Υδροηλεκτρικά Έργα 8ο εξάμηνο Σχολής Πολιτικών Μηχανικών Γενική διάταξη Υ/Η έργων Ανδρέας Ευστρατιάδης, Νίκος Μαμάσης & Δημήτρης Κουτσογιάννης Τομέας Υδατικών Πόρων & Περιβάλλοντος, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Ακαδημαϊκό έτος 2014-15
Κύριες συνιστώσες (μεγάλου) Υ/Η έργου Στάθμη ανάντη Ταμιευτήρας Ολικό ύψος πτώσης (gross head) ΥΗΣ Γεννήτρια (generator) Δίκτυο υψηλής τάσης Υδροληψία (intake) Φράγμα Αγωγός πτώσης (penstoke) Θεμελιώδης σχέση: Ρ = η γ Q H n όπου P η παραγόμενη ισχύς, η ο βαθμός απόδοσης του ΥΗΣ, γ το ειδικό βάρος του νερού, Q η παροχή που διέρχεται από τους στροβίλους, και H n το καθαρό ύψος πτώσης Αγωγός φυγής (draft tube) Στρόβιλος (turbine) Διώρυγα φυγής (tailrace) Μετασχηματιστής (transformer) Στάθμη κατάντη Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Γενική διάταξη υδροηλεκτρικών έργων 2
Παράδειγμα: Γενική διάταξη έργων Καστρακίου Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Γενική διάταξη υδροηλεκτρικών έργων 3
Κατηγοριοποίηση Υ/Η έργων (1) Με βάση την εγκατεστημένη ισχύ: Μικρά έργα, για Ρ < 15 ΜW (όριο που εφαρμόζεται τώρα και στην Ελλάδα σε άλλες χώρες εφαρμόζονται επίσης όρια από 5 έως 15 ΜW) Επιπλέον κατηγοριοποίηση, με βάση τα όρια των 100 kw (mini) και 1 MW (micro) Μεγάλα έργα, για Ρ > 15 ΜW Με βάση το ύψος πτώσης: Έργα μικρού ύψους, για Η < 30 m Έργα μεσαίου ύψους, για 30 < Η < 200-300 m Έργα μεγάλου ύψους, για Η > 200-300 m Με βάση τη θέση του Υ/Η σταθμού: Σταθμός στον πόδα του φράγματος ή σε κοντινή θέση Σταθμός σε κατάντη θέση, μακριά από το φράγμα Σταθμός σε γειτονική λεκάνη, για αξιοποίηση της υψομετρικής διαφοράς με τη λεκάνη του φράγματος (έργο εκτροπής) Με βάση τον τύπο των στροβίλων: Στρόβιλοι δράσης (εκροή στην ατμόσφαιρα) Στρόβιλοι αντίδρασης (ροή υπό πίεση) Αντλιοστρόβιλοι (αντιστρεπτή λειτουργία, δηλ. άντληση-ταμίευση) Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Γενική διάταξη υδροηλεκτρικών έργων 4
Κατηγοριοποίηση Υ/Η έργων (2) Με βάση τη χωρητικότητα του ταμιευτήρα: Με ταμιευτήρα μεγάλης ωφέλιμης χωρητικότητας, που εξασφαλίζει υπερετήσια ή εποχιακή ρύθμιση των εισροών, επιτρέποντας σημαντική διακύμανση της στάθμης Με ταμιευτήρα μικρής ρυθμιστικής ικανότητας (ο ταμιευτήρας δημιουργεί το αναγκαίο ύψος πτώσης, ενώ η στάθμη του διατηρείται πρακτικά σταθερή) Χωρίς ταμιευτήρα (run-of-river), με αξιοποίηση μέρους της ροής του ποταμού (αναφέρονται κυρίως ως μικρά υδροηλεκτρικά έργα, ΜΥΗΕ) Με βάση τη χρονική κατανομή της παραγόμενης ενέργειας: Έργα βάσης (συνεχής λειτουργία στροβίλων) Έργα αιχμής (λειτουργία στροβίλων τις ώρες αιχμής της ενεργειακής ζήτησης) Έργα αντιστρεπτής λειτουργίας (παραγωγή ενέργειας τις ώρες αιχμής της ζήτησης, άντληση τις ώρες περίσσειας ηλεκτρικής ενέργειας από άλλες πηγές, π.