Proizvodnja električne energije - osnove hidroelektrarn - Zapiski predavanj - šolsko leto 2010/2011 (pripravila doc. dr. Andrej Gubina in prof. dr. Miloš Pantoš) Urejanje 2011/2012 - Čepin Predavatelj: prof. dr. Marko Čepin marko.cepin@fe.uni-lj.si hidrostatika, hidrodinamika turbostroji, vodne turbine, generatorji jezovi, drugi elementi elektrarne hidroelektrična energija, hidroelektrarne
Kapljevine in plini Mehanika kapljevin (mirovanje), hidravlika (gibanje) Tekočine: kapljevine nestisljivost, viskoznost, oblika posode, gladina plini stisljivost, viskoznost, oblika prostora, ni gladine Lastnosti tekočin: kohezija (molekularne sile držijo vodo skupaj) viskoznost (notranje trenje, žilavost) adhezija (sila med molekulami stene in tekočine) kapilarnost (dvig nivoja) stisljivost gostota 2
Osnove Mehanika tekočin pomeni pojem, ki proučuje tekočine v mirovanju. Hidravlika pomeni pojem, ki proučuje tekočine v gibanju. Lastnosti, ki so pomembne pri mehaniki tekočin, niso enake kot tiste, ki so pomembne pri hidravliki. Pri mehaniki tekočin je pomembna predvsem njihova gostota. Pri hidravliki je pomembna predvsem njihova viskoznost. Tekočine delimo na kapljevine in pline. Lastnosti realnih kapljevin so majhna stisljivost, viskoznost pada s temperaturo, zavzemajo določen volumen in imajo proste površine gladine. Idealna kapljevina je nestisljiva, ne nudi nobenega upora pri spremembi oblike (viskoznost je nična), ne menja ostalih lastnosti s spremembo temperature in nima površinskih napetosti. Lastnosti realnih plinov so velika stisljivost, ki je odvisna o tlaka in temperature, viskoznost s temperaturo raste, zavzemajo cel prostor in nimajo prostih površin. Idealni plin ni viskozen.
Viskoznost Upiranje deformaciji premikanja in drsenja (koheziji) Različna hitrost slojev tekočine ob steni manjša hitrost (zaviranje ob steni zaradi adhezije) Sila trenja (strižna napetost): dv F = μa d y υ μ ρ μ F dy = Adv F dv τ = = μ A dy 2 μ - koef. dinam. viskoznosti (Ns/m ) 2 A - površina (m ) d v - porast hitrosti na enoto dolžine d y 2 τ - tangencialna obremenitev (N/m ) υ - koef. kinematične viskoznosti (m /s) = 2 Viskoznost le pri strujanju (teku) tekočine! Viskoznost kapljevine s temperaturo pada Viskoznost plina s temperaturo raste 4
Viskoznost Tekočina Temperatura ( C) Kinematični koeficient viskoznosti (cm 2 /s) voda 0 10 20 50 100 0,178 0,0131 0,0101 0,0055 0,002 strojno olje 10 20 50 100 7,34 3,82 0,60 0,10 glicerin 3 18 20 33,40 8,38 6,80 živo srebro (Hg) 0 20 100 0,00125 0,00117 0,00091 zrak pri normalnem tlaku 0 20 100 0,133 0,149 0,245 5
Adhezija in kapilarnost Adhezija sila med molekulami stene in tekočine adhezija > kohezija: tekočina moči steno posode (voda) Kapilarnost dvig nivoja kapljevine v ozki cevi, ki moči steno 6
Steklenica v hladilniku - zamrzovalnik plastenka v hladilniku - zamrzovalnik Stisljivost in gostota Koeficient volumske stisljivosti: β 1 dv = dp V 0 3 d V - sprememmba prostornine (m ) V 3 0 - začetna prostornina (m ) 2 d p - sprememba tlaka (N/m ali Pa) okvirna vrednost za vodo: Gostota: ρ = m V voda, 4 C, 1 bar: β = 0,0000475 10 m - masa (kg) V 2 5 m N 3 - prostornina (m ) kg ρ = 1000 m 3 7
Hidrostatični tlak Paskalov zakon: F p = = S F D 4 2 π F - sila (N) 2 S - površina (m ) D - premer bata (m) Shρg = ps p = hρg p = p0 + hρg F = ps = ρghs - sila (N) p - tlak na globini h p 0 F 2 - tlak na površini g = 9,81 m/s 8
Vzgon Vzgon je sila tekočine navpično navzgor na potopljeno telo F v = m g = ρ v V m masa izpodrinjene tekočine V volumen izpodrinjene tekočine ρ gostota izpodrinjene tekočine Vzgon je po velikosti enak teži izpodrinjene tekočine. Prijemališče ima v njenem težišču. 9
Hidrodinamika Veda o strujanju tekočine Tok tekočine: pretakanje v kanalih s svobodno površino pretakanje v ceveh pod pritiskom hidravlično strujanje (iztekanje skozi potopljeno odprtino) Hitrost tekočine: stacionarno strujanje (hitrost se ne spreminja niti po velikosti niti po smeri) nestacionarno strujanje (hitrost se s časom spreminja) Gibanje posameznih delov tokovnice: laminarno (plasti delcev drsijo druga ob drugi brez mešanja) turbolentno (vrtinčasto strujanje, nepravilno gibanje) 10
Pretok dq= vds Q = v S = vs i d i v i - lokalna hitrost (m/s) - srednja hitrost v prerezu (m/s) v 2 d S - površina prereza toka (m ) 2 S - površina prereza (m ) Kontinuitetna enačba: Hidravlični radij: Q = vs 1 1= v2s2= K = vs = konst. q= vsρ = konst. A R = O d R = 4 d - premer cevi A površina omočenega prereza O omočeni obseg 11
Zakoni podobnosti strujanja Meritve strujanj na realnih primerih niso mogoče Modeliranje: geometrijska podobnost: stalno razmerje med linearnimi dimenzijami l l kinematična podobnost: stalno razmerje med časovnimi intervali t t dinamična podobnost: stalno razmerje med silami iste vrste Prednosti: n m n m F = δ n F = m v n = δt δv v = n m m δ F a δ a = vnaprejšnje spoznavanje načrtovanih postrojev preverjanje in odpravljanje napak a 12
Reynoldsovo število Kriterij za podobnost strujanja nestisljivih tekočin v napolnjenih ceveh definicija: splošna enačba: Re Re ν l = v ν d v 2 ν - kinematična viskoznost (m /s) v - hitrost strujanja (m/s) l - karakteristična linearna dimenzija (m) = d - hidravlični premer 4A A d d = =... hidravlični radij O O 4 Laminarno strujanje: Re < 2300 (cev), Re < 850 (kanal) v= v 1 x r 2 max 2 13
Reynoldsovo število Turbolentno strujanje: Re k = 2320 (kritična vrednost) ν = k Rek v D D - premer cevi Voda pri 10 C v cevi D = 10 cm ima v k = 0,03 m/s Pri hidroenergetiki je voda turbulentna zaradi večjih hitrosti 14
