ΔΗΜΟΚΡΙΤΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΡΑΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΞΑΝΘΗ ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΑ ΕΡΓΑ. Αγγελίδης Π., Αναπλ.

Transcript

1 ΔΗΜΟΚΡΙΤΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΡΑΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΞΑΝΘΗ ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΑ ΕΡΓΑ Αγγελίδης Π., Αναπλ. καθηγητής ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΥΔΕ

2 ΟΡΙΣΜΟΙ Εγκατεστημένη ισχύς (generation station capacity) είναι η μέγιστη ωφέλιμη ισχύς η οποία μπορεί να διατεθεί από το σταθμό παραγωγής χωρίς υπέρβαση των ορίων λειτουργίας του επί μέρους εξοπλισμού του σταθμού. Η εγκατεστημένη ισχύς γενικά ισούται με το άθροισμα των ονομαστικών ισχύων των γεννητριών του σταθμού. Η εγκατεστημένη ισχύς γεννήτριας εναλασσομένου ρεύματος δίδεται σε KVA (kilovolt-amperes).

3 Εγγυημένη ισχύς (firm power) είναι η ικανότητα ανάληψης φορτίου κατά καθορισμένη χρονική στιγμή ή χρονική περίοδο σε σχέση με το φορτίο ζητήσεως του συστήματος. Αυτή εξαρτάται από την ελάχιστη φυσική παροχή και τη ρύθμιση της φυσικής παροχής κατά την περίοδο του φορτίου αιχμής. Η εγγυημένη ισχύς μεταβάλλεται κατά την διάρκεια των εποχών του έτους και νοείται συνήθως κατά τον χρόνο εμφάνισης του φορτίου αιχμής του συστήματος. Πρωτεύουσα ενέργεια λέγεται η εξασφαλισμένη υδροηλεκτρική ενέργεια που μπορεί να παραχθεί με τις δυσμενέστερες υδρολογικές συνθήκες για την κάλυψη των αναγκών της κατανάλωσης.

4 Δευτερεύουσα ενέργεια είναι κάθε παραγόμενη υδροηλεκτρική ενέργεια επί πλέον της πρωτεύουσας. Φορτίο καλείται η ισχύς η οποία αναφέρεται στην παραγωγή και κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας σε κάποιο στιγμιαίο χρονικό διάστημα σε κάποιο σημείο του συστήματος κατανάλωσης. Φορτίο αιχμής είναι το μέγιστο φορτίο κατανάλωσης για ορισμένη χρονική περίοδο.

5 Καμπύλη φορτίου είναι το διάγραμμα που δίνει τη μεταβολή του φορτίου συναρτήσει του χρόνου. Οι καμπύλες φορτίου είναι χρήσιμες: Για τον ημερήσιο προγραμματισμό (διατήρηση διαθεσίμων σταθμών επαρκούς ισχύος για την αντιμετώπιση εκτάκτων ελλειμάτων) Για τον μακροχρόνιο προγραμματισμό (υπολογισμός πιθανών αναγκών κατανάλωσης) ΦΟΡΤIO [MW] t [hr]

6 Καμπύλη διαρκείας φορτίου είναι το διάγραμμα που δίνει τις διατεταγμένες τιμές του φορτίου συναρτήσει του ποσοστού του χρόνου στον οποίο το φορτίο είναι μεγαλύτερο ή ίσο προς την τιμή αυτή ΦΟΡΤΙΟ [M % 20% 40% 60% 80% 100% %

7 Καμπύλη ποσοστών αιχμής (peak utilization curve) είναι το διάγραμμα που δίνει τις τιμές του φορτίου ως ποσοστού τουμέγιστουφορτίουαιχμήςχρονικήςπεριόδουσυναρτήσειτης παραγόμενης ενέργειας εκφρασμένης ως ποσοστού της συνολικής παραγόμενης ενέργειας της περιόδου αυτής. Στοιχεία για τον προγραμματισμό είναι: Χαρακτηριστικά καμπυλών φορτίου παρελθόντων ετών, συντελεστές φορτίου και εκμεταλλεύσεως της θέσης και της εγκατεστημένης ισχύος των μονάδων και των μελλοντικών εγκαταστάσεων. Ημερήσια, εβδομαδιαία, μηνιαία διακύμανση στις αντίστοιχες καμπύλες φορτίου.

