SYSTEMY ENERGETYKI ODNAWIALNEJ B.22 Energetyka wodna

Transkrypt

1 SYSTEMY ENERGETYKI ODNAWIALNEJ B.22 Energetyka wodna Prowadzący: dr inż. Marcin Michalski Slajd 1

2 PLAN PREZENTACJI 1. Wstęp. 2. Zasoby energetyczne wody w Polsce. 3. Klasyfikacja elektrowni wodnych. 4. Rozwiązania konstrukcyjne elektrowni wodnych. 5. Urządzenia i układy technologiczne elektrowni wodnych. 6. Mała energetyka wodna. 7. Układy regulacyjne turbin wodnych. 8. Kompensacja mocy biernej w małych elektrowniach wodnych. 9. Układy automatyki małej elektrowni wodnej. 10.Rodzaje automatyzacji procesów ruchowych w MEW. 11.Praca małej elektrowni wodnej w systemie elektroenergetycznym. 12.Konserwacja i remonty urządzeń elektrowni wodnej. 13.Dokumentacja małej elektrowni wodnej dla potrzeb eksploatacji. Slajd 2

3 WSTĘP Energetyka wodna to sektor energetyczny zajmujący się pozyskiwaniem energii zakumulowanej w wodach i przetwarzaniem jej na energię mechaniczną i elektryczną, przy użyciu turbin wodnych. Woda może być doprowadzana do turbin w różny sposób. Z tego względu istnieje kilka typów elektrowni wodnych. Podstawowy podział zakłada wytwarzanie energii elektrycznej z energii wód płynących (śródlądowe), z energii fal (morskie) i pływów (morskie). Zasoby energii zakumulowanej w wodzie najłatwiejsze do policzenia są dla elektrowni wodnych śródlądowych. Wykorzystywany jest do tego wzór: P = h g Q x ρ [W] Gdzie: P - Obliczeniowa moc cieku wodnego [W] h - Wysokość spadku [m] g - Przyśpieszenie ziemskie 9,81[m/s2] Q - Objętościowe natężenie przepływu wody [m3/s] ρ - Gęstość wody 1000 [kg/ m3] Slajd 3

4 WSTĘP Podstawową rolę w przemianie energii wody śródlądowej w elektrowni wodnej na energię elektryczną, odgrywa energia potencjalna. W turbinach wodnych, następuje zamiana energii potencjalnej na energię kinetyczną, która następnie w prądnicach elektrycznych (hydrogeneratorach) jest zamieniana na energię elektryczną. Warunkiem otrzymania dużej mocy jest koncentracja w ograniczonym obszarze, dużej różnicy poziomów oraz dużego przepływu masowego wody. Z uwagi na brak naturalnej koncentracji spadu, stwarza się sztuczne spady poprzez: spiętrzenie górnego poziomu wody GW; obniżenie dolnego poziomu DW lub budowę elektrowni podziemnej; budowę kanału skracającego, dzięki czemu zmniejsza się straty przepływowe. W praktyce stosuje się niektóre z tych sposobów jednocześnie. Energia wodna nie odegra decydującej roli w dalszym zwiększaniu produkcji energii elektrycznej z powodu ograniczonych zasobów wód, nadających się do wykorzystania w celach energetycznych, trudnego do nich dostępu, dużych kosztów budowli hydrotechnicznych i długich okresów realizacji inwestycji. Jednak obserwuje się rozwój budownictwa elektrowni wodnych, zwłaszcza tam, gdzie zasoby są duże oraz warunki hydrologiczne temu sprzyjają. Slajd 4

5 LOKALIZACJA ELEKTROWNI WODNYCH W POLSCE Slajd 5

6 ZASOBY ENERGETYCZNE WODY W POLSCE Slajd 6

7 ZASOBY ENERGETYCZNE WODY W POLSCE Stosując wzór na energię potencjalną spadku wód, otrzymamy potencjał teoretyczny, czyli energię możliwą do wytworzenia w sektorze energii wodnej przy założeniu 100% sprawności całego układu. Produkując energię przy pomocy turbin wodnych uwzględnić należy sprawności na które składa się między innymi sprawność turbiny, przekładni, generatora, transformatora. Dodatkowym czynnikiem branym pod uwagę jest też procentowy udział natężenia przepływu wody. Uwzględniając te wartości otrzymujemy sprawność techniczną. Sprawność ekonomiczna uwzględnia dodatkowo opłacalność przedsięwzięcia. W Polsce potencjał ekonomiczny szacowany jest na ok. 5 [TWh]. Należy jednak zwrócić uwagę na to, że jest on nierównomiernie rozlokowany na obszarze całego kraju. Aż 80% potencjału hydroenergetycznego związane jest z rzeką Wisłą, z czego 40% na dolnej Wiśle, 25% na górnej Wiśle i 15% na Wiśle środkowej. Pozostały potencjał skupia się w dorzeczu rzeki Odry ok. 18%, i na pozostałych rzekach Polski, głównie Pomorze i Pojezierze Mazurskie. Na poniższym rysunku zobrazowano wartości teoretycznego, technicznego i ekonomicznego potencjału energii spadku wód w Polsce. Zasoby energetyczne polskich wód wynoszą około GWh/rok. Slajd 7

8 ZASOBY ENERGETYCZNE WODY W POLSCE Slajd 8

9 ZASOBY ENERGETYCZNE WODY W POLSCE W Polsce, w ostatnich latach można zaobserwować stagnację w sektorze hydroenergetyki. W roku 2009 zainstalowane moce w tym obszarze wyniosły 945,20 MW i stanowiły 47,4% wszystkich zielonych technologii, a w roku 2010 wykazały tendencję spadkową i zrównały się z poziomem 937,04 MW, co stanowiło 36,65% wszystkich mocy. W roku 2011, dzięki sfinalizowaniu nowych inwestycji i ukończeniu renowacji starych obiektów, osiągnięto rekordowy poziom mocy w elektrowniach wodnych na poziomie 951,39 MW. Jednak ich udział w sektorze zielonych technologii stale spadał na rzecz energetyki wiatrowej i wyniósł już tylko 30,87%. Pomimo zmniejszającego się udziału w zainstalowanych mocach w sektorze OZE, hydroenergetyka pozostaje wiceliderem w produkcji czystej energii elektrycznej, dostarczając w 2011 roku 2080,3 GWh, czyli około 1,4% rocznego zapotrzebowania Polski na energię. Slajd 9

10 KLASYFIKACJA ELEKTROWNI WODNYCH Slajd 10

11 KLASYFIKACJA ELEKTROWNI WODNYCH Elektrownie wykorzystujące energię wód śródlądowych, można podzielić na grupy, według następujących kryteriów: wartości spadu; sposobu pokrywania obciążeń w układzie elektroenergetycznym; sposobu gospodarowania zasobami wodnymi. Podział, wg wartości spadu, jest najbardziej istotny, ale dość dowolny Rozróżnia się elektrownie niskospadowe, średniospadowe i wysokospadowe. Elektrownie średnio i wysokospadowe, budowane są najczęściej jako: przy zaporowe (wolno stojące, wbudowane w korpus zapory); elektrownie derywacyjne (zagłębione, podziemne). O typie rozwiązania decydują m.in.: warunki miejscowe (rzeźba terenu, budowa geologiczna, warunki hydrologiczne); rodzaj zapory (ziemna, betonowa); wielkość wahań poziomów wody w zbiorniku retencyjnym; rodzaj i wielkość zagłębienia wlotów do turbin; prędkość wody w przewodzie doprowadzającym do turbiny; sposób wykonania zamknięć awaryjnych. W warunkach polskich najsłuszniejszy jest podział na elektrownie: o niskim spadzie nieprzekraczającym 15 m, średnim spadzie m oraz wysokim spadzie przekraczającym 50 m. Slajd 11

