Prof.nadzw.dr hab.inż. Władysław Brzozowski Cz*stochowa-Gliwice, 15.02.1999 r.

Politechnika Częstochowska

Instytut Elektroenergetyki

Wykłady z przedmiotu:

PODSTAWY WYTWARZANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ

kierunek Elektrotechnika

Wyk*ad 11. Wprowadzenie do hydrologii. Elektrownie wodne (teksty, wzory, wykresy i rysunki wyk*adu s* opracowane na podstawie [15, 16, 17] wg. wykazu literatury w wyk*adzie 1, a ponadto literatury dodatkowej poni*ej).

11.1. Literatura uzupe*niaj*ca do wyk*adu (opr*cz literatury podstawowej podanej w wyk*adzie 1):

[11.1] Szczegolew G., Garkawi J.: Turbiny wodne oraz ich regulacja. PWT, Warszawa 1959.

[11.2] ******* *.*.: ****** ************* ****** *******. *******, ******- **.********** 1964.

[11.3] ******** *.*.: ************** ******. ************ „****** *****”, ****, 1978.

11.2. Niekt*re podstawowe kategorie hydrologii i energetyki wodnej

Hydrologia jest nauk* zajmuj*c* si* badaniem w*d znajduj*cych si* na kuli ziemskiej zar*wno w atmosferze jak i w rzekach, jeziorach, morzach oraz pod ziemi*.

Podstawowymi kategoriami hydrologii i energetyki wodnej s*:

• Ma*y i du*y cykl kr**enia w przyrodzie.

W ma*ym cyklu kr**enia ujmuje si* wod* paruj*c* z powierzchni m*rz i ocean*w oraz opadaj*c* z powrotem na t* powierzchni*. W du*ym cyklu kr**enia ujmuje si* wod* paruj*c* z powierzchni ca*ej kuli ziemskiej, nast*pnie opadaj*c* cz**ciowo na powierzchni* m*rz i ocean*w, a cz**ciowo na ziemi* i wsi*kaj*c* w ziemi*, a p**niej sp*ywaj*c* do m*rz i ocean*w w postaci ciek*w.

• Wsp**czynnik sp*ywu.

Dla energetyki wodnej wa*ne znaczenie ma poj*cie wsp**czynnika sp*ywu α:

(11.1)

gdzie:

α - wsp**czynnik sp*ywu;

X - obj*to** opad*w na dan* powierzchni*;

Y - obj*to** sp*ywu z danej powierzchni.

• Stan wody w cieku (rzece) ∇ w cm.

• Przep*yw rzeki w danym przekroju Q w m³/s.

Jest to obj*to** wody przep*ywaj*cej w ci*gu 1 sekundy. Mierzy si* najmniejszy i najwi*kszy chwilowy przep*yw rzeki w ci*gu doby, miesi*ca i roku, a tak*e najmniejsze i najwi*ksze *rednie przep*ywy rzeki z poszczeg*lnych dni, miesi*cy i lat.

• Sp*yw rzeki w m³.

Jest to obj*to** wody przep*ywaj*cej w d*u*szym okresie czasu ni* 1 sekunda. Mierzy si* sp*yw godzinny, dobowy i roczny.

• Spadek rzeki I w m/km lub w *.

Spadek rzeki jest to stosunek r**nicy ΔH wysoko*ci zwierciad*a wody w dwu przekrojach odleg*ych o L, jak na rysunku 11.1.

Rys. 11.1. Spadek rzeki.

Spadek rzeki wyra*a si* wzorem:

(11.2)

gdzie:

I - spadek rzeki, m/km lub *;

ΔH - r**nica wysoko*ci zwierciad*a wody w dwu przekrojach, m;

L - odleg*o** przekroj*w jw, km.

• Spad rzeki H w m.

