Hidroenergetski sistemi

Transcription

1 Marko Hočevar Hidroenergetski sistemi učbenik za predmet Hidroenergetski sistemi Ljubljana, november 015 1

2 Študijski program: Visokošolski strokovni študijski program prve stopnje STROJNIŠTVO Učbenik: Hidroenergetski sistemi Gradivo za 3. letnik Avtor: izr. prof. dr. Marko Hočevar Univerza v Ljubljani Fakulteta za strojništvo Laboratorij za vodne in turbinske stroje Aškerčeva Ljubljana CIP Kataložni zapis o publikaciji HOČEVAR, Marko, DULAR, Matevž, Hidroenergetski sistemi, 015 Izdajatelj: Založnik: Ljubljana, 015

3 Kazalo vsebine Kazalo vsebine... 3 Seznam slik... 7 Seznam tabel Uvodna beseda avtorjev Uvod Predstavitev glavnih tipov turbin in njihove značilnosti Razvrstitev turbin Kriteriji razvrstitve vodnih turbin glede na specifično hitrost..... Peltonova turbina Francisova turbina Kaplanove turbine Cevne turbine Ostale vodne turbine Izdelava vodnih turbin Izdelava gonilnikov Peltonovih turbin Izdelava gonilnikov Francisovih turbin Izdelava Kaplanovih gonilnikov Izdelava drugih delov vodnih turbin Teorija podobnosti turbinskih strojev Uporaba brezdimenzijskih števil Primeri uporabe brezdimenzijske analize Izpeljava brezdimenzijskih števil Lastnosti in delovanje turbin Karakteristika in školjčni diagram turbin Karakteristike turbin Školjčni diagram

4 5.. Delovanje črpalk/turbin v štirih kvadrantih (razširjeno področje obratovanja) Zagon in zaustavitev elektrarne (normalna in hitra zaustavitev) Postopek zagona elektrarne Normalna zaustavitev elektrarne Hitra zaustavitev elektrarne Tlačna in masna nihanja pri zaustavitvi turbine Sinhronizacija vodne turbine z omrežjem Jalova obremenitev Delovna obremenitev Drugi sestavni deli hidroelektrarne Vtočni sistem Jezovi Zobje in rešetke Sistem za dovod vode Dovodni kanali in tuneli Vodostan Tlačni cevovod Razbremenilni ali varnostni ventil Krogelni ventil in bypass cevovod za krogelni ventil Zapornica Oprema v strojnici Spiralno ohišje Predvodilniške in vodilniške lopatice Gonilnik, turbinski pokrov, tesnenje in sistem za vpihovanje zraka Gred Ležaji Senzor premikanja

5 Regulator kota vodilniških in gonilniških lopatic Inverter Zavore Generator in električna oprema generatorja Ostali sistemi v elektrarni Prelivna polja in zapornice prelivnih polj Drenažne črpalke Ribja steza Izkoristki in moči v hidroelektrarni Izkoristek Hidravlična moč Določanje pretoka Določanje specifične hidravlične energije Kavitacija NPSE, NPSH, Thomovo število in kavitacijske krivulje Oblike in lastnosti kavitacije v vodnih turbinah Vpliv vsebine delcev v toku na kavitacijske strukture in lastnosti Erozija gonilnika zaradi nečistoč v vodi Potopitev turbine Tok vode v vodnih turbinah Absolutna in relativna hitrost Primer uporabe trikotnikov hitrosti v vodnih turbinah Izgube v turbinah in izkoristek Tlačne izgube Iztočne izgube Volumetrične izgube Mehanske izgube Glavni turbinski enačbi

6 Prva turbinska enačba Druga turbinska enačba Obratovalni režimi elektrarn in vodenje elektrarn Tipi hidroelektrarn Pretočne hidroelektrarne Akumulacijske hidroelektrarne Pretočno akumulacijske hidroelektrarne Črpalne hidroelektrarne Vodenje energetskih sistemov Sistemske regulacije Primarna regulacija frekvence Sekundarna regulacija frekvence Terciarna regulacija frekvence Razbremenjevanje Regulacija napetosti Zagon agregatov brez zunanjega napajanja Literatura