Potencialna energija: Energija tekočine E p = mgh E1p = h Kinetična energija: mv E k = 2 Tlačna energija: Etl 2 2 v E 1k = 2g = pv E 1tl = p ρg Bernoullijeva enačba: 2 2 1 1 2 2 h1+ p + v = h p v 2 + + = konst. ρg 2g ρg 2g 15
Iztok kapljevine iz posode 2 2 p0 v1 p0 v2 h+ + = + v2 = 2gh v=ϕ 2gh ρg 2g ρg 2g Kontrakcija (zoženje) prereza (kontrakcijski koeficient μ - pri ostrih robovih): S m μ S = S m - prerez curka S - prerez odprtine Pretok (iztočni koeficient α=μ ϕ): Q=ϕμS 2gh ϕ (faktor hitrosti del energije se porabi za premagovanje trenja) 16
Piezometer: p1 p p p = h+ h= ρg ρg ρg Pitotova cev: Prandtlova cev: 0 1 0 ( ρg ) Manometri, manostati Merjenje tlaka 2 2 p1 v p 1 0 + h p 1 p 0 v1 + = h = + ρg 2g ρg ρg 2g 2 v1 Δ h= hp hpm = 2g 17
Na univerzi v Kobenhavnu so študentom fizike zastavili naslednje vprašanje: "Napišite, kako se izmeri višina nebotičnika s pomočjo barometra." Eden od študentov je odgovoril: "Na barometer privežemo dolgo vrvico in ga pustimo z vrha nebotičnika do tal. Dolžina vrvice plus dolžina barometra ustreza višini nebotičnika." Odgovor je izpraševalca tako ogorčil, da je študenta takoj nagnal. Le-ta pa se je skliceval na svoje pravice in utemeljeval, da je bil odgovor nedvomno pravilen. Univerza je na to imenovala neodvisnega razsodnika, ki bi naj odločil. Ta je presodil, da je bil odgovor v resnici pravilen, vendar pri tem ni bilo zaznati znanja fizike. Da bi problem rešili, so študenta še enkrat poklicali in mu dali šest minut časa, v katerem naj bi ustno odgovoril, ampak tako, da bi bilo v odgovoru mogoče zaznati vsaj minimalno poznavanje osnovnih fizikalnih principov. Pet minut je študent sedel s sklonjeno glavo, zamišljen, ne da bi kaj rekel. Razsodnik ga je opomnil, da čas teče, na kar je študent odgovoril, da ima nekaj zelo tehtnih odgovorov, vendar se ne more odločiti, katerega naj uporabi. Ko so mu priporočili, naj pohiti, je odgovoril: "Prvič lahko nesemo barometer na vrh nebotičnika, ga spustimo čez rob, da pade, in zmerimo čas, ki ga potrebuje za padec do tal. S formulo H=0,5g x t na kvadrat izračunamo razdaljo oz. višino. Barometer bi bil pri tem žal uničen. Ali pa, če sije sonce, bi izmerili višino barometra in dolžino njegove sence. Potem bi izmerili še dolžino sence nebotičnika in bi nalogo brez težav rešili s proporcionalno aritmetiko. Če bi se hoteli iti visoko znanost, bi na barometer privezali kratko vrvico, ga zanihali najprej na tleh, potem pa še na vrhu. Višina bi ustrezala odmiku gravitacijske vztrajnosti T=2 pi na kvadrat (l/g). Ali pa, če bi imel nebotičnik zunanje požarne stopnice, bi bilo najbolj preprosto iti po njih, jih izmeriti z dolžinami barometra in zgoraj sešteti. Če bi pa hoteli dolgočasno pravoverno rešitev, je seveda mogoče barometer uporabiti za merjenje zračnega tlaka na vrhu zgradbe in na tleh, razliko v milibarih pa uporabiti za izračun razlike višinske razlike. Ampak ker nas stalno pozivate k urjenju neodvisnosti razuma in k uporabi znanstvenih metod, bi bilo brez dvoma bolj preprosto potrkati na hišnikova vrata in mu reči: "Če želite luštkan barometer, vam ga podarim, vi mi pa povejte, kako visoka je hiša." Študent se je pisal Niels Bohr in je bil prvi Danec, ki je dobil Nobelovo nagrado.
Venturijevacev: Merjenje vodnih množin 2 2 p1 v1 p2 v2 + = + ρg 2g ρg 2g zakon kontinuitete: S Q= vs = v S = konst. v = v = nv 2 1 1 2 2 1 2 2 S1 hitrost: pretok: v = 2 ( p p ) 1 2 2 2 ( n ) ρ 1 ( ) Q= S v = k p p 2 2 1 2 n = S S 2 1 19
Pretok vode v kanalih Stena kanala Max.dovoljena hitrost (m/s) pesek 0,3-0,8 gramoz 0,8-4,9 zemlja, les 0,7-0,85 glina 0,85-2,1 2 2 v v Z + = Z + + h 2g 2g 1 2 tr htr = Z1 Z2 = h1 h2 = h apnenec 3,0-3,7 opeka 4,5 beton 10,0 leseni žleb 20,0 h tr - izguba padca zaradi trenja 20
Upori pri strujanju Enakomerno gibanje: htr = h Linijske izgube h l - upor vzdolž toka sorazmeren dolžini Lokalne tlačne izgube h lok (rešetke, zapirala ipd.) h = h + h tr l lok 2 v h tr = ξ 2g ξ - koeficient izgub Linijske izgube pri laminarnem strujanju: 32ν 1 h = l v ali h 2 l gd =λ d v 2g 2 2 64 64ν λ = = Re vd 1 ξ = λ d 2 ν - kinematična viskoznost (m /s) l - dolžina cevovoda (m) v - srednja hitrost (m/s) d - premer cevovoda (m) λ - koeficient upora 21
Upori pri strujanju Linijske izgube pri turbolentnem strujanju: h 2 2 1 v v 1 l = λ ali hl = 2 d 2g C R C = 1 R n 1 6 C - koeficient v enačbi Chezy R - hidravlični radij n - koeficient hrapavosti C = 1 R n y za R < 1m y = 1,5 n za R > 1m y = 1,3 n h l nvl = λ = 2gdn 2 2 2 1+ 2y R d d 4 4 2y 22
Hrapavost Material n litoželezne ali jeklene cevi 0,011 vodovodne cevi, dober beton 0,012 zamazane cevi, beton srednje kakovosti 0,014 grob beton 0,017 kanali z muljem, gramozom 0,018 kanali vsekani v kamen ali leseni kanali s tankim slojem mulja 0,020 kanali iz tolčene gline 0,022 veliki kanali iz zemlje 0,0275 kanali iz zemlje v slabem stanju 0,030 kanali v zelo slabem stanju 0,040 23
Lokalne izgube Krožni lok: h = lok v 2 ξ fa 2g ξ - izgubni koeficient za gladke cevi in α = 90 r/d 1,0 1,5 2 3 4 5 6 10 ξ 0,27 0,20 0,15 0,13 0,10 0,10 0,10 0,11 za hrapave cevi množi vrednosti z 2 α ( ) 30 60 90 120 150 180 f a 0,4 0,7 1,0 1,3 1,5 1,7 24
Lokalne izgube Kolenčasta cev: 2 v h lok = ξ 2g α ( ) 15 30 45 60 90 105 180 ξ (gladko) 0,04 0,13 0,24 0,47 1,13 1,80 2,26 ξ (hrapavo) 0,06 0,17 0,32 0,68 1,27 2,00 2,54 25
Postopno razširjanje cevi: Lokalne izgube h lok 2 2 2 2 2 2 S v v = k 1 =ξ S1 2g 2g postopno razširjanje cevi postopno zoževanje cevi za α 5 velja ξ=0,05 do 0,06 α ( ) 5 10 15 20 30 40 45 6 0 70 90 k 0,13 0,17 0,26 0,41 0,71 0,90 0,98 1,12 1,13 1,07 α ( ) 7 10 15 20 25 30 40 45 60 80 k 0,16 0,16 0,18 0,20 0,22 0,24 0,26 0,30 0,32 0,35 26
