ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΑ ΕΡΓΑ. Αγγελίδης Π., Αναπλ. Καθηγητής

Transcript

1 ΔΗΜΟΚΡΙΤΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΡΑΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΞΑΝΘΗ ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΑ ΕΡΓΑ Αγγελίδης Π., Αναπλ. Καθηγητής ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

2 ΕΤΗΣΙΑ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΑΝΑ ΚΑΤΟΙΚΟ (σε kwh) στην Ελλάδα

3 ΕΓΚΑΤΕΣΤΗΜΕΝΗ ΙΣΧΥΣ (MW) στην Ελλάδα

4 ΕΓΚΑΤΕΣΤΗΜΕΝΗ ΙΣΧΥΣ (MW) της ΕΗ στην Ελλάδα ,1 0,6,6 5,4 8,8 11,1 1,8

5 ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ (Κm) στην Ελλάδα

6 ΕΓΚΑΤΕΣΤΗΜΕΝΗ ΙΣΧΥΣ (MW) ΣΤΑΘΜΩΝ ΕΗ Α.Ε. (31/1/006) ΘΗΣ Λιγνιτικές Μονάδες Πετρελαϊκές Μονάδες Μονάδες Φυσικού Αερίου Σύνολο ΘΗΣ* ΥΗΣ** ΑΠΕ*** ΣΥΝΟΛΟ ιασυνδεδεμένο Κρήτη, Ρόδος & λοιπά αυτόνομα νησιά ΣΥΝΟΛΟ * Θερμοηλεκτρικοί Σταθμοί ** Υδροηλεκτρικοί Σταθμοί *** Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας

7 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΗΣ ΔΕΗ

8 Η ΕΗ με ένα τεράστιο κατασκευαστικό έργο εξασφαλίζει την επάρκεια της χώρας σε ηλεκτρική ενέργεια. Ηπειρωτικής χώρας 34 μεγάλοι θερμικοί και υδροηλεκτρικοί σταθμοί 3 αιολικά πάρκα Νησιωτική Ελλάδα 61 αυτόνομοι σταθμοί Κρήτης, Ρόδου και λοιπών νησιών μας 39 θερμικοί υδροηλεκτρικοί 15 αιολικά πάρκα 5 φωτοβολταϊκοί σταθμοί

9 ιασύνδεση συστήματος μεταφοράς ΗΕ

10 Κόστος μεταφοράς - διανομής και εκπομπής ρύπων

11

12

13 Τα τελευταία χρόνια η Επιχείρηση, πέραν της δημιουργίας νέων θερμικών (λιγνιτικών, πετρελαϊκών, φυσικού αερίου) και υδροηλεκτρικών σταθμών, στρέφεται και προς την αξιοποίηση των εναλλακτικών μορφών ενέργειας (άνεμος, ήλιος, γεωθερμία). Η συνολική εγκατεστημένη ισχύς των 98 συνολικά σταθμών της ΕΗ ανέρχεται το 006 στα MW. Η καθαρή παραγωγή το 006 έφτασε τις 5,07 ΤWh.

14 Υδροδυναμικά έργα είναι τα έργα εκείνα στα οποία επιτυγχάνεται η μετατροπή της δυναμικής και κινητικής ενέργειας του νερού σε μηχανική (συνήθως σε ενέργεια περιστροφής ενός άξονα και στη συνέχεια μέσω μιας γεννήτριας σε ηλεκτρική). Υδροδυναμικό μιας περιοχής είναι η δυνατότητα παραγωγής έργου από ρέοντα ύδατα. H γνώση του υδροδυναμικού μιας περιοχής είναι απαραίτητη διότι η οποιαδήποτε αξιοποίηση του υδροδυναμικού με την κατασκευή των απαραίτητων έργων απαιτεί μεγάλο χρονικό διάστημα και έτσι καθίσταται αναγκαίος ο προγραμματισμός για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών μιας περιοχής Υδροδυναμική θέση είναι η θέση ενός υδατορρεύματος η οποία έχει δυνατότητες αξιοποίησης του υδροδυναμικού.