7 Seznam slik Slika 1. Pretočne in zajezne elektrarne. Levo: pretočna HE Krško, desno: zajezna HE Moste.... Slika. Izbira turbin za različne pretoke in padce. Diagram je v fizikalnih enotah. Povrzeto po [Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery, Dixon]... 3 Slika 3. Izbira turbin za različne pretoke in padce. Pretok je podan z brezdimenzijskim številom n s, kot je navedeno v enačbi desno zgoraj Slika 4. Peltonova turbina, risba in šoba z iglo Slika 5. Peltonova turbina, shema (Ralston, Voith), navpična os, Peltonova turbina s šestimi šobami. Peltonove turbine imajo horizontalne osi do dveh šob, navpične osi pa imajo Peltonove turbine s 4-6 šobami, če je potreba po večjem pretoku. To je zaradi tega, ker pri vodoravnih oseh se ne bi dalo dobro odvajati vode, če bi imela turbina več šob Slika 6. Gonilnik Peltonove turbine, levo Peltonova turbina iz Walchensee- ja, Nemčija. V sredini blisk, Peltonova turbine proizvajalca PRÄWEST, desno detajl lopatice Slika 7. Levo: Francisova turbina. Z rdečo so predstavljeni deli, ki se vrtijo, gonilnik in gred. Z zeleno je prikazan vodilnik. Z rumeno so predstavljeni ležaji. S svetlo modro so prikazana mesta, kjer je v turbini voda. Desno: na sliki je vodoravna Francisova turbina. Vidno je spiralno ohišje in zunanji del vodilnika. Z rumeno je pobarvan vodilniški aparat, ki vrti vodilniške lopatice Slika 8. ČHE Avče, prerez pretočnega polja (levo) in dovodnega tlačnega cevovoda (desno) Slika 9. Levo: gonilnik Francisove turbine, elektrarna treh sotesk, Kitajska. Desno: gonilnik črpalne hidroelektrarne Avče, merjenje kavitacijske erozije z merilno roko Slika 10. Levo: transport gonilnika, Guri, Venezuela, MW MW MW+ 3 5 MW MW. Desno: hidroelektrarna Bratsk, Rusija, 18x50 MW Slika 11. Spust gonilnika v strojnični jašek ČHE Avče Slika 1. Levo: shema Kaplanove turbine. Z rdečo so predstavljeni deli, ki se vrtijo, gonilnik, gred in rotor generatorja. Z zeleno je prikazan vodilnik in hidravlični sistem za vrtenje lopatic gonilnika (zgoraj). Z rumeno so predstavljeni ležaji in sicer od zgoraj navzdol: zgornji generatorski vodilni ležaj, 7