Lokalne izgube Izgube zaradi nenadne razširitve prereza: h lok = ( v v ) 2 1 2 2g + kontinuitetna enačba 2 2 2 2 1 S v 1 1 1 1 lok 1 1 1 S = = = ξ v S2 S2 h v v 2g 2g 2g S 1 /S 2 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 ξ 0,5 0,42 0,34 0,25 0,15 0,0 27
Lokalne izgube Zapirala: h = lok 2 v ξ 2g v - hitrost pri odprtem zapiralu S/d oz. S/h 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 ξ O krožni prerez 0 0,05 0,14 0,40 0,95 2,06 4,5 10,1 28,5 120 ξ pravokotni prerez 0 0,09 0,39 0,95 2,08 4,02 8,12 17,8 44,5 193 28
Lokalne izgube Diskasta zapirala: h = lok 2 v ξ 2g v - hitrost pri odprtem zapiralu α ( ) 5 10 15 20 25 30 35 40 50 60 70 90 ξ 0,24 0,52 0,90 1,54 2,51 3,91 6,22 10,8 32,6 118 256 če je zapiralo popolnoma odprto: a/d 0,10 0,15 0,20 0,25 ξ 0,05 0.1 0,10-0,16 0,17-0,24 0,25-0,35 29
Lokalne izgube Rešetke: h = r 2 v ξ 2g ξ βsin α s = b 4 3 Oblika palice a b c d e β 2,42 1,83 1,67 0,76 1,79 30
Sila akcije curka Udarec curka na ploščo s hidrodinamično silo sprememba gibalne količine: Δm F t m( v1 v2) F = v v Δt Δm ΔVρ = = Qρ Δt Δt Δ =Δ ( ) akcijska sila: Δm F = v v = Q v v Δt ( ) ρ( ) 1 2 1 2 1 2 Če curek udarja v ploščo je komponenta hitrosti curka v smeri delovanja sile F enaka nič. F = Qv ρ 1 31
Sila akcije curka Poševni pritisk curka na obstoječo oviro v v t n = vcosα = vsin α N = Qρvn X = Nsin α Pritisk curka na ukrivljeno ploskev ( ) ( ) F = Qρ v v cosα = Qρv 1+ cosα 1 2 1 α = 0 F = 2Qv ρ 1 32
Sila akcije curka Centrični pritisk curka na oviro z lastnim gibanjem enaki smeri hitrosti: F = Qρ( v u) nasprotni smeri hitrosti: F = Qρ( v+ u) 33
Reakcijska sila Pritisk gibajoče kapljevine na stene vodila F S = ρghs reakcija iztekajoče kapljevine na steno posode: F = ρghs S Reakcija iztekajoče vode: mv mv0 = Fdt = Ft F = ρqv Q= S 2gh 2 F = ρsv = L = 2FS 34
Stacionarno gibanje kapljevine v ukrivljeni cevi dm Ukrivljeno cev navežemo na koordinatni sistem. Voda vstopa pri prerezu S 1 s hitrostjo v 1 in izstopa pri prerezu S 2 s hitrostjo v 2. V delcu časa dt se pretočna množina vode Q nekoliko premakne: pri prerezu S 1 za v 1 dt in pri prerezu S 2 za v 2 dt. Gibalna količina na vstopni strani se zmanjša za: Gibalna količina na izstopni strani se poveča za: Razlika med obema gibalnima količinama je enaka impulzu sile: v istem času dt: r dm v r dm v ( K r ) r = ρ Q dt 1 v 1 r = ρ Q dt 2 v 2 r r r r ( v2 v1 ) = ρ Q dt ( v2 v1) r = K dt 35
Stacionarno gibanje kapljevine v ukrivljeni cevi Reakcija na steno cevi ima nasprotno smer: Izraz: ρ Q r v 1 r K r r r r = ρ Q ( v = ρ Q v ρ Q v 1 v2) 1 2 pomeni silo, ki ima smer hitrosti v 1. Izraz: ρ Q r v 2 pomeni silo, ki ima nasprotno smer hitrosti v 2. Velikost reakcijske sile K gibajoče se kapljevine lahko določimo grafično. Za analitični izračun je potrebno silo razstaviti na dve komponenti X in Y v smeri osi x in y. 36
Stacionarno gibanje kapljevine v ukrivljeni cevi Analitični izračun: r r X = ρq v cosα v cosα ( 1 1 2 2) r r ( ) Y = ρq v sin α v sin α 1 1 2 2 2 2 K = X + Y β Y v sin α v tanβ = = X vcosα v β - kot med K in osjo x sin α cosα 1 1 2 2 1 1 2 2 Moment glede na poljubni pol O v ravnini x,y: M = Kr = ρqv r ρqv r 0' 1 1 2 2 37
Reakcija kapljevine na steno cevi v gibanju Za teorijo turbin je posebno pomemben problem reakcije kapljevine na steno vodilne cevi, ki ima svoje lastno gibanje. Pri tem lahko ločimo dva primera: cev se giblje enakomerno in premočrtno, cev se giblje enakomerno po krožni poti. Enakomerno premočrtno gibanje cevi s hitrostjo u. Enako hitrost ima tudi vsak molekula kapljevine, ki teče skozi cev. Glede na cev se molekule kapljevine gibljejo z relativno hitrostjo w. S sestavljanjem vodilne in relativne hitrosti dobimo absolutno hitrost v. To velja pri vtoku in pri iztoku. Za računanje reakcijskih komponent pridejo v poštev komponente absolutnih hitrosti v smereh x in y. v r 1 = w r 1+ u r v r = w r + u r 2 2 v1x = v1 cos α1 = u+ w1 cosβ1 v2x = v2 cos α2 = u+ w2 cosβ2 v v = w cosβ w cosβ v1y = v1 sin α1 = w1 sinβ1 v = v sin α = w sinβ 1x 2x 1 1 2 2 2y 2 2 2 2 ( ) K = ρq v v x 1x 2x ( ) K = ρq v v y 1y 2y 2 2 K = Kx + K K ni odvisen od vodilne hitrosti! y Vodilna hitrost u je eliminirana iz enačb. Njena hitrost je odvisna le od absolutne vtočne in iztočne hitrosti (v 1 in v 2 ) ter njunih smernih kotov (α 1 in α 2 ). 38
Reakcija kapljevine na steno cevi v gibanju Enakomerno krožno gibanje cevi, ki je predstavljena s srednjico AB, se odvija v horizontalni ravnini okoli fiksne osi 0 z enakomerno kotno hitrostjo ω. Po cevi gibajoča se kapljevina proizvaja vrtilni moment M 0 okoli osi 0, ki je enak spremembi gibalnih količin v enoti časa okoli iste osi. Upoštevati moramo le komponente, ki so pravokotne na R 1 in R 2 od absolutnih hitrosti v 1 in v 2, to je v 1 cosα 1 in v 2 cosα 2. Moment: M = Kr = ρqv r ρqv r 0 1 1 2 2 ( ) M = ρq Rv cosα R v cosα u 0 1 1 1 2 2 2 Rω u = Rω 1 = 1 2 2 v1 cos α1 = w1cosβ1 u1 = w1cosβ1 R1ω v cos α = w cosβ u = w cosβ Rω 2 2 2 2 2 2 2 2 {( ω) ( ω) } M = ρq w cosβ R R w cosβ R R 0 1 1 1 1 2 2 2 2 Vrtilni moment reakcije gibajoče se kapljevine je odvisen samo od razmer na vtočni in iztočni strani. Ts enačba se imenuje Eulerjeva turbinska enačba. 39