12 KLASYFIKACJA ELEKTROWNI WODNYCH Klasyfikacja elektrowni wodnych Nazwa Moc Wykorzystanie wyprodukowanej energii duża ponad 100 MW zazwyczaj sieci energetyczne średnia MW zazwyczaj sieci energetyczne mała 1-15 MW zazwyczaj sieci energetyczne mini mikro 100 kw- 1 MW kw samodzielne układy, częściej jednak sieci energetyczne zazwyczaj małe społeczności i zakłady przemysłowe na odległych terenach piko od kilkuset W do 5 kw - Slajd 12

13 KLASYFIKACJA ELEKTROWNI WODNYCH 1. Elektrownia przepływowa Mieści się w specjalnie skonstruowanym budynku, będącym przedłużeniem przegradzającego rzekę jazu. Jest więc zlokalizowana w korycie rzeki, której energię wykorzystuje. Elektrownie tego typu mogą pracować prawie bez przerwy, ilość produkowanej przez nie energii zależy jednak od ilości wody, przepływającej akurat w rzece, elektrownie przepływowe nie posiadają bowiem zbiornika wodnego. W Polsce największe znaczenie wśród tego typu hydroelektrowni mają niskospadowe elektrownie z zaporami ziemnymi, wyposażone w turbiny Kaplana, turbiny rurowe, bądź też w przypadku bardzo małych mocy w turbiny rurowe z generatorem zewnętrznym lub turbiny Banki-Michella. Elektrownia wodna przepływowa w Żydowie Slajd 13

14 KLASYFIKACJA ELEKTROWNI WODNYCH 2. Elektrownia zbiornikowa (regulacyjna) Jest w mniejszym stopniu niż przepływowa uzależniona od ilości energii, dostarczanej w danym momencie przez wodę. Dzięki znajdującemu się przed nią zbiornikowi wodnemu, elektrownia zbiornikowa może produkować energię o większej mocy, niż moc odpowiadająca chwilowemu dopływowi, może też reagować na zmieniające się zapotrzebowanie na energię i dostosowywać się do sezonowych wahań ilości przepływającej wody. Ten typ hydroelektrowni reprezentowany jest najczęściej przez duże elektrownie wodne. Elektrownia zbiornikowa (regulacyjna) Slajd 14

15 KLASYFIKACJA ELEKTROWNI WODNYCH 3. Elektrownia szczytowo-pompowa Posiada dwa zbiorniki wodne: górny i dolny. Funkcje zbiorników górnych mogą pełnić zarówno zbiorniki sztuczne, jak i naturalne, na przykład jeziora, jako zbiorniki dolne wykorzystywane są zaś jeziora, spiętrzone doliny rzek, stare sztolnie kopalniane i specjalnie zbudowane zbiorniki sztuczne. W okresie małego zapotrzebowania na energię, elektrownia przepompowuje wodę ze zbiornika dolnego do górnego, gromadząc w ten sposób potencjalną energię. Jest to praca pompowa (silnikowa) hydroelektrowni. Z kolei pracę turbinową (generatorową) elektrownia wodna wykonuje, gdy zapotrzebowanie na energię wzrasta. Uwalnia się wtedy wodę ze zbiornika górnego, by spływając do dolnego napędzała produkującą prąd turbinę. W ciągu doby elektrownie szczytowo-pompowe są uruchamiane 1-2 razy w cyklu pracy pompowej i turbinowej, co pozwala wyrównywać maksymalne i minimalne czyli szczytowe obciążenia systemu energetycznego. Elektrownie szczytowo-pompowe są kosztowne, trudno jednak znaleźć alternatywną formę magazynowania tak dużych ilości energii. Poza tym nakłady inwestycyjne można zmniejszyć, wyposażając elektrownię w odpowiedni duży spad, im większy jest bowiem spad, tym mniejsza wymagana pojemność zbiorników. Wysokość spadu w elektrowniach szczytowopompowych powinna przekraczać 100 m. Elektrownie szczytowo-pompowe są magazynami energii, pełnią także istotną rolę interwencyjną w przypadkach awarii systemu elektroenergetycznego. W razie nagłego niedoboru mocy elektrownia uruchamiana jest do pracy turbinowej, jeśli zaś nagle wystąpi nadmiar mocy, zakład podejmuje pracę pompową. Slajd 15

16 KLASYFIKACJA ELEKTROWNI WODNYCH W Polsce na elektrownie szczytowo-pompowe przypada najwięcej, bo około 1350 MW mocy zainstalowanej, spośród około 2100 MW, posiadanych ogółem przez elektrownie wodne. Najbardziej znane polskie elektrownie szczytowo-pompowe to Żarnowiec, Porąbka-Żar i Żydowo. Zasada działania i zdjęcie, przedstawiające elektrownię szczytowo-pompową Slajd 16

17 KLASYFIKACJA ELEKTROWNI WODNYCH 4. Elektrownia pływowa To elektrownia wodna wykorzystująca do produkcji energii elektrycznej przypływy i odpływy morza bądź oceanu, spowodowane przyciąganiem grawitacyjnym Księżyca i w mniejszym stopniu - Słońca oraz ruchem obrotowym Ziemi. By wykorzystać energię pływów, ujścia rzek przegradza się zaporami, wyposażonymi w turbiny, poruszane przez wodę, wpływającą w czasie przypływu do zbiornika, a w czasie odpływu wypływającą (uwalnianą) z niego z powrotem do morza. Na angielskim, francuskim i hiszpańskim wybrzeżu Oceanu Atlantyckiego energię pływów wykorzystywano już w XI wieku, gdy zmagazynowana za niewielkimi zaporami woda służyła do napędzania kół wodnych, mielących ziarna. Pierwsza i zarazem największa elektrownia pływowa świata została uruchomiona w 1966 roku we Francji przy ujściu rzeki La Rance do kanału La Manche, w miejscu, gdzie maksymalna amplituda pływów wynosi 13,5 m, a minimalna 5 m i gdzie młyny wodne pracowały już od XII wieku. Ten osiągający 100% mocy przy spadzie wynoszącym 6 m zakład wyposażony jest w 24 turbiny wodne o mocy 10 MW każda, dysponuje więc mocą zainstalowaną 240 MW - wystarczająco dużą, by zaopatrzyć w energię domów. Drugą co do wielkości na świecie elektrownią pływową jest zakład w Annapolis w Kanadzie, posiadający 17 MW mocy zainstalowanej. Energię pływów można wykorzystywać tylko w około 20 rejonach świata, w niektórych miejscach jednak jej zasoby są całkiem spore: na przykład Wielka Brytania, wykorzystując energię pływów mogłaby pokryć około 20% swoich potrzeb energetycznych. W Polsce wykorzystanie energii pływów nie jest możliwe. Slajd 17

