TRENDY MODERNIZACYJNE W KRAJOWYCH ELEKTROWNIACH WODNYCH ŚREDNIO- I NISKOSPADOWYCH CZĘŚĆ I

Transkrypt

1 TRENDY MODERNIZACYJNE W KRAJOWYCH ELEKTROWNIACH WODNYCH ŚREDNIO- I NISKOSPADOWYCH CZĘŚĆ I Autorzy: mgr inż. Adam Henke, dr hab. inż., prof. nzw. Adam Adamkowski - Instytut Maszyn Przepływowych PAN ("Energetyka Wodna" - nr 4/2015) Spośród krajowych elektrowni wodnych, znacząca liczba obiektów charakteryzuje się kilkudziesięcioletnią historią działalności, a są wśród nich takie obiekty jak EW Struga i EW Kamienna, które rozpoczęły swoją działalność pod koniec XIX wieku (1898 rok). Stan techniczny eksploatowanych przez dziesięciolecia turbin oraz pozostałych urządzeń ciągu technologicznego elektrowni, takich jak regulatory, generatory, układy odbioru mocy nie pozwalał na dalszą efektywną i bezpieczną eksploatację tych urządzeń i na pełne wykorzystanie potencjału energetycznego stopni wodnych, na których te elektrownie są zainstalowane. Rozwój współczesnej techniki turbinowej sprawił, że modernizacje wielu elektrowni wodnych, oprócz dostosowania ich do współczesnych standardów technicznych przyniosły realne korzyści ekonomiczne, wynikające ze zwiększenia produkcji energii elektrycznej, przy zmniejszonych kosztach eksploatacji. Rozwój ten wiąże się między innymi z zastosowaniem na obiektach średnio- i niskospadowych szybkobieżnych rurowych turbin o podwójnej regulacji charakteryzujących się wysoką sprawnością energetyczną w szerokim zakresie ich pracy. Ich zastosowanie jest możliwe dzięki współczesnym, zaawansowanym metodom projektowym i technologicznym elementów układów przepływowych, w tym szczególnie układów łopatkowych. W artykule przedstawiono obecne trendy dotyczące nowoczesnego wyposażenia turbinowego w krajowych elektrowniach średnio- i niskospadowych. Trendy te omówiono w odniesieniu do różnego zakresu prac modernizacyjnych. Przedstawiono przypadki obejmujące: zastąpienie starych turbin wolnobieżnych typu Francisa szybkobieżnymi turbinami Kaplana z podwójną regulacją w zabudowie klasycznej lub rurowej, wymianę całych układów przepływowych i łopatkowych turbin niskosprawnych na turbiny wysokosprawne tego samego typu, wymianę wirników turbin Kaplana i Francisa na wirniki nowe tego samego typu. Działania modernizacyjne poparto wieloma przykładami wraz z udokumentowanymi efektami energetycznymi poprzez przedstawienie wybranych wyników badań przedmodernizacyjnych i gwarancyjnych, wykonanych po modernizacji. Z praktycznego punktu widzenia istotną sprawą jest możliwość pracy turbiny w szerokim zakresie zmian

2 obciążenia (mocy). Najbardziej korzystne wyzyskanie zmiennego przepływu rzeki jest możliwe wtedy, gdy turbina może być eksploatowana w szerokim zakresie regulacji natężenia przepływu lub gdy elektrownia dysponuje kilkoma jednostkami, umożliwiającymi pełne wykorzystanie zmiennego przepływu na stopniu. Rys. 1 Względne zależności sprawności turbin wodnych od natężenia przepływu dla różnych typów turbin wodnych Oznaczenia: F turbina Francisa, K turbina Kaplana, S turbina śmigłowa Dla potrzeb oceny przedstawionych w niniejszym artykule przykładów modernizacji małych elektrowni wodnych należy w tym miejscu podkreślić, że turbiny, w zależności od ich typu charakteryzują się różnymi zależnościami ich sprawności od natężenia przepływu rys. 1. Najbardziej płaskie charakterystyki, a więc największy zakres regulacji mają turbiny Kaplana, natomiast zdecydowanie mniejszy zakres mają turbiny Francisa (Q = 0.4 Qmax 1.0 Qmax), oraz turbiny śmigłowe (Q = 0.6 Qmax 1.0 Qmax). Dobrym przykładem modernizacji jest nieomówiony szczegółowo w niniejszym artykule przypadek elektrowni wodnej Wrocław I, w której dwa hydrozespoły są wyposażone w turbiny Kaplana z możliwościami podwójnej regulacji nastaw łopatek kierownicy i wirnika, a przez to wysoką sprawność energetyczną w szerokim zakresie zmian natężenia przepływu, natomiast dwa pozostałe hydrozespoły są wyposażone w turbiny śmigłowe o bardzo wąskim zakresie regulacji zmian natężenia przepływu przy wysokiej sprawności. ZASTĄPIENIE TURBIN FRANCISA TURBINAMI KAPLANA Zdecydowana większość starych elektrowni wodnych niskospadowych w Polsce jest wyposażona w turbiny typu Francisa, charakteryzujące się małą szybkobieżnością i niskim poziomem sprawności. Główną przyczyną tego stanu był brak, w okresie budowy tych elektrowni, innych typów turbin. Obecnie, modernizacja tych elektrowni coraz częściej opiera

