HYDROENERGETYKA. Gospodarka Wodna. Wykład nr 7 Kierunek: IS + UCZ

Transkrypt

1 Gospodarka Wodna Wykład nr 7 Kierunek: IS + UCZ Wydział Inżynierii Środowiska Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej Zakład Gospodarki Wodnej OPRACOWAŁ dr hab.inż. Wojciech Chmielowski prof. PK HYDROENERGETYKA

2 Budowa hydroelektrowni

3 Elektrownia wodna to zakład przemysłowy zamieniający energię spadku wody na elektryczną. Elektrownie wodne dzieli się na: "duże" i "małe", przyjmując, że małe elektrownie wodne (określane skrótem MEW) to te o mocy poniżej 5 MW. Podział ten jest dość umowny (w Skandynawii i Szwajcarii granicą są 2 MW, a w USA 15 MW), ale dość ważny, gdyż MEW są zaliczane do niekonwencjonalnych, odnawialnych i ekologicznych źródeł energii, natomiast duże elektrownie wodne są tak na świecie rozpowszechnione (20% światowej produkcji energii elektrycznej), że traktowane są często jako konwencjonalne źródło energii, a duży stopień ingerencji w środowisko naturalne powstrzymuje wielu badaczy od nazywania dużych elektrowni wodnych ekologicznymi.

4 Zasoby hydroenergetyczne Polski szacuje się na: 13,7 TWh rocznie, z czego 45,3% przypada na WISŁĘ, 43,6% na dorzecza Wisły i ODRY, 9,8% na Odrę i 1,8% na rzeki Pomorza, Obecnie POLSKA wykorzystuje swoje zasoby hydroenergetyczne jedynie w 12%, co stanowi 7,3% mocy zainstalowanej w krajowym systemie energetycznym (dla porównania Norwegowie, rekordziści w tej dziedzinie, uzyskują z energii spadku wody 98% energii elektrycznej).

5 W MEW najczęściej stosowane są turbiny wodne: Kaplana dla małych spadków Francisa dla średnich spadków Peltona w której wirnik z wklęsłymi łopatkami zasilany jest stycznie strumieniem wody z dyszy; stosowana przy dużych spadkach.

6 Turbina Peltona (1880) jest rozwinięciem koła natryskowego, w którym łopatki są ustawione pod kątem 90 stopni do strumienia wody, a protoplastą dla obydwu jest Koło młyńskie. Turbiny systemu Peltona stosuje się dla spadków H>500 m, w wyjątkowych wypadkach uzasadnionych konstrukcyjnie zamiast turbin Francisa od H=100m (w pewnych warunkach dla turbin Francisa dla wyróżników szybkobieżności 2-40 wychodzą bardzo długie kanały dolotowe i duże straty; wtedy uzasadnione jest zastosowanie t. Peltona). W turbinie Peltona dla zwiększenia sprawności stosuje się zamiast prostych łopatek specjalnie wyprofilowane łopatki na kształt dwóch połączonych czarek (dwie półkoliste sfery), na których strumień wody dużo łagodniej zmienia kierunek.

7 Turbiny Peltona buduje się z wałami poziomymi i pionowymi. Przy wałach poziomych stosuje się max. dwie dysze wylotowe (przy większej ilości ze względu na zderzanie się strumieni z poprzedzającej dyszy moc maleje) a przy wałach pionowych do 6 dysz.

8 Turbina Francisa turbina wodna opracowana przez Jamesa Francisa. W turbinie Francisa woda ze zbiornika górnego wpływa całym całym obwodem na łopatki kierownicze i wówczas przyspiesza, a następnie zasila wirnik roboczy. Po przepłynięciu kanałami między łopatkami w kształcie dysz woda z dużą prędkością opuszcza wirnik i wchodzi do rury ssawnej. Temu procesowi towarzyszy reakcja hydrodynamiczna, która wprowadza wirnik w ruch w kierunku przeciwnym do wylotu wody.

