predavanja 2

KVS - Protok
Potreba na snazi tokom dana
1

Srednja dnevna potreba snage
2000
1500
Snaga (MW)
1000
500
0
0 100 200 300 400
Vrijeme (dani)
Odgovarajuće potrebi na snazi pokazuje se
potreba na količini vode.
Tijekom dana se mijenja potreba na vodi
značajno.
Tijekom godine srednja dnevna potreba se
mijenja ali je relativno ujednačena tokom
godine.
Za regulaciju dotoka odnosno njegovu
prilagodbu (transformaciju) potrebama na
snazi koriste se akumulacije.
3

Akumulacije
Pogled s brane
Valići -Rječina
JEZERA
Prema načinu formiranja:
• Prirodna jezera
• Umjetna jezera – akumulacije (nastaju pregrađivanjem
riječnog toka u dolinama, kotlinama…)
Lokvarsko jezero
4

Reguliranje/izravnanje protoka
U određenom trenutku korisniku treba osigurati:
• Potrebne količine vode i
• Odgovarajuću kakvoću vode
U periodu kada ima više vode nego što je potrebno za
ostvarenje potreba korisnika “višak” vode se akumulira u
akumulaciji da bi se mogao koristiti kada je sušni period i kada
nema dovoljno vode za potrebe korisnika – “manjak”.
Q
(m 3 /s)
+
VODOOPSKRBA
NAVODNJAVANJE
+
+
PLOVIDBA
ENERGETIKA
VIŠAK
=
MANJAK
VIŠAK
0 3 6 9 12
PROTOK
UKUPNA
POTREBA
T
(mjeseci)
5

Q (l/s)
potrebno
raspoloživo
T (24h)
V
(volumen)
Q sr
Q dot
V ak
α
Q sr
= T
V = tgα
T (365 dana)
AKUMULACIJE – dijelovi:
NRR
MR
Preljev
PRIRODNI
VOLUMEN
KORISNI
VOLUMEN
MRR
MRTVI
VOLUMEN
Temeljni
ispust
MR – maksimalna razina vode
NRR – normalna/radna razina vode
MRR – minimalna radna razina vode
6

Korisni volumen akumulacije - volumen predviđen za
osiguranje potreba korisnika (vodoopskrba, navodnjavanje,
proizvodnja el. energije,…)
Treba predvidjeti dio volumena za
zadržavanje vodnog vala.
Q
ULAZNI HIDROGRAM
Q UL (t)
Mrtvi volumen –prostor koji ne
možemo koristiti, često je zatrpan
nanosom.
IZLAZNI HIDROGRAM
Q IZ (t)
t
Preljev služi za evakuaciju velikih voda:
Fiksni
MR
NRR
Sa zapornicom
MR=NRR
Krivulja volumena i površine akumulacije
Duboke akumulacije - razina vode
vodoravna
NRR
MR
Preljev
h (m ili m n.m.)
A (h)
MRR
Temeljni
ispust
V (h)
V (m 3 )
ΔV
=
i
A + A
i
2
(i+
1)
* ΔH
i
V m V kor
n
V = ∑ΔV
i=
0
i
A (m 2 )
7

h (m ili m n.m.)
A (h)
dP = dV = A ⋅ dh
A +
i
A
i+
1
ΔV = Δh
2
hmax
∫ Adh(h − h ) = V
0
h0
t =
hmax
∫ Adh (h - h
h0
V
kor
0
kor
)
=
t =
dh
⋅ t
hmax
∫dV (h - h0
)
Φ
=
V V
h0
Φ
V kor
z
kor
t’
t
t – težište volumena
kor
h max
h 0
V (h)
h
dP P(V(h))=Φ
dV
V (m 3 )
V A (m 2 m V kor )
ENERGETSKI EKVIVALENT korisnog
volumena akumulacije u odnosu na:
-minimalnu razinu:
-bilo koju razinu:
V t
W = (kWh)
367
kor ⋅
V ⋅(t'
+ z)
W =
kor (kWh)
367
Plitke akumulacije:
• Volumen nije jednoznačno određen
• On je u funkciji uspora i vodotoka
Uspor
husp
≤ 1,01 (1%)
h p
hprir
h u
Uspor računamo sa 95% male vode.
Dužina uspora L=f(Q,h) proizlazi iz h usp
/h prir
=1,01.
Za 95% korištenja:
Q
Q 95%
95%
8