18 KLASYFIKACJA ELEKTROWNI WODNYCH 5. Elektrownia maremotoryczna Zwana inaczej falowo-wodną, produkuje energię elektryczną z energii fal lub prądów morskich bądź oceanicznych. Pierwszy zakład tego typu uruchomiono w drugiej połowie XX wieku w Bouchaux - Praceique we Francji, poza tym elektrownie maremotoryczne pracują między innymi w Rosji nad Morzem Białym i w Stanach Zjednoczonych na Alasce. 6. Elektrownia maretermiczna Nazywana również oceanotermiczną, produkuje energię elektryczną z energii cieplnej, której źródłem jest różnica temperatur miedzy ciepłymi warstwami powierzchniowymi a zimnymi warstwami głębinowymi morza. Taka, mniej więcej stała, niezależna od pory dnia i roku różnica występuje w strefie równikowej, gdzie w niektórych miejscach istnieje spory potencjał energii maretermicznej. Na przykład w Indiach, na wybrzeżach stanu Tamil Nadu mogłyby powstać instalacje o łącznej mocy MW. Elektrownie maretermiczne wykorzystują jako czynnik roboczy amoniak, freon bądź propan, które parują w wynoszącej około 30 st. C temperaturze wody powierzchniowej i następnie są skraplane przy pomocy wody o temperaturze około 7 st. C, czerpanej z głębokości m. Zakłady maretermiczne pracują na Hawajach (40 MW), w Japonii (10 MW), na Bali i Tahiti (po 5 MW). Slajd 18

19 O elektrowniach wodnych: ARw Slajd 19

20 ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE ELEKTROWNI WODNYCH Slajd 20

21 ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE ELEKTROWNI WODNYCH 1. Budowle hydrotechniczne, elementy elektrowni wodnych, urządzenia mechaniczne. Inwestycje wodno-elektryczne, których celem jest wykorzystanie zasobów naturalnych, są realizowane z reguły w ramach wielozadaniowych obiektów gospodarki wodą, czyli są to inwestycje gospodarki wodnej i energetycznej. Inwestycje te, oprócz zadań energetycznych mają i inne, np.: opanowanie fal powodziowych, gromadzenie zasobów wody dla przemysłu, miast, tworzenie stopni żeglugowych. Zadania te, mogą być czasem sprzeczne. Na przykład spiętrzenie na rzekach utrudnia wędrówkę ryb w górę rzeki. Tworzenie stopni żeglugowych o małym spiętrzeniu jest tańsze inwestycyjnie dla żeglugi, ale ogranicza wykorzystanie rzeki do celów elektro-energetycznych. Zadaniem ujęcia wody do celów energetycznych jest: skierowanie płynącej wody do elektrowni, w sposób korzystny hydraulicznie (minimalne straty spadu); zabezpieczenie przed dostawaniem się do elektrowni rumowiska wleczonego, zanieczyszczeń i lodu; regulowanie dopływu wody do elektrowni, łącznie z jego wyłączeniem w sytuacjach awaryjnych lub remontu (zastosowanie odpowiedniego typu zamknięć). Niezbędne obiekty dla tego typu elektrowni to: zbiornik górny wody; zbiornik dolny wody; budowle towarzyszące, łączące zbiorniki z elektrownią. Slajd 21

22 ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE ELEKTROWNI WODNYCH Czynnikami decydującymi o rozwiązaniach konstrukcyjnych elektrowni wodnej, są m.in.: rodzaj budowli piętrzącej; usytuowanie elektrowni względem budowli piętrzącej; wysokość spadu, przełyk; sposób doprowadzenia wody do turbiny i jej odprowadzenia; moc elektrowni; usytuowanie turbin, rodzaj urządzenia; rodzaj wyposażenia elektrowni (typ turbiny: poziomy, pionowy, prądnicy: asynchroniczna, synchroniczna, rodzaj pracy: przepływowa, szczytowo pompowa); doprowadzenie wody do turbiny (komory otwarte, spiralne, rodzaj i wielkość rury do turbin rurowych); sposób ujęcia wody (wlot z kratami); typ hali maszyn dla turbozespołów, układów sterowania; odprowadzenie wody z turbiny (kanał otwarty, rura ssąca); typy zamknięć i ich lokalizacja (liczba zamknięć i ich rodzaj). Budowle hydrotechniczne, w zależności od przeznaczenia, można podzielić na: budowle piętrzące, do których zaliczyć należy zapory i jazy; ujęcia wody; budowle doprowadzające i odprowadzające wodę, do których należą kanały, rurociągi i sztolnie wraz z budowlami towarzyszącymi; inne budowle, takie jak: śluzy żeglugowe, przepławki dla ryb, pochylnie dla tratew. Slajd 22

23 ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE ELEKTROWNI WODNYCH W budownictwie hydrotechnicznym wyróżnia się zapory betonowe, zapory ziemne i kanały. W Polsce najbardziej są rozpowszechnione zapory betonowe typu ciężkiego. Zapory ziemne są budowane na terenach nizinnych. W celu ujęcia wody pitnej z zapory stosuje się system drenażowy. Zapory są wykorzystywane często, jako drogi komunikacji publicznej. Wyprowadzenie energii elektrycznej z elektrowni wodnej, odbywa się najczęściej linią napowietrzną średniego lub wysokiego napięcia. Elektrownia wodna składa się z następujących podstawowych elementów: blok elektrowni (część podwodna); hala maszyn; hala montażowa; pomieszczenia pomocnicze; ciągi komunikacyjne. W elektrowni niskospadowej, większa część bloku znajduje się pod wodą i tworzy budowlę piętrzącą wodę. Wymiary budowli piętrzącej zależą od sposobu doprowadzenia wody, zatem od rodzaju i wielkości turbiny. Elektrownia wodna składa się z wielu współpracujących urządzeń, od których jakości zależy niezawodność i efektywność jej pracy. Slajd 23

24 ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE ELEKTROWNI WODNYCH Urządzenia stanowiące wyposażenie mechaniczne elektrowni wodnej to: a) zasuwy i zamknięcia przeznaczone do szybkiego (2 3 min) zamknięcia dopływu wody podczas awarii turbiny. Mogą to być zasuwy płaskie segmentowe, podnoszone przez podnośniki hydrauliczne (wciągarki) oraz zawory motylowe i kulowe zamykane siłownikami hydraulicznymi. Na czas remontu używane są również zasuwy remontowe; b) kraty wlotowe, których zadaniem jest ochrona turbiny przed przepływającymi zanieczyszczeniami (drewno, lód, wodorosty) i dlatego powinny być wyposażone w urządzenia do mechanicznego oczyszczania; c) urządzenia podnośnikowo-transportowe (suwnice, dźwigi), niezbędne podczas montażu i remontu hydrozespołu i urządzeń wspomagających, podnoszenia zasuw remontowych, krat itp.; d) urządzenia sprężonego powietrza i odwodnień turbiny; e) urządzenia gospodarki olejowej; f) system chłodzenia łożysk, generatorów, transformatorów itp.. Spotykane rozwiązania hali maszyn można podzielić na trzy rodzaje: hala klasyczna, wyposażona w suwnicę, przeznaczoną do montażu i remontu turbozespołu; hala o obniżonej konstrukcji, w której instaluje się dźwig portalowy; rozwiązanie bez hali, w którym dźwig porusza się wzdłuż zapory, a generatory są osłonięte lekką obudową. Slajd 24

25 ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE ELEKTROWNI WODNYCH 2. Elektrownie zbiornikowe i przepływowe Obecnie w Polsce istnieje 168 zawodowych elektrowni wodnych, 162 elektrownie wodne przepływowe, 3 elektrownie przepływowe z członem pompowym (Solina, Niedzica, Dychów) oraz 3 elektrownie szczytowo-pompowe (Żarnowiec, Porąbka Żar, Żydowo). Krajowe elektrownie wodne o mocy powyżej 10 MW Slajd 25