χ. ΑΠΕ) Με βάση τη διάταξη του ταμιευτήρα: Μεμονωμένα έργο Έργο ενταγμένο σε σύστημα ταμιευτήρων (υδροσύστημα) Με βάση τις χρήσεις νερού του ταμιευτήρα: Έργα απλού σκοπού (αποκλειστική λειτουργία για παραγωγή Υ/Η ενέργειας) Έργα πολλαπλού σκοπού (αξιοποίηση του νερού για άρδευση, ύδρευση, κτλ.) Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Γενική διάταξη υδροηλεκτρικών έργων 5
Παράδειγμα: Σύστημα Υ/Η έργων Αχελώου Πλαστήρας Κρεμαστά Καστράκι Στράτος Μεσοχώρα Μεσοχώρα Συκιά (υπό κατασκευή) Κρεμαστά Καστράκι Στράτος Πλαστήρας Έκταση λεκάνης απορροής (km 2 ) Μέση ετήσια απορροή (hm 3 ) Ύψος φράγματος (m) Ωφέλιμη χωρητικότητα (hm 3 ) Ελάχιστη στάθμη λειτουργίας (m) Μέγιστη στάθμη λειτουργίας (m) Μέγιστο ύψος πτώσης (m) Σταθμός παραγωγής Τύπος στροβίλων Εγκατεστημένη ισχύς (MW) Λοιπές χρήσεις νερού 161 3570 4118 4320 633 167 3600 3950 4110 730 83 160 96 26 135 286 2800 90 10 225 776.0 227.0 142.0 67.0 731.0 792.0 282.0 144.2 68.6 770.0 577.0 136.0 76.0 37.0 220.0 Εκτός λεκάνης Κοντά στο φράγμα Κοντά στο φράγμα Υπόγειος 7.5 km κατάντη Pelton Francis Francis Francis Francis 343= 129 Άρδευση, ύδρευση, αναψυχή 4109= 436 480= 420 Ύδρευση 275=150 23=6 Άρδευση, αναψυχή 281= 162 Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Γενική διάταξη υδροηλεκτρικών έργων 6
Φράγμα (dam) Τεχνικό έργο που κατασκευάζεται στην κοίτη του ποταμού και «εδράζεται» στα πρανή της κοιλάδας (αντερείσματα), με σκοπό τη ρύθμιση της ροής του και τη δημιουργία αποθηκευτικού χώρου (ταμιευτήρας) και τεχνητής υψομετρικής διαφοράς. Χαρακτηριστικό μέγεθος ενός φράγματος είναι το ύψος (μετράται από τη θεμελίωση), που καθορίζει το μέγεθος του ταμιευτήρα που μπορεί να δημιουργηθεί ανάντη. Το ύψος του φράγματος προκύπτει αφήνοντας μια απόσταση ασφαλείας (ελεύθερο ύψος) πάνω από την ανώτατη στάθμη πλημμύρας, που αναμένεται να εμφανιστεί κατά τη διόδευση της πλημμύρας σχεδιασμού μέσω του υπερχειλιστή. Βασικά επιμέρους έργα ενός φράγματος: Σήραγγα ή διώρυγα ή αγωγός εκτροπής (προσωρινό έργο, κατά την κατασκευή) Εκκενωτής πυθμένα (έργο ασφαλείας) Υδροληψία (έργο συνεχούς λειτουργίας) Υπερχειλιστής (έργο ασφαλείας) Συνηθέστεροι τύποι φραγμάτων: Βαρύτητας (σκυροδέματος, κυλινδρούμενου σκληρού επιχώματος - RCC, κτλ.) Αντιρρηδωτά Τοξωτά (εξ ορισμού από σκυρόδεμα) Γαιοφράγματα, χωμάτινα ή λιθόρριπτα (με κεντρικό ή ασφαλτικό πυρήνα, με ανάντη πλάκα σκυροδέματος - ΛΑΠΣ, ασφαλτική μεμβράνη, γεωμεμβράνη, κτλ.) Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Γενική διάταξη υδροηλεκτρικών έργων 7