8 Συντελεστής φορτίου (load factor) είναι ο λόγος του μέσου φορτίου χρονικής περιόδου προς το φορτίο αιχμής που εμφανίζεται στην περίοδο αυτή. f l I I m = = max E E t A Στις εγκαταστάσεις βάσης ο συντελεστής φορτίου υπερβαίνει το 0.70 ενώ στις εγκαταστάσεις αιχμής είναι της τάξεως του

9 Συντελεστής εκμετάλλευσης (capacity factor) είναι ο λόγος του μέσου φορτίου χρονικής περιόδου προς την εγκατεστημένη ισχύ του σταθμού παραγωγής. f c I I m = = t E E t E Συντελεστής χρησιμοποιήσεως (utilization factor) είναι ο λόγος της παραγομένης ενέργειας προς την διαθέσιμη ενέργεια χρονικής περιόδου. f u QH QH n = = Δ n E E Δ Όταν η μέγιστη ισχύς ισούται με την εγκατεστημένη τότε προφανώς ο συντελεστής εκμεταλλεύσεως ισούται με τον συντελεστή φορτίου, γενικά όμως ο συντελεστής εκμεταλλεύσεως είναι μικρότερος του συντελεστή φορτίου

10 ΕΝΤΑΞΗ ΜΟΝΑΔΟΣ ΣΕ ΔΙΑΣΥΝΔΕΜΕΝΟ ΔΙΚΤΥΟ Για μια υδροδυναμική μονάδα ο μηχανισμός ένταξης εξαρτάται από την εγκατεστημένη ισχύ της μονάδας και την υδραυλικότητα του έτους. Τα έτη υψηλής υδραυλικότητας οι ΥΔΕ μετατοπίζονται προς τη βάσητηςκαμπύληςδιαρκείαςενώκατάταξηράέτησυμβαίνειτο αντίστροφο. Ο συντελεστής φορτίου του συνόλου των μονάδων ενός διασυνδεδεμένου δικτύου κυμαίνεται μεταξύ Εν γένει τα φορτία βάσης παραλαμβάνονται από Θερμοηλεκτρικούς σταθμούς. Στις ΥΔΕ αντλήσεως ταμιεύσεως η συνολική απόδοση του συστήματος ανέρχεται σε 0.70 περίπου.

11 ΕΝΤΑΞΗ ΜΟΝΑΔΟΣ ΣΕ ΔΙΑΣΥΝΔΕΜΕΝΟ ΔΙΚΤΥΟ Στα έτη κρίσιμης και μέσης υδραυλικότητας οι συντελεστές φορτίου είναι της τάξεως του και αναφέρονται σε πρωτεύουσα ενέργεια. Στις ΥΔΕ αιχμής οι συντελεστές εκμεταλλεύσεως είναι της τάξεως του Αντίστοιχα στις θερμοηλεκτρικές μονάδες κυμαίνονται μεταξύ

12 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 6. Ένταξη ΥΔΕ μονάδων σε διασυνδεδεμένο δίκτυο Για μια υδροδυναμική εγκατάσταση (ΥΔΕ) με ταμιευτήρα ημερήσιας ρυθμίσεως δίδονται τα εξής: 1. Τα στοιχεία της ημερήσιας καμπύλης φορτίου του συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, στο οποίο ανήκει η θεωρούμενη ΥΔΕ (προερχόμενες από την εκφόρτιση μιας άλλης ανάντη κείμενης ΥΔΕ) δίδονται στο πίνακα (1). 2. Η θεωρούμενη ΥΔΕ πρόκειται να χρησιμοποιηθεί για την κάλυψη φορτίων αιχμής του συστήματος και θα περιλαμβάνει σταθμό παραγωγής με 2 μονάδες της αυτής εγκατεστημένης ισχύος από τις οποίες η πρώτη θα λειτουργεί με την εγκατεστημένη ισχύ της επί 15 ώρες ημερησίως ενώ η δεύτερη θα λειτουργεί με την ισχύ ίση προς 2/3 τηςεγκατεστημένηςισχύοςεπί3 ώρες ημερησίως. Το μέσο ωφέλιμο ύψος πτώσεως εκτιμάται σε 24,70 m ο δε μέσος βαθμός αποδόσεως των υδροστροβίλων και των γεννητριών εκτιμώνται σε 0.87 και 0,95 αντίστοιχα.

