DE3048851A1

DE3048851A1 - Verfahren zum betreiben von pumpen

Info

Publication number: DE3048851A1
Application number: DE19803048851
Authority: DE
Inventors: Katsunori Yokohama Shirasu; Sachio Tsunoda
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-12-28
Filing date: 1980-12-23
Publication date: 1981-11-26
Also published as: JPS5696169A; US4406578A; DE3048851C2; CH654069A5

Description

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Tokyo Shibaura Uenki Kabushiki Kaisha, 72 Horikawa cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa-ken (Japan)

Verfahren zum Betreiben von Pumpen

Diese Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zum Betreiben von Pumpen, sie befaßt sich insbesondere aber mit e i nein ' Verfahren , durch welches die Pumpen in einem Pumpspeicher-Wasserkraftwert mit reversierbarer Einzeldrehzah1-Pumpenturbine und Hilfpumpe
(booster pump) abgeschaltet und zum Stillstand gebracht werden können.

Für das Be triebsverhalten und Arbeitsverhalten von Einzeldrehzahl-Pumpenturbinen der reversierbaren
Ausführung gilt ganz allgemeinen, daß im Hinblick
auf dem den höchsten Wirkungsgrad oder der höchsten Leistung zugeordneten Arbe i'tspunk t ein Unterschied beim Arbeitsverhalten als Pumpe und beim Arbeitsverhalten als Turbine gegeben ist.

So ist ganz besonders die Netto-Uruckhohe, dann,
wenn die Pumpenturbine als Turnbine mit maximaler
Leistung oder mit maxi mal en Wirkungsgrad arbeitet, größer als die gesamte Druckhöhe, die dann gegeben ist, wenn die Pumpe mit maximaler Leistung ouer mit maximalem Wirkungsgrad als Pumpe arbeitet. In einem wirklichen Pumpspeicher-Wasserkraftwerk ist demgegenüber jedoch die Ne tto-üruckhölie der Turbine
während des "lurb iiienbelriübüs kleiner als die gesamte Uruckhohe während des Pumpenbetriebes, und
zwar um den Betrag, der gleich dem Uruckhohenverlust des vom Wasser zwischen dem oberen Stuabecken und
dem unteren Staubecken zurückzulegenden Weges ist. Wird nun eine Pumpen turbine im Turbinenbetrieb mit einer Drehzahl oder mit einem Arbeitspunkt gefahren,

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der der höchsten Leistung oder dem höchsten Wirkungsgrad entspricht, dann wird bei Pumpenbetrieb mit einem niedrigeren Wirkungsgrad oder mit einer niedrigeren Leistung gearbeitet. Erst kürzlich ist eine neuartiges Pumpspeicher-Wasserkraftanlage vorgeschlagen worden, bei welcher eine Hilfspumpe (booster pump) zu einer reversierbaren Einezeldrehzahl-Pumpenturbine derart in Reihe angeordnet und geschaltet ist, daß dadurch der bei Pumpenbetrieb sonst niedrige Wirkungsgrad verbessert wird. Die Hilfspumpe (booster pump) wird dabei derart in Betrieb genommen und gefahren, daß sie einen Uruckhöhe oder einen Druck erzeugt, der über den von der Pumpenturbine erzeugten Druck hinauserforderlich ist, wenn die sonst niedrige Leistung oder der sonst niedrige Wirkungsgrad dann verbessert werden sollen, wenn die Pumpenturbine im Pumpenbetrieb arbeitet . Das bedeutet, daß die Hilfspumpe (booster pump) dann herangezogen wird, wenn ein Teil des für den Betrieb mit höchster Leistung oder höchstem Wirkungsgrad erforderlichen üruckhöho zusätzlich bereitzustellen ist, wenn die Pumpenturbine im Pumpenbetrieb gefahren werden soll. Um wirtschaftlich gerechtfertigt zu sein, müssen Pumpspeicher-Wasserkraftanlagen eben einen hohen Wirkungsgrad haben, so daß für die Entwicklung eines für das Betreiben einer reversierbaren Einzeldrehzahl-Pumpenturbine geeigneten Verfahrens ein recht großer Bedarf gegeben ist. Was jedoch das Betreiben und Fahren einer reversierbaren E i nze I drehz ah 1-Pumpen lurb i ne mit Hilfspumpe (booster pump) betrifft, so steht man immer wieder vor technischen Problemen. Dies gilt für die exakte Steuerung und Regelung, und das ganz besonders im Hinblick auf den Pumpenbetrieb, weil eben die Steuerung und Regelung des Pumpenbetriebes recht kompliziert ist-