Υπερχειλιστής-εκχειλιστής (spillway) Επειδή δεν είναι επιτρεπτή η υπερπήδηση του φράγματος, κατασκευάζεται πάντοτε ένα έργο υπερχείλισης χαμηλότερα από τη στέψη του φράγματος, που μπορεί να διοχετεύσει με ασφάλεια πλημμύρες εξαιρετικά μεγάλης περιόδου επαναφοράς. Διακρίνονται δύο τύποι υπερχειλιστών: Ελεύθεροι υπερχειλιστές Εκχειλιστές (ρύθμιση της ροής με θυροφράγματα) Στα μεγάλα Υ/Η έργα, η λειτουργία του εκχειλιστή ελέγχεται μέσω θυροφραγμάτων, που τουλάχιστον σε περιόδους χαμηλών εισροών (π.χ. Απρίλιος-Σεπτέμβριος) διατηρούνται κλειστά ώστε να αυξηθούν η χωρητικότητα του ταμιευτήρα και το διαθέσιμο ύψος πτώσης. Ανάλογα με τη θέση τοποθέτησης: Μετωπικοί (πάνω στο φράγμα ή σε αντέρεισμα) Πλευρικοί (σε αντέρεισμα) Πλευρικής διώρυγας Φρεατοειδείς (σε σήραγγα) Σιφωνοειδείς (συνήθως σε ΜΥΗΕ) Στο πέρας του υπερχειλιστή συνήθως διαμορφώνεται λεκάνη ηρεμίας-αποτόνωσης για την καταστροφή της ενέργειας της πλημμύρας (διαφορετικά υπάρχει κίνδυνος έντονης διάβρωσης και υποσκαφής του φράγματος). Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Γενική διάταξη υδροηλεκτρικών έργων 8
Παράδειγμα: Φράγμα Καστρακίου Στέψη πλευρικού υπερχειλιστή Διώρυγα πλευρικού υπερχειλιστή Φράγμα από αμμοχάλικο με αργιλικό πυρήνα, ύψους 96 m Σταθμός παραγωγής Αγωγοί πτώσης Υδροληψίες Υποσταθμός Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Γενική διάταξη υδροηλεκτρικών έργων 9
Παραδείγματα τύπων Υ/Η φραγμάτων στην Ελλάδα Λάδωνα (1955, αντιρρηδωτό) Ταυρωπού (1959, τοξωτό) Πλατανόβρυσης (1998, RCC) Μεσοχώρας (2009, ΛΑΠΣ) Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Γενική διάταξη υδροηλεκτρικών έργων 10
Λεκάνη απορροής (river basin) Ορίζεται χαράσσοντας τον υδροκρίτη ανάντη της θέσης του φράγματος ή της υδροληψίας (για μεγάλα και μικρά Υ/Η έργα, αντίστοιχα). Ανάλογα με το μέγεθος του έργου ταμίευσης, είναι δυνατή η αξιοποίηση μεγάλου ή μικρού τμήματος της απορροής που παράγεται στη λεκάνη. Ακόμα και σε μεγάλα Υ/Η έργα, δεν είναι δυνατή η αξιοποίηση του συνόλου της απορροής, λόγω των απωλειών από τον ταμιευτήρα (εξάτμιση, υπερχείλιση, διαφυγές). Η παραγωγή της απορροής εξαρτάται από τις υδροκλιματικές συνθήκες και τα φυσιογραφικά χαρακτηριστικά της λεκάνης, που είναι: μορφολογία (γεωμετρία, ανάγλυφο, υδρογραφικό