VDI 4620-2016 Hydroelectric installations - Technology and design.pdf

1、ICS 27.140 VDI-RICHTLINIEN Dezember 2016 December 2016 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Wasserkraftanlagen Technik und Planung Hydroelectric installations Technology and design VDI 4620 Ausg. deutsch/englisch Issue German/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version

2、of this standard shall be taken as authori-tative. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt (GEU) Fachbereich Energiewandlung und -anwendung VDI-Handbuch Energietechnik Vervielfltigungauchfrinnerbetriebliche Zwecke nicht gestattet /Reprod

3、uctionevenforinternalusenot permittedFrhere Ausgabe:VDI4620Blatt2:2014-11Entwurf, deutschZu beziehen durch /Available atBeuth Verlag GmbH,10772 BerlinAlle Rechte vorbehalten /Allrightsreserved Verein DeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2016Formeredition:VDI4620Part2:2014-11 Draft,in German onlyInhalt S

4、eite Contents Page Vorbemerkung . 2 1 Anwendungsbereich . 2 2 Normative Verweise 3 3 Begriffe 3 4 Technik 3 4.1 Anlagentypen . 3 4.2 Technische Komponenten im Krafthaus 4 5 Planung, Ausschreibung, Bauoberleitung und Abnahme 31 6 Rechtsgrundlagen und Zulassungen 35 6.1 Einfhrung und berblick . 35 6.2

5、 Wasserrechtliche Gestattung 36 6.3 Planfeststellungsbeschluss . 38 6.4 Plangenehmigung . 40 6.5 Umweltvertrglichkeitsprfung . 41 6.6 Bestandsschutz . 42 7 konomische Aspekte . 42 7.1 Finanzaufwand . 42 7.2 Erlse . 43 7.3 Wirtschaftlichkeitsberechnung . 45 8 Umweltwirkungen . 46 8.1 Wasserkraft und

6、Klimaschutz 46 8.2 kologische Wirkungen der Wasserkraftnutzung . 47 8.3 Manahmen zur Minderung oder Kompensation der Umweltwirkungen . 52 Schrifttum 59 Preliminary note . 2 1 Scope . 2 2 Normative references . 3 3 Terms and definitions 3 4 Technology . 3 4.1 Types of installation 3 4.2 Technical com

7、ponents of the powerhouse 4 5 Planning, tendering, site management, and inspection 31 6 Legal fundamentals and approvals . 35 6.1 Introduction and overview . 35 6.2 Water law permits 36 6.3 Planning permission. 38 6.4 Planning approval 40 6.5 Environmental impact assessment . 41 6.6 Safeguarding of

8、the status quo . 42 7 Economic aspects 42 7.1 Capital expenditure 42 7.2 Income . 43 7.3 Cost-effectiveness calculation . 45 8 Environmental effects 46 8.1 Hydroelectric power and climate protection . 46 8.2 Ecological effects of the utilization of hydro power . 47 8.3 Measures to reduce or compensa

9、te for environmental impacts . 52 Bibliography 59 B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FB2DEE1C29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2017-04 2 VDI 4620 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016 Vorbemerkung Der Inhalt dies

10、er Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser Richtlinie is

11、t unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Li-zenzbedingungen (www.vdi.de/richtlinien), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Preliminary note The content of this standard has been

12、developed in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the standard VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use

13、 of this standard without infringement of copyright is permitted subject to the licensing con-ditions (www.vdi.de/richtlinien) specified in the VDI Notices. We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this standard. 1 Anwendungsbereich Diese Richtlinie wendet sich an Planer, Anl

14、agen-bauer, Betreiber, zustndige Behrden sowie Dritte im Einwirkungsbereich von Wasserkraftanlagen. Es wird der Anlagenbegriff im Sinne von 3 (5) BImSchG zugrunde gelegt. Diese Richtlinie fasst erstmals Aspekte der Pla-nung, der Errichtung, des Betriebs und der ber-wachung von Wasserkraftanlagen zus

15、ammen. Sie beschreibt im Allgemeinen den Stand der Technik, gibt Hinweise auf weiterfhrende Normen und Richtlinien und kann als Leitfaden fr Genehmi-gung und Vollzug zugrunde gelegt werden. Der Fokus liegt dabei auf Regelungen in der Bundesre-publik Deutschland; die bertragbarkeit auf andere Lnder i

16、st im Einzelfall zu prfen. Bei Planung, Zulassung, Errichtung, Betrieb und Umbau von Wasserkraftanlagen sind interdiszipli-nre, ausgewogene Anstze zielfhrend. Eine ein-seitige Ausrichtung wird der Komplexitt der Ma-terie nicht gerecht. Deshalb wird im Rahmen der rechtlichen Vorgaben empfohlen, minde

17、stens die folgenden Bereiche gleichberechtigt zu verknp-fen: Technik Wirtschaftlichkeit Umwelt- und Naturvertrglichkeit Sozialvertrglichkeit Bei gleichberechtigter Verknpfung der vorgenann-ten Bereiche lassen sich die positiven Aspekte der Wasserkraftnutzung herausarbeiten. Diese sind u. a.: nahezu