15 Υδροδυναμικά έργα

16 Υδροδυναμικά έργα

17 Υδροδυναμικά έργα

18 Υδροδυναμικά έργα

19 Υδροδυναμικά έργα

20 ΥΨΟΣ ΠΤΩΣΕΩΣ ΚΑΙ ΔΙΑΘΕΣΙΜΗ ΠΑΡΟΧΗ Διαθέσιμη παροχή είναι η φυσική παροχή που προσφέρεται για παραγωγή ενέργειας ή άλλο σκοπό και που προέρχεται από αποθήκευση, ρύθμιση ή εκτροπή κάποιου υδατορρεύματος. Ολικό ύψος πτώσεως λέγεται η υψομετρική διαφορά μεταξύ της ελεύθερης στάθμης του ταμιευτήρα και της ελεύθερης στάθμης της διώρυγας φυγής όταν ο σταθμός παραγωγής δεν λειτουργεί.

21 ΥΨΟΣ ΠΤΩΣΕΩΣ ΚΑΙ ΔΙΑΘΕΣΙΜΗ ΠΑΡΟΧΗ Ωφέλιμο ύψος πτώσεως λέγεται η υψομετρική διαφορά μεταξύ της γραμμής ενέργειας μεταξύ της εισόδου του στροβίλου και της θέσης εξόδου του στροβίλου στη διώρυγα φυγής και προκύπτει από το ωφέλιμο ύψος πτώσεως με αφαίρεση των απωλειών στο σύστημα προσαγωγής και στη διώρυγα φυγής.

22 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΙΣΧΥΣ Η ποσότητα νερού πουδιέρχεταιαπότοστρόβιλοσεχρόνοt είναι: V m = Q m t όπου Q m μέση διαθέσιμη παροχή και t χρόνος λειτουργίας του στροβίλου. Η ωφέλιμη ενέργεια που προκύπτει όταν βάρος νερού γv m ωφέλιμο ύψος πτώσεως H n δίδεται από τις εξισώσεις: με E = γv m H nnσ = γq m th n n σ όπου γ ειδικό βάρος του νερού και n σ βαθμός αποδόσεως του στροβίλου.

23 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΙΣΧΥΣ Από τον ορισμό της ισχύος προκύπτει: I = de dt = γqmh nn σ και με αντικατάσταση της τιμής του ειδικού βάρους του νερού στο SI σύστημα μονάδων γ = Nt/m 3 : I I = 9810Q = 9.81Q m m H H n n σ n n σ w kw

24 Ολικό θεωρητικό υδροδυναμικό είναι η συνολική μέση ενέργεια που μπορεί να παραχθεί σε μια περιοχή (υδρολογική λεκάνη) με τις εξής προϋποθέσεις: χωρίς να υπολογισθούν οι απώλειες λόγω εξατμίσεως το ωφέλιμο φορτίο υπολογίζεται με σύστημα αναφοράς τον τελικό αποδέκτη (συνήθως τη θάλασσα) υποτίθεται συνεχής λειτουργία του υποτιθέμενου υδροδυναμικού έργου και με συντελεστή απόδοσης 100%. Αν θεωρηθεί ότι η μέση ετήσια παροχή είναι Q m, το ολικό ύψος πτώσεως μεταξύ της λεκάνης απορροής και της ελάχιστης επιφάνειας αναφοράς (συνήθως της θάλασσας) Η m και ο βαθμός απόδοσης των εγκαταστάσεων 100% χωρίς να ληφθούν υπόψη απώλειες όπως εξάτμιση, διαρροές ταμιευτήρων κ.τ.λ. η ισχύς του συστήματος είναι: I θ =.81 ( Q H m ) 9 m kw

25 Ολικό θεωρητικό υδροδυναμικό Η παραγομένη ενέργεια ετησίως είναι: Eθ = 8760I θ kwh Επειδή Q m = V m /(8760*3600) E θ = V m H m 367 kwh Tο θεωρητικό υδροδυναμικό της Ελλάδας είναι περίπου 84 Twh.

26 Τεχνικώς εκμεταλλεύσιμο δυναμικό προκύπτει από το ολικό θεωρητικό υδροδυναμικό αν αφαιρεθούν οι απώλειες στις λεκάνες απορροής και στην υδροδυναμική εγκατάσταση καθώς και το υδροδυναμικό μικρών παραποτάμων που δεν είναι εύκολο να αξιοποιηθούν. Για τα υδατορρεύματα της Ελλάδας ισχύει: E ( )E T ϑ