Reakcija kapljevine na steno cevi v gibanju Pri modernih turbinah je tok vode obrnjen. Vstop je na periferiji tekača (R 1 ), iztok pa gre v radialnih smereh, tako da je α=π/2. Enačba za moment se poenostavi (cos(π/2)=0). M = ρqrv cos α ker α = 0 1 1 1 2 Moč turbine dobimo iz momenta in kotne hitrosti. P = M 0 ω π 2 ( ) P= ρq uv cosα u v cosα P= ρquv 1 1 1 2 2 2 cosα 1 1 1 2 2 ( ) ( ) 1 1 1 2 2 2 1 2 P= ρq wu cosβ w u cosβ u u Predpostavili smo, da se vsak vodni delec giblje po srednji tokovnici med stenami turbinskih lopatic. Ta predpostavka velja le, če so lopatice paralelne. Pri modernih in hitrotekočih turbinah je število lopatic majhno. Prostor med njimi ni običajen kanal, zato se je razvila nova teorija, kjer smatramo lopatice kot tanka krila v vodnem toku. 40
Turbostroji F = SΔp Ohranitev gibalne količine Obodna komponenta ( ) F = q v v 0 10 20 M = F r 0 P = Mω 41
Prikaz turbostrojev Prerez skozi os vrtenja, prerez pravokotno na os vrtenja 42
Metode izračuna turbostrojev Za razvoj gradnje, preračune, raziskave: teorija kanalov (2D prostor, idealna kapljevina) teorija krila teorija rešetk trikotnik hitrosti Izhodišče: Kontinuitetna enačba Bernoullijeva enačba Izkoriščamo razliko energij 43
Metode izračuna turbostrojev Teorija krila: za aksialne turbostroje F v vzgon F u upor w natočna hitrost medija u hitrost lopatic Teorija rešetk: izgube pri strujanju 44
Stopnja reaktivnosti Izkoriščamo energijsko razliko stroja h 0 Vodilnik: pretvorba v kinetično energijo in oddaja rotorju Enakotlačni turbostroj: pretvorba le v vodilniku (stator) tlak pred rotorjem = tlak za rotorjem r = 0 Peltonova, Bankijeva, del parne turbine Nadtlačni (reakcijski) turbostroj: preobrazba energije tudi v gonilniku (rotor) tlak pred rotorjem > tlak za rotorjem r > 0 r h hr h h + h r = = o r os h r energija predelana v rotorju h 0 celotna energija h os energija predelana v statorju 45
Stopnja reaktivnosti 46
Izgube pri turbostrojih Notranje izgube vplivajo na stanje medija: Izgube na obodu turbostroja (vodilnik, gonilnik, izstop) Izgube trenja in mešanja Izgube skozi špranjo (režo) Izgube zaradi udarca Zunanje izgube vplivajo na material: Trenje v ležajih pogon pomožnih agregatov (črpalka za olje, regulator) Izgube zaradi kavitacije (vodni stroji) h 0 celotna energija medija h energija toka h iz energija izgub h= h0 ± hiz manjši koristni pretok, šum, poškodba materiala, prekinitev tekočega stebra, slabši izkoristek Ukrepi: dvig tlaka, boljši materiali in obdelava, manjše hitrosti 47
Izkoristek na obodu: Izkoristki η = o η = o h h 0 izo h 0 h + 0 h h 0 izo h 0 celotna energija medija h iz energija izgub pogonski stroj delovni stroj Notranji izkoristek Mehanski izkoristek Dejanski izkoristek zajema vse izgube: η = ηi i 48
Turbinska enačba p1 p2 h1+ = h2 + ρg ρg df c 2 = dmrω dr dm= dvρ = Sdlρ= ρs cos δ 2 d =d c cosδ = ρ ω d F F S r r df S 2 d p' = = ρω d r r 2 1 r r r ρω rr d = ρω r 2 2 2 2 2 1 2 49
Turbinska enačba u = rω; u = rω p 1 1 2 2 u u 2 2 2 ' ' 1 p2 = ρ 1 2 h p u p u ρg 2g ρg 2g 2 2 1 1 2 2 1+ = h2 + p u w p u w ρg 2g 2g ρg 2g 2g 2 2 2 2 1 1 1 2 2 2 + + h1 = + + h2 (m) 2 2 2 2 p1 u1 w1 p2 u2 w2 + + gh1 = + + g h2 (W) ρ 2 2 ρ 2 2 p v ρ 2 2 1 1 2 3 1 = + + g h1 (kg m s ) P P p v ρ 2 2 2 2 2 = + + gh2 P = P + P + gh 1 t 2 izr p p v v P h h h ρ 2 2 2 1 2 1 2 t = + + ( 1 2) g izr g 50
t Turbinska enačba 2 2 2 2 p1 p2 u1 u2 w1 w2 = gh + gh + gh ρ 2 2 P 2 2 2 2 2 2 v1 v2 u1 u2 w1 w2 = + + 2 2 2 1 2 izr 1 ( W kg s) w = v + u 2vu cosα 2 2 2 1 1 1 1 1 1 w = v + u 2v u cosα 2 2 2 2 2 2 2 2 2 t 1 1 1 2 2 2 1 ( ) P = uv cosα u v cosα W kg s Euler-jeva turbinska enačba 51
Podobnost turbostrojev Geometrijska, kinematična, dinamična podobnost λ razmerje geometrijske podobnosti, npr. razmerje premerov turbin: D /D λ 2 razmerje površin: S /S k razmerje kinematične podobnosti: razmerje obodnih hitrosti: u /u '' '' '' '' Euler-jeva turbinska enačba Hn k '' H = n k ' n = Q 2 λ k ' λ Q = P ' P = n enotine veličine D = 1m (premer turbine) in H n = 1m (padec turbine) n oz. n število obratov v minuti za turbino T oz. T Q oz. Q pretok skozi turbino T oz. T P oz. P moč turbine λ k 2 2 turbine v isti seriji imajo enake karakteristične enotine veličine ' ' ' ni QI PI 52
Ocena podobnosti turbin Specifična vrtilna hitrost n q je število vrtljajev modela, ki ima tolikšen premer, da pri H nm =1 izrablja Q m =1m 3 /s D 1 nq = n D m H n Q nq = n 4 H 3 n geometrijsko podobna turbina 53
Vodne turbine Pretvorba potencialne in kinetične energije v mehansko Enostopenjski, enostavni, dober izkoristek Razdelitev: pretvorba energije: Akcijske - enakotlačne (Pelton, Banki) reakcijske nadtlačne (Francis, Kaplan) smer pretoka vode: radialne (Francis) aksialne (Kaplan, propelerska) diagonale (Deriaz) tangencialne (Pelton) natok vode: poln natok (Francis, Kaplan) delen natok (Pelton, Banki) vgraditev odprta izvedba zaprta izvedba lega gredi vertikalne horizontalne poševne 54
Uvod v vodne turbine Izkoriščamo sončno energijo Dejansko izkoriščamo energijo vodnega toka (Q, v) Korito: površina S, I=h/l (celotni padec) V = Sl G = ρgv = ρgsl W = Fl = Glsin α=ρgsl W = ρgsvtlsinα W = ρgqht W P= = ρgqh t 2 sin α 55
Primer hidrodiagrama in urejenega hidrodiagrama Bruto vodne moči, ki jih lahko pridobimo, so odvisne od bruto razpoložljivih padcev in večletnih srednjih pretokov. Vendar pa je srednji izkoristljivi pretok manjši od srednjega večletnega pretoka, saj instalirana moč HE ne izkorišča viška v času velikih voda, ker to ni tehnično in ekonomsko smiselno. Tehnično izkoristljive vodne moči dobimo, ko upoštevamo srednji izkoristljivi pretok in padec zmanjšan za izgube. Instaliran pretok Qi določimo s pomočjo srednjega pretoka Qsr, (Qi=1.5Qsr), v kateri so upoštevane izkušnje pri gradnjah HE ter tehnični in ekonomski pogoji, saj bi bilo nesmiselno zgraditi HE, ki bi izkoriščala največji pretok, a bi ga bila zmožna izkoriščati le nekaj dni v letu.
