přednáška č. 10 Elektrárny B1M15ENY Vodní elektrárny: Přehled Technologické prvky Turbíny Dynamický model Ing. Jan Špetlík, Ph.D.

Transkript

1 Elekrárny B1M15ENY přednáška č. 10 Vodní elekrárny: Přehled Technologické prvky Turbíny Dynamický model Ing. Jan Špelík, Ph.D. ČVUT FEL Kaedra elekroenergeiky

2 Vodní elekrárny Princip: - přeměna kineické energie proudící vody na roační energii urbíny - urbína je na společné hřídeli s generáorem Výhody: - obnovielný zdroj (ne však zcela z pohledu zákona 180/2005 Sb.) - neznečišťují ovzduší, neprodukují emise - nezávislé na dopravě paliv a surovin - špičkový zdroj (doba najeí na plný výkon ~ 100 s) - vyžadují minimální obsluhu i údržbu a lze je ovláda na dálku - nízké provozní náklady, minimální invesiční riziko - zapojielné do vodohospodářského sysému - velmi vysoká živonos Nevýhody: - značná cena a čas výsavby, dlouhá doba návranosi (až 15 le) - nunos zaopení velkého území - závislos na sabilním průoku vody Zasoupení: - v ČR cca 10% spořeby elekrické energie

3 Vodní elekrárny Podle principu akumulace energie vody (ypu vzdouvacího zařízení): - průočné /jezové/ (spád je obvykle vyvořen jezem) - derivační / náhonové/ (spád je vyvořen umělým zařízením - náhonem) - přehradní /akumulační/ (využívají spád vyvořený přehradní zdí) - přečerpávací (využívají vodu přečerpanou z dolní nádrže do horní) - přílivové /slapové/ (spád je vyvořen mořským přílivem a odlivem) Podle spádu (výsledného laku): - nízkolaké (spád do 20 m) - sředolaké (spád m) - vysokolaké (spád nad 100 m) Podle využií v DDZ: τ nad 6 is. hod/rok - základní (doba využií ) - pološpičkové (doba využií τ 2-4,5 is. hod/rok ) - špičkové (doba využií τ 0,7-1,5 is. hod/rok ) Podle výkonu: - malé vodní elekrárny /MVE/ (do 10 MW počíají se mezi OZE) - (velké) vodní elekrárny /VE/ (nad 10 MW) DDZ a nasazení různých ypů elekráren

4 Vodní elekrárny derivační (náhonová) elekrárna průočná (jezová) elekrárna akumulační (přehradní) elekrárna přečerpávací elekrárna přílivová elekrárna

5 Hrubý spád H HR : Hrubý (bruo) spád [m] je rozdíl hladin mezi profilem vzdué hladiny a profilem pod vzdouvacím objekem Čisý spád H: Čisý (užiečný) spád [m] je hrubý spád zmenšený o hydraulické zráy vzniklé v přívodním kanálu a zráy řením v odváděcím kanálu 2 2 vok vpk H = HHR Hzi + = i 2.g 2.g = H HR H Základní pojmy a vzahy Skuečný výkon urbíny: P =ηηη o.. m. ρ.q.h.g =ηηη o.. m. ρ.q.y ηo η η m [-] [-] [-] objemová účinnos (v usáleném savu) hydraulická účinnos urbíny mechanická účinnos urbíny Q 3-1 [m.s ] m = Q. ρ průok vody -1 Y [J.kg ] měrná energie Y = H.g

6 Dynamický model urbíny Principielní schéma: Použié symboly: označení rozměr název veličiny A [m 2 ] průřez přivaděče L [m] délka přivaděče V, v [m/s], [p.u.] rychlos proudění kapaliny ξ [p.u.] poloha venilu (0-zavřeno,1-oevřeno) P, p [W], [p.u.] Výkon urbíny H, h [m], [p.u.] hydraulický (čisý) spád ρ [m 3 /kg] objemová husoa K PQ, K Pv, K vh Konsany proporcionaliy s Laplaceův operáor pro čas M [Nm] krouící momen Q, q [kg/s] [m 3 /s] hmonosní průokové množsví objemové průokové množsví T w [s] Doba náběhu vody

7 Dynamický model urbíny Vzah pro výkon urbíny v p.u.: P =ηo. η. ηm. ρ.q.h.g =ηρ..q.h.g = K PQ.Q.H Podělením bázovými (jmenoviými) veličinami získáváme: P P Q H = =. P ηρ..q.h.g Q H N N N N N a edy p = q.h [p.u.] Nebo aké: P =ηρ..a.v.h.g = K.V.H Pv a obdobně p = v.h [p.u.] Vzah pro rychlos proudění v p.u.: Závisí na zdvihu (poloze venilu) a na spádu: V =ξ. 2.g.H = K. ξ. H Celkově: vh 3 a edy 2 p = v.h = ξ.h [p.u.] a q = v [p.u.] v h = ξ. h v = ξ 2 [p.u.] [p.u.]

