HIDROELEKTRARNE - F9

HIDROELEKTRARNERok RožmanMentor: prof. Boštjan Golob

• Hidroelektrarna• Sestavni deli hidroelektrarne• Delitev hidroelektrarn• Vodne turbine• Izpeljava moči vodnih turbin• Izkoristek vodnih turbin• Proizvedena električna energija

• HE kinetično ali potencialno energijo pretvarjav mehansko energijo s pomočjo vodnihpogonskih strojev• Vodne turbine poganjajo generatorjeelektrične napetosti

1. Železnobetonska pregrada2. Jeklene zapornice3. Pretočno polje4. Turbinski vtok5. Valobran6. Grablje7. Dotočna cev –betonsko spiralo8. Turbinski stator9. Regulator10. Turbinski tekač11. Sesalna cev12. Odtočni kanal13. Strojnica14. Generator15. Zbiralnice16. Zračno stikališče17. Transformator18. Visokonapetostni daljnovod

Delitev hidroelektrarnGlede na mehansko obliko energije:• Pretočne• AkumulacijskePo moči HE:• Male (do 1 MW)• Srednje (do 100 MW)• Velike HE (nad 100 MW)Po padcih:• Nizkotlačne (do 25 m padca)• Srednjetlačne (od 25 do 250 m)• Visokotlačne HE (nad 250 m )

Pretočne HE• Sproti izrabljajo količino vode, ki priteka po strugireke.• Število in velikost turbin prilagojena nekemusrednjemu pretoku.razpoložljiva dnevna energijaIzrabljena dnevna energijaNeizrabljena dnevna energija gjDnevni diagram proizvodnje in zmogljivostipretočne elektrarne.

Akumulacijske HE• Zbirajo ali akumulirajo vodo (jezera)• Izrabljajo samo potrebno energijo vode,kolikor terjajo potrebe po moči in energiji• Pripomore do delne ali popolne izravnavevodnega tokaPrimer elektrarn s pretočno akumulacijoČasovni potek rečnega pretoka Q rv profilu zajezitve za primer popolnega izravnavanja

Nizkotlačne HE• Inštalirani padci zelo majhni (5 do 25 m)• Inštalirani pretoki zelo veliki (100 do 10000 m 3 /s)• Uporabljamo Kaplanove in propelerske turbine• Gradimo v spodnjem toku reke• Uporabljamo praviloma za kritje osnovne obremenitve• Najznačilnejši obliki sta kanalska in rečnahidroelektrarna1 ‐ Jez2 ‐ Zajetje vode3 ‐ Zgornja derivacija4 ‐ Elektrarna5 ‐ Spodnja derivacijaKanalska nizkotlačna elektrarnaPrimer rečne HE

Srednjetlačne HE• Inštalirani padci (25 do 250 m)• Inštalirani pretoki zelo odvisni (50 do 7000 m 3 /s)• Možne največje akumulacije• Uporabljamo Kaplanove in Francisove turbine (odvisnood padca vode)• Gradimo v srednjem in zgornjem toku reke• Elektrarne s pregradami izredno zahtevne• Najznačilnejši j obliki sta rovovska in pregradnahidroelektrarnaTipična ureditev srednjetlačne elektrarne zakumulacijoPrimer pregradne elektrarne

Visokotlačne HE• Inštalirani padci (250 do 2000 m)• Inštalirani pretoki relativno majhni (2 do 100 m 3 /s)• Običajno majhne akumulacije oz. pretočni tip reke• Uporablja večinoma Peltonova turbina• Gradimo v območju zgornjih tokov rek, ki izvirajo v sredogorju invisokogorju• Najbolj uspešne in elastične naprave za pokrivanje konic insezonskih primanjkljajev• Najznačilnejša tipa sta:‐ derivacijska visokotlačna HE pretočnega tipa z rovom s prostogladino ldi (HE Log pod Mangartom)‐ derivacijska visokotlačna HE z akumulacijo in rovom pod pritiskomDerivacijska elektrarna z akumulacijo

Vodne turbine• Pogonski stroj, ki potencialno in kinetičnoenergijo gj vode pretvarja v mehansko(rotacijsko) energijo• Mehanska energija se z električnimgeneratorjem pretvarja v električno energijo• Izkoristek vodne energije je odvisen od razlikevišin zgornje in spodnje vode (bruto padec)• Moč č vodne turbine odvisna di tudi od količine kličivode, ki pade na njo.

Vodne turbine delimo glede na pretvarjanjeenergije na :1. Enakotlačne (akcijske) vodne turbine sprostim curkom rkom(Peltonova in Bankijeva) a)Vsa potencialna energija se pretvarja v kinetičnov šobi (tlaka pred gonilnikom in za njim staenaka).Izkorišča padec vode samo do osi šobe turbine,kjer je postavljena.Uporabljene pri cenenih, majhnih vodnihelektrarnah.