Krivulja protoka / Protočna krivulja
Protočna krivulja donje vode:
H
(m ili m n.m.)
Q (H)
• zavisnost protoka od razine
vode u nizvodnom koritu
H
Q
Q (m 3 /s)
POKAZATELJI:
Iskoristivost rijeke
Iskoristivost izgradnje
Iskoristivost rijeke s akumulacijom
Doprinos akumulacije
Bonitet akumulacije
Bonitet usporne građevine
Odnos korisnog volumena i ukupnog godišnjeg dotoka
Energetska vrijednost akumulacije
9

Iskoristivost rijeke (I R )
Q
Qi
Q
Qmax
linija iskoristivosti
T
rijeke I R
Qi
V kor
Qmin
t [%]
Qi-instalirani protok, najveći protok koji se
može propustiti kroz zahvatni ulaz
=VELIČINA IZGRADNJE
0
1
linearno
ISKORISTIVOST RIJEKE:
I R =V kor /V
V-ukupni volumen vode
IR
Iskoristivost izgradnje (I IZ )
Q
Q
linija iskoristivosti izgradnje I IZ
Qmax
T
Qi
Qi
linija
iskoristivosti
V kor
Vpot=Qi•T
rijeke I R
Qmin
100%
t [%]
Qi-instalirani protok, najveći protok koji
se može propustiti kroz zahvatni ulaz
=VELIČINA IZGRADNJE
0
1
ISKORISTIVOST IZGRADNJE:
IIZ
I IZ =V kor /V pot =V kor /Q i •T
Vpot-potencijalno moguća iskoristiva voda
10

Iskoristivost rijeke s akumulacijom (I RA )
T
ΔV
I RA =(V kor +ΔV)/V UK
Qi
V kor
V KOR -volumen koji se koristi za
instalirani protok Q i
ΔV-volumen koji se dodaje
100%
Doprinos akumulacije (D ak )
D ak =(I RA -I R )/I R =ΔV/V kor
-omjer dodatnog prema
iskorištenom volumenu
IR
100%
Qi
I R
Q
Qmax
IR
ΔV=f(IR)
A
IR=f(V AK )
-ako izgradimo
veću akumulaciju
ništa ne dobivamo
jer nemamo
dovoljno vode na
raspolaganju iz
rijeka da bismo je
napunili
Qi
QSR
V=∫Qdt
t
Qmin
ΔV
ΔV
V AK max
V AK
100%
iskoristivi volumen
T
11

Bonitet akumulacije (β)
A max
max
h max
Vak
β =
A h
max
Pokazatelj vrijednosti akumulacije
Važan s obzirom na cijenu zemljišta
(terena)
Što je β veći napraviti ćemo veću
akumulaciju na istom prostoru
V ak – volumen akumulacije
Bonitet usporne građevine (β ak/g / β g/ak )
Pokazatelj ugrađenog materijala i akumulacije
Koliko je m 3 akumulacije ostvareno ugradnjom za 1m 3 materijala
u građevinu
V
ak V
β = ak – volumen akumulacije
ak/g
V
V g – volumen građevine
g
Koliko je m 3 materijala ugrađeno u građevinu za 1m 3
akumulacije
V
β =
g/ak
V
g
ak
12