8 spodnji generatorski vodilni ležaj, zgornji turbinski vodilno / nosilni ležaj in spodnji turbinski vodilni ležaj. S svetlo modro so prikazana mesta, kjer je v turbini voda. Desno: gonilnik Kaplanove turbine, lepo so vidna vrtišča lopatic, Plave Slika 13. Spirala Kaplanove turbine (levo) in pogled na gonilnik iz vodilnika (desno), HE Solkan Slika 14. Pretočno polje Kaplanove turbine, primer HE Solkan Slika 15. Cevna turbina s hruško, presek pretočnega polja. Z rdečo barvo so označeni vrteči deli, gonilnik in gred Slika 16. Gonilnik cevne turbine s hruško Slika 17. Cevna turbina v jašku Slika 18. Cevna turbina S. Generator je nameščen zunaj pretočnega trakta turbine Slika 19. Shema Saxo turbine. Vir: Litostroj Slika 0. Gonilnik deriazove turbine. Deriazove turbine imajo nastavljive lopatice, tok v njih je diagonalen. Turbina je podobna Kaplanovi, samo da so lopatice bolj nagnjene, kar je ugodno za srednje padce od 0 do 100 m Slika 1. Tysonova turbina. Ta turbina ne potrebuje ohišja, vstavi se jo neposredno v tekočo vodo. Sestavljena je iz propelerja, ki je pritrjen pod splavom. Gonilnik poganja generator, ki je običajno na vrhu splava, povezana sta z jermenom. Turbino potegnemo na sredino vodotoka, kjer je tok najhitrejši Slika. Gorlova turbina. Je turbina, razvita iz Darriusove turbine, le da ima zavita krila. Tok vode na turbino deluje z navorom na krila turbine, zato se turbina vrti. Smer toka je pravokotna na os vrtenja Slika 3. Vodno kolo je star turbinski stroj, ki se je predvsem v preteklosti poganjal za pogon mlinov, žag, za črpanje vode in odvodnjavanje. Prvi opis vodnega kolesa sega v čas pred našim štetjem, iz Grčije preko Rimskega imperija pa se je uporaba razširila v druge dele severne poloble Slika 4. Turgo turbina je podobna Peltonovi turbini, je pa gonilnik lažje izdelati. Natok vode je s strani. Turgo turbine delujejo na področju padcev, kjer se prekrivata Peltonova in Francisova turbina Slika 5. Banki turbina je zanimiva, ker je to ena redkih turbin, kjer voda teče skozi gonilnik in "dvakrat" poganja gonilnik

9 Slika 6. Arhimedov vijak se je tradicionalno uporabljalo za črpanje vode, danes za črpanje odpadne vode. V obrnjeni smeri deluje Arhimedov vijak kot turbina Slika 7. Varjenje velikega 00 ton težkega gonilnika Francisove turbine. (Vir: EWM-group) Slika 8. Izdelava gonilnika Peltonove turbine. Levo: brušenje gonilnika pred varjenjem lopatic. Desno: varjenje lopatice. (vir: Andino)... 4 Slika 9. Izdelava lopatic Pelton turbin na frezalnem storju, gonilnik iz enega kosa (vir: Siapro d.o.o.) Slika 30. Gonilnik Peltonove turbine s skoraj navarjenimi lopaticami (levo). Za varjenje in obdelavo je donilnik montiran tako, da delavec vari in brusi posamezno lopatico v njegovi delovni višini (desno). (vir: Andino) Slika 31. Izdelava manjšega gonilnika Francisove turbine z rezkanjem (levo) in izdelava lopatic s krivljenjem (desno). (vir: Andino) Slika 3. Izdelava gonilnika Francisove turbine. Levo: krivljenje lopatice turbine. Desno: poravnava pesta in obroča. (vir: Andino) Slika 33. Postavitev lopatic med pesto in obroč. Lopatice so po litju ali krivljenju obdelano s 3D rezkarjem in se jih postavi tako, da dobro nalegajo po površini, jih pa je potrebno enakomerno razporediti po obodu in ustrezno nagniti. (vir: Andino) Slika 34. Izdelava gonilnika Francisove turbine, varjenje lopatic na pesto in obroč. Pri varjenju mora biti gonilnik ogret na približno 100 C, kar se preverja z meritvami temperature s termočleni (vidni so na srednji sliki). Delo je zelo naporno, zlasti poleti. (vir: Andino) Slika 35. Brušenje lopatic Francisove turbine (vir: Siapro) Slika 36. Struženje pesta in oboda na končno dimenzijo (vir: Siapro) Slika 37. Izdelava lopatice Kaplanovega gonilnika. Desno: 3D rezkanje površine lopatice. (vir: Litostroj in Đuro Đaković strojna obrada) Slika 38. Predmontaža Kaplanove turbine (vir: Siapro d.o.o.) Slika 39. Izdelava vodilniške lopatice Saxo turbine (vir: Siapro) Slika 40. Montaža Kaplanove turbine (vir: Siapro in Litostroj) Slika 41. Struženje vztrajnika na mestu vgradnje (vir: Hydro-hit) in izdelava ventila (vir: Litostroj Power) Slika 4. Izdelava gonilnika Francisove turbine. Prikazano je penetriranje za določitev poškodb v materialu. Postopek se vedno izvede za vse vrste turbin, v 9