26 ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE ELEKTROWNI WODNYCH Moc zainstalowana elektrowni wodnych w latach [MW] Slajd 26

27 ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE ELEKTROWNI WODNYCH 2.1. Elektrownie zbiornikowe szczytowo-pompowe W elektrowni szczytowo pompowej zamienia się energię elektryczną na energię potencjalną grawitacji, poprzez wpompowanie wody ze zbiornika dolnego do górnego w okresie nadwyżki produkcji nad zapotrzebowaniem na energię elektryczną (np. w nocy), a następnie, w godzinach szczytu, następuje odwrócenie procesu. Elektrownia taka wbrew nazwie, nie produkuje sumarycznie prądu, co więcej, ok. 25% energii elektrycznej jest w tym procesie tracone. Jest ona za to bardzo skutecznym akumulatorem o ogromnej pojemności. Stosowanie elektrowni szczytowo- pompowych ma sens jedynie w połączeniu z elektrowniami, w których występują okresowe nadwyżki energii, spowodowane niemożliwością szybkiego dostosowania ilości wytwarzanej energii elektrycznej do bieżącego zapotrzebowania (zwłaszcza w elektrowniach cieplnych, opalanych węglem). Nadwyżka mocy, która musi być utrzymywana w porze nocnej, przepadłaby bezpowrotnie, gdyby nie została zmagazynowana przez elektrownie szczytowo-pompowe, w formie energii potencjalnej wody. Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje pracy głównych urządzeń elektrowni pompowej: praca turbinowa (generatorowa), zgromadzona w górnym zbiorniku woda napędza turbinę oraz praca pompowa (silnikowa). Pompa tłoczy wodę ze zbiornika dolnego do górnego w celu magazynowania w nim energii potencjalnej wody. Z punktu widzenia systemu elektroenergetycznego wyróżnić można następujące rodzaje pracy elektrowni pompowych: pracą programową i pracę interwencyjną. Slajd 27

28 ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE ELEKTROWNI WODNYCH Praca programowa: elektrownia produkuje drogą szczytową energię elektryczną za pomocą wody doprowadzonej do górnego zbiornika, pompami pobierającymi tanią energię elektryczną z systemu elektroenergetycznego, w okresie jego małego obciążenia w czasie doliny nocnej lub dziennej. Energii elektrycznej do napędu pomp, dostarczają elektrownie parowe, jądrowe, wiatrowe i wodne przepływowe. W czasie szczytu obciążenia elektrycznego, woda jest doprowadzana do turbiny wodnej, sprzęgniętej bezpośrednio z synchroniczną maszyną elektryczną i następuje przetwarzanie nagromadzonej w górnym zbiorniku energii wody na energię elektryczną. Praca interwencyjna: elektrownia pompowa ze względu na swoje dobre właściwości ruchowe, może brać udział w pokrywaniu szybkich zmian obciążenia w systemie elektroenergetycznym. Ten rodzaj pracy nazywa się również pracą regulacyjną. Szeroko pojęte zadania regulacyjne, obejmują również stany awaryjne systemu elektroenergetycznego (wypadnięcia bloku w elektrowni cieplnej lub wyłączenie dużego odbioru), wymagające interwencyjnego zwiększenia mocy, wydawanej lub pobieranej w systemie. Elektrownia pompowa stanowi w tym przypadku rezerwę interwencyjną i w razie nagłego deficytu mocy jest uruchamiana do pracy turbinowej, a w przypadku nagłego nadmiaru mocy, przechodzi do pracy pompowej. Slajd 28

29 ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE ELEKTROWNI WODNYCH Elektrownie szczytowo-pompowe, podobnie jak i inne elektrownie wodne, są źródłem mocy biernej pojemnościowej lub indukcyjnej, podczas pracy kompensatorowej. Praca kompensatorowa może odbywać się przy dowolnym kierunku wirowania hydrozespołu. W tym przypadku, czynnikiem napędowym jest maszyna elektryczna, pracująca jako przewzbudzony silnik synchroniczny, zasilany z sieci, przy czym wirnik pompo-turbiny kręci się w powietrzu (obniżenie poziomu wody za pomocą sprężonego powietrza). Zbiornikami górnymi elektrowni pompowej mogą być zbiorniki naturalne, np. jeziora lub zbiorniki sztuczne. Jako zbiorniki dolne, wykorzystane są jeziora, spiętrzone doliny rzeki, stare sztolnie kopalniane lub specjalne budowane zbiorniki sztuczne. Przynajmniej jeden ze zbiorników musi być uzupełniony wodą naturalnego dopływu w celu pokrycia strat wynikających z odparowania i przecieków wody. W elektrowni pompowej, jak w żadnej innej elektrowni wodnej, bardzo ważnym parametrem jest spad Hu. Im większy jest spad, tym dla określonej ilości energii jest wymagana mniejsza pojemność zbiorników, co wpływa na zmniejszanie nakładów inwestycyjnych. Pojemności zbiorników wystarczają na 2 6 godzinną pracę turbinową. Elektrownie pompowe w zasadzie powinny mieć spady ponad 100 m, jednak budowane są z mniejszymi spadami. Komora wyrównawcza, chroni sztolnię odprowadzającą wodę o znacznej długości, przed nagłym wzrostem ciśnienia wody, przy rozruchu turbiny i przeciwdziała, oderwaniu się słupa wody ze sztolni (w rurze ssącej), przy zamknięciu dopływu wody do turbiny. Slajd 29

30 ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE ELEKTROWNI WODNYCH Sprawność elektrowni pompowej jest czynnikiem decydującym o jej opłacalności, dlatego też zwraca się szczególną uwagę na odpowiedni dobór maszyn i urządzeń. Pierwsze elektrownie pompowe były wyposażone w układy trójmaszynowe, a nawet czteromaszynowe: turbina, synchroniczna maszyna elektryczna, silnik elektryczny napędzający pompę, pompa. Pomimo niewątpliwej korzyści, jaką jest duża operatywność układów trójmaszynowych krótkie czasy przejścia z pracy pompowej do pracy turbinowej i odwrotnie, ze względów ekonomicznych zostały wyparte, przez dwumaszynowe turbozespoły odwracalne (rewersyjne) pompa, turbina. Koszty inwestycyjne elektrowni z pompo-turbinami są o 10 15% mniejsze, niż z zespołami trójmaszynowymi. Hydrozespoły elektrowni pompowych są załączane do pracy do kilkunastu razy w ciągu doby, dlatego występuje konieczność ich częstego rozruchu (zarówno do pracy pompowej, jak i turbinowej) oraz hamowania przy odstawianiu i przy zmianie charakteru pracy, wymagającej w przypadku zespołów odwracalnych, zmiany kierunku wirowania. Każdy z dwóch sposobów pracy zespołu wymaga odmiennego sposobu rozruchu: a) rozruch hydrozespołu do pracy, przez podanie wody na łopatki wirnika, b) przy rozruchu do pracy pompowej jest wymagane rozpędzenie zespołu do prędkości synchronicznej, przy której generator będzie pracował, jako silnik synchroniczny. Slajd 30

31 ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE ELEKTROWNI WODNYCH Największą elektrownią szczytowo-pompową jest elektrownia Żarnowiec o mocy zainstalowanej 716 MW. Elektrownia wykorzystuje dwa zbiorniki wody, utworzony sztucznie zbiornik górny o powierzchni 135 ha i pojemności 13,8 mln m3 oraz naturalny zbiornik dolny, którym jest jezioro Żarnowieckie o powierzchni 1470 ha. Różnica poziomów pomiędzy zwierciadłami wody w zbiorniku górnym i dolnym wynosi od 110 do 126 m. Czas napełnienia górnego zbiornika wynosi ok. 6 h. Elektrownia wyposażona jest w cztery turbiny, każda o mocy 176 MW. Elektrownia wodna Żarnowiec Slajd 31