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Die Erfindung stellt sich somit die nachstehend angeführte Aufgabe:-

Für das Betreiben und Fahren von Pumpen in einer Pumpspeicher-Wasserkraftan!age - diese Pumpspeicher-Wasserkraftanlage bestehend aus einer reversierbaren Einzeldrehzahl-Pumpenturbine und aus einer Hi.lfspumpe (booster pump) - ein Verfahren zu schaffen, mit dem während des Pumpenbetriebes die Pumpenturbine und die Hilfspumpe (booster pump) in Reihe und hintereinander so einfach und so weich wie nur möglich ohne komplizierte Steuerungs-und Regelungsmethoden abgeschaltet und zum Stillstand gebracht werden können.

Die Erfindung löst die ihr gestellte Aufgabe dadurch, daß sie zum Betreiben und Fahren einer Pumpspeicher-Wasserkraftanlage - diese Pumpspeicher-Wasserkraftan!age bestehend aus einer Pumpenturbine und aus einer Hilfspumpe (booster pump), und zwar aus einer Hilfspumpe (booster pump) die in eine Abzwei gungs Ie i tung ,■ we I ehe einem Teil des Wasserabflihrungstunneis zwischen Putnpenturbine und unterem Wasserha1tungsbecken parallel angeordnet ist - ein Verfahren vorsieht, zu dem die nachstehend angeführten Einzelschritte gehören:-

das Schließen eines ersten und der Auslaßseite der vorerwähnten Pumpenturbine zugeordneten Ventiles, nachdem der ö'f f nungsquerschrti tt dieses ersten Ventiles auf einen vorgegebenen Sollwert verringert worden ist;

das Abschalten , und zwar das gleichzeitige Abschalten

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der Stromversorgung von Pumpen.turbine und von HiIfs■ pumpe (booster pump) aus dem äußeren Elektronetzt, in welches die Pumpenturbine und die Hilfspumpe (booster pump) zuvor geschaltet worden sind;

schließlich auch noch das vollständige Schließen des vorerwähnten ersten Ventiles.

Gegenstand dieser Erfindung ist somit ein Verfahren zum Betreiben und Fahren einer aus einer Pumpenturbine und aus einer Hilfspumpe bestehenden Pumpspeicher-Wasserkraftanlage, bei der die Hilfspumpe (booster purnp)in einer Zweigleitung eingebaut ist, welche einem Teil des Wasserabführungstunnels zwischen der Pumpenturbine und dem unteren Wasserhaltungsbecken parallel angeordnet ist. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zu ihm die nachstehend angeführten Einzelschritte gehören:-

Das Einleiten des SChließens eines der Auslaßseite der Pumpenturbine zugeordneten ersten Ventiles;

das gleichzeitige Abschalten von Pumpenturbine und Hilfspumpe (booster pump) von der Stromversorgung aus dem äußeren Elektronetz , in das die Pumpenturbine und die Hilfspumpe (booster pump) zuvor geschaltet worden sind;

das vollständige Schließen des zuvor im Querschnitt verringerten ersten Ventiles., und zwar zuvor auf einen vorgegebenen Sollwert im Öffnungsquerschnitt verringerten ersten Ventiles.

Die Erfindung soll nachstehend nun anhand des in Zeichnung dargestellten Ausf lihrurigsbei Spieles (der in Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele) näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in:-

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Fig. 1 Eine schematische Darstellung einer Purapspeicher-Wasserkraftanlage, auf welche sich die Erfindung bezieht.

Fig. 2 Diagramme betreffend die Betriebs- und Steueⁿ rungssequenzen von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung.