18、CO2-freie Stromerzeugung Hochwasserschutz 1 Scope This standard is addressed to design engineers and planners, plant construction companies, operators, the responsible authorities, and third parties within the area affected by hydroelectric installations. The term “installation” is used here as defi

19、ned in Art. 3 (5) of the German Federal Pollution Control Act (BImSchG). This standard for the first time brings together and concisely covers aspects of planning and engineer-ing, construction, operation and supervision of hydroelectric installations. It describes the state of the art in general, p

20、rovides references to further applicable standards, directives, and guidelines, and can be used as a basic guideline for approval and implementation. The focus is on regulations in the Federal Republic of Germany, and its applica-bility to other countries is to be examined in each individual case. I

21、n the design and planning, construction, operation, and conversion of hydroelectric installations, multi-disciplinary, balanced approaches are the most productive. One-sided orientation is unlikely to do justice to the complexity of the issues. It is there-fore recommended, within the framework of t

22、he stipulations of law, to link at least the following areas with equal priority: technology cost-effectiveness environmental impact and compatibility with nature social compatibility Treating the above areas with equal priority allows the beneficial effects of using hydroelectric power to be identi

23、fied. These include the following: almost CO2-free power generation protection from flooding B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FB2DEE1C29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2017-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016 V

24、DI 4620 3 Kulturlandschaftsschutz Versorgungssicherheit (Speicher) Mglichkeit der Abfallentsorgung aus dem Schwemmgut Stabilisierung von Grundwasserstnden Kombinationsfhigkeit mit Mehrzwecknutzun-gen wie Schiffbarmachung, Hochwasserschutz oder Erholung protection of the cultural landscape security o

25、f supply (storage) opportunities for waste disposal from the drift-ing material stabilization of groundwater levels The installations can be combined with multi-purpose uses such as establishing navigable wa-terways, flood protection, or recreation. 2 Normative Verweise Die folgenden zitierten Dokum

26、ente sind fr die Anwendung dieser Richtlinie erforderlich: DIN 4048-1:1987-01 Wasserbau; Begriffe; Stau-anlagen DIN 4048-2:1994-07 Wasserbau; Begriffe; Teil 2: Wasserkraftanlagen DIN 4049 Hydrologie VGB-S-002-02:2014-06 Wasserkraft 2 Normative references The following referenced documents are indisp

27、en-sable for the application of this standard: DIN 4048-1:1987-01 Water engineering; Terms; Dam plants DIN 4048-2:1994-07 Water engineering; Terms; Part 2: Waterpower plants DIN 4049 Hydrology VGB-S-002-02:2014-06 Wasserkraft 3 Begriffe Fr die Anwendung dieser Richtlinie gelten die Begriffe nach DIN

28、 4048-1, DIN 4048-2, DIN 4049 und VGB-S-002-02. 3 Terms and definitions For the purposes of this standard, the terms and definitions as per DIN 4048-1, DIN 4048-2, DIN 4049 and VGB-S-002-02 apply. 4 Technik 4.1 Anlagentypen Wasserkraftanlagen knnen nach technischen Merkmalen wie folgt untergliedert

29、werden: Laufwasserkraftwerke Laufwasserkraftwerke verwerten den jeweils anfallenden nutzbaren Abfluss eines Flusses im Wesentlichen unverzgert. Durch eine Stau- und Kraftwerksanlage wird ein Stauraum im Oberlauf (Stauhaltung) geschaffen. Laufwas-serkraftwerke lassen sich je nach Anordnung im Flusssy

30、stem in Ausleitungskraftwerke und Flusskraftwerke untergliedern. Speicherkraftwerke Als Speicherkraftwerke werden Wasserkraft-werke bezeichnet, die die potenzielle Energie gespeicherten Wassers in elektrische Energie umwandeln. Das Wasser wird dazu in einem oder mehreren Stauseen gespeichert und una

31、b-hngig vom zeitlichen Verlauf des natrlichen Zuflusses abgearbeitet. Pumpspeicherkraftwerke Hierbei handelt es sich um Speicherkraftwerke, deren Speicher (Oberbecken) teilweise oder ausschlielich durch gepumptes Wasser gefllt werden. Fr die Bereitstellung und Abarbeitung 4 Technology 4.1 Types of i

32、nstallation Hydroelectric installations can be subdivided as fol-lows on the basis of their technical characteristics: run-of-river power plants Run-of-river power plants make use of the flow of a river as it occurs, essentially without delay. Storage of the headwater (pondage) can be es-tablished w

33、ith a dam and power generation sys-tem. Run-of-river power plants can be sub-divided into plants with diversion channels for water supply, and those located directly on the river. storage power plants Hydroelectric power plants which convert the potential energy of stored water into electrical energ