13 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 6. Ένταξη ΥΔΕ μονάδων σε διασυνδεδεμένο δίκτυο Ζητούνται: 1) Το διάγραμμα της ημερήσιας καμπύλης φορτίου του συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας 2) Το διάγραμμα της καμπύλης διαρκείας φορτίου του συστήματος 3) Η εγκατεστημένη ισχύς των μονάδων της ΥΔΕ για την ανωτέρω λειτουργία τους και για πλήρη χρησιμοποίηση της διαθέσιμης παροχής (δηλ. του διαθέσιμου όγκου του νερού) του ποταμού. 4) Η ένταξη των 2 μονάδων της θεωρούμενης ΥΔΕ στη δεδομένη καμπύλη φορτίου του συστήματος υπό καθορισμένες συνθήκες λειτουργίας. 5) Ο απαιτούμενος ωφέλιμος όγκος του ταμιευτήρα για την ικανοποίηση των ανωτέρω συνθηκών λειτουργίας των μονάδων 6) Ο ημερήσιος συντελεστής της ΥΔΕ και η παραγόμενη για την παραπάνω λειτουργία των μονάδων. 7) Η ένταξη των μονάδων της ΥΔΕ στη καμπύλη διάρκειας φορτίου του συστήματος.

14 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 6. Ένταξη ΥΔΕ μονάδων σε διασυνδεδεμένο δίκτυο ΧΡΟΝΟΣ (ΩΡΑ) ΦΟΡΤΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΟΣ (MW) ΠΑΡΟΧΗ ΠΟΤΑΜΟΥ (m 3 /s) Πίνακας 1 ΧΡΟΝΟΣ (ΩΡΑ) ΦΟΡΤΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ (MW) ΠΑΡΟΧΗ ΠΟΤΑΜΟΥ (m 3 /s)

15 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 6. Λύση 1) Το διάγραμμα της ημερήσιας καμπύλης φορτίου ΦΟΡΤIO [MW] t [hr]

16 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 6. Λύση 2) Το διάγραμμα της καμπύλης διαρκείας φορτίου του συστήματος. Διατάσσονται οι τιμές του φορτίου κατά σειρά φθίνοντος μεγέθους ΦΟΡΤΙΟ ΣΥΣΤΗΜ ΑΤΟΣ (MW) ΠΙΘΑΝΟΤ ΗΤΑ

17 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 6. Λύση 2) Το διάγραμμα της καμπύλης διαρκείας φορτίου του συστήματος ΦΟΡΤΙΟ [M % 20% 40% 60% 80% 100% %

18 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 6. Λύση 3) Η εγκατεστημένη ισχύς των μονάδων της ΥΔΕ για την ανωτέρω λειτουργία τους και για πλήρη χρησιμοποίηση της διαθέσιμης παροχής (δηλ. του διαθέσιμου όγκου του νερού) του ποταμού. Ενέργεια που παράγεται σε μια μέρα λειτουργίας των μονάδων της ΥΔΕ σύμφωνα με τα δεδομένα δίδεται από την εξίσωση: 2 E1 = IE*15* IE*3*3600kw 3 όπου Ι Ε εγκατεστημένη ισχύς κάθε μονάδας σε Κw. ΗενέργειαΕ 2 ποσότητας νερού βάρους γ για ωφέλιμο ύψος πτώσεως Η n που μπορεί να μετατραπεί σε ωφέλιμο έργο δια μέσω των στροβίλων είναι: 1000*9,81 E2 = γvh nn( W ) = H nn( kw) 1000 όπου: γ = το ειδικό βάρος νερού = ο όγκος νερού που περνάει από τους στροβίλους n = ο συντελεστής αποδόσεως των στροβίλων

19 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 6. Λύση Από την ισότητα Ε 1 = Ε 2 προκύπτει: IE*15 + IE*3 = Hnn = Qt = + + = 1 i i 6 3 6*3600*90 10*3600*175 8*3600*350 18,324*10 ( m ) Ι Ε = Κw = 60 MW ΧΡΟΝΟΣ (ΩΡΑ) ΦΟΡΤΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΟΣ (MW) ΠΑΡΟΧΗ ΠΟΤΑΜΟΥ (m 3 /s) ΧΡΟΝΟΣ (ΩΡΑ) ΦΟΡΤΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ (MW) ΠΑΡΟΧΗ ΠΟΤΑΜΟΥ (m 3 /s)

20 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 6. Λύση 4) Ένταξη μονάδων στο σύστημα Η πρώτη μονάδα καλύπτει τη περιοχή ισχύος από Μw και αντιστοιχεί στο τμήμα (ΑΒΓΔΕΖΗΘΙΑ) Η δεύτερη την περιοχή από Μw και αντιστοιχεί στο (ΚΛΜΝΚ) ΧΡΟΝΟΣ (ΩΡΑ) ΦΟΡΤΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΟΣ (MW) ΠΑΡΟΧΗ ΠΟΤΑΜΟΥ (m 3 /s) ΧΡΟΝΟΣ (ΩΡΑ) ΦΟΡΤΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ (MW) ΠΑΡΟΧΗ ΠΟΤΑΜΟΥ (m 3 /s)