Was die Zeichnung betrifft, so sind in den verschiedenen Darstellungen gleiche oder ähnliche Teile auch mit gleichen Hinweiszahlen gekannzeichnet. So zeigt Fig. 1 ganz besonders eine als Turbine und als Pumpe zu verwendende reversierbare Einzeldrehzahl-Pumpenturbine 1, mit der ein Motorgenerator 2 direkt gekoppelt ist. Dargestellt ist auch noch eine Rohrleitung 3, die in die Pumpenturbine 1 führt und mit einem oberen (und nicht dargestellten) Wasserhaltungsbecken verbunden ist. Wiedergegeben sind weiterhin auch noch: ein unteres Wasserhaltungsbecken 6; ein Ablaufwasserführungstunnel 5/ der eine Ablaufleitung 4 der Pumpenturbine 1 mit dem unteren Wasserhaltungsbecken 6 verbindet; eine Abzweigungsleitung 7, die zum Umgehung des Wasserablauftunnels 5 einem Teil dieses Wasserableitungsstollens 5 parallel zugeordnet ist; schließlich auch noch eine Hilfspumpe 9, die in der Abzweigungsleitung 7 angeordnet und montiert ist. An der Austrittsseite der Hilfspumpe (booster pump) 9 ist ein Ventil 10 in die Abzweigungsleitung 7 eingebaut, wohingegen ein Ventil 11 in den Teil des Wasserablauftunnels 5 eingebaut ist, der zur Abzweigungsleitung 7 parallel liegt. Ein Motor 8 ist derart angeordnet und eingebaut, daß er die Hilfspumpe (booster pump) 9 antreiben kann.

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Zur Vereinfachung der Zeichnung ist die Verbindung zwischen der Hilfspumpe (booster pump) 9 und der Antriebseinheit 8 weggelassen worden, d.h. nur die Hilfspumpe (booster pump) 9 ist skizzenhaft dargestellt. Zur Pumpenturbine 1 gehören auch noch (nicht dargestellte Führungsschaufeln, die als Ventil an der Auslaßseite der Pumpenturbine 1 wirksam werden.

Die Wasserkraftanlagen werden nun wie folgt betrieben, wobei in der Zeichnung die jeweils zutreffenden Betriebszustände des Einlaßventiles 10 und des Einlaßventiles 11 wie folgt dargestellt sind: -

Die Vollinie kennzeichnet jeweils für das Ventil 10 den Öffnungszustand, während für das Ventil 10 die getrichelte Linie den Schließzustand kennzeichnet. Demgegenüber steht für das Ventil 11 die Vollinie für den Schließzustand dieses Ventiles, während die gestrichelte Linie im Falle des Ventiles 11 für den Öffnungszustand steht.

Beim Turbinenbetrieb der Pumpenturbine 1 wird das Ventil 10 zunächst einmal in die mit gestrichelter Linie wiedergegebene Schließzustand gebracht, so daß die Zweigleitung 7 geschlossen und abgesperrt ist. Demgegenüber wird das Ventil 11 in die mit gestri-

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chelter Linie wiedergegebenen Öffnungszustand gebracht, was wiederum zur Folge hat, daß der Wasserabführungstunnel 5 mit dem unteren Wasserhaltebecken 6 verbunden ist und die die Pumpenturbine 1 als Turbine arbeitet. In Fig. 1 ist diese Position mit gestrichelten Linien dargestellt und wiedergegeben. In diesem Falle wird von einem (nicht dargestellten) oberen Wasserhaltungsbecken aus das Wasser derart geführt, daß es über die Rohrleitung 3 in die Pumpenturbine 1 hineinströmt, daß es die Pumpenturbine 1 antreibt und schließlich die Pumpenturbine 1 wieder verlassend in die Wasserabführungsleitung 4 fließt. Die Pumpenturbine 1 arbeitet dabei im Turbinenbetrieb und treibt den Motorgenerator 2 an, welcher dann elektrischen Strom erzeugt. Das der Wasserabführungsleitung 4 zuströmende Wasser wird über den Wasserablauftunnel 5 in das untere Wasserhaltungsbecken 6 geführt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Hilfspumpe (booster pump) 9 nicht eingeschaltet >und arbeitet nicht.