Odnos korisnog volumena i ukupnog
godišnjeg dotoka
Daje nam predodžbu o stupnju moguće transformacije
(izravnanja).
γ
GOD
V
=
V
AK
GOD
γ >0,5 -izjednačavanje volumena u
nekoliko godina
γ ~0,25–izjednačavanje volumena u tijeku
jedne godine
Godišnja regulacija:
• Nepotpuna γ =2-3% (0,02-0,03)
• Potpuna (znači da možemo osigurati srednju godišnju protoku)
γ =20-30% (0,20-0,30)
Višegodišnja regulacija:
DN VAK
• Nepotpuna γ ~50% godišnjeg protoka γ =
DN
• Potpuna γ ≥100% godišnjeg protoka
VPOT
Dnevna regulacija:
• Nepotpuna γ ~5% potrebe
• Potpuna γ ~25% potrebe
Vrste akumulacija:
Prema vrsti izravnanja protoka:
• Višegodišnje (višak vode iz vodnih godina prebacuje se u period sušnih godina)
• Godišnje ili sezonske (višak vode iz vodnih perioda u toku jedne godine prebacuje
u sušne periode iste godine)
• Tjedne
• Dnevne (princip kao kod vodospreme)
• Kompenzacijski bazeni (služi da dotok koji je transformiran vraća u prirodno
stanje, npr. mogu se graditi se kod vršnih HE za osiguranje “biološkog minimuma” kada HE
ne radi)
Prema namjeni:
• Višenamjenske
• Jednonamjenske
Prema dubini: duboke i plitke
13

Promjene u okolini izgradnjom HG
(formiranjem akumulacija)
Lokvarsko jezero
Utjecaji/promjene
Posredni
Neposredni
Pozitivni
Negativni
Neutralni
Intenzivni
Zanemarivi
Vremenski
(prije,
za vrijeme,
za vrijeme korištenja
i nakon)
Utjecaji HG
Kratkotrajni
Dugotrajni
Na:
Prirodu
Umjetnu pr.
Čovjeka
Tlo
Voda
Zrak
Živi svijet
Prirodne vrijednosti
…
Infrastruktura
Naselja
Kulturna i povijesna
dobra
…
Psihološki
Sociološki
Gospodarski
…
14

Utjecaj na okoliš - zakoni (www.voda.hr, www.mzopu.hr):
• Zakon o vodama
• Zakon o prostornom uređenju
• Pravilnik o procjeni utjecaja na okoliš
Primjeri:
Rijeka Drava:
• HE Varaždin (1971-75) – nije trebala studija utjecaja na okoliš
• HE Čakovec (1975-85) – trebala je studija utjecaja na okoliš
(Pravilnik o procjeni utjecaja na okoliš temelji se na iskustvima gradnje HE
Čakovec, napravljena malo prije puštanja u rad)
• HE Dubrava (1982-89) - trebala je studija utjecaja na okoliš
HE Vinodol (1952):
• Akumulacija Bajer – sva voda ide na HE
• Ličanka je presušila
Lika i Gacka - “stara” korita su suha
HE Čakovec
BRANA
AKUMULACIJA
1
2
HE
3
2
PRITOKA
Presjek 1-1
1
3
“staro/napušteno”
korito
Presjek 2-2
Kanal za prihvat
površinske vode
P.V.
h>
v<
PREGRADNE GRAĐEVINE
od prirodnog
Pokrovni sloj – slabo
propusan materijal
Presjek 3-3
šljunak, pijesak
10-150 m
Ovo je bilo
prirodno korito
Trajno sniženje razine
podzemnih voda
15

Neposredne promjene: tlo
vode
Lokvarsko jezero (prazno)
prenamjena površine
zauzimanje zemljišta
površinske
podzemne
Površinske vode
• Promjene u
protocima -
krivulja trajanja
protoka (prije i
nakon izgradnje
brane)
Krivulja trajanja
protoka prije
izgradnje brane
Krivulja trajanja
protoka u
“napuštenom” koritu
Podzemne vode
• Povišenje/sniženje
razine podzemnih
voda
Q
Q i
Q d >Q i
Q B
T %
Posredne promjene
PRIRODA:
• zrak, živi svijet i prirodne vrijednosti
• Mijenjanje mikroklime
• BIOCENOZA (skup živih organizama-suživot) + BIOTOP (životna sredina)
• EUTROFIKACIJA
STVORENE VRIJEDNOSTI I UMJETNA PRIRODA:
• Infrastruktura
• Naselja
• Kulturna i povijesna dobra (arheološki lokaliteti)
ČOVJEK:
• Psihičke
• Sociološke
• Gospodarske
16