δίκτυο) εδαφολογικά χαρακτηριστικά (υδατοπερατότητα, υδραυλική αγωγιμότητα, χημική σύσταση) χρήσεις γης και φυτοκάλυψη Υδροκρίτης λεκάνης Φράγμα Λεκάνη έκτασης 161.3 km 2, μέσου υψομέτρου 1459 m, και μέσης ετήσιας απορροής 147 hm 3 Ταμιευτήρας Λεκάνη απορροής ανάντη φράγματος Πλαστήρα Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Γενική διάταξη υδροηλεκτρικών έργων 11
Ταμιευτήρας (reservoir) Χαρακτηριστικές στάθμες: Ελάχιστη στάθμη (βαθύτερο σημείο, συνήθως στον πόδα του φράγματος) Ελάχιστη στάθμη λειτουργίας, ΕΣΛ (εξαρτάται από την στάθμη της υδροληψίας) Στάθμη υπερχείλισης (ανοιχτά θυροφράγματα) Ανώτατη στάθμη λειτουργίας, ΑΣΛ (κλειστά θυροφράγματα) Μέγιστη στάθμη πλημμύρας Χαρακτηριστικοί όγκοι: Νεκρός όγκος (αντιστοιχεί στην ΕΣΛ, για αποθήκευση των φερτών) Συνολική χωρητικότητα Ωφέλιμη χωρητικότητα (απόθεμα νερού μεταξύ της ΕΣΛ και της ΑΣΛ) Χαρακτηριστικές καμπύλες: Καμπύλη στάθμης-επιφάνειας Καμπύλη στάθμης-όγκου Η ρυθμιστική ικανότητα του ταμιευτήρα εξαρτάται από τον λόγο της ωφέλιμης χωρητικότητας, V Ω, προς τη μέση ετήσια εισροή, Ι Ε : Υπερετήσια ρύθμιση, για V Ω / Ι Ε > 1 Εποχιακή ρύθμιση, για V Ω / Ι Ε 1 Ημερήσια ή εβδομαδιαία ρύθμιση, για V Ω / Ι Ε << 1 Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Γενική διάταξη υδροηλεκτρικών έργων 12
Μεταβλητές υδατικού ισοζυγίου ταμιευτήρα Πλαστήρα Plastiras runoff 60 50 40 mm 30 20 10 0 Plastiras runoff mm Ιαν 1962 Ιαν 1963 Ιαν 1964 Ιαν 1965 Ιαν 1966 Ιαν 1967 Ιαν 1968 Ιαν 1969 Ιαν 1970 Ιαν 1971 Ιαν 1972 Ιαν 1973 Ιαν 1974 Ιαν 1975 Ιαν 1976 Ιαν 1977 Ιαν 1978 Ιαν 1979 Ιαν 1980 Ιαν 1981 Ιαν 1982 Ιαν 1983 Ιαν 1984 Ιαν 1985 Ιαν 1986 Ιαν 1987 Ιαν 1988 Ιαν 1989 Ιαν 1990 Ιαν 1991 Ιαν 1992 Ιαν 1993 Ιαν 1994 Ιαν 1995 Ιαν 1996 Ιαν 1997 Ιαν 1998 Ιαν 1999 Ιαν 2000 Ιαν 2001 Ιαν 2002 Ιαν 2003 Ιαν 2004 Ιαν 2005 Ιαν 2006 Ιαν 2007 Ιαν 2008 Ιαν 2009 Ιαν 2010 Series1 790 Ιαν 1962 Ιαν 1963 Ιαν 1964 Ιαν 1965 Ιαν 1966 Ιαν 1967 Ιαν 1968 Ιαν 1969 Ιαν 1970 Ιαν 1971 Ιαν 1972 Ιαν 1973 Ιαν 1974 Ιαν 1975 Ιαν 1976 Ιαν 1977 788 786 784 782 780 778 776 Ιαν 1962 Ιαν 1963 Ιαν 1964 Ιαν 1965 Ιαν 1966 Ιαν 1967 Ιαν 1968 Ιαν 1969 Ιαν 1970 Ιαν 1971 Ιαν 1972 Ιαν 1973 Ιαν 1974 Ιαν 1975 Ιαν 1976 Ιαν 1977 Ιαν 1978 Ιαν 1979 Ιαν 1980 Ιαν 1981 Ιαν 1982 Ιαν 1983 Ιαν 1984 Ιαν 1985 Ιαν 1986 Ιαν 1987 Ιαν 1988 Ιαν 1989 Ιαν 1990 Ιαν 1991 Ιαν 1992 Ιαν 1993 Ιαν 1994 Ιαν 1995 Ιαν 1996 Ιαν 1997 Ιαν 1998 Ιαν 1999 Ιαν 2000 Ιαν 2001 Ιαν 2002 Ιαν 2003 Ιαν 2004 Ιαν 2005 Ιαν 2006 Ιαν 2007 Ιαν 2008 Ιαν 2009 Ιαν 2010 Ιαν 1978 Ιαν 1979 