9 Turbina Francisa, jest turbiną reakcyjną, co oznacza, że płyn roboczy podczas przepływu przez to urządzenie się rozpręża. Potencjalna energia płynu zostaje przekształcona w kinetyczną energię obracającego się wirnika. Turbina znajduje się między zbiornikiem płynu o wyższym ciśnieniu (wyższy poziom cieczy) i zbiornikiem zawierającym płyn o niższym ciśnieniu (niższy poziom cieczy). Źródłem różnicy ciśnień jest w przypadku hydroelektrowni siła ciążenia. Przewód dostarczający ciecz roboczą ma kształt spirali. Poruszający się płyn przemieszcza się po coraz mniejszym promieniu, co zgodne z zasadą zachowania momentu pędu prowadzi do wzrostu prędkości obrotowej. Łopatki kierujące prowadzą płyn stycznie do kierunku rotacji wprost na łopatki wirnika. Kont ustawienia łopatek może być regulowany, co pozwala na zapewnienie optymalnej pracy w szerokim zakresie różnicy ciśnień. Łopatki wirnika nie są ruchome.

10 Większe turbiny Francisa są projektowane specjalnie dla każdego miejsca, w którym zostaną zastosowane, co pozwala osiągać sprawność powyżej 90%. Są niezwykle kosztowne w produkcji i instalacji, ale zachowują sprawność przez dekady.

11 Turbiny Francisa mogą być stosowane w elektrowniach szczytowopompowych, gdzie nadmiarowy prąd elektryczny wykorzystywany jest do pompowania wody. W okresie szczytu poboru mocy, turbina Francisa ponownie zaczyna produkować prąd, aby zaspokoić rosnące zapotrzebowanie. W ten sposób możliwe jest zbilansowanie sieci energetycznej

12 Turbina Kaplana to odmiana turbiny śmigłowej, czyli takiej której łopatki mają kształt podobny do śrub okrętowych. Jej odmienność polega na możliwości zmiany kąta łopat w czasie pracy, a w efekcie także regulację otrzymywanej mocy i dużo większy zakres wysokich sprawności. Liczba łopat wirnika wynosi od 3 do 10. Turbina ta stosowana jest przy spadach od 1,5 do 80 m - przy większych spadach wykazuje ona mniejszą odporność na kawitację. Maksymalna moc pojedynczej turbiny (dane na 1995) to 130 MW

13 Kawitacja jest zjawiskiem polegającym na gwałtownej przemianie fazowej z fazy ciekłej w fazę gazową pod wpływem zmiany ciśnienia. Jeżeli płyn cieczy gwałtownie przyśpiesza zgodnie z zasadą zachowania energii, ciśnienie statyczne płynu musi zmaleć. Dzieje się tak np. w wąskim otworze przelotowym zaworu albo na powierzchni śruby napędowej statku. Kawitacja jest gwałtownym i najczęściej bardzo niepożądanym zjawiskiem. Lokalne nagłe zmiany ciśnienia mogą przekraczać ciśnienie płynu nawet kilusetkrotnie, a powstające uderzenia są tak silne, iż mogą zniszczyć niemal dowolny matariał. Powstające podczas implozji bąbelków gazu fale uderzeniowe powodują mikrouszkodzenia śrub okretowych, łopat turbin, zaworów i innych elementów i dramatycznie skracają czas ich eksploatacji

14 Polskie elektrownie wodne szczytowo-pompowe Elektrownia Wodna Żarnowiec 716 MW największa w Polsce elektrownia szczytowopompowa. Położona w miejscowości Czymanowo nad jeziorem Żarnowieckim w województwie pomorskim. Budowę elektrowni rozpoczęto w 1976, a jej uruchomienie nastąpiło w 1982.

15 Górny zbiornik wodny elektrowni stanowi sztuczne jezioro (o powierzchni ponad 100 boisk piłkarskich i pojemności 13 milionów m3), wybudowane w miejscu dawnej PGR-owskiej wsi KOLKOWO. Zbiornik dolny stanowi natomiast Jezioro Żarnowieckie. Elektrownia wyposażona jest w cztery jednakowe hydrozespoły odwracalne o mocy: dla pracy turbinowej dla pracy pompowej 4 x 179 MW = 716 MW 4 x 200 MW = 800 MW Turbiny uruchamiane są zdalnie z Krajowej Dyspozycji Mocy w Warszawie. Właścicielem elektrowni jest spółka Elektrownie Szczytowo-Pompowe S.A. Posiada ona także większość udziałów w spółce Elektrownia Wodna Żarnowiec S.A. - która jest operatorem żarnowieckiej elektrowni, jak również kilku mniejszych tego typu obiektów.