Spad rzeki nie jest wielko*ci* hydrologiczn*, lecz energetyczn*. Jest to r**nica energii wody na dop*ywie i na odp*ywie z turbin elektrowni wodnej. Spad rzeki wyra*a si* wzorem:

(11.3)

gdzie:

H - spad rzeki, m;

v_d - pr*dko** wody na dop*ywie do turbiny, m/s;

v_o - pr*dko** wody na odp*ywie z turbiny, m/s;

p_d - nadci*nienie (w stosunku do ci*nienia otoczenia) wody na dop*ywie do turbiny, Pa;

p_o - nadci*nienie (w stosunku do ci*nienia otoczenia) wody na odp*ywie z turbiny, Pa;

Z_d - poziom wody na dop*ywie do turbiny, m npm.;

Z_o - poziom wody na odp*ywie z turbiny, m npm.;

γ - ci**ar obj*to*ciowy wody, N/m³ (ok. 9810 N/m³);

g - przyspieszenie ziemskie, 9.81 m/s².

W praktyce, a szczeg*lnie dla elektrowni na wodach nizinnych mo*na pomin** wielko*ci v i p jako niewielkie. W*wczas:

(11.4)

gdzie:

Z_d - poziom wody na dop*ywie do turbiny, m npm.;

Z_o - pr*dko** wody na odp*ywie z turbiny, m npm..

• Energia wodna wykorzystana w elektrowni A w J.

Energia ta wyra*a si* wzorem:

(11.5)

gdzie:

A - energia wody wykorzystana w elektrowni, J;

H - spad rzeki, m;

V - obj*to** wody, kt*ra przep*yn**a przez *opatki turbiny, m³;

γ - ci**ar obj*to*ciowy wody, N/m³ (ok. 9810 N/m³).

• Energia elektryczna wyprodukowana w elektrowni A_el w kWh.

W praktyce, na skutek r**nych strat, na energi* elektryczn* zamienia si* tylko cz*** energii wody. Energia elektryczna wyprodukowana wyra*a si* wzorem:

(11.6)

gdzie:

A_el - energia elektryczna wyprodukowana w elektrowni, kWh;

H - spad rzeki, m;

V - obj*to** wody, kt*ra przep*yn**a przez *opatki turbiny, m³;

γ - ci**ar obj*to*ciowy wody, N/m³ (ok. 9810 N/m³);

η - sprawno** elektrowni wodnej (η≈0.82).

• Moc wodna cieku N w W.

Poj*cie mocy wodnej cieku pozwala oceni* ciek z punktu widzenia jego warto*ci energetycznej, teoretycznie mo*liwej do wykorzystania. Moc wodn* cieku wyra*a si* wzorem:

(11.7)

gdzie:

N - moc wodna cieku, W;

H - spad rzeki, m;

Q - przep*yw cieku, m³/s;

γ - ci**ar obj*to*ciowy wody, N/m³ (ok. 9810 N/m³).

Moc wodna wszystkich rzek Polski, licz*c wed*ug przep*ywu *redniego wieloletniego, wynosi 2700 MW (w tym Wis*a bez dorzecza ok. 1200 MW, a Odra bez dorzecza ok. 250 MW). Stanowi to poni*ej 10% mocy systemu elektroenergetycznego Polski.

Jest to, poza tym, moc maksymalna teoretyczna. W praktyce, bior*c pod uwag* wzgl*dy ekonomiczne, mo*na wykorzysta* jedynie cz*** tej mocy.

• Sprawno** elektrowni wodnej.

Sprawno** elektrowni wodnej jest to iloczyn poni*szych sprawno*ci:

(11.8)

gdzie:

- sprawno** elektrowni wodnej, liczba niemianowana;

- sprawno** wlotu (w zwi*zku ze stratami spadu na kratach, wlocie i nap*ywie na *opatki turbiny wodnej), liczba niemianowana;

- sprawno** turbiny wodnej, liczba niemianowana;

- sprawno** generatora, liczba niemianowana;

- sprawno** transformatora, liczba niemianowana.

11.3. Klasyfikacja elektrowni wodnych

11.3.1. Klasyfikacja elektrowni wodnych ze wzgl*du na wielko** podstawowych parametr*w (tzw. prze*yk tj. przepustowo** turbiny wodnej, spad oraz moc)

Wed*ug tej klasyfikacji elektrownie dziel* si* na:

niskospadowe (nizinne);

wysokospadowe (g*rskie).