10 dogovoru z naročnikom pa se včasih izdela tudi rentgenski pregled. (vir: Andino) Slika 43. Shematska reprezentacija hidravličnega stroja. Tok teče v smeri puščice za črpalko ali za turbino Slika 44. Primer HE Plave. Zaradi izgub v dovodnem tunelu ni ves bruto padec na voljo turbini Slika 45. Karakteristika neregulirane turbine. V tem primeru so osi zamenjane, na x osi je brezdimenzijska specifična hidravlična energija E nd (na tem mestu bi lahko zapisali bruto ali neto pade, tlačno število, itd) in na y osi izkoristek, pretok in moč. Vir: ISO Slika 46. Karakteristika turbine z enojno regulacijo, npr. Francisova turbina. Pri turbini z enojno regulacijo za vsako brezdimenzijsko specifično energijo E nd izmerimo dovolj merilnih točk, da lahko skoznje potegnemo krivulje izkoristka, odprtja vodilnika in moči. Indeks nd pomeni brezdimenzijski, non-dimensional, indeks sp pomeni specified (izbran), to pomeni da v garancijskih preizkusih določimo, v katerih točkaj se izvede meritve in preverja delovanje turbine. Vir: ISO Slika 47. Karakteristika turbine z dvojno regulacijo, npr. Kaplanova turbina. Pri turbini z dvojno regulacijo moramo za vsako točko (specifična hidravlična energija/pretok spreminjati kot zasuka vodilnika. Garancijsko in testno področje je določeno za potrebe prevzemnih preizkusov. Vir: ISO Slika 48. Školjčni diagram turbine proizvajalca Turboinštitut. Z modro so označeni koti lopatic gonilnika, z rdečo odprtje vodilnika, z debelo črno pa krivulje konstantnega izkoristka. Diagram je relativen, max. izkoristek je 100%, proizvajalci namreč ne želijo izdati dejanskih izkoristkov turbin, ki jih izdelujejo. Vir: Turboinštitut Slika 49. Školjčni diagram turbine z enojno regulacijo (Francisova turbina). Vidne so krivulje konstantnega izkoristka in krivulje konstantnega odprtja vodilnika. S sivo barvo je označeno garantirano področje obratovanja. Vir: ISO Slika 50. Školjčni diagram turbine z dvojno regulacijo (Kaplanova turbina). Vir: ISO Dodatno k školjčnem diagramu enojno regulirane turbine: = kot odprtja gonilnika Slika 51. Delovanje turbine v štirih kvadrantih. Z (a) je označeno obratovanje pri največji določeni moči in s (c) delovanje pri najmanjši dovoljeni moči. Vir: ISO