16 Zbiornik górny

17 Jezioro Żarnowieckie Zbiornik górny Sztolnie wodne

18 Elektrownia Wodna Porąbka-Żar 500MW

19 Elektrownia Porąbka-Żar - druga co do wielkości elektrownia szczytowo-pompowa w Polsce uruchomiona w Wyposażona jest w cztery hydrozespoły odwracalne typu Francis o mocy 500 MW (4 x 125 MW) dla pracy turbinowej oraz 540 MW (4 x 135 MW) dla pracy pompowej. Elektrownia wykorzystuje jako zbiornik dolny zaporowe Jezioro Międzybrodzkie, którego zapora znajduje się w Porąbce. Górny zbiornik (całkowicie sztuczny) wybudowany jest na szczycie góry Zar. Sama elektrownia (sztolnie wodne, transportowe, pomocnicze, komora maszynowni) mieści się w wydrążonym wnętrzu tej góry.

20 Lustro Jeziora Międzybrodzkiego znajduje się na wysokości około 318 m npm, a zbiornika górnego na wysokości około 750 m n.p.m., co daje tzw. średni spad statyczny 432 m. Czas pracy w szczycie wieczornym (produkcja energii elektrycznej z wykorzystaniem wody ze zbiornika górnego) to 4 godziny. Czas pompowania wody do zbiornika górnego to 5,5 godziny. Sprawność cyklu elektrowni wynosi 75%. Elektrownia jest udostępniona do zwiedzania.

21 Elektrownia Porąbka - Żar została zlokalizowana w Międzybrodziu Żywieckim, o czym zdecydowały wyjątkowo korzystne warunki topograficzne: duży spad przy małej odległości między zbiornikami oraz możliwość wykorzystania zagospodarowanej kaskady rzeki Soły. Wykonano ją po raz pierwszy w kraju jako elektrownię podziemną. Wchodząca w skład Elektrowni Szczytowo - Pompowych S.A., EW Porąbka - Żar jest klasyczną elektrownią szczytowo - pompową o mocy 500 MW i spadzie 440 m. Została przeznaczona do regulacji systemu energetycznego w czasie szczytów i zapadów obciążenia. Krótki rozruch elektrowni 180 sek., kwalifikuje ją również do pracy interwencyjnej.

22 Elektrownia Wodna Solina - Myczkowce 200MW

23 Zespół Elektrowni Wodnych Solina Myczkowce S.A. To zespół elektrowni wodnych na sztucznych zbiornikach wodnych na rzece San w gminie Solina w województwie podkarpackim. Są to elektrownie SOLINA i elektrownia MYCZKOWCE Budowę elektrowni wodnej w tym miejscu planowano już przed II wojną światową. Przeprowadzono wstępne badania geologiczne, jednak wojna pokrzyżowała te plany. Powtórnie do budowy elektrowni przystąpiono po wojnie. Budowa zespołu elektrowni trwała 12 lat i składała się z dwóch etapów: budowa zapory ziemnej i Elektrowni Myczkowce w latach budowa zapory i Elektrowni Solina w latach

24 Elektrownię Myczkowce uruchomiono w 1961, Elektrownię Solina w Obiekty EW Solina i EW Myczkowce należą do spółki Elektrownie Szczytowo - Pompowe S.A., poza zbiornikami wodnymi, które należą do spółki Zespół Elektrowni Wodnych Solina Myczkowce S.A. W latach zmodernizowano zaporę. Zwiększono moc elektrowni ze 136 MW do 200 MW, Wymieniono wirniki turbin, wał turbiny, hydrauliczno-mechaniczno-elektryczny regulator na elektroniczny pamięciowo programowalny regulator cyfrowy, oraz zmodernizowano generatory, zespoły regulacyjne. W części elektrycznej zmodernizowano generatory TZ klasyczne i odwracalne. Wymieniono jeszcze wielu innych aparatur, układów oraz transformatorów, zmniejszono liczbę przecieków w zaporze.