32 URZĄDZENIA I UKŁADY TECHNOLOGICZNE ELEKTROWNI WODNYCH Slajd 32

33 URZĄDZENIA I UKŁADY TECHNOLOGICZNE ELEKTROWNI WODNYCH Obiekty elektrowni wodnej Slajd 33

34 URZĄDZENIA I UKŁADY TECHNOLOGICZNE ELEKTROWNI WODNYCH 1) CIĄG WODNY - Krata i kanał doprowadzający, - Komora turbinowa (spiralna, otwarta), - Rura ssawna i wylot wody, - Doprowadzenie wody do elektrowni: sztolnia, komora wyrównawcza, rurociąg ciśnieniowy, klapa odcinająca (zamykająca), zasuwa 2) BLOK ENERGETYCZNY - Układ poziomy, pionowy, ukśony, - Turbina Peltona, Francisa, migłowa (propelerowa), Kaplana, Deriaza, Banki-Michela - Generator synchroniczny - wolnoobrotowy, szybkoobrotowy asynchroniczny - szybkoobrotowy, małej mocy Slajd 34

35 URZĄDZENIA I UKŁADY TECHNOLOGICZNE ELEKTROWNI WODNYCH 3) UKŁADY REGULACYJNE - Kierownica i wirnik turbiny (łopatki kierownicy i wirnika kąt ustawienia - regulacja mocy) -Regulacja przepływu wody (klapy, zasuwy odcinające uruchamianie i zatrzymywanie bloku, zmiana stanu pracy, pneumatyczne opróżnianie komór turbiny,... ) - Regulacja prędkości obrotowej bloku (regulacja częstotliwości napięcia i prądu) - podczas pracy elektrowni na sieć wydzieloną Slajd 35

36 URZĄDZENIA ELEKTROWNI WODNYCH Slajd 36

37 URZĄDZENIA ELEKTROWNI WODNYCH Doprowadzenie wody do turbiny: sztolnia rurociąg krata zabezpieczająca z progiem przeciwrumowiskowym klapa zamykająca Rurociąg stalowy: - średnica - do 7-8 m - zależna od wielkości maksymalnego przepływu wody (moc elektrowni) - przepływ wody: prędkość - do 10 m/s, natężenie - do 200 m3/s - wymagana wysoka wytrzymałość konstrukcyjna duże masy wody, wytrzymanie uderzenia hydraulicznego po zamknięciu dopływu wody do turbiny po wyłączeniu generatora Istnieją elektrownie, w których nie ma rurociągu. Są to elektrownie na terenach nizinnych. Slajd 37

38 URZĄDZENIA ELEKTROWNI WODNYCH Slajd 38

39 URZĄDZENIA ELEKTROWNI WODNYCH Elektrownia wodna na terenach nizinnych, w której nie ma rurociągu - Elektrownia Dębe na rzece Narew. Slajd 39

40 URZĄDZENIA ELEKTROWNI WODNYCH Sztolnia - Sztolnia bezciśnieniowa (otwarta) Przepływ wody odbywa się o swobodnym zwierciadle wody. - Sztolnia ciśnieniowa Sztolnia ciśnieniowa - przekroje poprzeczne sztolni są wypełnione wodą na całej długości. Najbardziej właściwym kształtem przekroju poprzecznego sztolni jest przekrój kołowy - ze względów wytrzymałościowych - oraz hydraulicznych Wewnętrzna obudowa sztolni: - betonowa, - żelbetowa, - betonowa opancerzona Slajd 40

41 URZĄDZENIA ELEKTROWNI WODNYCH Komora wyrównawcza - Uderzenie hydrauliczne wody może zniszczyć sztolnię ciśnieniową wraz z zaporą wodną. - Zabezpieczeniem przed uderzeniem hydraulicznym w sztolni jest komora wyrównawcza. Dla krótkich rurociągów i niewielkich prędkości przepływu wody nie ma potrzeby budowania komory wyrównawczej. Komory wyrównawcze mogą by instalowane zarówno w sztolniach doprowadzających wodę do elektrowni (tzw. komory górne) jak też w sztolniach odpływowych - niskociśnieniowych (tzw. komory dolne - gdy ich długość jest nie mniejsza niż 150 m). Slajd 41

42 URZĄDZENIA ELEKTROWNI WODNYCH Slajd 42

43 URZĄDZENIA ELEKTROWNI WODNYCH Krata zabezpieczająca z progiem przeciwrumowiskowym - Zadaniem kraty jest nie dopuszczenie, aby do turbiny dostały się niesione z wodą części stałe (np. rumowisko, drewno, itp.) - Próg przeciwrumowiskowy zatrzymuje niesione z wodą rumowisko skalne - Krata i próg wymagaj systematycznego oczyszczania Slajd 43

44 URZĄDZENIA I UKŁADY TECHNOLOGICZNE ELEKTROWNI WODNYCH Klapa zamykająca dopływ wody do turbiny -Zamykanie dopływu wody jest w planowych wyłączeniach bloku energetycznego oraz w wyłączeniach awaryjnych. -W wyłączeniach planowych jest powolne zamykanie klapy, tak, aby nie nastąpiło uderzenie hydrauliczne w rurociągu doprowadzającym wodę ze zbiornika górnego. - Wyłączenia awaryjne Gdy konieczne jest szybkie zamknięcie dopływu wody do turbiny. Po odłączeniu generatora od sieci turbozespół, blok turbiny z generatorem, bez wyłączenia dopływu wody, ulegnie rozbiegnięciu (!), wskutek czego nastąpi zniszczenie urządzeń (działanie sił odśrodkowych w turbinie i w generatorze, wejście w strefę rezonansu mechanicznego,... ) Slajd 44

45 URZĄDZENIA I UKŁADY TECHNOLOGICZNE ELEKTROWNI WODNYCH PRĄDNICE ELEKTRYCZNE W małych elektrowniach wodnych stosowane są dwa typy prądnic: prądnice asynchroniczne (indukcyjne) trójfazowe prądu przemiennego; prądnice synchroniczne trójfazowe prądu przemiennego. W zależności od kompozycji turbozespołu, rodzaju i typu turbiny, prądnice mogą mieć wał poziomy, pionowy lub ukośny. Wał prądnicy może być sprzężony bezpośrednio z wałem turbiny przy użyciu sprzęgła stałego, bądź też za pośrednictwem przekładni zębatej lub pasowej. Sposób sprzężenia zależy od rodzaju turbiny i prądnicy, ich prędkości obrotowych, mocy i łożyskowania. Trójfazowe prądnice instalowane w MEW, umożliwiają stabilną pracę elektrowni w sieci wydzielonej. W przypadku przerwania tej sieci z innych źródeł, MEW może stanowić rezerwowe źródło zasilania, dla wydzielonej grupy odbiorców. Prądnice asynchroniczne trójfazowego prądu przemiennego, mają ograniczony zakres stosowania; są instalowane w MEW, które nie mają charakteru źródeł rezerwowego zasilania. Energia wytworzona przez prądnicę asynchroniczną jest oddawana do lokalnej sieci elektroenergetycznej zasilanej równolegle z innych źródeł. Prądnice synchroniczne jawnobiegunowe (wolnoobrotowe) znalazły zastosowanie w dużych elektrowniach wodnych. Budowę i zasadę działania prądnic omówiono przy temacie energetyki wiatrowej. Slajd 45