Osnovni elementi akumulacijske HE v prerezu
Uvod v vodne turbine zajezitev spodnji nivo vode 58
Uvod v vodne turbine derivacijski kanal n n kombinacija 2 2 p1 v 1 p2 v 2 hn = + h1+ a1 + h2 + a2 ρg 2g ρg 2g h h 2 2 v1 v 2 = H + 2g 2g H razlika kinematične W P = ρgqh η t n t 59
Razdelitev hidroelektrarn Glede na velikost koristne akumulacije imajo HE lahko: dnevno akumulacijo, tedensko akumulacijo, letno akumulacijo, sezonsko akumulacijo, pretočno akumulacijo, črpalno akumulacijo. Po načinu izkoriščanja vode poznamo: pretočne HE, akumulacijske HE, črpalne HE, HE na plimovanje, HE na energijo oceanov, HE na energijo valov HE na energijo morskih tokov. Po načinu obratovanja poznamo osnovne in vršne HE.
Razdelitev hidroelektrarn Po načinu upravljanja ločimo ročno upravljane, polavtomatske, avtomatske in daljinsko upravljane HE. Zaradi tehnološkega napredka je veliko HE daljinsko upravljanih, kjer je postavljen center vodenja iz katerega se lahko vodi cela veriga HE. Po moči razlikujemo male, srednje in velike HE. Delitev je precej okvirna in načeloma za male HE upoštevamo tiste pod 1 MW moči, za srednje do 100 MW moči in velike nad 100 MW moči. Po legi strojnice govorimo o HE na planem in podzemnih HE. Podzemne HE so precej draţje vendar imajo nekatere prednosti, na primer krajše dovodne naprave. Po legi strojnice glede na rečno korito poznamo HE s strojnico izven rečnega korita in HE s strojnico v rečnem koritu. Prve naprej delimo na HE z odprtim, delno odprtim in zaprtim dovodom. Druge pa naprej delimo glede na medsebojno lego strojnice in jezu, in sicer na HE s strojnico v podaljšku jezu, v jezu samem in HE s strojnico tik pod jezom (pregrada). Po padcih razlikujemo: nizkotlačne, srednjetlačne in visokotlačne HE.
Peltonova turbina Najpočasneje vrteče so Peltonove turbine, ki se vrtijo od 10 do 40 vrt/min. in pripadajo skupini enakotlačnih turbin z delnim nadtlakom. Uporabljamo jih za majhne pretoke in velike padce (od 40 m do 250 m). Glavni sestavni deli so: tlačni cevovod, šoba, igla in lopate gonilnika. Peltonove turbine reguliramo količinsko s pomočjo šobe in igle ter odklonila. Njihova prednost je, da imajo dober izkoristek vse do 25 % nazivne obremenitve, zato jih lahko uporabljamo v elektrarnah, ki imajo v določenih obdobjih manjši pretok vode, vendar pa so te turbine zelo občutljive na spremembo padca. 62
Peltonova turbina Enakotlačna, delni natok Male specifične hitrosti Male pretočne količine Veliki padci h n > 200 m Sestava: tlačni cevovod šoba vreteno z iglo lopate gonilnika (korci) Vtok vode v korec pravilen, brez udarca Najboljši izkoristek 63
Peltonova turbina Izgube: udarec vode na lopatico h u trenje vode ob lopatico h t kinetična energija izstopa (ni sesalne cevi!) h iz izgube v šobi h š optimalna oblika korcev optimalno število lopatic Notranji izkoristek u t iz š n 1 h + h + η h + = h h n dvojna regulacija 64
Francisova turbina Za srednje pretoke in srednje padce (od 2 m do 500 m) se uporablja Francisova turbina, ki je sicer med najbolj uporabljenimi. Tipično se vrti od 40 do 240 vrt/min. Ta turbina je nadtlačna, voda pa priteka vanjo radialno skozi vodilnik, kjer se oddana energija preusmeri v aksialno smer. Moč Francisove turbine se regulira količinsko z vrtljivimi lopaticami. Dober izkoristek ima pri več kot 60 % nazivni obremenitvi. 65
Francisova turbina Najpogostejša Nadtačna Odprta, zaprta izvedba Radialna smer pretoka Srednji padci Srednji pretoki Prisotna sesalna cev 1 lopatice vodilnika 6 vezice 2 gonilnik 7 reg. drog 3 gred 8 dvojna reg. ročica 4 sesalna cev 9 reg. gred 5 regulacijski obroč 10 čepi 66
Francisova turbina trikotnik hitrosti Hitre turbine za h n < 50 m Normalne turbine za 50 m < h n < 100 m Počasne turbine za h n > 100 m nevarnost kavitacije večja goltnost pri prostem teku večji pretok 67
Francisova turbina Regulacija količine vode z vrtljivimi lopaticami Izkoristek 68
Kaplanova in propelerska turbina Za področje največjih pretokov vode in pa manjših padcev se uporabljajo Kaplanove turbine. Ta turbina je v osnovni zgradbi propelerski vijak z vrtljivimi gonilnimi lopaticami. Vrti se s hitrostmi nad 160 vrt/min. Zaradi velike vrtilne hitrosti so generatorji za tako turbino manjši in cenejši. Kaplanova turbina ima dvojno regulacijo. Prvi del regulacijskega sistema so vrtljive lopatice vodilnika. Drugi del regulatorja pa prek regulirnega vzvoda v votli gredi in mehanizma v pestu gonilnika vpliva na premik gonilnih lopatic. Kaplanove turbine imajo dober izkoristek, in sicer do 25 % nazivne obremenitve.