21 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 6. Λύση 5. Ωφέλιμος όγκος ταμιευτήρα Για τον υπολογισμό του ωφέλιμου όγκου υπολογίζεται η αθροιστική καμπύλη εισροών και καταναλώσεως. Η παροχή καταναλώσεως υπολογίζεται ως ακολούθως: Από την εξίσωση: Ι = 9,81*Η n Q*n προκύπτει: I ,81* H * n 9,81* 24, 7*0,87*0,95 3 Q= = = 300 m / s n Στη συνέχεια καταρτίζεται ο πίνακας που ακολουθεί καθώς και το διάγραμμα υπολογισμού του ωφέλιμου όγκου.

22 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 6. Λύση 5. Ωφέλιμος όγκος ταμιευτήρα ΧΡΟΝΟΣ (ΩΡΑ) ΦΟΡΤΙΟ ΣΥΣΤΗΜ ΑΤΟΣ (MW) ΠΑΡΟΧΗ ΠΟΤΑΜΟ Υ (m 3 /s) ΟΓΚΟΣ ΕΙΣΡΟΗΣ εκ κμ ΟΓΚΟΣ ΕΙΣΡΟΗΣ ΑΘΡΟΙΣΤ ΙΚΑ εκ κμ ΟΓΚΟΣ ΝΕΡΟΥ ΓΙΑ ΤΗ ΜΟΝΑΔΑ 1 ΟΓΚΟΣ ΝΕΡΟΥ ΓΙΑ ΤΗ ΜΟΝΑΔΑ 2 ΟΓΚΟΣ ΝΕΡΟΥ ΑΘΡΟΙΣΤΙ ΚΑ ΓΙΑ ΤΙΣ ΜΟΝΑΔΕΣ 1 & 2 ΜΕΤΑΒΟ ΛΗ ΟΓΚΟΥ εκ. κυβ *60*60/ = *60*60/ = *60*60/ = *( )/60= *( )/60=0.90 (2/3)*300*60*60/ =0.72

23 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 6. Λύση 5. Ωφέλιμος όγκος ταμιευτήρα= Μέγιστο (υγρής περιόδ) ελάχιστο (ξηρής)= =3.51 *10 6

24 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 6. Λύση 6). Ο ημερήσιος συντελεστής εκμεταλλεύσεως της ΥΔΕ είναι: f c = E E t E Ε t = παραγόμενη ενέργεια της ΥΔΕ E E = ενέργεια που θα παραγόταν με συνεχή λειτουργία με εγκ. ισχύ. f c 1* *60 + 1*50 + 2*60 + 3* *60 = = 24* *60 0,337

25 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 6. Λύση 7. Ένταξη στην καμπύλη διάρκειας φορτίου

26 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 7. Πρωτεύουσα και δευτερεύουσα ενέργεια ΥΔΕ. Οι μέσες μηνιαίες παροχές ενός ποταμού σε μια θέση έχουν ως εξής: ΜΗΝΑΣ Ο Ν Δ Ι Φ Μ Α Μ Ι Ι Α Σ ΠΑΡΟΧΗ (m 3 /s) Στη θεωρούμενη θέση πρόκειται να κατασκευαστεί μια υδροδυναμική εγκατάσταση, με ταμιευτήρα σημαντικής ωφελίμου χωρητικότητας που έχει τα εξής στοιχεία: Εγκατεστημένη ισχύς Ι Ε = 50 ΜW Μέσο ωφέλιμο ύψος πτώσεως Η n = 50 m Συνολικός συντελεστής αποδόσεως n = 0,8

27 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 7. Πρωτεύουσα και δευτερεύουσα ενέργεια ΥΔΕ. Ζητείται να προσδιοριστούν : 1. Η καμπύλη διάρκειας της παροχής του ποταμού 2. Η πρωτεύουσα και δευτερεύουσα ενέργεια η οποία είναι δυνατόν να παραχθεί κατά τη διάρκεια του μέσου έτους χωρίς καμία ρύθμιση της παροχής. 3. Τα παραπάνω να προσδιορισθούν εκ νέου αφού γίνει ρύθμιση της παροχής ώστε η διαθέσιμη παροχή να είναι 80 m 3 /s.