3 się na zastępowaniu turbin Francisa nowoczesnymi turbinami Kaplana, klasycznymi lub rurowymi. Rys. 2. Przekrój podłużny EW Likowo stan przed modernizacją Enea Wytwarzanie Sp. z o.o. Są to zwykle turbiny z podwójną regulacją o szerokim zakresie ich pracy przy wysokiej sprawności energetycznej przy optymalnych ze względu na sprawność energetyczną nastaw otwarcia łopat kierownicy i wirnika. Warto w tym miejscu podkreślić konieczność optymalizacji tych otwarć z wykorzystaniem maksymalizacji sprawności energetycznej. Dlatego w tego typu elektrowniach bardzo ważną sprawą jest możliwość pomiaru natężenia przepływu, przynajmniej w sposób indeksowy [1, 2]. Poniżej przedstawiono dwa przykłady modernizacji starych elektrowni polegających na zastąpieniu starych wolnobieżnych turbin typu Francisa szybkobieżnymi rurowymi turbinami Kaplana. Rys. 3. EW Likowo wyposażenie hali maszyn przed modernizacją, zdjęcie lewe: generator, zdjęcie prawe: regulator mechaniczny

4 PRZYKŁAD I Elektrownia Wodna Likowo usytuowana jest w km 65.2 rzeki Rega w województwie zachodniopomorskim. Elektrownia została uruchomiona w 1923 roku z wyposażeniem maszynowym składającym się z 3 hydrozespołów z turbinami typu Francisa (dwukomorowe trójwirnikowe) o mocy po około 270 kw produkcji firmy Voith Heidenheim an der Brenz. Przekrój podłużny elektrowni oraz widok hali maszyn przed modernizacją przedstawiono na rysunkach 2 i 3. W latach przeprowadzono gruntowną modernizację obiektu. W miejsce hydrozespołów z turbinami Francisa zainstalowano nowoczesne turbiny Kaplana w zabudowie rurowej typu TRK-1200 o wysokim wyróżniku szybkobieżności i szerokim zakresie pracy z wysoką sprawnością przy zmianach natężenia przepływu i obciążenia. Dostawcą turbin była firma Gajek Engineering Sp. z o.o. Gdańsk (GEG). Przed modernizacją hydrozespoły były wyposażone w 3 wirniki turbinowe osadzone na jednym wale. Była to powszechnie stosowana metoda zwiększania szybkobieżności hydrozespołu definiowanej wyróżnikiem szybkobieżności nsq zgodnie ze wzorem: w którym n oznacza szybkość obrotową wirnika turbiny, Q natężenie przepływu wody przez wirnik lub wirniki turbiny i H wysokość spadu. Takie rozwiązanie, głównie z uwagi na dużą liczbę wirników turbiny zwiększało znacząco koszty budowy, generowało również znaczące straty na dopływie do turbiny ze względu na skomplikowany układ doprowadzania wody. Przekrój podłużny elektrowni oraz widok wirnika turbiny przedstawiono na rysunkach 4 i 5. Rys. 4. EW Likowo - Przekrój podłużny elektrowni po modernizacji Źródło: Gajek Engineering Sp. z o.o

5 Rys. 5. Turbina RTK-1200 w EW Likowo Modernizacja objęła wymianę całego wyposażenia technologicznego elektrowni. Dodatkowo firma GEG dostarczyła system sterowania obejmujący swoim zakresem kontrolę nad pracą układów wytwórczych wraz z urządzeniami pomocniczymi, zasuwą upustową, jazem, zespołem prądotwórczym, czyszczarką krat, przenośnikiem zgrzebłowym. Nadzór nad pracą elektrowni sprawuje umożliwiający zdalny dostęp system SCADA. Aplikacja wizualizacyjna połączona jest z systemem SCADA uruchomionym w sąsiedniej elektrowni, EW Rejowice i pozwala całodobowo sprawować nadzór nad elektrownią. Rys. 6. EW Likowo, hydrozespół nr 2. Zestawienie zmierzonej krzywej sprawności hydrozespołu z deklarowaną przez dostawcę dla wysokości spadu H = 4,3 m sł. wody wraz zaznaczeniem obszaru pracy hydrozespołu z nadmierną kawitacją przy tym spadzie Źródło: Adamkowski A., Krzemianowski Z., Lewandowski M., Janicki W., Badania optymalizacyjne i sprawnościowe hydrozespołu nr 2 w EW Likowo. Sprawozdanie końcowe, opr. IMP PAN, nr arch. 751/2010.