27 Οικονομικώς εκμεταλλεύσιμο δυναμικό είναι το τεχνικώς εκμεταλλεύσιμο δυναμικό το οποίο είναι δυνατόν να πραγματοποιηθεί με την κατασκευή των αντιστοίχων έργων εφ όσον η δαπάνη κατασκευής των έργων αυτών είναι οικονομικά συμφέρουσα. Η σκοπιμότητα κατασκευής μιας υδροδυναμικής εγκατάστασης εξαρτάται από το συνολικό κόστος παραγωγής ενέργειας σε σχέση με εναλλακτικές μορφές παραγωγής ισοδύναμης ενέργειας όπως θερμοηλεκτρικής ή πυρηνικής. Η σχέση οικονομικώς εκμεταλλεύσιμου δυναμικού και τεχνικώς εκμεταλλεύσιμου ή ολικού θεωρητικού δυναμικού είναι: E ( )E ( )E 0 T θ

28 ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΟ (GWh) Ολικό Θεωρητικό Υδροδυναμικό Τεχνικά Εκμεταλλεύσιμο Οικονομικά Εκμεταλλεύσιμο Παραγωγιμότητα το 1995 (μέσο έτος) Παραγωγιμότητα το 003 (υγρό έτος) Αξιοποίηση Υδροδυναμικού 3 % Συνολική Καθαρή Παραγωγή το Ποσοστό Παραγωγής από ΥΗΕ το 003 9,7 %

29

30

31

32 Υδροηλεκτρικός Σταθμός Ν. Πλαστήρα

33 Υδροηλεκτρικός Σταθμός ΠΟΥΡΝΑΡΙ I

34 Υδροηλεκτρικός Σταθμός Θησαυρού, Ποταμός Νέστος

35 Υδροηλεκτρικός Σταθμός Πλατανόβρυσης

36 Υδροηλεκτρικός Σταθμός Κρεμαστών, Ποταμός Αχελώος, Τεχνητή λίμνη

37 Υδροηλεκτρικός Σταθμός Ασωμάτων, Ποταμός Αλιάκμονας, Άποψη από αέρα

38 Υδροηλεκτρικός Σταθμός Σφηκιάς, Ποταμός Αλιάκμονας, Τεχνητή λίμνη

39 Κατασκευή σύραγγας εκτροπής, Υδροηλεκτρικός Σταθμός Κρεμαστών, 196

40 Αποπεράτωση αγωγού υδροληψίας στον Υδροηλεκτρικό Σταθμό Άγρας

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 1. Ωφέλιμο ύψος πτώσεως και ισχύς υδροηλεκτρικής εγκαταστάσεως Για μία υδροηλεκτρική εγκατάσταση 3 μονάδων δίνονται τα παρακάτω στοιχεία : Μήκος αγωγού πτώσεως: L = 39 m Παροχή ανά μονάδα : Q = 167 m 3 /s Διάμετρος αγωγού πτώσεως : D =7 m Συντελεστής τραχύτητας κατά Manning του αγωγού: n = 0,01 Συντελεστής απωλειών εισόδου : Κ Ε = 0,15 Στάθμες ταμιευτήρα : H H H R max Rnorm R min = 10 = 110 = 100 m m m

53 Στάθμη πυθμένος διώρυγας φυγής : Υδραυλικά στοιχεία διώρυγας φυγής : b = 60 m S 0 = 0,0005 n = 0,00 Q = 3*167= 501 m m = 1,5 3 /sec Η 0 = 40,5 m

54 Ο αγωγός εξόδου κάθε μονάδος εκβάλει στο μεταβατικό τμήμα με δυο στόμια διαστάσεων 6,80 m πλάτος και 6,0 m ύψος το καθένα. Το πλάτος διατομής εξόδου είναι Β =54 m, ηκλίσητου πυθμένος στο μεταβατικό τμήμα είναι -1/6 ενώ το μήκος του είναι L = 69 m. Τέλος ο συντελεστής απόδοσης των υδροστροβίλων είναι n = 0,81.

55 Ζητείται να υπολογισθεί : 1.Το ολικό ύψος πτώσεως για τις τρεις στάθμες του ταμιευτήρα..το ωφέλιμο ύψος πτώσεως για τις τρεις στάθμες του ταμιευτήρα. 3.Η ισχύς των μονάδων του Υ/Η Σταθμού. 4.Η ενέργεια που παράγεται ετησίως για t = 000 h/έτος σε GWh και Hph.