2. Nadtlačne (reakcijske) vodne turbine (Francisovain Kaplanova)Tlak pred gonilnikom višji kot za njim (nadtlak)Izkorišča še nadlačno č energijo vodeIzkoriščajo celotni padec vode od zgornje dospodnje gladine vodePrimerne za manjše in srednje višinske padce‐ Vsako od njih uporabljamo v določenih danostih,odvisno od moči, padca, pretokov in številavrtljajev, pri katerih turbina deluje z največjimizkoristkom.

Peltonova vodna turbina• Enakotlačna (akcijska) turbina• Uporabljamo za majhne pretoke• Relativno velike padce (od 40 do 2000 m )• Vrtilna hitrost od 10 do 40 vrtljajev na min.• Curek vode pada na lopatice iz ene ali več šob• Optimalni izkoristek že pri 25% nazivniobremenitvi• Premer turbine do 5 m• Moč turbine do 250 MW

Francisova turbina• Ndl Nadtlačna č oz. reakcijska kijk turbina• Uporablja za srednje pretoke in srednje padce (5do 200 m)• Hitrost vrtenja od 50 do 500 vrtljajev na min.(odvisno od padca vode)• Hitrost vode na iztoku cevi 1,5 do 2,5 m/s (vpraksi)• Njbljšiik Najboljši izkoristek itkdosežejo med 60 in 80%nazivne obremenitve

Kaplanova reakcijska vodna turbinaDelovanje Bankijeve akcijske turbine

Sila curkaCurek vode brizga v vodoravni smeri proti navpični oviri in spolzi v pososdo naoviri. Na začetku, pred oviro, je hitrost dela vode enaka v` , a na koncu, v jenjegova hitrost enaka nič.F 0 dt = v dm – v` dm = ‐v` dmDel curka z maso dm deluje na oviro v času dt. Sila curka je konstantna insorazmerna s kvocientom dm/dt. m = dm/dtIz zveze m = V sledi zveza m = v, če vpeljemo prostorninski tok v = dV/dtProstornina vode, ki priteče na oviro v časovni enoti je na drugi strani v =d(xS)/dt = Sv` . Masni tok m = Sv`.Za silo curka dobimoF = v`dm/dt = v` mče prestreže curek posoda na oviri.

V splošnem pa priteka curek na oviro s hitrostjo v` pod kotom ` protipravokotnici na oviro in odteka s hitrostjo v pod kotom . V tem primeruzapišemo izrek o gibalni količini kot Fdt = ‐F 0 dt =‐vdm + v`dm in jeF = m (v` ‐ v)Sila curka ima komponentoF x = m (v` cos ` + v cos )v smeri pravokotno na oviro in komponentoF y = m (` (v` sin ` ‐ v sin )tangentno na oviro v ravnini vpadnega in odbitega curka.Curek, ki pada pravokotno na oviro in se z enako veliko hitrostjo odbije, delujena oviro s silo v pravokotni smeri :F = 2v` m = 2Sv`2Pravokotno vpadajoči curek, ki se ob oviri skoraj zaustavi in pade nato zaraditeže ob oviri navzdol, deluje na oviro le s siloF = v` m = Sv`2

Primer gibajoče se ovire: Peltonova turbinaPri računanju sile curka je treba upoštevati, da se gibljejo j lopatice s hitrostjov` = r od šobe proč.Hitrost tekočine glede na lopatico je v – v`. Oblika lopatice je takšna, da securek odbije z enako veliko hitrostjo.Po odboju je tedaj hitrost curka glede na lopatico –v + v` . Sprememba hitrostiv enačbi za silo curka je F = m 2(v –v`).Na posamezno lopatico priteka masni tok S(v –v`).Povprečna sila curka je tedajF = 2(v –v`) m = 2Sv(v –v`)Povprečna moč je enaka produktu te sile inhitrosti njenega prijemališča,to je hitrosti lopatice v`: P = 2Sv(v –v`)v`.Največjo povprečno moč izračunamo z zahtevo dP/dv` = 0. Iz te zahteve slediv` = ½ v. Največja moč je tedaj enekaP = ½ Sv 3 = ½ m v 2 .

Stacionarno gibanje kapljevine v zakrivljeni ceviZakrivljeno cev navežemo na koordinatni sistem (Oxy). Voda vstopa pri prerezu S 1 s hitrostjo v 1 inizstopa pri prerezu S 2 s hitrostjo tj v 2 .Gibalna količina se je na vstopni strani zmanjšala za:dm v 1 = Q dt v 1na izstopni strani pa povečala za:dm v 2 = Q dt v 2Razlika med obema gibalnima količinama je enaka impulzu sile (‐K) v istem času dt: dm (v 2 ‐ v 1 ) =Q dt (v 2 ‐ v 1 ) = ‐K dtReakcija na steno cevi ima nasprotno smer:K = Q (v 2 ‐ v 1 ) = Q v 1 ‐ Q v 1Q v 1 je sila, ki ima smer hitrosti v 1 in ‐ Q v 2 pa sila, ki ima nasprotno smer hitrosti v 2 . Čehočemo reakcijo K izračunati analitično, jo razstavimo v smereh osi na dve komponenti X in Y:X = Q (v 1 cos 1 ‐ v 2 cos 2 )Y = Q (v 1 sin 1 –v 2 sin 2 )K = x 2 + y 2 = Q v 22+ v 22‐ 2 v 1 v 2 cos ( 1 ‐ 2 )Končno določimo še navor glede na poljubni pol O` v ravnini (x,y):M 0 = Kr = Q v 1 r 1 ‐ Q v 2 r 2 = Q (v 1 r 1 ‐ v 2 r 2 )