8 Lineární model: Dynamický model urbíny Zjednodušení: uhý přivaděč, neslačielná voda, použielný pouze pro malé změny Z rovnosi sil: p dv ρla. = ( H HR H H ) ρg A d F dv d v g. VN h v p.u.: = = h. = kde d d L. H T N wn dv d T wn g = H. L VN. L LQ. N = = gh. g. AH. N N Kde TwN je časová konsana, za kerou se při jmenoviém spádu HN urychlí voda na jmenoviou rychlos (průok) VN (QN). Typicky je TwN = 0,5 4 s. S použiím operáorů: Vyjádření diferenciálů: v v v v =. ξ +. h = h. s TwN p p p =. v +. h ξ h 0 v 0 h 0 0

9 Dynamický model urbíny v v v. h 1 TwN.. s + h h ξ = =. v v v ξ ξ 0 0 p p p = TwN.. s. v v h 0 0 odud: 0 0 a parciální derivace: ( ξ. h ) ξ0 v = = h h 2. h ( vh. ) p = = v v 0 0 h 0 v ξ 0 ( ξ. h ) = = ξ ( vh. ) p = = v = ξ. h h h 0 h 0 0 0

10 Dynamický model urbíny Výsledný přenos mezi výkonem urbíny a zdvihem: p p v T.. s. p ξ wn v ( ) h ξ h TwN sξ h h0 = = v ξ T.. 1 TwN.. s wn s + h 0 2. h0 pracuje-li urbína blízko nominálních paramerů, j. je přenos: a výsledný model: p 1 TwN. s = ξ 1+ 0,5. T. s wn h0 1 a ξ0 1 ξ 2 h 1/ TwN 1 s v p

11 Dynamický model urbíny Projevuje se důležiá vlasnos: Při rychlém oevírání dochází nejprve k poklesu výkonu (opačné změně!) Na urbíně a až poé k jeho navyšování. Rychlos proudění se vlivem servačnosi vody v přivaděči v prvním okamžiku nezmění (voda se posupně urychluje). Tlak na urbíně ale skokově poklesne a způsobí snížení výkonu.

12 Nelineární model: Dynamický model urbíny Zjednodušení: uhý přivaděč, neslačielná voda, oáčky a hrubý spád jsou kons. Využií: pro široký rozsah průoků ξ h h 1/ TwN 1 s v p h 0 1

13 Dynamický model urbíny ξ max regulační rozsah ideálního zdvihu ξ min Vliv reálného zdvihu: 1 0 regulační rozsah g reálného zdvihu 1 min gmax Ve skuečnosi není spodní mez regulačního rozsahu reálného zdvihu není nulová, ale daná minimálním průokem v ( q NL NL ), při kerém je výkon urbíny nulový Vzah mezi ideálním a reálným zdvihem je: kde A ξ = Ag. je zesílení (zisk) urbíny A = g max 1 g min g A ξ 2 u h 1 h h 0 1/ TwN 1 s v v NL v NL Ag.. = p min 0 j.. Ag. h min

14 Dynamický model reg. venilu Mechanismus oevírání venilu: Servomoor oevírá/uzavírá venil, rychlos oevírání venilu je omezena v gmin v gmax Venil může bý oevřen v rozsahu zdvihu g min g max Pro rychlos oevírání plaí dg d = v g V usáleném savu je oevření: ( 0) ( 0. ) ( ) g = p g g + g max min min R servomoor Ka T. s+ 1 a v g max v g min v g 1 s g max g min g g ( 0) Ka [-] zesílení servomooru Ta [s] časová konsana servomooru

15 Dynamický model regulace urbíny K I 1 s ω ref 1 K P R R ( 0) ω K D s f T. s+ 1 f K K s PID reguláor p ref p V usáleném savu plaí: ( 0) ( 0) ( 0. ) ( ) R = g = p g g + g max min min

16 Dynamický model generáoru Pro roační sroj plaí v p.u.: J. Ω GD. Ω p p. ωω.. ωω. T. ωω n n l = = = m Sn 4. Sn Je-li ω 1 p p. l = T m ω je možno psá p 1/ Tm 1 s ω p l p [-] činný výkon záěže T [s] l m mechanická časová konsana urbosousrojí ω a p jsou vsupy do reguláoru