Ιαν 1980 Ιαν 1981 Ιαν 1982 Ιαν 1983 Στάθμη (m) Εκροές (hm 3 ) Εισροές (hm 3 ) 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 Ιαν 1984 Ιαν 1985 Ιαν 1986 Ιαν 1987 Ιαν 1988 Ιαν 1989 Ιαν 1990 Ιαν 1991 Ιαν 1992 Ιαν 1993 Ιαν 1994 Ιαν 1995 Ιαν 1996 Ιαν 1997 Ιαν 1998 Ιαν 1999 Ιαν 2000 Ιαν 2001 Ιαν 2002 Ιαν 2003 Ιαν 2004 Ιαν 2005 Ιαν 2006 Ιαν 2007 Ιαν 2008 Ιαν 2009 Ιαν 2010 Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Γενική διάταξη υδροηλεκτρικών έργων 13
Υδροληψία (intake) Τεχνικό έργο εισόδου του νερού, σε ανοιχτό ή κλειστό αγωγό, που περιλαμβάνει: εσχάρες (trash racks), κατάλληλου ανοίγματος και κλίσης, που εμποδίζουν την είσοδο επιπλεόντων αντικειμένων δεξαμενή καθίζησης των φερτών (σε ΜΥΗΕ, με μείωση της ταχύτητας του νερού) διάταξη προστασίας για απομάκρυνση των ψαριών εξοπλισμό ρύθμισης της ροής μηχανισμό καθαρισμού θυροφράγματα ασφαλείας (π.χ. για τη συντήρηση της υδροληψίας) Διακρίνονται δύο τύποι, κατάλληλες για ΜΥΗΕ και ταμιευτήρες, αντίστοιχα: Επιφανειακές υδροληψίες, στις οποίες η παροχή ρυθμίζεται από το υδραυλικό φορτίο (ύψος νερού πάνω από το στόμιο της υδροληψίας) Βυθισμένες υδροληψίες, στις οποίες η παροχή ρυθμίζεται από τον χρήστη με κατάλληλο μηχανισμό (π.χ., δικλίδες, θυροφράγµατα) Σε υδροληψίες υδροηλεκτρικών έργων, η παροχή ελέγχεται µε τα ρυθμιστικά πτερύγια του υδροστροβίλου. Για την μείωση των τοπικών απωλειών ενέργειας, σχεδιάζεται ένα μεταβατικό τμήμα (συναρμογή) μεταξύ του ορθογωνικού ανοίγματος της υδροληψίας και του κυκλικού αγωγού πτώσης, με σταδιακή μείωση της διατομής. Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Γενική διάταξη υδροηλεκτρικών έργων 14
Παραδείγματα υδροληψιών σε μεγάλα ΥΗΕ Τομή υδροληψίας ΥΗΕ Κρεμαστών Κατασκευή υδροληψίας ΥΗΕ Στράτου Εσχάρες Δοκοί έμφραξης Θυρόφραγμα ασφαλείας Συναρμογή Αγωγός προσαγωγής ΥΗΕ Καστρακίου Διάταξη εσχαρών και μηχανισμοί θυροφραγμάτων Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Γενική διάταξη υδροηλεκτρικών έργων 15
Διώρυγα προσαγωγής και δεξαμενή φόρτισης Σε μικρά ΥΗΕ, προκειμένου να επιτευχθεί μείωση του κόστους, ο αγωγός πτώσης δεν ξεκινά από την υδροληψία αλλά από μια δεξαμενή φόρτισης (forebay) κοντά στη θέση του σταθμού παραγωγής, στην οποία το νερό οδηγείται μέσω διώρυγας (εφόσον το επιτρέπει η τοπογραφία). Γενικά, το κόστος κατασκευής μιας τυπικής διώρυγας είναι το 1/3 ως 1/2 του κόστους του αγωγού προσαγωγής. MYHE Θερμορέματος MYHE Κρύας Βρύσης Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Γενική διάταξη υδροηλεκτρικών έργων 16