46 MAŁA ENERGETYKA WODNA Slajd 46

47 MAŁA ENERGETYKA WODNA Spośród wszystkich odnawialnych źródeł energii w warunkach naszego kraju, udział w produkcji energii elektrycznej w 2013 roku, przez elektrownie wodne wynosił ok. 20%, wśród których do tzw. małej energetyki, zalicza się obiekty o mocy zainstalowanej do 500 kw. Niestety zasoby energetyczne naszych rzek nie są wielkie, rzędu 43 PJ/rok, ze względu na to, że Polska jest krajem nizinnym. W Polsce działa ok. 770 (o mocy ok. 99 MW) małych elektrowni wodnych (do 5 MW), z produkcją 182,8 GWh, co stanowi około 0,11% całkowitej energii w kraju. Energia wody w Polsce, wykorzystywana jest jedynie w 13% do produkcji energii elektrycznej w małych elektrowniach wodnych. Są to głównie elektrownie prywatne. Dla prowadzącego, taki obiekt staje się opłacalny, dopiero po zamontowaniu w nim co najmniej 30 kw mocy. MEW Tarnowski Młyn na rzece Gwda o mocy 0,5 MW Hydrozespół MEW Tarnowski Młyn Slajd 47

48 MAŁA ENERGETYKA WODNA MEW (mała energetyka wodna, moc mniejsza od 5 MW) posiada wiele zalet, m.in.: zwiększa małą retencję wód, poprawia ochronę przeciwpowodziową; zwiększa ilość miejsc pracy; jest przyjazna dla środowiska; nie zmienia w znaczny sposób krajobrazu i środowiska naturalnego, polepsza napowietrzanie wody, staje się atrakcją turystyczną; proste rozwiązania techniczne, wysoka niezawodność, długa żywotność; wymaga nielicznego personelu (może też być sterowana zdalnie); dostarcza energię w systemie rozproszonym. Wady m.in.: wysoka cena budowy, średni okres amortyzacji ok. 6 8 lat; niekorzystny wpływ na środowisko naturalne w obszarach Natura 2000; trudne do pokonania bariery formalno-prawne. Przykład: Slajd 48

49 MAŁA ENERGETYKA WODNA Energia wyprodukowana w jednostce czasu przez MEW, wyraża się w wzorem: 9,81 przyspieszenie ziemskie [m²/s]; natężenie przepływu wody [m³/s]; spad, czyli różnica pomiędzy górnym, a dolnym poziomem wody [m]; prędkość wody [m/s]; energia wody [kwh]; czas pracy elektrowni (godz.) średnio ok godz. w roku; sprawność układu: turbina, przekładnia, generator Sprawność MEW wynosi od 30% dla prostych urządzeń, do 85 90% dla skomplikowanych technicznie. Elektrownia może pracować od 5000 do 8000 h/rok. Slajd 49

50 MAŁA ENERGETYKA WODNA MEW pracuje bez większych remontów przez 15 lat. Amortyzacja może trwać 3 15 lat. Najważniejszymi urządzeniami w MEW są: turbina, prądnica, układ regulujący i sterujący pracą turbozespołu oraz przekładnie. Obliczenia wstępne dotyczące inwestycji w MEW. Zakładając moc małej elektrowni wodnej 200 kw, czas pracy 7000 h, w ciągu roku wyprodukuje ona: = [kwh] Cena sprzedaży 1 kwh energii elektrycznej i zielonego świadectwa, to ok. 0,5 zł Zysk [kwh] 0,5 [zł/kwh] = [zł/rok] Koszt budowy 1 kw w MEW wynosi ok. 3 4 tys. zł = [zł] Koszty eksploatacji ok. 5%, razem: = [zł] Slajd 50

51 MAŁA ENERGETYKA WODNA Znowelizowana ustawa Prawo energetyczne zawiera zapis mówiący, że mikroelektrownie wodne o mocy do 40 kw nie będą wymagały koncesji na produkcję energii, nie trzeba będzie prowadzić działalności gospodarczej, zwolnione zostaną z obowiązku wnoszenia opłaty za przyłączenie do sieci. Zakładając 10% roczny wzrost ceny energii elektrycznej, obciążenia finansowe, czas zwrotu z tej inwestycji wyniesie ok. 6 lat. Roczna produkcja energii elektrycznej przez MEW o mocy 200 kw, zapobiega wyemitowaniu do atmosfery następujących zanieczyszczeń: CO2 140 ton, NO2 1 tony, SO2 2,8 tony, pyły i żużle 28 ton. MEW Międzylesie Slajd 51

52 MAŁA ENERGETYKA WODNA Schemat małej elektrowni wodnej Slajd 52

53 UKŁADY REGULACYJNE TURBIN WODNYCH Slajd 53

54 Zasada działania i budowa turbin wodnych Turbina jest urządzeniem mechanicznym, w którym zamieniona zostaje energia kinetyczna: w energię mechaniczną (pracę). Zgodnie z zasadą zachowania energii: Turbina napędza prądnicę, która wytwarza energię elektryczną: Slajd 54

55 Zasada działania i budowa turbin wodnych Ze względu na budowę i sposób pracy, rozróżnia się turbiny akcyjne, które wykorzystują prędkość wody (turbina Peltona) i reakcyjne, które wykorzystują również różnicę ciśnień (turbiny: Francisa i Kaplana). W MEW najczęściej stosuje się turbiny Kaplana, rzadziej Francisa. Technologiczne rozwiązania małych elektrowni wodnych, zależą w głównej mierze od sposobu doprowadzenia wody (kanałem otwartym lub przewodem ciśnieniowym) oraz od typu zastosowanego turbozespołu. Zwłaszcza ten drugi czynnik, powoduje dużą różnorodność rozwiązań. Istnieje bowiem wiele typów turbozespołów małej mocy, stosowanych w elektrowniach wodnych. Slajd 55

56 Rozwiązania współczesne z turbinami Francisa Zastosowanie turbin Francisa, ogranicza się do spadów rzędu 10 m i wyższych. W przypadku spadów mniejszych, turbinę tę zastąpiono turbiną Kaplana. Natomiast przy spadach powyżej 10 m, przeważa zaleta turbiny Francisa; mianowicie jest ona odporna na kawitację (zjawisko utraty ciągłości przepływu cieczy), dzięki czemu nie ma potrzeby głębokiego posadowienia wirnika (kłopotliwego ze względów budowlanych). Przed wlotem do turbiny, znajduje się szybko działające zamknięcie awaryjne (klapa motylowa). Przedstawiony na rysunku poniżej turbozespół, nie ma kierownicy z ruchomymi łopatkami, jak to się spotyka w większych urządzeniach. Sterowanie przepływem, odbywa się tu za pomocą oprofilowanej klapy, umieszczonej na początku spirali, która w tym przypadku ma przekrój okrągły. W zależności od wielkości spadu i prędkości obrotowej generatora, może on być napędzany bezpośrednio lub przez przekładnię. Widok i przekrój turbiny Francisa Slajd 56