17 Vodní elekrárny Základní pojmy: Vodní sroj mění mechanickou energii vody (poenciální nebo kineickou) na mechanickou energii uhého ělesa (roující hřídel, pohybující se pís) nebo naopak mechanickou energii uhého ělesa na mechanickou energii vody Vodní moor mění mechanickou energii vody na mechanickou energii uhého ělesa Vodní čerpadlo přeměňuje mechanickou energii hřídele nebo písu na mechanickou energii vody Hydroalernáor přeměňuje mechanickou energii hřídele na sřídavý elekrický proud Moorgeneráor schopen přeměňova jak mechanickou energii na elekrickou, ak i opačně Vodní sousrojí celek vořený vodním srojem a hydroalernáorem nebo moorgenernáorem Součási VE: - vokový objek - přívodní porubí (přivaděč) - vyrovnávací věž (vyrovnávací komora) - přívodní porubí k urbíně - spirála - vodní urbína - savka - výokový objek (vývařišě, odváděcí kanál)

18 Přehrada: Prvky vodní elekrárny Vyrovnávací komora: Má za úkol vyrovna rázové hydrodynamické jevy související s uzavíráním armaur případně přechodnými elekrodynamickými jevy v sousrojí urbína-generáor Přehrada Křižanovice I (VE Práčov) Vyrovnávací komora v přivaděči k VE Práčov

19 Prvky vodní elekrárny Savka: Kónicky se rozšiřující porubí vedoucí pod hladinu vývařišě. Vyváří podlak na spodních čásech lopaek urbíny (u přelakových urbín). Tím dochází ke zvyšování relaivní rychlosi v oběžném kole rooru urbíny. Výsledná absoluní výoková rychlos ak poklesne a urbíně je předána věší energie. Turbína ak může využí, jinak zracený, zbykový spád, kerý zaujímá výškový rozdíl mezi urbínou a vývařišěm Spirála: Zajišťuje rovnoměrný příok do rozváděcích lopaek urbíny jednoduchá spirála dvojiá spirála

20 Vodní urbíny - eorie Idealizovaná Pelonova urbína: Voda véká do urbíny rychlosí c 1. Vzhledem k lopace oáčející se rychlosí u se voda pohybuje rychlosí v ak, že při opušění lopaky změní směr o 180. Objemový průok vody Q je konsanní a zráy řením se zanedbávají. Z bilance relaivních rychlosí je reakční síla na lopaku: ( ) 2.Q. c u = R 1 Výkon urbíny: ( ) P = R.u = 2.Q. c u.u Maximum výkonu nasane pro: dp 0 umax du = = 1 c1 2 Absoluní výoková rychlos je: ( ) ( ) c v u c u u c.u 2 = 2 + = 1 + = 1 2 Hydraulická účinnos urbíny je: ( ) 2 c 1 Relaivní rychlosi na lopace: ( ) v = v = c u v1 = c1 u v = v = c u ( ) P c c 1 2.u 1 zr η 1 1 c2 P= P max = c 1 2. = 0 = = a pro je η 2 = 1 P c 2 přiv 1 u

21 Obecně plaí Eulerova urbínová věa: Vodní urbíny - eorie Ve skuečnosi je děj složiější: jednolivé rychlosi se musí sčía vekorově v závislosi na vokovém a výokovém úhlu, obvodová rychlos se vlivem změny poloměru může měni, relaivní rychlos vody na oběžném kole se vlivem lakových změn aké mění Y = c.u c.u 1( u1) 1 2( u2) 2 přidáme-li ješě měrnou energii zmařenou průchodem urbínou na eplo: Y = c.u c.u + Y id ( u ) ( u ) zr Hydraulická účinnos je poom: Y η = Y id

22 Vodní urbíny - eorie Z hlediska přeměny energie dělíme urbíny na: - rovnolaké (impulsní) - přelakové (reakční) U rovnolakých urbín: Voda vsupuje do rozváděcích lopaek, kde se její laková energie mění na kineickou. Správným zakřivením lopaek získává voda opimální směr pro vsup do opačně zakřivených oběžných lopaek urbíny. Voda véká do oběžného kola už za amosférického laku. Tlak vody je ak po celé dráze oběžného kola konsanní a relaivní rychlos vzhledem k rooru mění pouze svůj směr, ale nikoli velikos. Po předání značné čási své kineické energie vyéká voda se zbykovou rychlosí. U reakčních urbín: Voda vsupuje do rozváděcích lopaek, kde se její laková energie mění na kineickou a vsupuje do oběžných lopaek. Díky použií savky vzniká ale rozdílový lak před a za oběžnými lopakami. To se projeví ím, že vlivem posupného úbyku laku vody na oběžném kole rose její relaivní rychlos (laková energie se mění na kineickou). Tím se sníží výsledná absoluní výoková rychlos a zužikuje se spád od lopaek urbíny k vývařiši. Pozn. Rozdělení na rovnolaké a reakční urbíny je edy sejný jako u parních urbín. Voda je ale na rozdíl od páry (éměř) neslačielná a plaí pro ni rovnice koninuiy