Αγωγός προσαγωγής ή πτώσης (penstoke) Ένας ή περισσότεροι αγωγοί, που μεταφέρουν νερό υπό πίεση από την υδροληψία ή τη δεξαμενή ανάπαλσης μέχρι στους στροβίλους (καλούνται και αγωγοί προσαγωγής). Για μεγάλες Υ/Η μονάδες και μεγάλες παροχές, το πλήθος των αγωγών ισούται με το πλήθος των στροβίλων (δαπανηρή διάταξη), διαφορετικά διαμορφώνεται ένας αγωγός με διακλαδώσεις στο πέρας του (αυξημένες απώλειες ενέργειας). Διάταξη αγωγών προσαγωγής-πτώσης: Μέσα στο σώμα του φράγματος, για φράγματα σκυροδέματος, στα οποία ο σταθμός παραγωγής βρίσκεται στον πόδα του φράγματος Αγωγοί υπαίθριοι (απότομα πρανή, απαιτείται στήριξη σε βάθρα και αγκύρωση), επιφανειακοί σε τάφρο (ήπια πρανή), ή υπόγειοι σε σήραγγα, με ή χωρίς μεταλλική επένδυση, για χωμάτινα ή λιθόρριπτα φράγματα Υλικά: χάλυβας, σκυρόδεμα, ενισχυμένο πλαστικό, βράχος (σήραγγες). Τύποι φορτίσεων: υδροστατικές πιέσεις, υδραυλικό πλήγμα, θερμοκρασιακές μεταβολές (υπαίθριοι αγωγοί), φορτία επιχώματος, σεισμικά φορτία Γενικές αρχές σχεδιασμού: Μέγιστη ταχύτητα 4-5 m/s (νερό με σημαντική συγκέντρωση φερτών) Τυπική τιμή κλίσης ενέργειας 5% (εμπειρικό όριο για αρχική επιλογή διαμέτρου) Η διαστασιολόγηση είναι πρόβλημα οικονομικής βελτιστοποίησης. Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Γενική διάταξη υδροηλεκτρικών έργων 17
Παραδείγματα αγωγών προσαγωγής-πτώσης Αγωγός ΥΗΣ Πλαστήρα (Η = 577 m) Αγωγοί ΥΗΣ Καστρακίου (Η = 76 m) Σήραγγα προσαγωγής ΥΗΣ Κρεμαστών (Η = 136 m) Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Γενική διάταξη υδροηλεκτρικών έργων 18
Δεξαμενή ή πύργος ανάπαλσης (surge tank) Εφαρμόζεται σε μεσαίου και μεγάλου ύψους Η/Υ έργα, εφόσον ο ταμιευτήρας βρίσκεται σε μεγάλη απόσταση από τον σταθμό παραγωγής, ειδικότερα όταν το μήκος του αγωγού προσαγωγής/πτώσης είναι τουλάχιστον πενταπλάσιο του ολικού ύψους πτώσης. Η δεξαμενή (ή πύργος) τοποθετείται στην είσοδο του αγωγού πτώσης με σκοπό την εκτόνωση των πιέσεων λόγω υδραυλικού πλήγματος. Η δεξαμενή ανάπαλσης διαθέτει νερό στον αγωγό πτώσης, όταν ο στρόβιλος ανοίγει τα ρυθμιστικά πτερύγια, και συνεπώς απαιτεί μεγαλύτερη παροχή, και αντίστροφα αποθηκεύει νερό όταν κλείνει ο στρόβιλος και μηδενίζεται η παροχή. Ακόμη, παραλαμβάνει τις ταλαντώσεις που οφείλονται σε φαινόμενα υδραυλικού πλήγματος στον αγωγό πτώσης, κατά το άνοιγμα ή κλείσιμο του στροβίλου (συνεπώς, απαιτεί ικανή χωρητικότητα, ώστε κατά την εμφάνιση του πλήγματος να μη γίνεται υπερχείλιση). Αγωγός πτώσης και πύργος ανάπαλσης ΥΗΣ Isawa (Ιαπωνία) Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Γενική διάταξη υδροηλεκτρικών έργων 19