Kaplanova in propelerska turbina Manjši padci Velika količina vode Velike hitrosti Reakcijska Radialni vtok Aksialni pretok 1 ohišje turbine 6 pokrov turbine z reg. obročem 2 podporne lopatice 7 gred 3 vrtljive lopatice gonil. 8 komora tekača 4 tekač 9 generator 5 sesalna cev 70
Kaplanova in propelerska turbina Dvojna regulacija Kaplank: vrtljive lopatice vodilnika vrtljive lopatice gonilnika 71
Kaplanova in propelerska turbina Prednosti cevne turbine: manjši premer gonilnika višja vrtilna hitrost manjši generator za isto moč manjše dimenzije stroja, stavbe... plitek izkop manj gradbenega dela diagonalna turbina, Deriaz 72
Bankijeva turbina Posebna vrsta turbine pa je Bankijeva turbina, ki se uporablja za male HE, torej za majhne pretoke in padce. Prednost te turbine je preprostost vgradnje, nizka cena, široko področje uporabe ter odpornost do nabiranja trave in listja. Posebnost Bankijeve turbine je, da voda teče dvakrat skozi venec lopat, tako da se izkoristi čim več vodnega potenciala. 73
Bankijeva turbina Za male HE Majhni investicijski stroški Voda dvakrat skozi venec lopat Krajša življenjska doba 74
Pobeg turbine Pobeg turbine Nenadna popolna razbremenitev generatorja (KS) Vodilnik ostane odprt napaka regul. sistema ali okvara vodilnika Vrtljaji turbine se večajo do ubežnega števila vrtljajev n u H max = max. padec, D = premer tekača modelski preizkusi, narisane karakteristike pobega Kaplan: neuglašenost lopatic vodilnika in gonilnika okvara kombinatorja 1, 7 1,9 Francis nu Količnik k u : ku = = 2 2, 2 Kaplan, OK komb. n Pomen n u : 2, 4 2, 6 Kaplan, pokv. komb. obremenitve rotirajočih delov (gonilnik, rotor gen., gred turbine,..) kontrola gredi na max. št. vrtljajev (nastavitev zaščite) potrebne max. sile za servo premik lopatic rotorja Kaplan turbin n u = n ui H D max 75
Pobeg turbine Zaščita pred pobegom dimenzioniranje tekačev na n u : cena! zmanjšanje n u problem: kasnitev aktivacije! Francis: predturbinska zapirala, ki hitro zaprejo dotok medija Kaplan (velike): velika tablasta zapirala (do 250t, 15-18m) pri zajemu vode, ali pa tablasta zapirala v sesalni cevi hitro praznjenje komore tekača; dvig tekača, če prehod v črpalni način zasuk lopatic tekača, da je n u n premik mimo kota max. hitrosti vibracije; ni zaustavitve do zapornic zaviranje tekača s posebnimi lopaticami pod ali nad tekačem; zmanjša n u na 65 %, vibracije zapiranje vodilnika z indiv. servomotorji: neustrezni Zaščitni ukrepi so dragi tvegamo pobeg in vračunamo dimenzioniranje/škodo zaradi izpada agregata 76
Sesalna cev Turbina nad spodnjim nivojem vode brez izgube padca Reakcijske turbine Višji spec. vrtljaji, večja je W k Sesalna cev: zniža tlak na izhodu tekača postopno večanje preseka v cevi na izhodu se zmanjša hitrost zmanjšajo se izgube p E = + h + h h ρg E a 1 1 s tr 2 p vi = + h + ρg 2g i 2 s p p v E E E h h ρg ρg 2g 2 a i i r1 = 1 2 = + 1 tr v E h h 2g 2 i r2 = 1 + tr E rot 2 v o ( h1 + hs ) + htr + h 2g = td 77
Sesalna cev Izkoriščamo celotni neto padec Manjša hitrost na izhodu Večje izgube v sesalni cevi Poiskati kompromis Oblike: ravna kolenčasta zavita 78
Školjčni diagram Pm η = ρg Qh m m 79
Uporaba turbin 80
Uporaba turbin 81
Uporaba turbin 82
Regulacija vrtilne hitrosti Regulacija glede na tip turbine Francis: pomik vodilnih lopatic Kaplan: dvojna regulacija Pelton: igla v šobi in odklonilo Hidravlični ojačevalniki Sprememba kotne hitrosti Sprememba pospeška agregata Statika regulatorja dω Mt Mg = I dt ρgqhη M t = ω 83
Jezovi Zbiranje vode, da se ustvari (skoncentrira) padec Masivne pregrade: težnostne ločne ločno gravitacijske kupolne razčlenjene Nasute pregrade Gibljivi jezovi 84
Jezovi razčlenjena pregrada manj materiala nasute pregrade 85
Jezovi Prijezovna HE 86
Jezovi Zapornice pri gibljivih jezovih: regulacija zgornje vode odtekanje odvečne vode zaščita pred poplavo Skupine: ploščate drsna (veliko trenje) kotalna kljukasta dvojna segmentne prelivne 87
Primeri gibljivih jezov 88
Tesnjenje zapornic 89
Jezovi Evakuacija vode: prelivno polje (velike vode) temeljni izpust (praznitev bazena, velike vode) odvod 1000 letne vode ob okvari enega prelivnega polja uničevalec energije na iztoku Oprema vtokov: vstop v dovodni kanal zapornica (zaprtje vode) rešetke (čiščenje) dvignjen vstopni prag peskolov ponirni zid (naplavine, led) poševna pregrada (naplavine, led) 90
Jezovi Rovi in tlačni cevovodi tlačni dovodni rov (v zemlji pod kotom - izgube) rov s prosto gladino tlačni cevovod (nad zemljo, odkrit, pokrit) Izravnalni loputni prostor na začetku tlačnega cevovoda varnostna loputa ročna avtomatska sprožilna naprava zračni ventil... 91
Jezovi Predturbinski cevni zaporni organi: klinasti zasun loputa kroglasti zasun obročni zasun 92
Jezovi Hidravlične sheme HE: tlačni cevovod zaporni organi 93
Energija HE Možna proizvodnja HE je odvisna od Trenutnega pretoka Možnosti akumulacij Hidroloških karakteristik narave reke: enakomernost dotokov Pretok: niha Težko napovedovati, ni tipičnega leta Perspektivne bilance Potencial padavin - povodje meteorološke postaje, koeficient dotoka (skale, sredogorje, ravnica) Pretok Q (m 3 /s): vodostaji, merilne letve, hidrometrična krila Srednji dotok: reka bi imela, če bi celo leto tekla enakomerno Ključna krivulja: Q = f(h) 94
Razdelitev vodnih moči Hidro potencial (moč): Teoretično izkoristljiv (bruto) f(h bruto, večletni Q sr ) Tehnično izkoristljiv: f(q srizk, H n ) Q srizk : akum. ni nikoli tako velika, da zajame vse pretoke H n = η H b : neto padec upošt. teh. izgube Ekonomsko izkoristljiv: Stroški investicije glede na cena energije iz te HE =? Fleksibilnost (veriga, velikost čelne akum., tip turbin, hitrost odziva) Vzdolžni profil: padci vzdolž reke Za vsak km reke: Q sr, P n pri tem pretoku Hidroenergetski potencial: A = P t = g Q H t Bruto moč: P b = g Q H b Neto moč: P n = K Q H b, K = 8 (prijezovne) ali 7,5 (derivacijske HE) 95
Možna proizvodnja HE Možna hidrologija: kronološki diagram pretokov Hidrol. z določeno verjetnostjo nastopa povprečnega letnega pretoka Q sr Q 10 = 10 % hidrologija, zelo mokro leto verjetnost nastopa leta s Q sr Q 10 je 10 % 1500 neurejen hidrogram urejen hidrogram Q sre 1000 Q [m³/s] 500 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 dnevi 96
Možna proizvodnja HE P = g η Q H η = f (Q(t)), H = f (polnosti bazena, Q(t), H spod. voda ) Del leta HE ne more porabiti vse vode: Q > Q i korekcijski faktor h = f (Q i / Q sr ) Q sr =h Q sr, ko odrežemo diagram Padec HE: Q i 700 H zg : polnost bazena, parabola 600 Pretočne HE: premica HE deluje polno s 500 povprečnim padcem H s Q [m³/s] ΔH = denivelacija 400 H H Q Q sr sr ' sr = H zg H sp ΔH = H 2 T = Q t max ' T = Q t i 300 200 100 0 50 100 150 200 250 300 350 400 dnevi odrezan hidrogram Q' sre 97