25 W skład Zespołu Elektrowni Wodnych Solina - Myczkowce wchodzą: zbiornik górny Jezioro Solińskie Elektrownia Wodna Solina - szczytowo-pompowa z 4 turbozespołami typu Francisa o mocy zainstalowanej po modernizacji 200 MW i produkcji rocznej 112 GWh (2 turbiny rewersyjne pompujące wodę z jeziora Myczkowieckiego do Solińskiego) zbiornik dolny Jezioro Myczkowskie Elektrownia Wodna Myczkowce - przepływowowyrównawcza z 2 turbozespołami z turbinami typu Kaplana o łącznej mocy zainstalowanej 8,3 MW Obie elektrownie wodne są ze sobą powiązane gospodarką wodną. Pojemność zbiornika w Myczkowcach pozwala na pracę elektrowni Solina z pełną mocą w ciągu 5-6 godzin.

26 Zbiornik Solina Zbiornik Myczkowce

27 Elektrownia Wodna Żydowo 156 MW

28 Dwa naturalne jeziora: Kamienne i Kwiecko, położone blisko siebie i mające znaczną (około osiemdziesiąt metrów) różnice poziomów lustra wody, połączono trzema stalowymi, pięciometrowej średnicy rurociągami. W ciągu sekundy na łopatki turbin kierowanych jest 240 metrów sześciennych wody, dzięki czemu elektrownia może osiągać moc 156 MW. W ciągu nocnej nadwyżki energii w sieci dwa turbozespoły odwracalne ponownie wpompowują trzy miliony metrów sześciennych wody do górnego zbiornika.

29 Parametry systemu hydrotechnicznego zbiornik górny: Jezioro Kamienne (powierzchnia maksymalna 100 ha, powierzchnia minimalna: 78 ha), zbiornik dolny: Jezioro Kwiecko (powierzchnia maksymalna 140 ha), średnia różnica poziomów między zbiornikami: 82,7 m, kanał roboczy (łączący J. Kamienne i komorę wlotową do rurociągów): długość 1316 m, szerokość dna 12 m, głębokość 9 m, prędkość wody 2,2 m/s, rurociągi (od komory wlotowej do elektrowni): ilość 3, średnica: 5 m, długość 467 m.

30 Zbiornik Kwiecko Zbiornik Kamienne Elektrownia wyposażona jest w dwie maszyny odwracalne typu Francis i jedną maszynę klasyczną typu Francis, które zapewniają łączną moc 156 MW. Moc pomp 2 x 68,0 MW.

31 Elektrownia Wodna Czorsztyn- Niedzica-Sromowce Wyżne 94,6 MW

32

33 Zbiornik Sromowce Zbiornik Czorsztyn-Niedzica

34 Elektrownia Wodna Niedzica Moc przy pracy turbinowej: 2 x 46,375 MW Moc przy pracy pompowej: 2 x 44,5 MW Wysokość spadu wody: m Generowane napięcie: 15 kv

35

36 Polskie elektrownie wodne przepływowe Elektrownia Wodna we Włocławku 160,2 MW

37 Elektrownia: EW we Włocławku Rzeka: Wisła Lokalizacja: 674,850 km Rok budowy: 1970 Rzędna piętrzenia: 57,30 m n.p.m. Spad znamionowy: 8,80 m Ilość hydrozespołów: 6 Typ turbiny: turbina Kaplana Moc instalowana: 160,2 MW Przełyk instalowany: m3/sek Średnia produkcja: 739 GWh/a

38 Elektrownia Wodna w Rożnowie 50 MW moc: 50 MW roczna produkcja energii elektrycznej: ok. 100 mln kwh 4 turbozespoły spad wody: 30 m przepływ wody: 240 m³/s

39 Elektrownia Dębe - 20 MW Elektrownia Porabka - Żar - 12,6 MW Elektrownia Myczkowce w zespole EW Solina-Myczkowce - 8,3 MW Elektrownia Czhów 8 MW Elektrownia Pilchowice 7,49 MW Elektrownia Wrzeszczyn 4,2 MW Elektrownia Wodna Sromowce- Wyżne - 2,1 MW Zespół Elektrowni Bobrowice - 1,36 MW Elektrownia Dobczyce - 2 MW Obecnie POLSKA wykorzystuje swoje zasoby hydroenergetyczne jedynie w 12%, co stanowi 7,3% mocy zainstalowanej w krajowym systemie energetycznym

40 Gospodarka Wodna Wykład nr 7 Kierunek: IS + UCZ Wydział Inżynierii Środowiska Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej Zakład Gospodarki Wodnej OPRACOWAŁ dr hab.inż. Wojciech Chmielowski prof. PK HYDROENERGETYKA