Podstawy elektroenergetyki rok II, semestr III

Podstawy elektroenergetyki rok II, semestr III

Energetyka wodna i jej udział

Energetyka wodna i jej udział

w bilansie wytwarzanej energii

w bilansie wytwarzanej energii

Wykład 10

Zasady przetwarzania energii wody

Zasady przetwarzania energii wody

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

2

Podstawową rolę w przemianie energii wody śródlądowej w energię elektryczną
odgrywa energia potencjalna. W turbinach wodnych następuje zamiana energii
potencjalnej wody na energie kinetyczną.
Ilość energii zawartej w płynącej wodzie między dwoma punktami A i B
rozpatrywanego odcinka rzeki można określić wykorzystując zależność:

































g

c

c

g

p

p

h

h

g

V

A

B

A

B

A

B

A

2

)

(

2

2





przy czym: c – prędkość wody, [m/s], g – przyspieszenie ziemskie, [m/s

2

],

p – ciśnienie wody, [Pa], V – objętość wody, [m

3

]

Moc elektrowni wodnej można obliczyć wykorzystując zależność:

e

u

t

H

g

V

P















gdzie: V

t

– strumień objętości wody przepływającej prze turbinę, [m

3

/s].

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

3

Spad użyteczny uwzględniający straty spadu w zbiorniku i podczas doprowadzenia
wody do elektrowni:

s

B

A

u

h

h

h

H









W literaturze dla turbin wodnych strumień Vt jest nazywany przełykiem turbiny.
Uwzględniając g = 9,81 m/s

2

, oraz gęstość wody 1000 kg/m

3

, moc elektryczna

elektrowni wodnej można okre-ślić zależnością:

e

u

t

H

V

P









 81

,

9

Warunkiem uzyskania dużej wartości mocy jest koncentracja w możliwie
ograniczonym obsza-rze dużej różnicy poziomów oraz dużego strumienia przepływu
wody.

Turbiną wodną - nazywa się silnik przetwarzający energię płynącej wody na pracę
użyteczną.
Turbina składa się z kierownicy, wirnika, wlotu, wylotu, i odpowiednio
ukształtowanej obudowy. Przeznaczeniem kierownicy jest regulacja przepływu wody
oraz nadanie kierunku wodzie wpływającej do wirnika. Wirnik tworzą odpowiednio
wygięte łopatki, przymocowane do wewnętrznego pierścienia.
W wirniku następuję zasadnicza przemiana energii wody na prace mechaniczną, a
także w przypadku niektórych rodzajów turbin, zmiana kierunku przepływu z
promieniowego na wlocie na osiowy na wylocie z wirnika.

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

4

Turbiny wodne ze względu na zasadę działania można podzielić na akcyjne
(natryskowe) oraz reakcyjne (naporowe). Ze względu na konstrukcje wirnika i sposób
przetwarzania energii rozróż-nia się następujące turbiny wodne i stosowane dla nich
zakresy spadów:

•

Peltona 300 – 2000 m;

•

Francisa (pompoturbiny) 20 – 600 m (60-600 m);

•

Kaplana (rurowe) 3 – 80 m (do 20 m);

•

Banki-Michella 1- 60 m (200 m).

W celu wykorzystania mocy straty wylotowej stosuje się rury ssące RS stanowiące
dyfuzory, w których część energii kinetycznej jest wykorzystywana do obniżenia
ciśnienia wody za wirnikiem do wartości p

2

. Kosztem energii kinetycznej pod wirnikiem

turbiny powstaje podciśnienie p

2

’ < p

a

które zwiększa moc wydawana przez turbinę.

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

5

Rys. 1. Zmienność ciśnienia i prędkości w turbinie oraz odpowiednie trójkąty prędkości:
a) turbina akcyjna, b) turbina reakcyjna
c

0

- prędkość wlotowa wody do turbiny, c

1

- prędkość wody na wylocie z dyszy D lub kierownic K,

c

2

’-prędkość wody na wylocie z wirnika turbiny, c

2

- prędkość wody na wlocie do wody dolnej,

w - względna prędkość wody w wirniku, u - prędkość wypadkowa, p

a

- ciśnienie atmosferyczne,

p - ciśnienie wody w danym punkcie słupa wody, Ł - łopatka, WR - wirnik turbiny, RS - rura ssąca

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

6

Rys. 2. Turbina Peltona: a) doprowadzenie wody i wirnik turbiny, b) dysza i łopatki wirnika, 1-
dysza, 2-iglica, 3-łopatka, 4-rura ciśnieniowa doprowadzająca wodę, 5-odchylacz strugi
(strumienia),

Turbina Peltona w turbinie
tej całkowity spad
statyczny zostaje
zamieniony w dyszy na
energię prędkości
strumienia wody.
Regulacja strumienia
wody odbywa się poprzez
dławienie wypływu.