Verjetnostne krivulje hidrologij, Sava, Medvode 98
Izračun energije HE Možna proizvodnja HE W gηqi H ' t' = KQi Hti + H i 1 H H ΔH 3 konst. gladina sp.v., konst. η ΔH t' t H : nadomestni padec, ' = H 2 t' upošteva spremembe zaradi odrezanega diagrama H : vpliv spremenljive spodnje vode na padec Q : srednji dnevni pretok do požiralnosti v (t t i ) Q sr : dolgoletni srednji dnevni pretok Q sr : odrezani dolgoletni srednji dnevni pretok vpliv spremembe H sp je zanemarljiv za H > 25m ΔH 2 ( t' t ) = i Q' W '' = KQ = + + ih '' t' KQi H Qiti H Qi h 1 i Qi ( t' t ) 99
Dimenzioniranje HE Odločitev o višini inštalacije Q i strošek prelite vode < strošek goriva TE konična W in P: optimalni učinek HE akumulacija vzvodno in nizvodno Vhodni podatek: Q dotoka Dotok: srednji dnevni Q d, obvezni Q o, spremenljivi Q v Q V d d = Q d o = Q T + Q d v P = kq W = T t= 0 Pdt Parametri: V bazena, Q i, ΔH, nihanje h sp Rezultat: P gi, W gi T d = 24h V d = dotok vode v T d = 24h 100
Bazen je dovolj velik: Dimenzioniranje HE, 2 t ak = čas obratovanja s polno močjo t ak = Qd Qi Vd Q Obratovanje: i, Q = 0 o Qo T d, Q o 0 Q o 0 t t : Q> Q :praznjenje ak t t T : Q= Q : polnjenje ak d d T ( ) W = Q Q dt b i d t= 0 d 101
Bazen ni dovolj velik: Obratovanje: Q = Q i t ak Vb = Q Q i Akumulacija: Q = 0 t ak V = Q b d Pretočno: Q = Q d d ( ) t t T t ak d am Dimenzioniranje HE, 3 102
Dimenzioniranje HE, 4 Omejitev nihanja gladine: denivelacija, ΔH da zmanjšamo poškodbe brežine akumulacije ΔH ΔQ H : omejitev spremembe pretoka skozi turbine Q t = trenutni pretok skozi turbino T ' bt = t d t= 0 ( ) V Q Q dt Q Q ΔQ t d H HE, ki ni v verigi: omejitve lahko računsko zajamemo upoštevamo najmanjšo količino dv dt bt t ( ) bt t o 0 t = Q Q t V = Q Q dt Q dv = Qo + dt o bt 103
Dimenzioniranje HE, 5 Proizvodnjo razporediti moramo v dnevni diagram porabe i : indeks stolpca t i : trajanje stolpca Q j : proizvodnja v j-tem stolpcu Prostornina akumulacije V bj = ( Q Q ) t j stanje v stolpcu j: V bj = V bi j i= 1 za omejitev ΔQ H velja: V bjh = ΔQ d j Q j j H ti ΔQH ( Td ti i= 1 i= 1 j = ) = V bjh z t i = i=1 j 1 t t T d i ak i= 1 i= 1 Qi : praznjenje, 1..(j-1) j 1 QT Q t d d i i i= 1 t j 0 : polnjenje,(j+1)...z j t i Vzamemo najmanjšo med vrednostmi ΔQ j V = bj V t j bj 1 Q ' j = Q d + ΔQ j 104
105 Statistična obdelava hidroloških podatkov Podatki: 30 let (1961-90), srednji dnevni pretoki Q sr reprezentančni podatki (čas računanja/rezultati) Verjetnostne hidrologije: UCTE, izračun verjetnostne krivulje po Gaussu Gaussova verjetnostna porazdelitev: x - neodvisna spremenljivka v našem primeru so to pretoki, Y - relativna gostota nastopanja določenega pretoka, μ = x/n - povprečna vrednost x (n je število razpoložljivih podatkov), σ - standardni odklon (standardna deviacija). Y e x = 1 2 1 2 2 σ π μ σ ( ) σ μ = = = = = x n x x n n i i n i i n i i n 2 1 1 1 2 Z x = μ σ x I = log I Q Q Q Q n sr i i n = = = 1
Priprava hidroloških podatkov za izračun možne proizvodnje HE Proizvodnja HE je odvisna od količin vode, ki je ne razpolago za poganjanje turbin. izkoristimo lahko le del dotoka Q < Q i Akumulacijske HE: predčasna priprava bazenov Slovenske reke hudourniške največ dnevna akumulacija povprečni dnevni pretoki: energetsko ugodnejši rezultati od dejanskih razmer. statistično obdelamo odrezane pretoke: ko je Q>Qi, prelivamo čez zapornice. gladina spodnje vode se zviša, zmanjša neto padec HE, dodatno zmanjšanje moči in W Izračun: uporaba 50 % - 70 % hidrologij Včasih izračun tudi za zelo mokro ali suho leto (10% ali 90%) 106
Algoritem za izračun možne proizvodnje HE,1 Izračun se izvaja po urah, algoritem računa od prve proti zadnji HE v verigi: 1. Znane hidrologije: povprečne dnevne dotoke čelne HE pretvorimo v urne pretoke Drava: HE Dravograd, Dravski sporazum; 2. Izračunamo biološke minimume vseh HE, kjer se ta spreminja (Q ali sezona) 3. Remonti: izračunamo Q max pretok HE med remontom; 4. Regulacijski obseg za sekundarno regulacijo: zvišamo min./ zmanjšamo max. pretok HE. Če je Q blizu Q i, HE ne sodeluje več v sekundarni regulaciji, Enako HE z relativno visokim Q o okoljskim minimumom ni v regulaciji ob nizki vodi 5. HE s tedensko akumulacijo: izračunamo volumen bazena V ob pričetku vršnega obratovanja za vsak dan med tednom HE porabi več vode kot jo priteče, čez vikend pa se akum. znova napolni 6. Prva HE v verigi: dotok je enak naravnemu dotoku. Računamo od prve proti zadnji HE v verigi dotok vseh naslednjih HE je seštevek zakasnjenega pretoka, prelivanja predhodne HE ter vmesnega dotoka v akumulacijski bazen; 107
Algoritem za izračun možne proizvodnje HE, 2 7. HE obratujejo v prvih urah vršnega obratovanja z maksimalno možno močjo. 1. pretok HE postavimo enak max. pretoku HE, ustrezno zmanjšanemu za regulacijski obseg sekundarne regulacije in eventualnih remontov; 2. Preverimo, če prekoračena maksimalna hitrost denivelacije ΔH/t; če je, pretok HE ustrezno omejimo; 3. Preverimo, če s tem pretokom nismo porabili vse vode, na razpolago za vršno obratovanje; po potrebi pretok dodatno omejimo; 8. Preverimo, če ne povzročimo nepotrebnega prelivanja v nizvodno ležeči HE. 1. Spodnja HE ima lahko nižji Q i ali je v remontu. Tudi takrat pretok elektrarne ustrezno omejimo; 9. Če je bazen izpraznjen pod dovoljeno mejo, še dodatno omejimo pretok HE; 10. Izračunamo prelivanje preko jezu HE; 11. Iz pretoka HE, volumna akumulacije ter prelivanja izračunamo moč HE po urah; 12. Izračunamo celotno vršno ter pasovno električno energijo proizvedeno v dnevu. 1. Vršna energija: od W gh v prvih 18 urah obratovanja odštejemo W gsr v zadnjih šestih urah ter 2. seštejemo tako dobljeno razliko proizvodenj prvih 18 ur (vršno obratovanje) 13. Razporedimo proizvodnjo HE po urah: preostala poraba naj bo čimbolj izravnana; 108
Hidroelektrarne (HE) Izkoriščanje vode: pretočne akumulacijske Obratovanje: osnovne vršne Upravljanje ročne (ni več) polavtomatske avtomatske daljinsko upravljanje Moč: male (do 1 MW) srednje (od 1 MW do 100 MW) velike (nad 100 MW) Padec: nizkotlačne (do 25 m) srednjetlačne (od 25 m do 250 m) visokotlačne (nad 250 m) Lega strojnice glede na površino: HE na planem podzemne Lega strojnice glede na korito: izven korita odprt dovod delno odprt dovod zaprt dovod v koritu strojnica v podaljšku jezu strojnica v jezu strojnica pod jezom 109
