnten. Der Vorteil ist zweifach: Die Betreiber konnten den durch aktive Kavitation verlorenen hydraulischen Wirkungsgrad sofort wiederherstellen und gleichzeitig die Kavitationsaktivität beseitigen, die andernfalls zur langfristigen Erosion der hydraulischen Oberflächen der Turbine beigetragen hätte.

3. Echte Sichtbarkeit lokaler Erosion
Während der Spülvorgänge im Oberbecken sank die AE-Rauschleistung sofort, da Sedimente vom Turbinenanlauf weggeleitet wurden. Im Gegensatz dazu blieben herkömmliche Trübungssensoren am Einlauf künstlich erhöht. Die strukturgetragene Sensorik von SDT bewies, dass sie den tatsächlichen Partikelschaden misst, der das Laufrad erreicht, und nicht die allgemeine Wasserqualität stromaufwärts. Dies ist die Kernkompetenz von SediSense: die Messung der tatsächlichen Sedimentbelastung an der Turbine und nicht eines Indikators für die Wasserqualität stromaufwärts.

Zusammenfassung der wichtigsten Vorteile
Herausforderung Herkömmlicher Ansatz Lösung „CONMONSense“ von Global Hydro × SDT
Sedimentüberwachung (SediSense) Turbiditätssensoren stromaufwärts (Indikator auf Basis von Lichtstreuung). Direkte Quantifizierung der Aufprallenergie auf interne hydraulische Komponenten.
Kavitationserkennung (CaviDect) Statische Betriebsgrenzen auf der Grundlage konservativer Annahmen. Echtzeit-Schwellenwertidentifizierung durch hochfrequente Transientenanalyse.
Dateneffizienz Hohe Bandbreite und kostspielige spezialisierte Erfassungshardware. Integrierte Heterodyn-Technik, die die Datenerfassung mit standardmäßiger SPS-Hardware ermöglicht.
Anlagenstrategie Reaktive Instandhaltung erst nach Auftreten erheblichen Verschleißes. Vorausschauender Anlagenschutz und dynamische, zustandsabhängige Regelung.
Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass die Technologie auf zwei Zeitebenen einen Mehrwert bietet: sofortige Leistungsoptimierung durch Erkennung und Vermeidung kavitativer Betriebsbedingungen, die den hydraulischen Wirkungsgrad verringern und die für eine bestimmte Leistungsabgabe erforderliche Leitschaufelöffnung vergrößern, sowie langfristiger Anlagenschutz durch Minderung von Sediment- und Kavitationserosion, die Turbinenkomponenten allmählich verschleißen. Betreiber müssen nicht mehr auf eine messbare Verschleißreduzierung warten, um einen Nutzen zu erkennen, da die Effizienzgewinne durch die Vermeidung von Kavitation vom ersten Tag an sichtbar sind.

Diese praxiserprobte Anwendung unterstreicht die starken Synergien zwischen SDTs CONMONSense als führendem Anbieter von Sensortechnik und Global Hydro als innovativem OEM und Anbieter digitaler Lösungen. Gemeinsam bieten sie Wasserkraftbetreibern ein skalierbares Werkzeug, um die Lebensdauer von Turbinen zu verlängern, den Wirkungsgrad zu optimieren und weltweit kritische Infrastruktur für grüne Energie zu schützen.