Wirnik turbiny znajduje się
w powietrzu powoduje to
stratę pewnej części
spadu o różnice wysokości
wylotu strugi i poziomu
dolnej wody. Ponieważ
turbiny Peltona są
stosowane do
najwyższych spadów
strata ta jest nieznaczna.

Strumień wody
wypływający z dyszy
można zmieniać,
przesuwając osadzoną
współosiowo z dyszą iglicę
2.

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

7

Rys. 3. Turbina Kaplana w układzie pionowym, 1 – łopatki kierownicze, 2 – łopatki wirnika, 3 –
spirala doprowadzająca wodę, 4 – rura ssąca, 5 – generator, 6 - wzbudnica

Turbiny Kaplana – podwójna regulacja umożliwia pracę z dobra sprawnością przy dużych
zmianach przepływu. Łopatki kierownicze i łopatki wirnika są sprzężone mechanicznie tak, że
każdemu położeniu łopatek kierowniczych odpowiada określone położenie łopatek wirnika,
przez co uzyskuje się optymalną sprawność. Znany tez jest typ turbiny Kaplana – turbina
rurowa, czyli turbina umieszczona w obudowie rurowej.

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

8

Rys. 4. Rozwiązania
turbozespołów
rurowych:
a) gruszkowych,
b) studniowych,
c) z generatorem zewnę-
trznym,
d) tzw. Straflo

Turbiny rurowe mogą
być budowane ze
stałymi lub
regulowanymi
łopatkami
kierowniczymi i
nastawia-lnymi
łopatkami wirnika.

Dzięki prostoliniowemu
przepływowi przez
turbinę rurowa osiąga
się większy przełyk i
większą sprawność niż
w turbinie Kaplana, a
część budowlana
elektrowni ma mniejsze
wymiary, jest łatwiejsza
do wykonania i o 10 –

30 % tańsza.

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

9

Turbiny Francisa są prostsze od turbin
osiowych, ale zakres ich pracy z dobrą sprawnością
jest mniejszy.
Woda dopływa poprzez spirale metalową 6 i
następnie promieniowo przez nastawialne łopatki
kierownicze 1, umieszczone na obwodzie
zewnętrznym wirnika. Wirnik turbiny Francisa
składa się z dwóch wieńców 3 i 4 oraz łączących je
łopatek 2, które tworzą kanały o przekroju
zmiennym w kierunku przepływu wody (turbina
reakcyjna). Wirniki turbiny Francisa mają
nieprzestawialne łopatki.
Prędkość względna w zwiększa się przy
przepływie wody przez wirnik turbiny reakcyjnej,
czyli woda między łopatkami jest przyspieszana,
natomiast w pompie występuje zjawisko przeciwne
zmniejszenie prędkości w przy przepływie przez
wirnik.

Rys. 5. Turbina Francisa o wale pionowym, oraz porównanie konstrukcji wirnika (widok od strony
generatora):
a) pompo-turbiny, b) turbiny Francisa

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

10

Rys. 6. Turbina Banki- Michella z napływem: a) poziomym, b) pionowym

W turbinach typu Banki-Michella wirnik posiada kształt walca, na pobocznicy którego
przymocowane są łopatki. Strumień wody wpływa całą szerokością wirnika. Na wlocie do wirnika
umieszczana jest dzielona ruchoma kierownica, co pozwala otrzymać kilka różnych natężeń
przepływu przez wirnik.
Turbiny te są najtańsze, ale posiadają stosunkowo niską sprawność.
Turbina typu Banki – Michella jest maszyną akcyjno-reakcyjną (turbina przepływowa) z wałem
poziomym. Woda dopływa rurociągiem do łopatki kierowniczej 1, która zmienia przekrój wlotowy.
Przepływ wody przez wirnik 2 jest najpierw do wnętrza (jak w turbinie reakcyjnej Francisa), a
następnie do dołu na zewnątrz (jak w turbinie akcyjnej Peltona).

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

11

Rozwiązania architektoniczne MEW

Rozwiązania architektoniczne MEW

Każda MEW składa się z kilku podstawowych elementów, usytuowanych w
różnych rozwiązaniach konstrukcyjnych, w jej skład wchodzą:

•

ujęcie wody,

•

doprowadzenie wody do budynku elektrowni,

•

budynek elektrowni,

•

odpływ wody z budynku elektrowni.