11.3.2. Klasyfikacja elektrowni wodnych ze wzgl*du na spos*b koncentracji spadu

Wed*ug tej klasyfikacji elektrownie dziel* si* na:

jazowe. S* to takie elektrownie, w kt*rych spi*trzenie wody (wysoko** zapory) nie przewy*sza *cian koryta rzeki. Woda nie tworzy w*wczas zbiornika.

zaporowe przyzaporowe. Elektrownie zaporowe s* to takie elektrownie, w kt*rych spi*trzenie wody (wysoko** zapory) przewy*sza *ciany koryta rzeki. Woda rozlewa si* w*wczas przed zapor* tworz*c zbiornik. W elektrowni przyzaporowej turbiny s* zainstalowane bezpo*rednio za zapor*. Zwizualizowa* rysunki 11.1-2 - schematy elektrowni wodnych o niskim i *rednim spadzie (rysunki 1.11-1.12, str.30- 31 z [15]).

-1. zaporowe derywacyjne. S* to takie elektrownie zaporowe, w kt*rych miejsce zainstalowania turbin jest oddalone od miejsca spi*trzenia (zapory). Woda do turbin jest doprowadzana w*wczas kana*em derywacyjnym.

Zwizualizowa* rysunki 11.3-4 - schematy elektrowni wodnych przyzaporowych i derywacyjnych (rysunki 1.6-1.10, str.28- 29 z [15]).

11.3.3. Klasyfikacja elektrowni wodnych ze wzgl*du na cechy wsp**pracy z systemem elektroenergetycznym

Wed*ug tej klasyfikacji elektrownie dziel* si* na:

podstawowe;

podszczytowe;

szczytowe. Jest to identyczna klasyfikacja jak dla elektrowni cieplnych (por. wyk*ad 1). Elektrownie wodne cz*sto pe*ni* funkcje elektrowni szczytowych (np. elektrownie szczytowo-pompowe por.dalej).

11.3.4. Klasyfikacja elektrowni wodnych ze wzgl*du na w*a*ciwo*ci energetyczne elektrowni

Wed*ug tej klasyfikacji elektrownie dziel* si* na:

elektrownie przep*ywowe;

elektrownie na zbiornikach o dobowym oraz o dobowym i tygodniowym regulowaniu przep*ywu;

elektrownie na zbiornikach wielozadaniowych. Elektrownie takie dziel* si* jeszcze na: elektrownie o wyr*wnaniu sezonowym oraz na elektrownie o wyr*wnaniu rocznym ca*kowitym i wieloletnim;

elektrownie w kaskadzie zwartej;

elektrownie pompowe i wodne z pompowaniem;

elektrownie p*ywowe.

Ad. 1). Elektrownie przep*ywowe.

Elektrownia przep*ywowa jest to taka elektrownia kt*ra nie tworzy zbiornika. Jej moc jest w ka*dej chwili funkcj* przep*ywu chwilowego.

Wielko*ci*, jaka charakteryzuje elektrowni* przep*ywow*, jest moc zapewniona, tzn. taka najwi*ksza moc, jak* mo*na uzyska* przez co najmniej 95% czasu w roku. Je*li przep*yw wody w rzece jest b.nieregularny, to moc zapewniona jest du*o mniejsza ni* maksymalna moc chwilowa. Taka sytuacja dotyczy w szczeg*lno*ci rzek g*rskich. Moc zapewniona dla r**nych typ*w rzek kszta*tuje si* jak poni*ej:

moc zapewniona = 5-10% mocy maksymalnej dla w*d g*rskich;

20-30% nizinnych;

40-50% jeziorowych.

Gdyby obliczono elektrowni* na moc maksymaln*, to zdolno*ci wytw*rcze takiej elektrowni by*yby wykorzystane w ma*ym stopniu. W praktyce elektrowni* tak* projektuje si* na tzw. prze*yk turbin (przepustowo**) wed*ug wzoru:

(11.9)

gdzie:

- tzw. prze*yk (przepustowo**) turbin, zainstalowany, liczony w jednostkach przep*ywu, m³/s;

- przep*yw rzeki *redni roczny, m³/s.

Warto** 1.2 wsp**czynnika przyjmuje si* dla w*d nizinnych, a 1.8 dla w*d g*rskich.

Ad. 2). Elektrownie na zbiornikach o dobowym oraz o dobowym i tygodniowym regulowaniu przep*ywu.

Schemat ideowy takiej elektrowni przedstawia si* jak na poni*szym rysunku 11.5.