Wytwarzanie energii elektrycznej 2014-04-22
Elektrociepłownie i energetyka rozproszona
Energetyka wodna
2
Zasady przetwarzania energii wody
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:
2 2
�� ł�
pA -� pB cA -� cB
A =� V �� r� �� g �� -� hB ) +� +�
ę�(h r� �� g 2g ś�
A
�� ��
przy czym: c  prędkość wody, [m/s], g  przyspieszenie ziemskie, [m/s2],
p  ciśnienie wody, [Pa], V  objętość wody, [m3]
Moc elektrowni wodnej można obliczyć wykorzystując zależność:
P =� Vt �� r� �� g �� Hu ��h�e
gdzie: Vt  strumień objętości wody przepływającej prze turbinę, [m3/s].
3
Spad użyteczny uwzględniający straty spadu w zbiorniku i podczas doprowadzenia wody do
elektrowni:
Hu =� hA -� hB -� D�hs
W literaturze dla turbin wodnych strumień Vt jest nazywany przełykiem turbiny. Uwzględniając
g = 9,81 m/s2, oraz gęstość wody 1000 kg/m3, moc elektryczna elektrowni wodnej można okre-
ślić zależnością:
P =� 9,81��Vt �� Hu ��h�e
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.
1
Wytwarzanie energii elektrycznej 2014-04-22
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 p2. Kosztem energii kinetycznej pod wirnikiem turbiny powstaje podciśnienie p2 < pa
które zwiększa moc wydawana przez turbinę.
5
Rys. 1. Zmienność ciśnienia i prędkości w turbinie oraz odpowiednie trójkąty prędkości:
a) turbina akcyjna, b) turbina reakcyjna
c0 - prędkość wlotowa wody do turbiny, c1 - prędkość wody na wylocie z dyszy D lub kierownic K,
c2 -prędkość wody na wylocie z wirnika turbiny, c2 - prędkość wody na wlocie do wody dolnej,
w - względna prędkość wody w wirniku, u - prędkość wypadkowa, pa - ciśnienie atmosferyczne,
p - ciśnienie wody w danym punkcie słupa wody, A
- łopatka, WR - wirnik turbiny, RS - rura ssąca
6
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.
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),
2
Wytwarzanie energii elektrycznej 2014-04-22
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. A
opatki 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.
8
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.
Rys. 4. Rozwiązania
turbozespołów rurowych:
a) gruszkowych,
b) studniowych,
c) z generatorem zewnę-
trznym,
d) tzw. Straflo
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
3
Wytwarzanie energii elektrycznej 2014-04-22
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).
11
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.
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
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.
12
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 dz
wigowe,
" zamknięcia główne (awaryjne),
" zamknięcia remontowe,
" kraty wlotowe,
" czyszczarki krat,
" rurociągi stalowe doprowadzające wodę do turbin,
" wyposażenie elektryczne.
4
Wytwarzanie energii elektrycznej 2014-04-22
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.
14
Określenie przepływu - dla celów praktycznych można przyjąć do przybliżonych obliczeń Qśr 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 doraz
nie
spiętrzenia,
gdzie przekrój przepływającej wody jest zbliżony do prostokąta.
Przepływ można określić ze wzoru:
Q =� m �� b �� 2g �� h0.66
��
0.0027 h2 ł�
ć� ��
ę�
m =� 0.404 +� �� 1 +� 0.55 �� ś�
�� ��
2
h
Ł� ł� ę� ś�
h +� p
�� ��
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/sek2].
15
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:
1,17 �� n �� P
h�s =�
4 5
H
przy czym:
n - prędkość obrotowa wirnika turbiny, [obr/min],
P - moc turbiny, [kW],
H - spad użyteczny, [m].
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
Szybkobieżność 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
5
Wytwarzanie energii elektrycznej 2014-04-22
16
W MEW wykorzystuje się dwa rodzaje prądnic prądu przemiennego:
Prądnice synchroniczne  posiadają własny układ wzbudzenia i stabilizacji napięcia. Są z
ródłem
zarówno mocy czynnej jak i biernej, własność ta ma zasadnicze znaczenie przy zasilaniu sieci lokalnej
lub w przypadku gdy MEW stanowi rezerwowe z
ródło 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.
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.
18
Na koszty inwestycji wpływają czynniki obiektywne:
" parametry hydroenergetyczne cieku,
" warunki lokalizacyjne,
" warunki powiązania MEW z siecią energetyczną.
Obniżenie nakładów inwestycyjnych można osiągnąć przez:
" wykorzystanie istniejących budowli piętrzących i urządzeń wodnych,
" zaprojektowanie możliwie prostych rozwiązań budowli hydrotechnicznych,
" prawidłowy dobór wyposażenia MEW.
6
Wytwarzanie energii elektrycznej 2014-04-22
19
Rys. 7. Nomogram doboru turbin produkowanych przez firmę Gugler
20
Rys. 8. Zakres stosowania turbin
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
7
Wytwarzanie energii elektrycznej 2014-04-22
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
23
Parametry charakterystyczne projektowanej MEW
" rzeka: Lubrzanka
" jaz roboczy:
- całkowita szerokość 10 m
- spad max Hmax = 6,8 m
- spad użyteczny H = 6,61 m
" przełyk instalowany turbiny Qi = 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
" ns = 1500 obr/min
" � = 94,6%
" przekładnia pasowa o przełożeniu i = 1,63
" sprawność turbozespołu 69,5%
24
Wobec powyższego max moc na wale turbiny wyniesie:
P =� 9,81��Hu ��Q��e =� 9,81�� 6,61��0,59 �� 0,79 =� 30,2 [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
8
Wytwarzanie energii elektrycznej 2014-04-22
25
Przy założeniu sprawności generatora 92,5% i sprawności przekładni 95% moc max uzyskana na
wale generatora:
P =� Pw ��p =� 30,2 �� 0,95 =� 28,69 [kW]
Moc na zaciskach generatora - oddawana do sieci:
[kW]
P0 =�Pg ��g =� 28,69 �� 0,925 =� 26,5
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
26
Roczny bilans ekonomiczny
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
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
P, E 32
30
Produkcja roczna średnio wyniesie
28
26 43500,00 zł. Przewidywany koszt
24
budowy elektrowni nie powinien
22
przekroczyć 420000,00 zł. Analizując
20
18 powyższe nakłady całkowity koszt
16
zadania inwestycyjnego winien się
14
zwrócić po czasie:
12
10
420000
8 =� 9,65lat
43500
6
4
2
0
10 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
dni
Rys. 12. Wskaz
nik produkcji
energii elektrycznej
moc P[kW] energia E[MWh]
9
Wytwarzanie energii elektrycznej 2014-04-22
28
Tab. 4. Wstępny kosztorys budowy małej elektrowni wodnej
29
Tab. 4. Wstępny kosztorys budowy małej elektrowni wodnej cd.
10