56 ΛΥΣΗ 1.Το ολικό ύψος πτώσεως για τις τρεις στάθμες του ταμιευτήρα. Σύμφωνα με τον ορισμό του ολικού φορτίου προκύπτει : H max = H Rmax -H = 10-40,5 = 0 79,50 m H norm =H Rnorm H 0 = ,5 = 69,50 m H min = H Rmin - H = ,5 = 0 59,50 m

57 . Ωφέλιμο ύψος πτώσεως Η n = H R - Δh E - Δh L - Δh A - Δh 3, 4 -H 4 όπου Δh E : απώλειες εισόδου στη σήραγγα Δh L : γραμμικές απώλειες στη σήραγγα Δh A : απώλειες εξόδου στο τμήμα προσαρμογής Δh 3,4 : απώλειες στο τμήμα προσαρμογής H 4 : ύψος της γραμμής ενέργειας στη διατομή (4)

58 Η n = H R - Δh E - Δh L - Δh A - Δh 3, 4 -H 4 Δh E = K E V g Q 167 V = = = 4,339m / A (7 π ) / 4 s V 4,339 ΔhE = KE = 0,15* = 0, 14 g *9,81 m Ο τύπος του Manning για κλειστούς αγωγούς όπου η υδραυλική ακτίνα R=D/4 λαμβάνει την μορφή : Δ n V h L = 4 / 3 ( D / 4) L (0,01) (4,339) Δh L = *39= 0, 5 4 / 3 (7/4) m

59 Η n = H R - Δh E - Δh L - Δh A - Δh 3, 4 -H 4 Οι απώλειες εξόδου στο τμήμα προσαρμογής δίνονται από την εξίσωση: όπου V 3 ταχύτητα εξόδου στη διατομή (3) και Α 3, Α 3 εμβαδά διατομών ανάντη και κατάντη της διατομής (3). Το εμβαδόν της τραπεζοειδούς διατομής Α 3 δίνεται από την εξίσωση : A ( ) 3 = y3 B + my3 όπου y 3 είναι το βάθος νερού στη διατομή Α 3. Δ h A V3 A3 = (1 ) g A 3

60 Η n = H R - Δh E - Δh L - Δh A - Δh 3, 4 -H 4 f 3 + Οι απώλειες στο τμήμα συναρμογής Δh 3,4 3,4 δίνονται κατά προσέγγιση από την εξίσωση: όπου S f3, S f4 οι κλίσεις της γραμμής ενέργειας στις διατομές (3)(κατάντη ) και (4) δίνονται από τον τύπο του Manning : S f = n V R 4 / 3 Δh = S S f 4 L 3,4 Για να υπολογισθεί η S f3 καθώς και η A 3 πρέπει να είναι γνωστό το βάθος y 3 στη θέση (3) (κατάντη). Το y 3 θα βρεθεί με την μέθοδο των διαδοχικών προσεγγίσεων. Για μια πρώτη προσέγγιση γίνεται δεκτό ότι V 3 = 0 δεδομένου ότι η υγρή διατομή Α 3 κατάντη της (3) είναι πολύ μεγαλύτερη της Α 3.

61 Η n = H R - Δh E - Δh L - Δh A - Δh 3, 4 -H 4 Σε κάθε διατομή το ολικό φορτίο δίνεται: H = ολικό φορτίο z = στάθμη πυθμένα y = βάθος ροής V = μέση ταχύτητα ροής Σύμφωνα με την αρχή διατηρήσεως ενέργειας : Δh 3,4 = γραμμικές απώλειες στο τμήμα (3,4) h m = συγκεντρωμένες απώλειες στο (3,4) g V y z H + + = g V y z H = g V y L z g V y z H , = + + = h m h H H + + Δ = 4 3, 4 3 3, , h g V y L z g V y z Δ = + +

62 Η n = H R - Δh E - Δh L - Δh A - Δh 3, 4 -H 4 z 3 + y 3 3 V + g = z 3 + L 3,4 6 + y 4 V4 + g + Δh 3,4 Σε πρώτη προσέγγιση V 3 =0 Το y 4 είναι το ομοιόμορφο βάθος στη διώρυγα φυγής και προσδιορίζεται από τον τύπο του Manning Q = AR / 3 n S 1/ 0 Eπειδή το βάθος δε μπορεί να προκύψει ως ρητή έκφραση της παροχής Q υπολογίζεται με δοκιμές ή με τη λεγόμενη γραφοαναλυτική μέθοδο ως εξής: Υπολογίζονται οι παροχές Q συναρτήσει διαφόρων τιμών του βάθους y και σχηματίζεται ένας πίνακας ζευγών Q - y (Πιν. 1) ο οποίος παρίσταται γραφικά.