Problemi vezani uz akumulacije:
Zatrpavanje nanosom uzvodno od brane:
• erozija korita nizvodno
• mrtvi prostor
• vijek trajanja akumulacije (50-200 godina)
• potrebno je smanjiti količinu nanosa koji dolazi u akumulaciju
(pregrade na pritocima)
• osigurati ispiranje nanosa kroz temeljne ispuste i preko
preljeva
• osigurati čišćenje nanosa iz akumulacije (ako je moguće)
Vododrživost akumulacije (procjeđivanje kroz bokove doline i
dno) Letaj (Boljunčica)
Očuvanje kvalitete akumulirane vode
Gubitak uslijed isparavanja
Utjecaj akumulacije na klimu, ekologiju, kulturno naslijeđe i
kvalitetu vode
Plavljenje površina (naselja, poljoprivredne površine,
infrastruktura,…)
Porast/sniženje razine podzemnih voda
Potpuno ili djelomično rušenje brane može uzrokovati
katastrofalne posljedice
Punjenje i pražnjenje akumulacije može uzrokovati inducirane
potrese
Naglo pražnjenje može izazvati klizišta
U korištenju akumulacije postoji sukob interesa različitih
korisnika
Priprema površina koje će se potopiti nakon izgradnje potapanja
…
17

DIMENZIONIRANJE AKUMULACIJE
Godišnja regulacija dotoka
s i
DOTOK POTREBA
s i - stanje sustava (ovisno o ulazu,
U
I
elementima akumulacije, sustavu za
upravljanje, prethodnom stanju,
V ak
izlaznom stanju)
- volumen akumulacije
V AK
SUSTAV ZA
UPRAVLJANJE
- Zahvati (zatvarači)
-Preljev
-Ispuštanje
Stanje se opisuje volumenom V ak i
ili visinom kod brane h i (kod plitkih
akumulacija; h i , Q i )
ULAZ – dotok (prirodni i transformirani-sustav akumulacija)
Q
PRIRODNI
t
Dotok se prognozira – procjenjuje raznim metodama (npr.
može se koristiti metoda MONTE CARLO, niz iz prošlosti
preslikamo kao budući niz)
PRISTUPI:
DETERMINISTIČKI PRISTUP
grafički
analitički
STOHASTIČKI PRISTUP
(određuje vjerojatnost)
bolje i kvalitetnije
TIPOVI ZADATAKA:
1) Ako znamo ulaz i izlaz, kolika mora biti akumulacija?
U
I
V ak =?
2) Poznati ulaz i akumulacija, koliki je izlaz?
U
V ak
I=?
18

SUMARNE KRIVULJE
DOTOKA
ULAZA
IZLAZA
POTREBA
Q
[m 3 /s]
Δt1
V [m 3 ]
β
i
α
SUMARNA
KRIVULJA
V1
V2
Vj
t0 t1 t2 t [s]
t0 t1 t2
t [s]
t1
t2
tj
V1=∫Qdt V2=∫Qdt
t0
t1
V1=Q*Δt1
Δt=const.
Sumarna krivulja je uvijek rastuća ili horizontalna (npr. za Q=0).
tgα=ΔV/Δt
nagib sekante predstavlja srednji protok na nekom intervalu
tgα=Q sr i
tgβ=Q
- nagib tangente u bilo kojoj točki odgovara protoku u toj točki
JEZERSKA JEDNADŽBA (BILANCNA J.)
t
t
∫Q DOT dt=∫Q IZ dt ± ΔV
t0
t0
ULAZ U AKUMULACIJU
Q DOT *Δt = Q IZ *Δt ± ΔV
VOLUMEN KOJI OSTAJE U AKUMULACIJI
V DOT
VOLUMEN KOJI
KORISTIMO V K
V IZ
VOLUMEN KOJI SE GUBI
NA PRELJEVU V PR
V DOT =V IZ ± ΔV
19