57 Rozwiązania współczesne z turbinami Francisa W turbinie Francisa woda ze zbiornika górnego, wpływa 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. Turbina Francisa, jest turbiną reakcyjną, co oznacza, że woda podczas przepływu przez to urządzenie się rozpręża. Energia potencjalna wody, zostaje przekształcona w energię kinetyczną obracającego się wirnika. Turbina znajduje się między zbiornikiem wody o wyższym ciśnieniu (wyższy poziom wody) i zbiornikiem zawierającym wodę o niższym ciśnieniu (niższy poziom wody). Slajd 57

58 Współczesne rozwiązania z turbinami Kaplana Turbiny Kaplana (posiadają wirniki z przestawnymi łopatkami) stanowią obecnie wyposażenie niemal wszystkich nowo budowanych elektrowni, przy spadach od najniższych do kilkunastu metrów. W przypadku dużych elektrowni granica stosowania turbin Kaplana jest nawet wyższa. Ich zalety w porównaniu z turbinami Francisa, to zachowanie dużej sprawności nawet przy znacznych wahaniach spadu i przełyku, duża prędkość obrotowa, pozwalająca na stosowanie zarówno jednostopniowej przekładni, jak i bezpośredni napęd generatora oraz większy przełyk, przy tej samej średnicy. Dopiero przy spadach powyżej 8 10 m (dla małych turbin) ujawnia się mankament w postaci erozji kawitacyjnej, zmuszającej do kosztownego rozwiązania, w których turbina, przekładnia i generator, pozostają osobnymi urządzeniami. 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 Turbina ta stosowana jest przy spadach 1,5 80 m przy większych spadach wykazuje ona mniejszą odporność na kawitację. Maksymalna moc pojedynczej turbiny wynosi ok. 130 MW Slajd 58

59 Współczesne rozwiązania z turbinami Kaplana Turbiny Kaplana mogą być stosowane w miejsce turbin Francisa w przypadku modernizowania starych elektrowni wodnych. Ponieważ wymagają one jednak dłuższych i głębszych rur ssących, które trudno pomieścić w starej konstrukcji budynku, można stosować układ lewarowy. Polega to na wzniesieniu turbiny, ponad dno komory tak, że rura ssąca mieści się pod nią, bez poważniejszych rozkuć płyty dennej budynku. Aby jednocześnie uniknąć dostawania się powietrza do turbiny umieszczonej wysoko, należy doprowadzić do całkowitego wypełnienia komory wodą, aż pod jej strop, przy czym w górnej części komory, wystąpi wówczas podciśnienie. Wymaga to odpowiedniego ukształtowania wlotu do komory i przebudowy stropu komory, w celu wzmocnienia jego wytrzymałości. Mimo znacznego zakresu przeróbek, oszczędność z powodu uniknięcia kosztownych prac w obrębie fundamentów, jest godna uwagi. Slajd 59

60 Współczesne rozwiązania z turbinami Kaplana Widok i przekrój turbiny Kaplana, wraz z prądnicą synchroniczną Slajd 60

61 Rozwiązania z turbinami Peltona Oprócz omówionych wcześniej rozwiązań technicznych turbin, w małych elektrowniach wodnych, występują, choć niezbyt często, turbiny Peltona. Turbina Peltona jest rozwinięciem koła natryskowego, w którym łopatki są ustawione pod kątem 90 do strumienia wody. Turbiny Peltona stosuje się dla spadków H > 500 m w wyjątkowych wypadkach uzasadnionych konstrukcyjnie, zamiast turbin Francisa od H = 100 m (w pewnych warunkach dla turbin Francisa wychodzą bardzo długie kanały dolotowe i duże straty; wtedy uzasadnione jest zastosowanie turbin 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. Turbiny Peltona buduje się z wałami poziomymi i pionowymi. Przy wałach poziomych stosuje się dwie dysze wylotowe, a przy wałach pionowych do 6 dysz. Małe elektrownie z turbinami Peltona spotyka się w krajach wybitnie górzystych, przy spadach ponad 50 m. W Polsce podobne warunki występują niemal wyłącznie na obszarach górskich parków narodowych, gdzie mogłyby one pracować na potrzeby schronisk turystycznych. Obecnie funkcjonują 2 takie obiekty. Slajd 61

62 Rozwiązania z turbinami Peltona Przekrój turbiny Peltona Slajd 62

63 UKŁADY AUTOMATYKI MAŁEJ ELEKTROWNI WODNEJ Slajd 63

64 UKŁADY AUTOMATYKI MAŁEJ ELEKTROWNI WODNEJ REGULATORY TURBIN WODNYCH Zadaniem regulatora turbiny wodnej jest utrzymywanie stałej prędkości obrotowej lub sterowanie otwarciem kierownicy, w zależności od dopływu wody. Układ sterowania turbozespołem zawiera następujące urządzenia: cyfrowy regulator elektroniczny; akumulator olejowo-ciśnieniowy; agregat elektrohydrauliczny; siłownik kierownic; czujniki: otwarcia kierownic, prędkości obrotowej wirnika; przetwornik pomiarowy poziomu wody górnej; opcjonalnie, baterie akumulatorów z układem ich ładowania. Regulatory można podzielić na dwie grupy: do pierwszej zalicza się regulatory prędkości obrotowej, stosowane w przypadku pracy turbozespołu na wydzieloną sieć elektroenergetyczną; do grupy drugiej zalicza się regulatory, współpracujące z lokalną siecią elektroenergetyczną, tzw. regulatory mocy. W tym przypadku nie wymaga się regulacji prędkości obrotowej. Regulator powinien natomiast tak sterować otwarciem kierownicy turbiny, aby poziom górnej wody, nie zmieniał się. Z uwagi na znaczne siły, występujące przy zmianie otwarcia kierownicy, do napędu używa się zwykle siłowników hydraulicznych lub rzadziej, silników elektrycznych. Slajd 64

65 UKŁADY AUTOMATYKI MAŁEJ ELEKTROWNI WODNEJ REGULATORY TURBIN WODNYCH Przy stosowaniu hydrauliki siłowej elektrownię wyposaża się w układ zasilania olejowego, zwany w skrócie UOC (układ olejowo-ciśnieniowy), dostarczający olej pod ciśnieniem. Przy zastosowaniu silnika elektrycznego, stosuje się baterie akumulatorów, wraz z układem ich ładowania. ELEKTROHYDRAULICZNY REGULATOR PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ TURBINY LUB JEJ MOCY Najbardziej uniwersalnymi regulatorami turbozespołów elektrowni wodnych są regulatory elektrohydrauliczne, jeden z nich przedstawiono na rysunku na kolejnym slajdzie. Spełniają one funkcję: regulacji prędkości obrotowej turbozespołu (utrzymywanie zadanej prędkości obrotowej turbozespołu, czyli częstotliwości wytwarzanego prądu), przy zmiennym obciążeniu sieci wydzielonej, na którą pracuje turbozespół; regulacji mocy turbozespołu, oddawanej do sieci elektroenergetycznej, odpowiednio do przepływu wody w rzece, w celu zachowania stałego poziomu górnej wody; pracy turbozespołu na sieć elektroenergetyczną z żądaną mocą; pracy turbozespołu na sieć elektroenergetyczną z zadanym przełykiem (np. wymaganym ze względów biologicznych w rzece poniżej elektrowni), przy zmieniającym się spadzie. Slajd 65

66 UKŁADY AUTOMATYKI MAŁEJ ELEKTROWNI WODNEJ Regulator elektrohydrauliczny turbiny Kaplana 150 kw oczyszczalnia ścieków Drezno Slajd 66

