Elektrownie wodne (J. Paska)

Transkrypt

1 1. Ogólna charakterystyka elektrowni wodnych Rys. 1. Cykl przemian energetycznych, realizowanych w elektrowni wodnej i uproszczony obraz strat energii. Moc i energia elektrowni wodnych Rys.. Przekrój koryta rzeki: a) w stanie naturalnym, b) po wybudowaniu elektrowni wodnej: Z 1, Z - wzniesienie przekrojów 1 i nad dowolny poziom odniesienia, np. nad poziom morza [m]; p 1, p - ciśnienie wody [Pa]; ρ - gęstość wody [kg/m 3 ]; 1, - średnia prędkość wody [m/s]; g - przyspieszenie ziemskie [m/s ]; V - objętość przepływającej wody [m 3 ]; H 1, H - poziomy niwelacyjne luster wody w stosunku do poziomu odniesienia [m]; h 1,h - głębokość położenia środka ciężkości masy wody pod lustrem wody [m] Stosując oznaczenia z rys. a można wyznaczyć energię wody w korycie rzeki w każdym z przekrojów: p1 1 p A 1 = ( gz1 + + ) ρ V [ J ], A = ( gz + + ) ρ V [ J ] ρ ρ Człony wyrażenia w nawiasach mają wymiar [m /s = J/kg] i określają energię jednostkową: p gz - energia położenia (potencjalna), - energia ciśnienia, - energia prędkości (kinetyczna). ρ Energia rozwijana przez rzekę między dwoma przekrojami wynosi: A = A A = g p p ρ 1 1 ( Z Z ) + + ρ V [ J ] Zakładając, że na poziomach Z 1 i Z po wybudowaniu zapory znajdą się środki ciężkości mas wody na górnym i dolnym poziomie (rys. b) i zainstalowane zostaną hydrozespoły elektrowni wodnej oraz dodatkowo oznaczając: H l - H = H - spad niwelacyjny [m]; gσh str - suma strat energii jednostkowej, spowodowanych oporami przepływu wody przez doprowadzenia i odprowadzenia jej z turbiny [J/kg]; T - sprawność turbiny wodnej; g - sprawność generatora; a także uwzględniając, że: H 1 = Z 1 + h 1, H = Z + h, p 1 = h 1 ρ g, p = h ρ g, V Q = - przepływ wody [m 3 /s]; t 1

2 otrzymuje się po przekształceniach wyrażenie określające ilość energii elektrycznej możliwą do uzyskania w 1 elektrowni wodnej: ( A ) ( gh + gσh ρ V [ J ] =. 1 el str ) 1 Wyrażenie w nawiasach jest jednostkową energią użyteczną A u : A gh + gσh [ J / kg] T u g =. Człon gh + 1 / jest jednostkową energią potencjalną wody w zbiorniku górnym oraz energią kinetyczną związaną z ruchem wody w tym zbiorniku z prędkością 1. Człon / jest stratą jednostkowej energii kinetycznej wody odpływającej na dolnym poziomie z prędkością. Człon gσh str jest stratą jednostkowej energii związaną z oporami przepływu wody w doprowadzeniach i odprowadzeniach z turbiny. ( A = A ρ V J. Ostatecznie: [ ] 1 ) el u Moc elektrowni wodnej przy założeniu ρ = 1000 kg/m 3 i t = 1 s: 3. Rodzaje elektrowni wodnych T g ( A ) P = t 1 el 1 Au QT g str [ kw] = 8QH. Rys. 3. Elektrownia przepływowa, przyzaporowa o małym spadzie Rys. 4. Elektrownia pompowa, derywacyjna o dużym spadzie, podziemna: 1 - zbiornik górny, - ujęcie wody i zamknięcia, 3 - sztolnia, 4 - maszynownia, 5 - komora wyrównawcza, 6 - tunel dojazdowy, 7 - zbiornik dolny 4. Turbiny wodne T u r b i n a w o d n a jest silnikiem hydraulicznym wykorzystującym energię kinetyczną lub energię kinetyczną i energię ciśnienia wody - zależnie od systemu turbiny - do napędu i przekazania energii wirnikowi i sprzęgniętemu z nim generatorowi. Turbiny wodne dzieli się na dwa zasadnicze rodzaje: turbiny wodne akcyjne (natryskowe) oraz reakcyjne (naporowe). Podział ten wynika, podobnie jak w przypadku turbin parowych, z zasady ich działania. W t u r b i n i e a k c y j n e j woda zostaje doprowadzona do wirnika pod ciśnieniem równym w przybliżeniu atmosferycznemu i przekazuje wirnikowi energię kinetyczną pochodzącą z przemiany energii wody (związanej z jej ciśnieniem) w nieruchomej dyszy oraz energii pochodzącej od ruchu wody na wlocie do turbiny. W t u r b i n i e r e a k c y j n e j energia wody związana z jej ciśnieniem na wlocie do turbiny ulega przemianie na energię kinetyczną przekazywaną wirnikowi, częściowo w aparacie kierowniczym i częściowo w samym wirniku.