Σταθμοί παραγωγής Κριτήρια χωροθέτησης: Ελαχιστοποίηση μήκους αγωγού πτώσης Λοιπά κριτήρια (τοπογραφία, κόστος, κτλ.) Τοποθέτηση σταθμού παραγωγής: Στον πόδα του φράγματος, κεντρικά στην κοίτη Στον πόδα του φράγματος, πλευρικά στην κοίτη (στο αντέρεισμα) Σε αντέρεισμα υπόγειος Σε απόσταση από το φράγμα Τύποι σταθμών: Υπαίθριος (εξωτερικά διακρίνεται το κάλυμμα των μονάδων και η γερανογέφυρα Ηµι-υπαίθριος (εξωτερικά φαίνεται µόνο η γερανογέφυρα) Ηµι-υπαίθριος στεγασμένος (καλύπτεται η γερανογέφυρα) Υπόγειος Φράγμα Πλαστήρα ΥΗΣ Υπαίθριος σταθμός Καστρακίου Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Γενική διάταξη υδροηλεκτρικών έργων 20
Στρόβιλοι δράσης (impulse turbines) Η στροβιλομηχανή περιλαμβάνει έναν δρομέα (runner) με σκαφίδια (buckets), που τίθενται σε κίνηση μέσω του νερού, το οποίο εκτοξεύεται από ακροφύσια (nozzles) με πολύ μεγάλη ταχύτητα (η ταχύτητα εκτόξευσης μπορεί να φτάσει στα 100 ως 150 m/s, ενώ η ταχύτητα στον αγωγό προσαγωγής δεν υπερβαίνει τα 4 ως 6 m/s). Η δυναμική ενέργεια (ύψος πτώσης) του νερού μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια στην έξοδο του ακροφυσίου, η οποία μετατρέπεται σε περιφερειακή ταχύτητα του τροχού στα σκαφίδια. Επειδή η ροή δεν είναι αξονοσυμμετρική και σε κάθε χρονική στιγμή τροφοδοτείται και λειτουργεί ένα μόνο τμήμα του δρομέα (συνήθως δύο ως τρία από τα περίπου 20 σκαφίδια), ο στρόβιλος χαρακτηρίζεται και ως μερικής προσβολής. Ο υδροστρόβιλος εγκιβωτίζεται σε κάλυμμα και είναι εκτεθειμένος στην ατμοσφαιρική πίεση. Κατάλληλοι για μεγάλα ύψη πτώσης (>250 m) και σχετικά μικρές παροχές. Ο τυπικός τύπος στροβίλου δράσης είναι ο Pelton (οριζόντια δέσμη), ενώ στον τύπο Turgo η δέσμη του νερού προσπίπτει στον δρομέα υπό κλίση. Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Γενική διάταξη υδροηλεκτρικών έργων 21
Στρόβιλοι αντίδρασης (reaction turbines) Η ροή, μέσω του αγωγού πτώσης, κατευθύνεται μέσα από σταθερά πτερύγια στον δρομέα του στροβίλου και εισέρχεται με ακτινική και εφαπτομενική συνιστώσα. Ο δρομέας και τα πτερύγια τοποθετούνται σε περίβλημα που είναι πλήρως καλυμμένο με νερό, και συνεπώς ο στρόβιλος βρίσκεται συνεχώς υπό πίεση. Η δυναμική ενέργεια του νερού μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια και πίεση, που αποδίδονται στον δρομέα του στροβίλου, εξασφαλίζοντας υψηλότερο βέλτιστο βαθμό απόδοσης σε σχέση με τους στροβίλους δράσης (για μικρή όμως περιοχή φορτίου). Ο