28 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 7. Λύση 1. Για τον προσδιορισμό της καμπύλης διαρκείας κατατάσσονται οι παροχές κατά σειρά φθίνοντος μεγέθους α/α Q (m 3 /s) N ΣΧΕΤΙΚΗ ΣΥΧΝΟΤΗ ΤΑ ΕΜΦΑΝΙΣ ΕΩΝ Σp ΑΘΡΟΙΣΤΙ ΚΗ ΠΙΘΑΝΟΤ ΗΤΑ

29 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 7. Λύση 1. Παροχή - πιθανότητα ΠΑΡΟΧΗ (m^ % 20% 40% 60% 80% 100% %

30 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 7. Λύση 2). Για τον υπολογισμό της πρωτεύουσας ενέργειας υπολογίζεται η ισχύς και η ενέργεια από τις εξισώσεις: Ι=9,81*Η n *n*q E=9,81*H n *n*q*t Η πρωτεύουσα ενέργεια είναι η ενέργεια που είναι εξασφαλισμένη κάτω από τις δυσμενέστερες υδρολογικές συνθήκες και δίδεται από την εξίσωση: Ε π =9,81*H n *n*q min *t Ε π = 9,81*50*0,8*38*365*24=130,622*10 6 Kwh Για τον υπολογισμό της δευτερεύουσας ενέργειας προσδιορίζεται πρώτα η παροχή που αντιστοιχεί στην εγκαταστημένη ισχή Ι Ε. Είναι προφανές ότι για παροχές μεγαλύτερες της παροχής αυτής δεν μπορεί να παραχθεί ενέργεια γιατί δεν υπάρχει αντίστοιχη εγκατεστημένη ισχύς.

31 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 7. Λύση 2). I E QE = = = 127 m / s 9,81* H* n 9,81*50*0,8 Παροχές Q>Q E παραμένουν ανεκμετάλλευτες για την ποσότητα (Q Q E ). H δευτερεύουσα ενέργεια θα προκύψει από την εξίσωση: 12 Eδ = 9,81* Η * n* ΔQ * t n i i i= 1 όπου ΔQ ι = Q ι -38m 3 /s Q ι Q E = 127 m 3 /s t ι = αριθμός ωρών του χρονικού διαστήματος που αναφέρεται η Q i ήτοι 365/12*24 h α/α Q (m 3 /s) Σ Ε E δ =9,81*50*0,8*365*24*( )/12 = 165,283 *10 6 Kwh

32 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 7. Λύση 3). Για τη ρύθμιση της παροχής ώστε η διαθέσιμη παροχή να είναι 80 m 3 /s θα πρέπει να κατασκευασθεί ταμιευτήρας με ωφέλιμο όγκο που γραφικά παριστάνεται στο σχήμα από την περιοχή (ΕΒΔ) ήτοι : 365 ωφ = [(80 75) + (80 70) + (80 63) + (80 54) + (80 38) ]*86400* = 12 = 262.8*10 6 m 3 α/α Q (m 3 /s)

33 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 7. Λύση 3). Ηνέακαμπύληδιαρκείαςθα είναι τελικά η καμπύλη ΙΙ του σχήματος. Το τμήμα της ΙΙ υπεράνω της γραμμής ΓΔ χαράχθηκε ώστε: Ε (Ι,ΙΙ) = Ε (ΕΒD) Για να ισχύει αυτό αρκεί από τις 5 μεγαλύτερες παροχές να αφαιρεθούν 20 m 3 /s. Πρέπει δηλαδή να ισχύει ταυτόχρονα : Q = Q 20 και Q 80 α/α Q (m 3 /s) Σ Ε

34 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 7. Λύση 3). 365 = ( )*86400* = 262,8*10 = III, m ωϕ α/α Q (m 3 /s) N Σp ΣΧΕΤΙΚΗ ΑΘΡΟΙΣΤΙ ΣΥΧΝΟΤΗ ΤΑ ΕΜΦΑΝΙΣ ΚΗ ΠΙΘΑΝΟΤ ΗΤΑ ΕΩΝ ΠΑΡΟΧΗ (m^ % 20% 40% 60% 80% 100% %

35 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 7. Λύση 3). Πρωτεύουσα ενέργεια μετά τη ρύθμιση : Επ=9,81*50*0,8*80*365*24=274,993*10 6 Kwh Δευτερεύουσα ενέργεια μετά τη ρύθμιση : Εδ=9,81*50*0,80*365*24*( )/12=28,917*10 6 Kwh Οι όροι ΔQ ι μέσα στη παρένθεση προέκυψαν από την εξίσωση: α/α Q (m 3 /s) Σ Ε Δ Q = Q 80 Q < Q = 127 i i i E