3 Rys. 5. Zmienność ciśnienia i prędkości w turbinie wodnej: a) turbina akcyjna, b) turbina reakcyjna; c 0 prędkość wlotowa wody do turbiny, c 1 prędkość wody na wylocie z dyszy D lub kierownic K, c prędkość wody na wylocie z wirnika turbiny, c prędkość wody na wlocie do wody dolnej, w względna prędkość wody w wirniku, u prędkość (wypadkowa), p a ciśnienie atmosferyczne, p ciśnienie wody w danym punkcie słupa wody, WR wirnik turbiny, RS rura ssąca, GW górna woda, DW dolna woda W elektrowniach wodnych znajdują zwykle zastosowanie cztery systemy turbin wodnych. Każdy z nich ma odmienną budowę przystosowaną do najlepszego wykorzystania wielkości spadu, przy jakim ma pracować. Nazwy systemów turbin pochodzą od nazwisk ich pierwszych konstruktorów. Mamy więc do czynienia z turbinami systemu: Peltona - do spadów największych, H = m, n s = 35 min -1, Francisa - do spadów dużych i średnich, H = m, n s = min -1, Deriaza - do spadów średnich, H = m, n s = min -1, Kaplana - do spadów małych, H = 3 80 m, n s = 300 l000 min -1. Rys. 6. Turbina systemu Peltona: a) widok wirnika, b) przekrój; 1 - dysze z odchylaczami strugi wody, - serwomotor, 3 - obudowa wirnika Rys. 7. Turbina systemu Francisa: a) widok wirnika, b) widok spirali, c) przekrój; 1 - wirnik, - łopatki kierownicze, 3 - spirala, 4 - generator, 5 - rura ssąca 3

4 Rys. 8. Turbina systemu Deriaza: a) widoki wirników, b) przekrój; 1 - wirnik, - łopatki kierownicze, 3 - spirala, 4 - generator, 5 - rura ssąca Rys. 9. Turbina systemu Kaplana: a) widoki wirników, b) przekrój; 1 - wirnik, - łopatki kierownicze, 3 - spirala, 4 - generator, 5 - rura ssąca Rys. 10. Turbina Kaplana typu gruszkowego (rurowa): 1 - szczelna obudowa, - łopatki wsporcze, 3 - łopatki kierownicze, 4 - generator, 5 - wentylator, 6 właz Rys. 11. Turbina Banki- Michella z napływem: a) poziomym, b) pionowym; 1 łopatka kierownicza, wirnik turbiny 4

5 Rys. 1. Obszary zastosowań turbin wodnych różnych typów (cross-flow turbina Banki- Michella, Turgo podobna do turbiny Peltona) 5. Charakterystyka energetyki wodnej i wybranych elektrowni wodnych Tablica 1. Największe elektrownie wodne w Polsce 1) Rok uruchomienia Elektrownia Moc zainstalowana, MW Liczba i typ turbin i rodzaj ) Żarnowiec Porąbka-Żar Solina Włocławek Żydowo Niedzica (Czorsztyn) Dychów Rożnów Koronowo Tresna Dębe Porąbka 680,0 500,0 00,0 160, 150,0 9 79,5 56,0 6,0 1,0 0,0 4 R 4 R R + F 6 K R + 1 F R (D) 3 K+ 4 P 4 K K K 4 K 198 SP 1979 SP 1969 ZP 1969 P 1971 SP 1997 P (SP) 1951 ZP 194 Z 1960 Z 1966 Z 1963 P Z 1,6 K +1 F RAZEM 1881,6 1) : K Kaplana, F Francisa, R odwracalna (pompoturbina), D Deriaza, P oddzielna pompa śmigłowa; ) : SP szczytowo-pompowa, P przepływowa, Z zbiornikowa, ZP zbiornikowa z członem pompowym Obecnie w Polsce największą elektrownią wodną przepływową jest elektrownia Włocławek na Wiśle, stanowiąca pierwszy element planowanej Kaskady Dolnej Wisły o sumarycznej mocy 1300 MW. Elektrownia Włocławek jest wyposażona w 6 hydrozespołów z turbinami Kaplana o łącznej mocy 160 MW (6 po 7,8 MW). Przykładem elektrowni zbiornikowej z członem pompowym jest elektrownia Solina, zbudowana w latach , stanowiąca element przyszłej kaskady rzeki San. Jest to elektrownia przy zaporze betonowej, ze zbiornikiem w wyrównaniu wieloletnim. Została ona wyposażona w: - dwie turbiny Francisa o danych: moc turbiny P t = 68 MW, prędkość obrotowa n = 136 min -1, średnica wirnika D = 4,1 m, spad średni H = 57 m, turbiny napędzają prądnice synchroniczne (ze wzbudnicą prądu stałego) o danych: S = 75,5 MV A, P = 68 MW, cosφ = 0,9, U = 10,5 kv ± 5 %; - dwie pompoturbiny o danych: stosunek mocy pracy turbinowej do mocy pracy pompowej P t /P p = 3 MW/30 MW, n = 136,6 min -1, D = 4,5 m, H = 57 m, prądnice/ silniki synchroniczne o danych: S = 35,5 MV A, P t /P p = 31,8 MW/30,7 MW, cosφ t /cosφ p = 0,9/0,9 poj, U = 10,5 kv ± 5 %. Ważną rolę w systemie elektroenergetycznym spełniają elektrownie wodne pompowe, zwane również szczytowo-pompowymi. Pozwalają one na użycie wody jako magazynu energii, bowiem pracują w ten sposób, że w okresach małego obciążenia systemu pompują wodę ze zbiornika dolnego do górnego a w okresach dużego obciążenia wytwarzają energię elektryczną wykorzystując wodę zgromadzoną w górnym zbiorniku. 5