67 UKŁADY AUTOMATYKI MAŁEJ ELEKTROWNI WODNEJ 1. Układ sterowania łopatek turbiny (USW) Wykonanie i zadanie układu USW jest podobne jak układu USK, lecz dotyczy sterowania łopatek wirnika turbiny. 2. Automatyczny regulator prędkości kątowej turbiny (ART) Zadaniem regulatora prędkości kątowej jest zapewnienie: utrzymania wymaganej częstotliwości turbozespołu, przy biegu jałowym i w procesie synchronizacji prądnicy synchronicznej; płynnej zmiany obciążenia turbozespołu, mocą czynną; stabilnej pracy turbozespołu we wszystkich stanach ruchowych, w tym i przy pracy prądnicy synchronicznej na sieć wydzieloną. 3. Układ sterowania aparatu kierowniczego turbiny (USK) Zadaniem USK jest zapewnienie automatycznego i ręcznego otwierania i zamykania aparatu kierowniczego turbiny we wszystkich procesach ruchowych (A, B,D). W układzie USK mogą być zastosowane siłowniki hydrauliczne lub elektryczne. Slajd 67

68 RODZAJE AUTOMATYZACJI PROCESÓW RUCHOWYCH W MEW Slajd 68

69 Rodzaje automatyzacji procesów ruchowych w MEW Każda MEW powinna być bezwzględnie zautomatyzowana w zakresie niezbędnym technicznie, (jest to jednocześnie minimalny dopuszczalny zakres automatyzacji). Wymagają tego względy bezpieczeństwa pracy MEW oraz warunki eksploatacji narzucone tym elektrowniom. Dla MEW bezobsługowych, z nadzorem okresowym, minimalny dopuszczalny zakres automatyzacji jest jednocześnie zakresem maksymalnym (maksymalnie możliwym). Natomiast dla MEW z obsługą stałą lub z dyżurem dowolnym, współpracujących z lokalną siecią elektryczną, niezbędny technicznie minimalny zakres automatyzacji, sprowadza się wyłącznie do automatyzacji procesów zatrzymania (odstawienia) turbozespołu w przypadku zadziałania zabezpieczeń. W elektrowniach tych, można oczywiście zastosować także i szerszy zakres automatyzacji (nawet zakres maksymalny). O wyborze zakresu automatyzacji MEW szerszego niż niezbędny technicznie decyduje już wyłącznie jej właściciel. Może on w tym celu posługiwać się różnymi kryteriami, jak np. kryterium wody lub kryterium opłacalności ekonomicznej. Slajd 69

70 Rodzaje automatyzacji procesów ruchowych w MEW W tym ostatnim przypadku, każde zwiększenie zakresu automatyzacji, ponad minimalny będzie uzasadnione tylko wtedy, gdy spowoduje ono zwiększenie zysku przynoszonego przez MEW. Należy zwrócić uwagę na fakt, iż wybór uzasadnionego zakresu automatyzacji MEW, wiąże się ściśle z wyborem jej urządzeń podstawowych (turbina prądnica), dlatego dla nowo budowanych MEW, wybór zakresu automatyzacji powinien być połączony z wyborem urządzeń podstawowych. Wraz z wyborem automatyzacji, należy wybrać rozwiązanie techniczne układów automatyki. Stosowane są trzy rodzaje rozwiązań technicznych, automatyzacji MEW: układy przekaźnikowe; układy bezstykowe; układy mikroprocesorowe. Najprostsze i najtańsze są układy przekaźnikowe. Wadą tych układów jest ich znaczna zawodność, spowodowana głównie zabrudzeniami, korozją i odkształceniami styków. W ostatnich latach układy stykowe (przekaźnikowe), zostały zastąpione łącznikami tyrystorowymi. Są to urządzenia załączające i wyłączające układy w sposób bezstykowy, sterowane układami mikroprocesorowymi. Slajd 70

71 PRACA MAŁEJ ELEKTROWNI WODNEJ W SYSTEMIE ELEKTROENERGETYCZNYM Slajd 71

72 Praca małej elektrowni wodnej w systemie elektroenergetycznym Pod pojęciem systemu pracy elektrowni należy rozumieć: a) współpracę wyłącznie z siecią wydzieloną, tj. samotną pracę elektrowni, na wydzielone odbiory zewnętrzne i potrzeby własne elektrowni; b) współpracę wyłącznie z rozdzielczą siecią elektroenergetyczną (energetyka zawodowa); c) możliwość pracy mieszanej. Slajd 72

73 KONSERWACJA I REMONTY URZĄDZEŃ ELEKTROWNI WODNEJ Slajd 73

74 KONSERWACJA I REMONTY URZĄDZEŃ ELEKTROWNI WODNEJ Założenia techniczno ekonomiczne modernizacji i remontów Technologia Zasadniczym celem prac modernizacyjnych i remontowych jest przedłużenie żywotności i polepszenie własności ruchowych maszyn a zatem zwiększenie dyspozycyjności i obniżenie kosztów eksploatacyjnych elektrowni. W niektórych przypadkach celem modernizacji jest zwiększenie mocy i/lub produkcji energii. Można tego dokonać poprzez wymianę starego wyposażenia elektromechanicznego elektrowni na nowe, o lepszych własnościach. Część budowlana może być remontowana tak, że energetyczne wykorzystanie wody pozostaje w istocie niezmienne. Pierwszorzędne znaczenie dla poprawnego funkcjonowania maszyn wodnych ma głównie stan techniczny wirnika, kierownicy, łożysk i uszczelnień. Doświadczenia z eksploatacji wskazują, iż uszkodzenia tych podzespołów stanowią najczęstszą przyczynę niesprawności i obniżonej dyspozycyjności maszyn. W trakcie prac remontowych szczególną uwagę zwraca się więc na dobór luzów w łożyskach, dokładność montażu wirnika i linii wałów, nastawienie łopat wirnika i wyrównoważenie zespołu wirującego. Istotne znaczenie ma również zmniejszenie lub zupełne wyeliminowanie niebezpieczeństwa skażenia środowiska wskutek przedostawania się do wody czynników smarowych oleju lub smaru stałego. Slajd 74

75 KONSERWACJA I REMONTY URZĄDZEŃ ELEKTROWNI WODNEJ Ekologia Węzłami łożyskowymi, których modernizacja polega na zastosowaniu materiałów przystosowanych do smarowania wodą lub materiałów bezsmarowych, są z reguły: -dolne łożysko prowadzące, - połączenia ruchowe łopat kierownicy, dźwigni, łączników i pierścienia regulacyjnego, - połączenia ruchowe łopat wirnika i elementów mechanizmu regulacyjnego, tj. dźwigni, łączników, rozgwiazdy i drąga regulacyjnego (w turbinach Kaplana). Kawitacja Niepożądanym, ale często nieuniknionym zjawiskiem, towarzyszącym pracy zwłaszcza szybkobieżnych turbin wodnych, jest kawitacja i wywołana tym zjawiskiem erozja materiału rur ssących, komór wirnikowych, łopat i piasty wirników oraz kierownic. Naprawy uszkodzeń kawitacyjnych stanowią znaczącą pod względem pracochłonności część prac remontowych, wykonywanych najczęściej metodą napawania. Powodem obniżenia dyspozycyjności maszyny mogą być zjawiska zmęczeniowe i ukryte defekty materiałowe a także nieodpowiednia eksploatacja i konserwacja. Czynniki te mogą być rozpoznane i wyeliminowane m.in. na podstawie wyników badań diagnostycznych, wykonywanych w ramach prac przygotowawczych. Slajd 75

76 Odkrywając wielkie marki: ELEKTROWNIE WODNE

77