Soll andererseits die Pumpenturbine 1 im Pumpenbetrieb arbeiten, dann wird das Ventil in die mit Vollinie dargestellte Öffnungsposition gebracht/ was wiederum zur Folge hat, daß die Zweigleitung 7

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geöffnet wird, dann wird weiterhin auch das Ventil 11 in die mit Vollinie dargestellte Schließ-· position gebracht und dadurch der zur Zweigleitung parallel liegende Teil des Wasserablauftunnels 7 geschlossen. In diesem Falle steht das Wasserabführungsrohr 4 mit dem unteren Wasserhaltebecken 6 in Verbindung, und zwar über die den Auslaß der Zweigleitung 7 in der Mitte des Wasserabführungstunnels 5 und einem Teil des Wasserabführungstunnels 5 auf der Seite des unteren Wasserhaltungsbeckens 6. In Fig. 1 ist diese Position mit Vollinie dargestellt. In diesem Falle wird die Pumpenturbine 1 vom Motorgenerator 2 angetrieben, wohingegen die Hilfspumpe (booster pump) 9 angetrieben wird von der Antriebseinheit 8. Weil nun die Pumpenturbine 1 und die Hilfspumpe (booster pump) hydraulisch in Reihe oder hintereinander geschaltet sind, fließt das Wasser, welches auf der Seite des unteren Wasserhaltungsbeckons 6 von der Hilfspumpe (booster pump) 9 von diesem unteren Wasserhaltungsbecken 6 her in den Wasserabführungstunnel 5 gesaugt wird, in die Pumpenturbine 1 und zwar durch die Zweigleitung 7, durch den pumpenturbinenseitigen Teil des Wasserabführungstunnels 5 und durch das Wasserabführungsrohr Das Wasser wird dabei mit Druck beaufschlagt und nach oben über die Rohrleitung 3 in das obere Wasserhaltungsbecken gedrückt.

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Nachstehend soll nun in aller Ausführlichkeit ein bevorzugtes Verfahren, mit dem die Punipenturbine 1 und die Hilfspumpe (booster pump) 9 während des Pumpenbetriebes abgeschaltet und zum Stillstand gebracht werden können, beschrieben und erläutert werden.

Während des Pumpenbetriebes beinden sich das Ventil 10 und das Ventil 11 jeweils in der mit Fig. 1 wiedergebenen und mit voll ausgezogener Linie gekennzeichneten Position. Begonnen wird damit, daß das Schließen des (nicht dargestellten Ventiles) an der Auslaßseite der Pumpenturbine zunächst einmal eingeleitet wird. Ist der Durchlaßquerschnitt des Ventiles auf einen vorgegebenen kleineren Sollwert gebracht worden, dann werden sowohl die Pumpenturbine 1 als auch die Hilfspumpe (booster pump) 9 gleichzeitig dadurch vom Elektronetz abgeschaltet, daß die Stromversorgung unterbrochen wird. Dies hat wiederum zur Folge, daß die Drehbewegungen der Pumpenturbine 1 und der Hilfspumpe (booster.pump) 9 nach und nach auf einen kleinen Drehzahlwert abfallen. Nun wird das der Auslaßseite der Pumpenturbine 1 zugeordnete Ventil vollständig geschlossen, woraufhin dann sowohl die Pumpenturbine 1 als auch die Hilfspumpe (booster pump) 9 zum Stillstand gebracht werden Die Zeitsequenz dieses Vorganges ist in Fig. 2 dargestellt und wiedergegeben.

Die Erfindung soll nicht auf das beschriebene und erläuterte Ausflihrungsbeispiel beschränkt sein.

