Energetska proizvodnja

Transcript

1

2 Hitrostne razmere Za popis spremembe kinetične energije moramo poznati hitrostne razmere v vodilnik ter gonilnik. S trikotniki hitrosti popišemo osnovno kinematiko toka, kar omogoča določitev osnovne oblike pretočnega trakta trbine. Vodilnik omogoča, da voda v gonilnik doteka pod želenim konstantnim kotom.

3 Hitrostne razmere Hitrostne razmere v trbini lahko opišemo s tremi hitrostmi: Absoltna hitrost () je hitrost s katero voda doteka v trbino. Odvisna je od geometrijskih lastnosti pretočnega trakta ter energijskega poteniala pred trbino. Abosltna hitrost je tdi hitrost, kot bi jo videl znanji opazovale. Obodna hitrost () je odvisna od vrtilne frekvene trbine. Odvisna je od oddaljenosti od osi trbine podaja pa jo enačba: ω r π nr Relativna hitrost (w) je hitrost s katero se voda premika po kanal rotorja. Odvisna je od oblike ter dimenzij rotorskega kanala. Relativna hitrost je tdi hitrost, kot bi jo videl opazovale, ki bi sedel na lopatii trbine.

4 Hitrostne razmere Izpeljanka absoltne hitrosti je še meridianska hitrost (m). Predstavlja dejansko hitrost pretoka vode skozi gonilnik ne glede na njegovo obliko in velikost kanalov. Je radialna komponenta absoltne hitrosti. Meridianska hitrost nam podaja tdi pretok tekočine skozi trbino: V& m A r

5 Hitrostne razmere Onovni prinip temelji na dejstv, da je absoltna hitrost () enaka vsoti obodne hitrosti () in relativne hitrosti (w): r r r + w Na primer: r w r r r r w r

6 Hitrostne razmere

7 Hitrostne razmere r r w r +

8 Hitrostne razmere r r w r +

9 Hitrostne razmere Hidrodinamična teorija trbinskega rotorja porablja vstopni trikotnik ter izstopni trikotnik. Vstopni trikotnik prikazje hitrostne razmere pri vstop flida v trbino in je fnkija odvisen od,, w, α, β, m. Določa predvsem velikost ter smer relativne hitrost w na vstop v trbino - smer relativne hitrosti βmora biti približno enaka kot lopatie trbine. Izstopni trikotnik (,, w, α, β, m) določa predvsem smer iztočne absoltne hitrosti. Ker velikost iztočne absoltne hitrosti predstavlja velikost energetskih izgb poizkšamo zasnovati trbino tako, da bo le ta čim manjša.

10 Energijske pretvorbe v vodnih trbinah Spoznali bomo parametre, ki popisjejo hidrodinamske razmere v trbini in vplivajo na moč hidro elektrarne. Razpoložljivo energijski potenial dobimo iz energijske enačbe. Za njen zapis porabimo Reynoldsov transportni teorem (iz opisa sistema preidemo na opis kontrolnega volmna): db dt sys d dt βρ dv +. v.. s. r r βρ v da kjer je B dejanska, β pa speifična spremenljivka (B/m). Pri enačbi za ohranitev mase je Bmasa βmasa/masa dobimo torej: d ( masa) dt d r ρ dv + ρv dt. v.. s. r A 0

11 Energijske pretvorbe v vodnih trbinah Pri enačbi za ohranitev energije je Benergija, βpa speifična energija energija/masa. Poznamo potenialno, kinetično in notranjo energijo. Iz daljše izpeljave, ob predpostavki o staionarnem tok (količina energije v kontrolnem volmn se ne spreminja), sledi: p ρ + gz + v ² p v +Y + gz + ρ ² + izg. Če zanemarimo tlačno razliko v zrak in izgbe je razpoložljiva brto speifična energija enaka: Y b g ( z z ) v v z z

12 Energijske pretvorbe v vodnih trbinah V definiiji neto energijske razlike Y n je dodatno poštevana še izgba energije zaradi pretakanja vode v dovodnem tlačnem evovod Z : v v Y n Yb + Zt g ( z z) + + Moč na generatorj trbine tako podaja izraz: P m & Y η V& ρ Y Ob dobro poznanih delovnih pogojih, ki so podani z pretokom Q in razpoložljivo neto speifično energijo Y n, je moč generatorja P g določena do ravni poznavanja izkoristka agregata η g. g n g n η g Z t Moč navadno podajamo kot absoltno vrednost: P g P g

13 Energijske pretvorbe v vodnih trbinah Pretok vode po kanalih ni konstanten in ga največkrat določimo z meritvami lokalnih hitrosti (meridianske hitrosti) in integraijo po prečnem presek: V & m da A

14 Energijske pretvorbe v vodnih trbinah Za obravnavo je pomembna še vrtilna frekvena trbine, ki je načeloma določena s frekveno omrežja: f n p' kjer je n vrtilna frekvena trbine, p število polov generatorja, f pa frekvena omrežja. Velike trbine imajo praviloma majhne obrate, ki lahko segajo tdi pod n00 min -. Posledia tega je izbira generatorja z velikim številom polov p, kar ima za posledio veliko maso rotorja generatorja.