άξονας είναι συνήθως κατακόρυφος και το νερό εξέρχεται κατακόρυφα προς τα κάτω μέσα στον αγωγό φυγής (draft tube). Οι κύριοι τύποι στροβίλων αντίδρασης είναι: Στρόβιλοι Francis, ακτινικής ή μικτής ροής, που είναι κατάλληλοι για μέτρια ύψη πτώσης (60 ως 150 m) και μέτριες παροχές. Στρόβιλοι Kaplan, αξονικής ροής, που είναι κατάλληλοι για μικρά ύψη πτώσης (<30 m) και μεγάλες παροχές. Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Γενική διάταξη υδροηλεκτρικών έργων 22
Υδραυλικό φορτίο (m) Εύρος εφαρμογής διαφορετικών τύπων στροβίλων Pelton Turgo Francis Crossflow Kaplan Παροχή (m 3 /s) Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Γενική διάταξη υδροηλεκτρικών έργων 23
Αγωγός φυγής (draft tube) & διώρυγα φυγής (tailrace) Ο αγωγός φυγής θεωρείται ενιαίο τμήμα του στροβίλου αντίδρασης, είτε αυτός είναι αξονικής ροής είτε ακτινικής ροής (στον υπολογισμό του βαθμού απόδοσης του στροβίλου, ως διατομή εξόδου λαμβάνεται η έξοδος του αγωγού φυγής). Μπορεί να είναι κατακόρυφος σωλήνας (το οποίο εξασφαλίζει μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης, αλλά απαιτεί μεγάλο χώρο ανάπτυξης) ή, συνηθέστερα, σωλήνας σε καμπύλη μορφή, με συνεχώς αυξανόμενη διατομή μέχρι τη διώρυγα (ή σήραγγα) φυγής (tailrace). Ο αγωγός φυγής εκτελεί δύο βασικές λειτουργίες: επιτρέπει την αξιοποίηση ενός τουλάχιστον μέρους της υψομετρικής διαφοράς μεταξύ του στροβίλου και της διώρυγας φυγής (που ωστόσο δεν πρέπει ποτέ να υπερβαίνει τα 4-5 m, για την αποφυγή κινδύνου σπηλαίωσης) επιβραδύνει τη ροή, μετατρέποντας την υψηλή κινητική ενέργεια στην έξοδο του δρομέα (μέση ταχύτητα 6-10 m/s) σε ενέργεια πίεσης, με ελάχιστες απώλειες (η ταχύτητα εξόδου περιορίζεται σε 1.0-2.5 m/s) Στην έξοδο του αγωγού φυγής τοποθετείται θυρόφραγμα, για την συντήρησή του. Η διώρυγα φυγής σχεδιάζεται με ταχύτητα της τάξης των 1.0 m/s, ενώ σε περίπτωση σήραγγας ο σχεδιασμός συνήθως γίνεται θεωρώντας ροή με ελεύθερη επιφάνεια. Εφόσον πρέπει να σχεδιαστεί σήραγγα υπό πίεση, στην αρχή της κατασκευάζεται δεξαμενή ανάπαλσης, για την απόσβεση των από κατάντη δυναμικών φαινομένων. Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Γενική διάταξη υδροηλεκτρικών έργων 24
Παράδειγμα: ΥΗΣ Στράτου και διώρυγα φυγής Γενική διάταξη έργων υπόγειου Υ/Η σταθμού Διώρυγα φυγής, 7.0 km Στράτος IΙ Στράτος Ι (υπόγειος) Κοίτη Αχελώου Τέλος διώρυγας Θυροφράγματα στην έξοδο της διώρυγας Αρχή διώρυγας Κοίτη Αχελώου Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Γενική διάταξη υδροηλεκτρικών έργων 25