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so kann beispielsweise der Fall eintreten, daß die Pumpenturbine 1 dann, wenn während des Pumpenbetriebes die Pumpenturbine 1 und die Hilfspumpe (booster pump) 9 abgeschaltet und zum Stillstand gebracht worden sind, sofort wieder im Turbinenbetrieb arbeiten muß. In einem solchen Fall wird die Stromversorgung sowohl der Pumpenturbine 1 als auch der Hilfspumpe (booster pump) 9 aus dem äußeren Eletronetzt abgeschaltet und unterbrochen, was wiederum zur Folge hat, daß die Drehbewegung auf kleiner Drehzahlwerte abfällt. Sodann wird, nachdem das der Außlaßseite der Pumpenturbine 1 zugehörige .Venti1 vollständig geschlossen worden ist, das Ventil 10 geschlossen, während das Ventil 11 in Vorbereitung des nachfolgenden Turbinenbetriebes geöffnet wird. Zufolge dieser Erfindung ist das Schließen .für die Beendigung des Pumpenbetriebes der Pumpenturbine 1- und der Hilfspumpe 9, die ja in Reihe und hintereinander arbeiten, erforderlich. Das wird dadurch bewerkstelligt, daß nur steuernd und regelnd auf das Ventil auf der Auslaßseite der Pumpenturbine 1 eingewirkt wird, so daß dadurch der Vrogang des Steuerns und Regeins sehr einfach wird. Das aber bedeutet wiederum, daß diese Erfindung Probleme vermeidet, die einer komplizierten Steurungsfolge zuzuordnen sind.

Weil zudem die Pumpenturbine 1 und auch die Hilfspumpe (booster pump) 9 in der Stromversorgung aus dem äußeren Elektronetzt gleichzeitig abgeschaltet werden, fällt auch die Drehbewegung dieser beiden

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Systeme gleichmäßig ab, so daß sich auch die Betriebsbedingungen und Arbeitsbedingungen sich deswegen auch entsprechend ahnlich verändern, weil die Veränderung in der Strömungsmenge sowohl für die Pumpenturbine 1 als auch für die Hilfspumpe öbooster pump) 9 gemeinsam ist. Dadurch werden Probleme durch Überlagerung von Purnpenturbine 1 und von Hilfspumpe (booster pump) 9 verhindert - beispielsweise abnorme Veränderungen im Wasserdruck, die durch Überlagerung von Pumpenturbine 1 und Hilfspumpe (booster pump) 9 hervorgerufen werden können und dazu führen das sich im Betriebsverhalten der beiden Systeme dann extreme Unterschiede ergeben, wenn eines dieser System früher abgeschaltet wird als das andere. Damit aber können während des Pumpenbetriebes die Pumpenturbine 1 und die Hilfspumpe (booster pump) 9 so gesteuert und geregelt werden, daß sie immer sicher abgeschaltet und zum Stillstand gebracht werden können.

Auch dann, wenn die Strömungsmenge im Ventil an der Auslaßseite der Pumpenturbine 1 deswegen klein wird, weil dieses Ventil nur bis auf den vorge.gebenen Sol 1-Üffnungsquerschnitt geöffnet ist, werden Pumpenturbine 1 und Hilfspumpe 9 dadurch vom äußeren Elektronetz abgeschaltet, daß deren Stromversorgung, die klein sein kann, unterbrochen wird Damit werden durch die Erfindung auch Störungen, die auf das Elektronetz einwirken könnten, auf einen möglichst kleinen Wert gehalten.

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Muß die Pumpentürbine 1 dann sofort wieder im Turbinenbetrieb arbeiten, wenn der Pumpenbetrieb der Pumpenturbine 1 und der Hilfspumpe (booster pump 9) abgeschaltet und beendet worden ist, dann werden zudem zunächst einmal die Pumpenturbine 1 und die Hilfspumpe (booster pump) 9 von der Stromversorgung aus dem äußeren Elektronetz getrennt und dadurch in der Stromversorgung abgeschaltet. Dann wird, wenn das Ventil auf der Auslaßseite der Pumpenturbine vollständig geschlossen worden ist und weder im Wasserabführungstunnel 5 noch in der Zweigleitung 7 ein Wasserfluß gegeben ist, durch steuerndes und regelndes Eingreifen sowohl das Ventil 10 als auch das Ventil 11 bei NichtVorhandensein einer Wasserströmung geschlossen oder geöffnet, d.h. das Ventil 10 wird geschlossen und das Ventil 11 wird geöffnet. Das wiederum bedeutet, daß sowohl das Ventil 10 als auch das Ventil 11 sicher und glatt schließend und öffnend gesteuert und geregelt werden können, und zwar dann, wenn der einwirkende Wasserdruck klein und gering ist.