23 Rovnolaká urbína: Vodní urbíny - eorie Reakční urbína: u 1 u 1 v 1 c 1 v 1 c 1 v 2 u 2 v 2 u 2 c 2 c 2 c [m.s -1 ] v 1 [m.s -1 ] 1-1 u [m.s ] voková absoluní rychlos vody voková relaivní rychlos vody obvodová rychlos rooru Pozn. "relaivní" = vzhledem k poloze rooru c [m.s -1 ] v 2 [m.s -1 ] 2 výoková absoluní rychlos vody výoková relaivní rychlos vody

24 Typy urbín používaných ve VE: - Bánkiho - Kaplanova - Francisova - Pelonova Volba urbín dle rozsahu průoku a spádu: Vodní urbíny - konsrukce Bánkiho urbína Kaplanova urbína Francisova urbína Pelonova urbína

25 Vodní urbíny - konsrukce Volba urbín dle rozsahu oáček a spádu: Typ urbíny provedení n s Pelonova s jednou dýzou 4-35 s dvěma dýzami se čyřmi dýzami Francisova pomalubežná normální rychlobežná expresní Kaplanova

26 Bánkiho urbína Popis: - rovnolaká urbína - A.G.M. Michel (1903), pro prakické použií ji dopracoval maďarský profesor D. Banki v r voda přiváděna k urbíně porubím kruhového průřezu - před urbínou mezikus měnící kruhový průřez na obdélný, na jeho konci klapka (regulace) - voda předává lopakám urbíny energii ve dvou mísech - při prvním průoku lopakami se urbíně předává asi 79%, při druhém asi 21% z celkového výkonu urbíny - plně je využiý spád H, čásečně i spád H 2 výškový rozdíl mezi oběžným kolem a spodní hladinou H zr je spád zracený Použií - pro malé průoky a malé a sředně velké spády - cenově příznivé řešení H H 2 H zr D d činný spád spád v kole výška naz spod. vodou (zráová) vnější průměr kola průměr, kde končí lopaky

27 Popis: - reakční urbína - J. B. Francis (1848) - díky sacímu efeku využívá urbína celý spád i když je oběžné kolo nad hladinou vývařišě - dvě variany uložení hřídele: verikální a horizonální Francisova urbína Horizonální provedení - urbína je umísěna ve sěně urbínové kašny naplněné vodou - voda vniká z kašny do regulovaelných rozváděcích lopaek po celém obvodu urbíny - urbína ve sěně kašny je vysoko nad spodní hladinou -> kolenová savka - koleno může bý vedeno uvniř kašny mokrá savka - nebo srojovnou suchá savka Verikální provedení - urbína je umísěna na dně urbínové kašny naplněné vodou - hřídel vede svisle vzhůru do srojovny - nehrozí její zaplavení - voda vniká z kašny do regulovaelných rozváděcích lopaek po celém obvodu urbíny - voda je z urbíny odváděna savkou, kerá vyváří podlak přenášející se na odokovou sranu oběžného kola Regulační věnec Francisovy urbíny Francisova urbína v provedení horizonálním s mokrou savkou

28 Francisova urbína Francisova urbína v provedení horizonálním se suchou savkou Použií - pro sředně velké spády a věší množsví proékající vody - Francisova reverzibilní urbína vhodná do PVE - dosahované účinnosi 75 90% Francisova urbína v provedení verikálním

29 Kaplanova urbína Popis: - reakční urbína - V. Kaplan ( ) - vylepšená Francisova urbína, liší se ím, že oběžné kolo má vrulový var s nasavielnými lopakami - ypická účinnos nad 90% v širokém rozmezí průoků (max. až 95%) - ze všech urbín dosahuje nejvyšších jmenoviých oáček - Kaplan-S: regulace naočení rozváděcích i oběžných lopaek - Semi-Kaplan: regulace naočení pouze oběžných lopaek Turbína ypu Semi-Kaplan Regulační prvky Kaplanovy urbíny

30 Použií: - vodní oky s proměnlivým průokem (výhoda dvojié regulace) - věší pořizovací náklady a nákladnější údržba (nevýhoda dvojié regulace) - vhodné pro velké průoky a menší spády Kaplanova urbína Turbína ypu Kaplan-S Srovnání lakových a rychlosních poměrů u Kaplanovy a Francisovy urbíny