U
1. TIP ZADATKA: V AK =?
I
V [m 3 ]
SUMARNA KRIVULJA
POTREBE
SUMARNA KRIVULJA
DOTOKA (ULAZ)
VDOT
ΔV
ΔV=V DOT -V POT
VAK
VPOT
t i
t [s]
V0- POČETNO STANJE
ΔV
AKUMULACIJE
lΔV + l
VAK- POTREBAN VOLUMEN
VAK
lΔV - l
V0
t [s]
AKUMULACIJE
U OVOM TRENUTKU JE AKUMULACIJA
PRAZNA
VAK = |ΔV + |max + |ΔV - |max
MODEL ZA ANALITIČKI PRORAČUN
VDOT VPOT ΔV
m 3 m 3 m 3
max
Uzimamo ekstremne
vrijednosti
min
20

POTPUNO GODIŠNJE IZRAVNANJE:
– poznata nam je potreba Q SR
- unutar godine moramo osigurati prosječni protok
V [m 3 ]
Q SR
dotok
Sumarna krivulja dotoka
VAK
Sumarna krivulja potreba
T=jedna godina
T
2. TIP ZADATKA:
Poznati ulaz i akumulacija, koliki je izlaz?
U I = ?
V ak
21

Kriteriji regulacije
1. Q radno ≤ Q instalirano
2. V preljeva | minimum
3.
minimum
Q radno | maksimum
4. Ujednačen režim rada (minimalan broj promjena
radnog protoka)
(koristi se kosokutni koordinatni sustav)
22

Dnevna regulacija
Polazeći od potreba koje su neujednačene u odnosu na
ujednačen dotok tijekom dana akumulacija se koristi za
odgovarajuću transformaciju dotoka.
U proučavanju potrebne veličine akumulacije, padova,
snage i energije koriste se svi protoci.
Pri proučavanju akumulacija utvrđuju se ekstremna
stanja, što omogućuje upravljanje raspoloživom
količinom vode u svim uvjetima rada.
25

SATNA REGULACIJA (DNEVNA)
Q
[m 3 /s]
Q SR – na osnovu hidrograma
Q i – instalirana protoka ili kapacitet
Q SR *24*3600=Q i *t k *3600
Q SR =(t k /24)*Q i
Q SR
24
24 - tk
tk
t
VAK
V AK =Q SR *(24-t k )*3600= t k /24*(24-t k )*Q i *3600=
=Q i *150*t k *(24-t k )
tk[h] V AK [m 3 ]
V MAX
Q SR =Q i /2
8 19200 Q i 12
tk
12 21600 Q i
10 21000 Q i
tkmin=1h
26

Vrijeme koncentracije (t k
) je konstantno – razlika samo kod “malog
dotoka” u odnosu na kriterij 1 (t k
promjenjivo i manje od t kmax
)
28

Primjer proračuna
snage i energije uz
dnevnu regulaciju
dotoka.
32

Primjer proračuna
snage i energije
uz dnevnu regulaciju
dotoka.
Primjer rada hidroelektrane Varaždin
33

TJEDNA REGULACIJA
Q
[m 3 /s]
Q RADNO (Radni protok)
Q DOT *7*86400=Q RADNO *5,5*86400
Q DOT =5,5/7*Q RADNO ; V AK =Q DOT *1,5*86400
V AK =5,5/7*Q RADNO *1,5*86400
S N P U S Č P S N P
1,5 5,5
t [dani]
=101828Q RADNO ≈100000Q RADNO
35

Primjer tjedne regulacije
a) hidrogram
b) dijagram volumena
36