34、y are termed storage power plants. The water is stored in one or more reservoirs, and used independently of the timing of the natural inflow. pumped storage power plants These are storage power plants whose storage basins (upper reservoirs) are filled partly or ex-clusively with pumped water. A lowe

35、r reservoir is as a rule required for the provision and dis-B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FB2DEE1C29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2017-04 4 VDI 4620 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016 des Pumpwassers is

36、t in der Regel ein Unterbe-cken erforderlich. Dieses Unterbecken kann auch die Stauhaltung oder der Speicher einer anderen Wasserkraftanlage sein. Gezeitenkraftwerke Gezeitenkraftwerke nutzen die Lageenergie des wechselnden Wasserspiegels des Meeres. Das nutzbare hydraulische Potenzial resultiert da

37、bei aus dem Gezeitenwechsel im kstennahen Be-reich (Tidenhub) oder aus den Meeresstrmun-gen. Wellenkraftwerke Wellenkraftwerke nutzen die Energie der Mee-reswellen zur Gewinnung elektrischen Stroms. Im Unterschied zu Gezeitenkraftwerken wird nicht der Tidenhub ausgenutzt, sondern die kon-tinuierlich

38、e Wellenbewegung. Wellenkraftwerke befinden sich noch im Entwicklungsstadium. Strmungskraftwerke Strmungskraftwerke nutzen hnlich Wind-kraftanlagen die freie Strmung im Meer oder in Fliegewssern zur Stromerzeugung. Str-mungskraftwerke befinden sich noch im Ent-wicklungsstadium. charge of the pumped

39、water. This lower reser-voir can also be the pondage or reservoir of an-other hydroelectric installation. tidal power plants Tidal power plants use the position energy of the changing water level in the sea. The usable hydraulic potential results from the ebb and flow of the tides in coastal areas (

40、tidal range) or from the currents in the sea. wave power plants Wave power plants use the energy of the waves in the sea to generate electric current. In con-trast to tidal power plants, not the tidal range, but rather the continuous wave motion is ex-ploited. Wave power plants are still at the de-v

41、elopment stage. underwater stream generators Similarly to wind turbines, underwater stream generators use the free currents in the sea or in flowing waters to generate electricity. Stream generator plants are still at the development stage. 4.2 Technische Komponenten im KrafthausIm Krafthaus findet

42、die mechanische Umwandlung der hydraulischen (potenziellen und kinetischen) Energie in Elektrizitt statt. Die Komponenten eines Krafthauses lassen sich in die Bereiche Bautechnik, Maschinentechnik, Elektrotechnik, Mess-, Steuer- und Regeltechnik sowie Hilfs- und Nebenaggregate einordnen. Nachfolgend

43、 werden die wesentlichen Anlagenteile erlutert. 4.2 Technical components of the powerhouse The mechanical conversion of the hydraulic (po-tential and kinetic) energy into electricity takes place in the powerhouse. The components of a powerhouse can be assigned to the following areas: structures mech

44、anical systems electrical systems instrumentation and control systems auxiliary and ancillary equipment The most important parts of the installation are discussed below. 4.2.1 Bautechnik Die bautechnischen Komponenten bestehen zu-meist aus Einlaufbereich, Maschineneinlauf, Kraft-haus mit Maschinen-

45、und Generatorschacht, Saug-rohr und Auslauf. Zu beachten sind DIN 19702, DIN 19704, DIN 19700-11 und -13 sowie VGB-S-034. 4.2.1 Structures The civil engineering components predominantly consist of the intake, penstock, powerhouse with turbine and generator, draft tube, and tailrace. Attention is dra

46、wn to DIN 19702, DIN 19704, DIN 19700-11 and -13, and VGB-S-034. 4.2.1.1 Einlaufbereich Wasserkraftanlagen knnen mit einem Ausgleich-becken vor dem Krafthaus ausgerstet sein. Dieses hat die Aufgabe, das im Oberwasserkanal herange-fhrte Wasser mit geeignetem bergang zur Was-4.2.1.1 Intake Hydroelectr

47、ic installations can be equipped with a forebay upstream from the powerhouse. This has the function of providing a suitable transition to guide the water arriving in the headrace to the hy-B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FB2DEE1C29BEST BeuthStandards

48、Collection - Stand 2017-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016 VDI 4620 5 serkraftmaschine zu leiten und zugleich den Trieb-wasserzufluss sowie die Ableitung von ber-schusswasser zu regeln. Der Einlaufbereich kann je nach Ausfhrung aus folgenden Komponenten bestehen:

49、Einlaufbecken zur Vergleichmigung der Strmung Verschlussorgane, Druckrohrleitungen, Wasser-schlsser (analog Auslaufbereich) Entlastungsbauwerk (gegebenenfalls mit Tosbecken) zur Abfhrung von berschssigem Wasser Fischschutz- und/oder -abstiegsanlage (nur fr Laufwasserkraftwerke) Grob- und/oder Feinrechen mit Rechenreini-gung zum Rckhalt von Schwemmgut Absperrorgan zu Revisionszwecken Splkana