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;
vd - pr*dko** wody na dop*ywie do turbiny, m/s;
vo - pr*dko** wody na odp*ywie z turbiny, m/s;
pd - nadci*nienie (w stosunku do ci*nienia otoczenia) wody na dop*ywie do turbiny, Pa;
po - nadci*nienie (w stosunku do ci*nienia otoczenia) wody na odp*ywie z turbiny, Pa;
Zd - poziom wody na dop*ywie do turbiny, m npm.;
Zo - 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:
Zd - poziom wody na dop*ywie do turbiny, m npm.;
Zo - 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 Ael 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:
Ael - 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]).
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.
Wyszukiwarka