Ważnym zagadnieniem jest prawidłowy dobór podstawowego wyposażenia, który
zależy od:

•

spadu i przełyku instalowanego elektrowni,

•

rodzaju inwestycji,

•

wymagań tzn. pracy wyłącznie na siec energetyczną, pracy na sieć wydzieloną,

pracy mieszanej tzn.
zasilanie wydzielonych odbiorców lub współpraca z lokalną siecią energetyczną,

•

możliwością uzyskania wymaganych urządzeń mechanicznych.

W kraju budowane są głównie elektrownie nisko spadowe (1,5 – 20 m) i dla tych
elektrowni rozwijana jest produkcja hydrozespołów. Spady powyżej 20 m występują
w niewielu lokalizacjach, przeważnie w rejonach górskich.

Wyposażenie w MEW ma decydujący wpływ na zastosowane w nich rozwiązanie
technologiczne oraz rozwiązania w zakresie części hydrotechniczno budowlanej, a
także w dużym stopniu wpływa na koszt całego obiektu

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

12

W zakres wyposażenia MEW wchodzą następujące urządzenia:

W zakres wyposażenia MEW wchodzą następujące urządzenia:

•

turbiny i prądnice,

•

regulatory turbin i prądnic,

•

przekładnie pomiędzy turbinami i prądnicami oraz koła zamachowe,

•

instalacje technologiczne (wody chłodzącej, sprężonego powietrza i odwadniania),

•

urządzenia dźwigowe,

•

zamknięcia główne (awaryjne),

•

zamknięcia remontowe,

•

kraty wlotowe,

•

czyszczarki krat,

•

rurociągi stalowe doprowadzające wodę do turbin,

•

wyposażenie elektryczne.

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

13

Z ekonomicznego punktu widzenia, przy wyborze turbiny należy kierować się
względami:

•

stosowanie jeśli to jest możliwe, tylko jednego hydrozespołu oraz turbiny, która

powinna być regulowana
celem przystosowania jej do pracy przy zmiennych przepływach,

•

stosowanie turbin mających możliwie wysoką sprawność w szerokim zakresie

obciążeń,

•

dobranie turbin o najkorzystniejszym wyróżniku szybkobieżności dla danych

warunków hydroenergety-
cznych.

Spad brutto - jest to różnica pomiędzy poziomami górnej i dolnej wody. Jego
wartość w czasie nie jest stała lecz jest funkcją przepływu. Poziom dolnej wody
również jest zmienny i zależy od stanu zalodzenia, rozwoju roślinności, zmian
koryta itp. Do obliczania spadu należy przyjmować średnie poziomy wody.

Wahania wartości spadu, spowodowane są najczęściej zmianami poziomu

dolnej wody i mogą znacznie zmniejszyć ilość wytwarzanej energii.

Przy projektowaniu elektrowni na istniejącej budowli piętrzącej należy

dokonać pomiarów spadu w różnych porach roku, przy różnych warunkach
wodnych i na tej podstawie określić średni spad. Wartość pomierzoną spadu
należy pomniejszyć o straty hydrauliczne na dopływie wody do turbin, które
wynikają z oporów hydraulicznych przepływu wody przez kanały derywacyjne,

rurociągi, wloty, zamknięcia, turbiny, a także wylot wody z elektrowni.

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

14

Określenie przepływu - dla celów praktycznych można przyjąć do
przybliżonych obliczeń Q

śr

przepływ średni z wielolecia będący średnia

arytmetyczną ze średnich (najniższych) rocznych wartości przepływów dla
poszczególnych okresów obserwacji.

Do prostych metod określania przepływu zaliczyć można:

•

Mało dokładną metodą pomiaru natężenia przepływu jest metoda zmierzenia

czasu jaki upływa po

przepłynięciu przez pływak odległości między dwoma ustalonymi w pewnej

odległości przekrojami

rzeki.

•

Znając prędkości i średnią powierzchnie przekroju rzeki można w przybliżeniu

określić wartość prze-

pływu. Dokładny pomiar można uzyskać na progu istniejącego lub

sporządzonego doraźnie spiętrzenia,

gdzie przekrój przepływającej wody jest zbliżony do prostokąta.
Przepływ można określić ze wzoru:

66

.

0

2

h

g

b

m

Q















































2

2

55

.

0

1

0027

.

0

404

.

0

p

h

h

h

m

b – szerokość przelewu [m],
h – wysokość strumienia przelewowego [m],
p – wzniesienie korony przelewu nad dnem koryta od strony górnej wody

[m],

g – przyspieszenie ziemskie [m/sek

2

].