15 Energijske izgbe v trbini Lokalne izgbe v delih trbinskega trakta delimo na: - Izgbe v vodilnik Zv: Z v v ξv - Izgbe v rotorj Zr: Z r ξ r w r - Izgbe v difzorj Zd: Z d ξ d d

16 Energijske izgbe v trbini Dodatno imamo opravka še z: - Volmetričnimi izgbami, ki nastanejo zaradi hajanja vode skozi rege med vodilnikom in rotorjem. Pri tem se masni tok vode izogne proes pretvorbe lastne energije v mehansko energijo rotorja. Odvisne so od konstrkijskega konepta, porabljenih tesnil, od kvalitete le teh in od velikosti in izvedbe tesnilnih reg. - Iztočnimi izgbami, ki nastanejo na izstop vode iz difzorja - iztočnega kanala iz trbine na nivoj spodnje vode elektrarne. Zmanjšjemo jo lahko na ekonomski minimm z pravilno izbiro difzorja. Lahko jo točno določimo, saj jo izrazimo s kinetično energijo vode na izstop iz difzorja: Z iz ξ - Mehanskimi izgbami, ki nastajajo zaradi trenja v ležajih ter drgih drsnih površin v trbini in njenih pomožnih strojev. Mehanske izgbe niso odvisne od velikosti obremenitve, kot to lahko trdimo za hidravlične izgbe. Med mehanske izgbe prištevamo še porabljeno energijo pomožnih strojev trbine. iz iz

17 Izkoristek trbine Izkoristek trbine je definiran kot del razpoložljive vodne energije, ki jo trbina pretvori v mehansko energijo in jo odda preko sklopke na generator. Zaradi podrobnejše analize razlikjemo več izkoristkov hidravličnega, volmetričnega, mehanskega in skpnega. Hidravlični izkoristki se gibljejo vse do η h 0,95 in je izražen preko hidravličnih izgb v vodilnik Z v, rotorj Z r, difzorj Z d ter izgb na izstop it trbine Z iz z enačbo: Z + Z + Z + Z 00% 98% 96% 94% 9% v r d iz η 90% h Yn η Izgbe v franisovi trbini 3 4 Obratovalni režimi sesalna ev gonilnik vodilnik predvodilnik spirala izkoristek

18 Izkoristek trbine Volmetrični izkozstek ηvol podaja netesnost pretočnega trakta trbine. Izračn volmetričnega izkoristka lahko izvedemo na podlagi definiije: η vol Z vol V& v kateri se pojavlja volmetrična izgba Zvol ter volmski pretok V. Izkoristek se lahko giblje vse do ηv 0,97. Izjema so le Peltonove trbine pri katerih volmetričnih izgb načeloma ni. Mehanski izkoristek vsebje mehanske izgbe v trbini in je izražen z močjo na gredi Pg ter notranjo hidravljično močjo Ph brez mehanskih izgb. Mehanski izkoristek se giblje do ηm 0,98 in se ga izračna po enačbi: η m P P g h

19 Izkoristek trbine SKUPNI IZKORISTEKη zajema elotne izgbe, ki nastanejo v trbini. Lahko ga izrazimo z razmerjem moči na gredi P g in idealno močjo brez izgb P, lahko pa tdi kot zmnožek vseh do sedaj obravnavanih izkoristkov: η Pg P η η h vol η m Najsodobnejše trbine dosežejo skpni izkoristek vse do η 0,96. Spreminjanje izkoristka posameznih vrst trbin je odvisen od pretoka. Izkoristek različnih trbin v odvisnosti od pretoka

20 Elerjeva trbinska enačbe nam pove, kaj se dogaja v trbini na energijskem nivoj in kaj narediti, da bo trbina delovala z največjim izkoristkom. Implzni izrek za rotaijske sisteme pove, da je sprememba vrtilne količine v kontrolnem volmn enaka vsoti vrtilnih momentov znanjih sil, ki deljejo na kontrolni volmen. r d I dt Elerjeva trbinska enačba r M r m r d dt Pomembna je le obodna komponenta absoltne hitrosti. Dobimo: M m r d dt m& r d

21 Elerjeva trbinska enačba d m r M M P & ω Nadalje lahko zapišemo še: d m P Y & Po integraiji pa Elerjeve trbinske enačbe: ( ) ( ) Y m P r r m M & &

22 Elerjeva trbinska enačba Y os os α α Po definiiji je speifično delo, ki prihaja iz sistema negativno zato stremimo k tem, da bi bil prvi člen čim manjši, drgi pa čim večji. Prvi člen je enak 0, ko je α 90 - iztočni hitrostni trikotnik mora biti pravokoten: Iz enačbe vidimo, da: Y os α - se mora trbina vrteti, če želimo proizvesti delo (>0), - da mora obstajati obodna komponenta absoltne hitrosti (os α>0), ::kar pomeni da biti α< 90 (to dosežemo s poševnim dotokom vode v ::rotor).

23 Elerjeva trbinska enačba Obodno, relatino in absoltno hitrost povezje osinsov izrek. Zapišemo lahko: os os w w α α Oziroma zapisano na drgačen način: w w + + Oziroma zapisano na drga en na in:

24 Elerjeva trbinska enačba Ko zadnji enačbi vstavimo v Elerjevo enačbo za speifično delo dobimo: Y w w + + Vidimo lahko, da je oddano delo oz. moč trbine tem večja tem večje so razlike posameznih členov. Po definiiji je speifično delo, ki prihaja iz sistema negativno zato stremimo k tem, da bi bilo vsi trije členi negativni. To pomeni: - mora biti čim manjši, kar dosežemo s primernim difzorjem, - w > w: kanali gonilnika morajo biti nadtlačni, saj s tem zagotavljajo, da relativna hitrost narašča, - godno je, da porabimo radialni stroj kjer je vstopni premer večji od izstopnega, kar pomeni, da je >.