6 Rys. 13. Zasada pracy elektrowni pompowej S p r a w n ość cy k l u p r a c y e l e k t r o w n i p o m p o w e j jest określona następująco: sprawność pracy pompowej sprawność pracy turbinowej sprawność cyklu = c cp = cp ct tr tr s g p = ct t r r gdzie: p, t, tr, g, s sprawności: pompy, turbiny, rurociągu wodnego, transformatora, maszyny elektrycznej pracującej jako generator lub jako silnik napędzający pompę. Uzupełniając już podane wartości sprawności danymi:, otrzymuje się c = 0,7 0,77 s = g, = 0, p 9, 99 r = 0,, co oznacza że z 1 kw h energii pobranej z systemu zostanie zwrócone 0,7 0,77 kw h w okresie szczytu. Sprawność elektrowni pompowej określa zależność: = e gdzie: pe sprawność przesyłu energii; ep sprawność, z jaką wytwarza się energię elektryczną zużywaną na pompowanie. Obecnie w Polsce największą elektrownią wodną pompową jest elektrownia Żarnowiec o mocy zainstalowanej 680 MW (4 hydrozespoły). Elektrownia ma sztuczny zbiornik górny zbudowany na płaskowyżu położonym w sąsiedztwie jeziora z naturalnym dopływem wody (jezioro Żarnowieckie), stanowiącym zbiornik dolny elektrowni. Woda ze zbiornika górnego jest doprowadzona do turbin 4 rurociągami ciśnieniowymi stalowymi o długości 1135 m i średnicy (max/min) 7,1/5,5 m. Elektrownia jest wyposażona w: - pompoturbiny o danych: P t /P p = 170 MW/18 MW; n = 166,7 min -1 ; D = 6 m; H = 117 m; t / p = 0,905/0,910; - prądnice/silniki synchroniczne o danych: S = 00 MV A; cosφ t /cosφ p = 0,85/0,94 poj ; U = 15,75 kv ± 7,5%. Interesująco została rozwiązana elektrownia Porąbka-Żar, o mocy 500 MW, która została wybudowana jako podziemna we wnętrzu góry Żar. Elektrownia ma zbiornik dolny powstały ze spiętrzenia rzeki Soły oraz sztuczny zbiornik górny i została wyposażona w: cztery pompoturbiny o danych: P t /P p = 14 MW/135 MW; n = 600 min -1 ; D = 3,1 m; H = 440 m; t / p = 0,916/0,907; prądnice/silniki synchroniczne o danych: S = 150 MV A; cosφ t /cosφ p = 0,9/0,9 poj ; U = 13,8 kv ± 10%. Średniospadowa, zlokalizowana na wybrzeżu elektrownia Żarnowiec została uruchomiona w 198 roku i przekazana w całości do eksploatacji w 1983 r. Wysokospadowa elektrownia szczytowo-pompowa Porąbka-Żar, usytuowana na południu Polski, w Beskidzie Małym koło Żywca została uruchomiona w 1979 r. i przekazana w całości do eksploatacji w 1980 r. Porąbka-Żar (4 15 MW) jest klasyczną elektrownią typu podziemnego, której wszystkie obiekty funkcjonalne, z wyjątkiem zbiorników wodnych górnego i dolnego, usytuowane są w masywie góry Żar na dużej głębokości pod powierzchnią terenu. Rolę dolnego zbiornika elektrowni spełnia istniejący zbiornik retencyjny Porąbka, tzw. jezioro Międzybrodzkie. Leży on 440 m poniżej zbiornika górnego. c pe ep 6