Pretočne in akumulacijske HE Pretočne HE: ni akumulacije (osamljene: izkoristijo 40-70 % padca) izrabijo tekoči pretok (veliko nihanje pretoka), prelivanje višina zgornje vode za jezom konstantna spodnja voda odvisna od pretoka vpliv na neto padec Akumulacijske HE: akumulacija nihanje zgornje vode obratovanje glede na porabo (konice) uravnavanje pretoka reke (zaščita pred poplavami, plovba, namakanje) 110
Akumulacijske HE Akumulacije glede na nihanje vode v bazenu: dnevna: Q d = 1,3 1,6 Q sr.let polnjenje bazena pri nizki porabi moč tolikšna, da akumulacija zadošča za približno 4 ure pokrivanje konic (in pasu) navidezni premik konice v čas male porabe TQ sr T = Qrdt 0 111
Akumulacije glede na nihanje vode v bazenu: tedenska: Q t = 1,5 2,5 Q sr.let polnjenje bazena čez vikend navidezni premik obremenitve delavnikov na vikend pokrivanje konic, trapeza in pasu letna: Q l = 2,0 3,5 Q sr.let velik bazen, brez derivacij Akumulacijske HE velik instaliran pretok pokrivanje porabe v času malih voda, konic TQ sr = T 0 Q dt r 112
Akumulacijske HE Akumulacije glede na nihanje vode v bazenu: sezonska: Q sez = 3 6 Q sr.let prenos energije iz mokre v suho sezono (ali letno/zimsko) velik instaliran pretok za dnevne konice kompenzacijski bazen pomoč TE HE pomembne zaradi moči,kompenzacija za TE 113
Akumulacijske HE Akumulacije glede na nihanje vode v bazenu: pretočna: veriga elektrarn prva HE je akumulacijska akumulacijski bazen izenačevalni bazen izrabljamo celotni padec verige robnim elektrarnam moč niha zaradi spremembe padca vmesne elektrarne s konstantno močjo na izhodu verige reguliran pretok na naravni pretok reke 114
Akumulacije glede na nihanje vode v bazenu: črpalne: porabniki energije! črpanje iz akumulacije v zgornji bazen, ko je poraba majhna turbinski režim, ko je poraba večja dodatne izgube TRG! izkoristek η= η η = 0,65 0,73 č T č tr m č cev T cev t g tr ( ) ( ) η = η η η η 1-lr η = η η η η 1-lr kombinacija črpalne in akumulacijske HE boljši skupni izkoristek (razmerje padcev) Akumulacijske HE 115
Nizkotlačne HE Mali padci (od 5 m do 25 m) Veliki pretoki (od 100 m 3 /s do 10000 m 3 /s) Kaplanova, propelerska turbina Lokacija: spodnji in včasih srednji tok rek Ni akumulacije enostavna gradnja (pretočne HE): kanalska izvedba (sl. 7.09) Formin, Zlatoličje: počasen zagon zaradi kanala paralelni izpust neprožno obratovanje rečna izvedba: strojnica ob jezu v umetnem zalivu - Fala strojnica v jezu stebrski tip (sl. 7.11) Dravograd, Vuzenica, Ožbolt... 116
Srednjetlačne HE Srednji padci (od 25 m do 250 m) Srednji pretoki (od 50 m 3 /s do 7000 m 3 /s) Brez ali z akumulacijo Kaplanove in Francisove turbine Lokacija: srednji in zgornji tok rek Oblika rovovska - Doblar pregradna (sl. 6.13) dolinska pregrada za koncentracijo padca strojnica ob vznožju pregrade 117
Srednjetlačne HE Oblika - Pregradna dolinska pregrada za koncentracijo padca strojnica ob vznožju pregrade 118
Visokotlačne HE Veliki padci (od 250 m do 2000 m) Mali pretoki (od 100 m 3 /s) Francisova in Peltonova turbina Lokacija: zgornji tok rek Tiste z akumulacijo zaželene elastičnost Derivacijska HE: pretočni tip z rovom s prosto gladino: ni akumulacije z akumulacijo z rovom pod tlakom (sl. 7.14): 119
Moč: Karakteristične veličine instalirana moč je vsota vseh nazivnih moči generatorjev maksimalna moč je najvišja, ki jo elektrarna daje moč na pragu = moč na sponkah generatorja lastna raba in izgube TR razpoložljiva moč (upoštevamo stanje naprav, proizvajamo le P) Obremenitev, faktor obremenitve m: iz letnega diagrama Izkoriščenost, faktor izrabe n Wlet m = 8760 P Wlet n = 8760P m n m max P P m max - maksimalna obremenitev HE -maksimalnamoč HE 120
Dnevni diagram porabe Nihanje porabe Razlika med delavniki, sobotami, nedeljami s prazniki 121
Dnevni diagram porabe Urejen diagram porabe Razdelitev: energija v pasu (konstantno): TE in HE brez akumulacije energija v vršnem delu (dve področji pod konico) trapezna energija (od jutra do večera), TE in HE z večjo akumulacijo konična energija, HE, PE Pb (MW). Obremenilni diagram za 22.11.2000 Obremenitev 1600 1400 1200 1000 800 600 857 810 791 770 783 882 1170 1325 1360 1322 1307 1317 1319 1318 1266 1243 1312 1363 1350 1322 1261 1137 1033 930 400 200 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Ura 122
Dnevni diagram porabe Poenostavitev DDP enostavnejše analize urejen DDP tri premice pogoj enakih konic in energije 123
1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 124 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 P / p.u. PROIZVODNJA MOTORNIH VOZIL, PRIKOLIC IN POLPRIKOLIC IZOBRAŽEVANJE Ura Sreda Sobota Nedelja
1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 125 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 P / p.u. PAPIRNA INDUSTRIJA TRGOVINA NA DROBNO, POPRAVILA IZDELKOV ŠIROKE PORABE Ura Sreda Sobota Nedelja
1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 126 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 P / p.u. Sreda Sobota Nedelja POŠTA IN TELEKOMUNIKACIJE ZRAČNI PROMET PROIZVODNJA PISARNIŠKIH STROJEV IN RAČUNALNIKOV OBDELAVA PODATKOVNIH BAZ Ura
1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 127 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 P / p.u. ZASEBNA GOSPODINJSTVA Z ZAPOSLENIM OSEBJEM Ura Sreda Sobota Nedelja
Pokrivanje potreb z HE Hidro-termo sistemi Čim več HE, čim manj TE (cena goriva, togost, zagonski stroški) Bilanca moči in energije Vplivni dejavniki na HE: naravna danost hidrologija tip HE (akumulacija) omejitve: biološki minimum, hitrost nihanja bazena... Stopnja zanesljivosti dobave (LOLE) Toge TE za pasovni del, PE in HE za variabilni del 128
Shema glavnih tokovnih poti Enopolne sheme Obratovalne zahteve: napetostni nivo vodov otočno obratovanje zanesljivost lastna raba Ekonomske zahteve Možnosti izvedbe Elementi: generator transformator odklopnik stikalo zbiralka Primeri: Elektrarna z zbiralkami generatorske napetosti Povezave z mrežo višje napetosti od nap. generatorja gen. zbiralka blok vezava Povezava mreže dveh različnih napetosti Povezava z dvema mrežama višje napetosti od generatorske 3 možnosti 129
Lastna raba Primeri: Elektrarna z zbiralkami generatorske napetosti Elektrarna z zbiralkami višje napetosti večji TR so dražji odvzem napetosti za generatorjem z vmesno dušilko odvzem napetosti za generatorjem z vmesno dušilko in avto-tr zaradi kratkostične moči in regulacije U regulacijski TR namesto dušilke in avto-tr Hišni agregat 130