63 Η n = H R - Δh E - Δh L - Δh A - Δh 3, 4 -H 4 α/α y(m) A(m ) P(m) R(m) R /3 Q(m 3 /sec) 1,00 16,00 67,1 1,87 1,5 14,10 3,00 193,50 70,8,43 1,95 41,70 3 3,50 8,38 7,6 3,14,14 546,40 AR Q = / 3 n S 1/ 0 A ( ) 3 = y3 B + my3 ΣΧΗΜΑ 3 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΟ Υ ΒΑΘΟΥΣ ΝΕΡΟ Υ ΜΕ ΤΗ ΓΡΑΦΟ ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΜΕΘΟ ΔΟ 4 3 Yo(m) Q(m^3/s) Από το σχήμα προκύπτει ότι για Q = 501 m 3 /sec y 4 = 3,3m οπότε V 4 =,33 m/s.

64 Η n = H R - Δh E - Δh L - Δh A - Δh 3, 4 -H 4 Q = AR / 3 n S 1/ 0 Εναλλακτικός τρόπος εύρεσης ομοιόμορφου βάθους ροής με τη χρήση του Excel.

65 Η n = H R - Δh E - Δh L - Δh A - Δh 3, 4 - H 4 z 3 + y 3 3 V + g = z 3 + L 3,4 6 + y 4 V4 + g + Δh 3,4 Δh 3,4 = S f 3 + S f 4 L 3,4 δεδομένου ότι S f3 =0και S f4 = S 0 = 0,0005 προκύπτει : (1) 69, ,0005 y3 = + 3,3 + + *69 = 15, 1 6 *9,81 m η ανακύκλωση Σύμφωνα με τη διορθωμένη τιμή y 3 υπολογίζονται τα μεγέθη που θα χρησιμοποιηθούν στη η ανακύκλωση : A ( ) 3 y3 B + my3 (1)' = A 3 = ( ,5*15,1)*15,1 = 1159, 40 m

66 Η n = H R - Δh E - Δh L - Δh A - Δh 3, 4 - H 4 z 3 + y 3 3 V + g = z 3 + L 3,4 6 + y 4 V4 + g + Δh 3,4 Για την τραπεζοειδή διατομή (3) (1) P = 54 + (1 + 1,5 ) *15.1 = 108, 5 m R (1) A = = 10,68 P () n V3 0,0 *0,43 = S f 3 = = = 0, R 4 / 3 4 / 3 10,68 () Q 501 V 3 = = 0,43m / s (1) A 1159,4 S () f 3 + S f 4 0, ,005 S f 4 = S 0 = 0,0005 Δh3,4 = L3,4 = 69 = 0, 0 y () 3 L ( ) 3,4 V4 V3 () () = + y4 + + Δh3,4 y 15, 13m 6 g g 3 = Επειδή η διαφορά μεταξύ δύο διαδοχικών ανακυκλώσεων () (1) y y = 15,13 15,1 = 0,01 0 η y 3 θεωρείται τελική 3 3

67 Η n = H R - Δh E - Δh L - Δh A - Δh 3, 4 - H 4 V3 A3 Δh A = (1 ) g A3 Για την τραπεζοειδή διατομή (3) A ( = m 3 = ,13*1,5)15, , 4 Από τα δεδομένα στην έξοδο από τους υδροστρόβιλους στο μεταβατικό τμήμα (6 ορθoγώνια διαστάσεων 6.8 x 6. m) προκύπτει : Q 3*167 A 3 =6*6,8*6,=5,96 m 1,98 5,96 Δh A = (1 ) = 0, 1m * 9, ,4 Με σύστημα αναφοράς τη στάθμη της θάλασσας έχουμε: V4,33 H 4 = z0 + y4 + = 40,5 + 3,3 + = g *9,81 V 3 = = = 1,98 m / s A 5, ,1

68 Ωφέλιμο ύψος πτώσεως Η n = H R - Δh E - Δh L - Δh A - Δh 3, 4 -H 4 H nmax = 10-0,14-0,5-0, ,1 = 75,1 m H nnorm = 110-0,14-0,5-0, ,1 = 65,1 m H nmin = 100-0,14-0,5-0, ,1 = 55,1 m

69 3. Η ισχύς των μονάδων του σταθμού είναι : I=9,81*Q*H n *n I = 9,81*501*65,1*0,81=594 Kw 1.4. Παραγόμενη ετήσια ενέργεια : E=I*t Οπότε : E = 594*000 = 518,485*10 6 Kwh = Gwh =518,485/735,75 = 704,703*10 6 Hph (1 kw = hp)