Die mit Fig. 1 wiedergegebenen Pumpspeicher-Wasserkraftanlage ist zwar an beiden Enden des Zweigrohres oder der Zweigleitung 7 mit dem Wasserabführungstunnel 5 verbunden, dennoch kann die Erfindung auch bei einer Pumpspeicher-Wasserkraftanlage Anwendung finden, bei welcher die Zweigleitung 7 direkt mit dem unteren Wasserhaltungsbecken 6 verbunden ist.

Es dürfte klar sein, daß aufgrund der zuvor beschriebenen Technik und des zuvor beschriebenen Verfahrens zahlreich« Modifikationen und Änderungen möglich sind. Ks sollte deshalb klar sein, daß im Rah-

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men der Patentansprüche die Erfindung auch anders verwirklicht und realisiert werden kann, als dies in der Patentbeschreibung beschrieben worden ist.

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Claims

Patentansprüche:-

Verfahren zum Betreiben einer Pumpspeicher-Wasserkraftanlage bestehend aus einer reversierbaren Konstantdrehzahl-Pumpenturbine und aus einer Hilfspumpe oder Zwischenpumpe, wobei die Hilfpumpe oder Zwischenpumpe in einer Zweigleitung angeordnet ist, welche parallel zu einem Teil eines Wasserabführungstunnels zwischen der Pumpenturbine und dem unteren Wasserhaltungsbecken geführt ist. Dieses Verfahren

dadurch gekennzeichnet, daß zu ihm die nachstehend angeführten Einzelschritte gehören:-

das Schließen eines ersten Ventiles auf der Auslaßseite der Pumpenturbine, nachdem der Öffnungsquerschnitt auf einen vorgegebenen Sollwert verringert worden ist;

das gleichzeitige Abschalten und Trennen von Pumpenturbine und der Zwischenpumpe oder Hilfspumpe von der Stromversorgung aus einem äußeren Eltronetz, in welches die vorerwähnte Pumpe und die vorerwähnte Zwischenpumpe oder Hilfspumpe zuvor geschaltet worden sind;

schließlich dann das vollständige Schließen des zuvor angeführten ersten Ventiles.
2. Verfahren zum Betreiben von Pumpen nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

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daß das zuvor angeführte erste Ventil von Anbeginn an geöffnet ist, daß die bereits genannte Zweigleitung von Anfang an offen ist, daß der Teil des Wasserabführungstunnels, der zur Zweigleitung parallel verläuft, zu Anfang geschlossen ist, daß die vorerwähnte Pumpenturbine als Pumpe arbeitet und mit der Hilfspumpe oder Zwischenpumpe in Reihe oder hintereinandergeschaltet ist, daß schließlich die Einleitung des Schließens des ersten Ventiles dann durchgeführt ist.
3. Verfahren zum Betreiben von Pumpen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem vollständigen Schließen des vorerwähnten ersten Ventiles, die nachstehend genannten Schritte durchgeführt werden:

das Schließen der vorerwähnten Zweigleitung, schließlich auch noch das Öffnen des Teiles des Wasserführungstunnels, der der Zweigleitung parallel geführt ist.
4. Verfahren zum Betreiben von Pumpen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorerwähnte Zweigleitung geöffnet ist und daß durch öffnen des zweiten und an der Auslaßseite der Hilfspumpe oder Zwischenpumpe angeordneten zweiten Ventiles der Parallelteil des Wasserabführungstunnels geöffnet ist, daß ein drittes Ventil im Parallelteil des Wasserabführungstunnels geschlossen wird.

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5. Verfahren zum Betreiben von Pumpen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bereits angeführte Zweigleitung geöffnet ist und daß der angeführte Teil des Wasserabführungstunnels durch das Öffnen des zweiten Ventiles.-- dieses zweite Ventil angeordnet an der Auslaßseite der Hilfspumpe oder Zwischenpumpe - geschlossen wird, daß der Vorgang des Schließens der Zweigleitung und der Vorgang des öffnens des Parallelteils des Wasserabführungstunnels bewerkstelligt werden durch das Schließen des vorerwähnten zweiten Ventiles und durch das Öffnen des dritten Ventiles.

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