6 Moc zainstalowania po modernizacji zwiększyła się o około 16 proc., z 810 kw do 945 kw. Po zakończeniu modernizacji, ekipa pomiarowa IMP PAN przeprowadziła na obiekcie gwarancyjne badania energetyczne. Rys. 7. Przekrój podłużny EW Rejowice stan przed modernizacją Źródło: Rysunek własny autora z wykorzystaniem materiałów firmy Gajek Engineering Sp. z o.o. W pierwszym etapie badań wyznaczono optymalne, ze względu na sprawność, zależności między stopniem otwarcia kierownicy łopatkowej a kątem ustawienia łopat wirnika (tzw. optymalna zależność kombinatorowa) w warunkach występujących w elektrowni, a następnie wprowadzono tę zależność do układu regulacji turbiny. Takie postępowanie pozwala nie tylko na maksymalizację efektywności produkcji energii elektrycznej przez hydrozespół, ale także na zmniejszenie obciążenia dynamicznego elementów konstrukcyjnych tego hydrozespołu. Drugim celem badań było sprawdzenie zgodności osiąganych parametrów eksploatacyjnych zmodernizowanych hydrozespołów z parametrami gwarantowanymi przez dostawcę przy optymalnych nastawach otwarć łopat kierownicy i wirnika turbin. Przedstawione na rysunku 6 porównanie zmierzonej krzywej sprawności hydrozespołu z gwarantowaną przez dostawcę dla wysokości spadu H = 4.3 m sł. wskazuje na fakt dotrzymania warunków gwarancyjnych. Z rysunku tego wynika, że hydrozespół nr 2 osiąga sprawność wyższą od gwarantowanej, maksymalnie o około 1 proc. w obszarze dużych przepływów, powyżej Q = 2.5 m 3 /s i niższą, maksymalnie o nie więcej niż około 2 proc. w obszarze niskich przepływów Q = m 3 /s. Warto tutaj podkreślić, że w gwarantowanym zakresie natężenia przepływu zmierzona sprawność hydrozespołu różni się od sprawności gwarantowanej nie więcej niż oszacowana niepewność pomiaru sprawności, która w rozważanym przypadku wyniosła +/-1.96 proc.

7 Rys. 8. EW Rejowice widok generatora z układem wzbudzenia i mechanicznej regulacji przed modernizacją Rys. 9. EW Rejowice Przekrój podłużny elektrowni po modernizacji Źródło: Gajek Engineering Sp. z o.o. PRZYKŁAD II Drugi przykład zastąpienia starych turbin wolnobieżnych typu Francisa szybkobieżnymi rurowymi turbinami Kaplana dotyczy Elektrowni Wodnej Rejowice, usytuowanej również na rzece Rega (49.5 km) w województwie zachodniopomorskim. Elektrownia została uruchomiona w 1925 roku z wyposażeniem maszynowym, składającym się z 2 hydrozespołów z turbinami typu Francisa (w układzie bliźniaczym) o mocy po około 850 kw, produkcji firmy Voith Heidenheim an der Brenz. Przekrój podłużny elektrowni oraz widok hali maszyn przed modernizacją przedstawiono na rysunkach 7 i 8. Z kolei, na rysunkach 9 i

8 10 przedstawiono przekrój podłużny elektrowni oraz widok hydrozespołu po modernizacji. Podobnie jak w EW Likowo, hydrozespoły z turbinami Francisa zastąpiono nowoczesnymi turbinami rurowymi Kaplana tego samego typu RTK-1600 o wysokim wyróżniku szybkobieżności i szerokim zakresie pracy z wysoką sprawnością energetyczną. Rys. 10. Turbiny RTK-1600 w EW Rejowice Rys. 11. EW Rejowice, turbina nr 1. Zestawienie zmierzonej krzywej sprawności turbiny z krzywą deklarowaną (dostarczoną przez dostawcę) dla spadu Hn = 6.1 m sł. wody wraz z zaznaczeniem obszaru pracy turbiny z nadmierną kawitacją przy tym spadzie (linia przerywana) Źródło: Adamkowski A., Krzemianowski Z. Lewandowski M., Janicki W., Badania odbiorcze hydrozespołu nr 1 w Elektrowni Wodnej Rejowice po modernizacji, opr. IMP PAN, nr arch. 1019/2011

9 Dostawcą turbin była również firma Gajek Engineering Sp. z o.o. Gdańsk (GEG). Po modernizacji ekipa pomiarowa IMP PAN zrealizowała na obiekcie badania gwarancyjne w podobnym zakresie jak w przypadku badań w EW Likowo. Zestawienie krzywej sprawności wyznaczonej na podstawie przeprowadzonych badań z krzywą sprawności deklarowaną przez firmę GEG, wykonawcę modernizacji, przedstawiono na rysunku 11. Porównanie to pokazuje dotrzymanie warunków gwarancyjnych dostawy turbiny oraz wysoki poziom sprawności turbiny w szerokim zakresie zmian natężenia przepływu. mgr inż. Adam Henke dr hab. inż., prof. nzw. Adam Adamkowski Instytut Maszyn Przepływowych PAN.