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

15

Wartość wyróżnika szybkobieżności decyduje o zastosowaniu turbiny do
określonego spadu elektrowni. Określa on zasadnicze proporcje wirników
określonego typu turbin. Praktycznie wyższy wyróżnik oznacza, że przy określonym
spadzie możliwe jest uzyskanie tej samej mocy przy wykorzystaniu turbiny o
mniejszej średnicy wirnika.

Tabela 1. Zestawienie wyróżników szybkobieżności dla podstawowych typów turbin

Szybkobieżnoś

ć

Typ turbiny

Peltona

Francisa

Kaplana

Wolnobieżne

2-10

50-150

300-500

Średniobieżne

12-18

200-250

600-700

Szybkobieżne

20-35

300-450

800-1000

Specyfika krajowych ujęć wodnych niskie spady, stosunkowo niewielkie przepływy
sprawia, że więk-szość stosowanych turbin wodnych to turbiny o niewielkiej
prędkości obrotowej, poniżej 200 obr/min.
Jednym z parametrów charakteryzujących turbiny wodne jest tzw. wyróżnik

szybkobieżności:

4

5

17

,

1

H

P

n

s









przy czym:
n - prędkość obrotowa wirnika turbiny,

[obr/min],

P - moc turbiny, [kV],
H - spad użyteczny, [m].

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

16

W MEW wykorzystuje się dwa rodzaje prądnic prądu przemiennego:

Prądnice synchroniczne – posiadają własny układ wzbudzenia i stabilizacji
napięcia. Są źródłem zarówno mocy czynnej jak i biernej, własność ta ma
zasadnicze znaczenie przy zasilaniu sieci lokalnej lub w przypadku gdy MEW
stanowi rezerwowe źródło zasilania wybranych obiektów. Do wad należy zaliczyć
duży koszt, konieczność stosowania rozbudowanej automatyki, skomplikowaną

obsługę.

Prądnice asynchroniczne – podstawową wadą tych maszyn jest konieczność

dostarczania energii biernej z sieci. Sprawność generatora indukcyjnego jest zależna
od obciążenia i znacznie maleje wraz z jego spadkiem. Przy wartości współczynnika
mocy <0,707 stosunek mocy czynnej oddanej i mocy biernej pobranej z sieci jest
mniejszy od jedności, tzn. prądnica produkuje mniej mocy czynnej [kW] niż pobiera
biernej [kVar]. Należy więc tak dobierać maszyny by pracowały możliwie blisko
punktu znamionowego.

Moc prądnicy dobierana jest do mocy turbiny z uwzględnieniem typoszeregu mocy

wytwarzanych prądnic.

W przypadku zainstalowania silnika indukcyjnego jako prądnicy

asynchronicznej, znamionowe obciążenie przy pracy prądnicowej powinno być tak
dobrane, aby prąd twornika nie przekraczał znamionowej wartości prądu przy pracy
silnikowej.

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

17

Układy regulacyjne - zadaniem regulatora jest utrzymywanie stałej prędkości
obrotowej turbiny wodnej lub sterownie otwarciem kierownicy, w zależności od
dopływu wody.

W przypadku pracy na sieć państwową nie wymaga się regulacji prędkości
obrotowej, natomiast regulator powinien tak sterować otwarciem kierownicy, aby
poziom górnej wody był stały. Prędkość obrotowa narzucana jest przez
częstotliwość sztywnej sieci i nie wymaga regulacji. Zadaniem regulatora jest
sterowanie obciążeniem zespołu w zależności od dopływu wody.
Przy pracy na sieć wydzieloną zadaniem regulatora jest utrzymywanie stałej
prędkości obrotowej hydrozespołu, czyli częstotliwości wytwarzanego napięcia w
warunkach zmiennego obciążenia.

Na koszty inwestycji wpływają czynniki obiektywne:

•

parametry hydroenergetyczne cieku,

•

warunki lokalizacyjne,

•

warunki powiązania MEW z siecią energetyczną.

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

18

Obniżenie nakładów inwestycyjnych można osiągnąć przez:

•

wykorzystanie istniejących budowli piętrzących i urządzeń wodnych,

•

zaprojektowanie możliwie prostych rozwiązań budowli hydrotechnicznych,

•

prawidłowy dobór wyposażenia MEW.