31 Pelonova urbína Popis: - rovnolaká urbína - L. A. Pelon (1880) - voda je přiváděna k urbíně porubím kruhového průřezu, keré vede k jedné nebo více dýzám - z dýzy vyéká voda rychlosí c 1, voda vsoupí angenciálně do oběžného kola osazeného lžícoviými lopakami (parciální angenciální osřik) - bři uprosřed lopaek rozdělí paprsek na dvě poloviny a lžícoviý var lopaky se snaží ooči směr ekoucí vody zpě - vzájemným souběhem rychlosi vody ekoucí po lopace při současném oáčení oběžného kola obvodovou rychlosí u dojde k omu, že voda opouší lopaky na vnější sraně s minimální zbykovou rychlosí c 2 - Účinnos u malé urbíny 80 až 85%, u velké 85 až 95% - Plně je využiý spád H, Výškový rozdíl H zr je zracený a energeicky nevyužiý Použií: - Pro malé množsví vody ve velkých spádech - není náchylná ke kaviaci, odolná proi oěru pískem - na menších spádech dává příliš malý poče oáček a vyžaduje převodovku Regulační dýzy Pelonovy urbíny

32 Kaviace Vznik kaviace: Kaviace (z lainského cavias - duina) je vznik duin v kapalině při lokálním poklesu laku, následovaný jejich implozí. Pokles laku může bý důsledkem lokálního zvýšení rychlosi (zv. hydrodynamická kaviace), případně průchodu inenzivní akusické vlny v periodách zředění (akusická kaviace). Kaviace je zpočáku vyplněna vakuem, později se vyplní párou okolní kapaliny nebo do ní mohou difundova plyny z okolní kapaliny. Při vymizení podlaku, kerý kaviaci vyvořil její bublina kolabuje za vzniku rázové vlny s desrukivním účinkem na okolní maeriál. Projevuje se zejména u přelakových urbín, nejčasěji se vyskyuje v oběžném kole, u něhož dochází až k poruše maeriálu. Kaviaci doprovází mísní ohřáí, akusické jevy, vibrace a luminiscence. Při zanikaní bublin se kaviační duiny vysokou rychlosí (až 300 m s -1 ) vyplňují okolní kapalinou. Teno implozivní zánik duin vyvolává lakové vlny a hydrodynamické rázy, dosahující hodnoy až 10 3 MPa příčina hluku a kaviační koroze. Vznik duin (bublin) při poklesu laku pod lak syé páry může vés až ke zničení urbíny. Ukázka působení kaviace

33 Předcházení kaviaci: zvyšování laku nad lak nasycených par = řízené poušění vzduchu (Pa) do kaviačních oblasí, vhodné vary a maeriály. Kaviace Fakory ovlivňující kaviaci: obsah plynů v kapalině Při snížení laku dochází k vylučování vzduchu z kapaliny do vzduchových bublin. V kapalinách, ve kerých při normálním laku nejsou bubliny vidielné, vznikají kaviační duiny až při poklesu mísního laku přibližně na hodnou laku syé páry při dané eploě. Tyo duiny jsou vyplněny převážně syou párou kapaliny. eploa a lakové poměry Se vzrůsající eploou kapaliny se zvěšuje poče vznikajících kaviačních duina zároveň se zvyšuje lak nasycených par, akže vznikající duiny mají menší objem. Tyo jevy působí na inenziu kaviačního opořebení proichůdně. Průběh kaviačního poškození v závislosi na eploě má lokální maximum při určié eploě, u vody je o v rozmezí asi 45 až 50 C, asi při 80 C je již inenzia poškození prakicky nulová. Důležiým fakorem je aké rozdíl mezi vnějším lakem a lakem nasycených par. Čím je eno rozdíl věší, ím inenzivnější je kaviační opořebení. povrchové napěí a viskozia kapaliny Povrchové napěí kapaliny má výrazný vliv na velikos kaviačních duin. Čím je věší povrchové napěí, ím věší duiny vznikají za jinak sejných podmínek. Věší duiny znamenají věší inenziu kaviačního opořebení. Viskozia kapaliny má vliv na rychlos růsu kaviačních duin. Podle současných předsav však se vliv viskoziy uplaňuje především ěsně před zánikem kaviační duiny a o ak, že snižuje rychlos, s jakou kapalina vniká do duiny při její implozi Mechanismus kaviačního opořebení

34 Přehled nejvěších VE v ČR Š špičková, PŠ pološpičková, PR průočná F Francisova urbína, K Kaplanova urbína, FR Francisova reverzní urbína