Reakcija kapljevine na steno cevi, ki je v gibanju(cev se giblje enakomerno po krožni poti)Po cevi gibajoča se kapljevina proizvaja reakcijski vrtilni moment oz. navor M 0okoli osi O, ki je enak spremembi gibalnih količin v enoti časa okoli iste osi:M 0 = Kr = Q v 1 r 1 ‐ Q v 2 r 2 = Q (v 1 r 1 ‐ v 2 r 2 )Reakcijski vrtilni moment oz. navor je:M 0 = Q (v 1 R 1 cos 1 ‐ v 2 R 2 cos 2 ) (1)Upoštevajoč, da je u 1 = R 1 in u 2 = R 2 inv 1 cos 1 = w 1 cos 1 ‐ u 1 = w 1 cos 1 ‐ R 1 v 2 cos 2 = w 2 cos 2 –u 2 = w 2 cos 2 –R 2 M 0 = Q [(w 1 cos 1 ‐ R 1 )R 1 ‐ (w 2 cos 2 –R 2 )R 2 ]Navor reakcije gibajoče se kapljevine je po enačbi (1) odvisen samo od razmerna vtočni in iztočni strani. Ta enačba se imenuje Eulerjeva turbinskaenačba.

Primer reakcijske turbine : Francisova turbinaPri modernih turbinah je tok vode obrnjen: vstop je na periferiji tekača (R 1 )iztok pa gre v radialnih smereh tako, da je 2 = 90° (/2).Enačba (1) se poenostaviM 0 = Q v 1 R 1 cos 1Moč turbine je P = M 0 ,tako dobimoP = Qgh = Q (v 1 u 1 cos 1 ‐ v 2 u 2 cos 2 )ali P =Q v 1 u 1 cos 1in čisto razvito enačbo:P = M 0 = Q [(u 1 w 1 cos 1 ‐ u 2 w 2 cos 2 – (u 12 ‐ u 22 )]Pri razvijanju turbinske enačbe smo predpostavili, da se vsak vodni delecgiblje po srednji tokovnici med stenami turbinskih lopat. Ta predpostavkavelja le, če so lopate paralelne.Vstopni in iztopni trikotnik hitrosti gonilnikaFrancisove turbine.

Karakteristike vodnih turbinPogonska karakteristika različnih vrst turbin:a-Pelton, b-Kaplan, c in d-Francis (odvisno od vrtilne hitrosti turbine),e-propeler fiksne lopstice

Izkoristek in moč turbinKoličino vode, ki doteka k turbini vsako sekundo in iz turbine seveda tudiizteka, imenujemo pretok. Označujemo ga z veliko črko Q in merimo vm 3 /s.Višino, s katero doteka voda k turbini, predstavlja višinska razlika med zgornjovodno gladino in spodnjo vodno gladino merjeno v metrih h b = (H b ) brutopadec.Pi Pri odprtem predturbinskem zasuku in med obratovanjem turbine je tlak vodezmanjšan zaradi trenja vode v cevovodu. Turbini ni več na voljo celotnavišina H b , temveč neka za tlačne izgube v cevovodu zmanjšana višina. Tovišino H imenujemo neto padec.

Turbini dovajamo vsako sekundo torej naslednjo moč:P d = QHg [kgm 2 /s 3 ]• Vse dovedene vodne energije turbina ne more spremeniti v koristno mehaničnoenergijo.• Proizvedena mehanična moč turbine je torej vedno manjša kot sekundno dovajanevodne energije.P P dVrednost izkoristka bo vedno manjša od 1, saj delimo manjše število (P) z večjim (P d ):Izkoristek turbine pove, koliki del dovajane vodne energije pretvori turbina v koristno moč.Celotni izkoristek turbine je enak produktu vseh naštetih izkoristkov: = h v m h = hidravlični izkoristek v = volumetrični izkoristek m = mehanski izkoristekZmnožek izkoristkov turbine in generatorja, nam da skupen izkoristek celotnegahidroagregata.Izkoristek hidroagregata nam pove, kolikšen del vodne moči pretvarja agregat v električnomoč.

Največja hidroelektrarna na svetu (The ThreeGorges Dam)• Masivni zid jezu (dolg 2309 m, visok 101 m, širokod 115 m na dnu in 40 m na vrhu).• Porabljenega 27.200.000 m 3 betona, 463.000 tonjekla.• Francisove turbine premera 10 m• Trenutna moč 18.300 MW (26 generatorjev –znazivno močjo 778 MW).

Instalirane zmogljivosti v letu 2003Proizvodnja v letu 2003

Proizvodnja električne energije po mesecih v letu 2003

Hvala za pozornost!