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

19

Rys. 7. Nomogram doboru turbin produkowanych przez firmę Gugler

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

20

Rys. 8. Zakres stosowania turbin

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

21

Rys. 9. Przekrój poprzeczny elektrowni wodnej Włocławek na Wiśle
1,2 – umocnienie dna płytami betonowymi, 3 - galeria drenażowa, 4 – czyszczarka
krat, 5 – ruchome kaptury nad generatorami, 6 – most drogowy, 7 – stanowisko
transformatorów, 8 – pomieszczenie dla obsługi

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

22

Rys. 10. Elektrownia zbiornikowa przyzaporowa z członem pompowym w Solinie na
Sanie, (przekrój poprzeczny przez zaporę z widokiem na hydrozespół odwracalny),

1 – wlot z zamknięciem remontowym i awaryjnym, 2 – rurociąg doprowadzający wodę do turbiny,
3- urządzenia kompensacyjne, 4 – pompoturbina (Francis), 5 – prądnica/silnik, 6 – hala maszyn, 7
– pomieszczenia pomocnicze

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

23

Parametry charakterystyczne projektowanej MEW

•

rzeka: Lubrzanka

•

jaz roboczy:

- całkowita szerokość 10 m
- spad max H

max

= 6,8 m

- spad użyteczny H = 6,61 m

•

przełyk instalowany turbiny Q

i

= 0,74 m3/sek

•

przełyk nienaruszalny NNQ = 0,15 m3/s

•

turbina śmigłowa typu „L" praca pozioma

- średnica wirnika - 400 mm
- szybkobieżność nNS = 650
- przełyk Q = 0,74 m3/s

•

obroty n = 939 obr/min

•

moc max na wale turbiny 30,2 kW

•

moc max na zaciskach generatora 26,5 kW

•

generator - silnik asynchroniczny typu Sg 200L4 o parametrach

•

U = 400 V

•

P = 30 kW

•

n

s

= 1500 obr/min

•

η = 94,6%

•

przekładnia pasowa o przełożeniu i = 1,63

•

sprawność turbozespołu 69,5%

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

24

Wobec powyższego max moc na wale turbiny wyniesie:

30,2

0,79

0,59

6,61

9,81

η

Q

H

9,81

P

e

u



















[kW]

Zakłada się, że turbina będzie współpracować z generatorem asynchronicznym
o mocy 30 kW 400 V za pośrednictwem przekładni pasowej o przełożeniu 1,63. Z
analizy przepływów wynika, że przez 240 dni w roku turbina pracować będzie w
zadawalających sprawnościach.

W elektrowni przewiduje się wykorzystanie maszyny asynchronicznej na napięcie 0,4 kV.

Tabela. 2. Dane proponowanego generatora

*Typ:

Sg 200L4

*Moc

[kW

]:

30

*Prędkość znamionowa [1/min]

1472

*Sprawność znamionowa [%]

92,5

*Współczynnik mocy znamionowy

0,88

*Napięcie znamionowe [V]

400

*prąd przy napięciu znamionowym

[A]

53

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

25

Przy założeniu sprawności generatora 92,5% i sprawności przekładni 95% moc
max uzyskana na wale generatora:

28,69

0,95

30,2

η

P

P

p

w











[kW]

Moc na zaciskach generatora - oddawana do sieci:

26,5

0,925

28,69

η

P

P

g

g

0











[kW]

Rys. 11. Zakres stosowania turbin krajowych: 1, 2 - nisko i średniospadowe turbiny
Banki-Michella,
3 - turbiny rurowe poziome, 4, 5 - turbiny śmigłowe poziome w układzie lewarowym,
6 - turbiny śmigłowe, 7 - turbiny kielichowe, 8 - pionowe turbiny rurowe, 9 -
poziome turbiny rurowe

Roczny bilans ekonomiczny

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

26

W tabeli zestawiono wartości wyprodukowanej energię, przy założeniu
zróżnicowania średniorocznych przepływów oraz uwzględnieniu przestojów w pracy
turbozespołu, ze względu na niski stan wód.

Tablica 3. Dane produkcyjne projektowanej elektrowni wodnej za okres roku

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

27

W związku z powyższym należy przyjąć że produkcja energii elektrycznej w roku
normalnym wyniesie 145 MW·h. W analizie kosztów i zysków brane są pod uwagę
ceny netto.

145 MW·h ·300 zł/MW·h = 43 500 zł

Produkcja

roczna

średnio

wyniesie
43500,00 zł. Przewidywany koszt
budowy elektrowni nie powinien
przekroczyć

420000,00

zł.

Analizując powyższe nakłady
całkowity

koszt

zadania

inwestycyjnego

winien

się

zwrócić po czasie:

9,65lat

43500

420000



Rys. 12. Wskaźnik

produkcji energii

elektrycznej

Tab. 4. Wstępny kosztorys budowy małej elektrowni wodnej

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

28

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wodna …

29

Tab. 4. Wstępny kosztorys budowy małej elektrowni wodnej cd.