11 Slika 5. Razbremenilni varnostni ventil na HE Hubelj, to je element na sliki levo spodaj Slika 53. Razmere v cevovodu za izpeljavo enačbe Žukovskega Slika 54. Vodostan na HE Plave II, zgoraj: tloris in spodaj: vzdolžni profil Slika 55. Vodostan na HE Doblar II, zgoraj: tloris in spodaj: vzdolžni profil Slika 56. Postopek sinhronizacije sinhronskega generatorja na omrežje, povzeto po [D. Miljavec in, P. Jereb, Električni stroji] Slika 57. Sinhronizacija vodne turbine z omrežjem. Levo: Generator in turbina sta počasnejša kot mreža. V sredini: Generator in turbina delujeta z enako frekvenco kot mreža, vendar nista v fazi. Desno: Generator in turbina delujeta z enako frekvenco kot mreža in sta v fazi Slika 58. Kazalčni diagrami sinhronskega generatorja, povzeto po [D. Miljavec in, P. Jereb, Električni stroji] Slika 59. Položaj kazalcev ob delovni obremenitvi generatorja, povzeto po [D. Miljavec in, P. Jereb, Električni stroji] Slika 60. Levo: betonski jez HE Moste (ločni), desno: jezovna zgradba HE Medvode je kombinirano steberskega-obrežnega tipa, zadaj akumulacija Zbiljsko jezero Slika 61. Levo: zob HE Medvode in rešetka, zob zadržuje plavje, rešetka pa ni vidna, je pod kovinsko ograjo na spodnjem delu slike. Zaradi zoba je vtočni kanal približno 3 m pod gladino in nekaj m nad tlemi, s tem se zmanjša možnost, da bi v elektrarno tok vode prinesel večje kose lesa. V sredini in desno: vtočno iztočni objekt v ČHE Avče med gradnjo in med delovanjem. Zobje pri ČHE Avče so navpični in nameščeni tako, da preprečujejo, da bi v elektrarno posrkalo večje plavajoče kose lesa Slika 6. Primer rešetke na mali HE Slika 63. Dovodni tunel med gradnjo, vidne so posamezne plasti betona. V sredini: dovodni tunel ČHE Avče. Desno, dovodni kanal HE Hubelj Slika 64. Vodostani. Povsem desno je vodostan HE Moste Slika 65. Levo tlačni cevovod HE Hubelj, v sredini dilatacija na njem. Desno je prerez čez turbinsko polje HE Solkan, tlačni cevovod je med vtočno rešetko (4) in turbino (8) Slika 66. Varnostni razbremenilni ventil na HE Hubelj, to je element na sliki levo spodaj Slika 67. Levo: krogelni ventil na ČHE Avče. Desno, bypass na HE Hubelj, bypass je vodoravna cev nad krogelnim ventilom

12 Slika 68. Levo: zapornica turbinskega iztoka na HE Dubrava. Desno območje strojnice HE Plave z zapornično komoro med dovodnim rovom in tlačnim cevovodom, vse je vrezano v hribu Slika 69. Levo zložene zapornice v HE Medvode in desno mesto za vstavljanje zapornic Slika 70. Levo: strojnica ČHE Avče, pogled s pokrova generatorja navzgor, v rumenih kanalih so električne zbiralke, ki vodijo od generatorja do transformatorja. Na ČHE Avče podobni kanali sive barve z zbiralkami vodijo do rotorja generatorja in služijo vzbujanju. Tri cevi črne barve v ČHE Avče so za drenažo in za dovod in odvod hladilne vode. Desno: strojnica HE Dubrava, Hrvaška, turbina je vgrajena v luknji pod dvigalom na levi strani slike Slika 71. Vodilniške in predvodilniške lopatice na HE Solkan (levo, Kaplanova turbina) in vodilniške lopatice na HE Dubrava (desno, cevna turbina) Slika 7. Levo: Vodilniški obroč (rdeče barve) na cevni turbini HE Dubrava, Hrvaška. Desno: vodilniški obroč na Kaplanovi turbini HE Solkan, vidna je hidravlična roka za premikanje vodilnika in mehko vpete lopatice z mikrostikali (zelene barve) Slika 73. Levo: gonilnik Kaplanove turbine, pogled s spodnje strani iz sesalnega konusa. V sredini: luknje v gonilniku za vpihovanje zraka, ČHE Avče. Desno: pokrov gonilnika ČHE Avče Slika 74. Levo: turbinska gred ČHE Avče. Na zgornjem delu je viden zadebeljen del, ki je spoj med turbinsko in generatorsko gredjo. Desno: gred HE Solkan.. 85 Slika 75. Segmenti turbinskega vodilnega ležaja na HE Solkan. Desno detajl. S črno barvo je izvedena ojačitev, ki služi kot opora. Z rdečo barvo so označene rdeče zapore, ki skrbijo da je ležaj stabilno nameščen v aksialni smeri. Slika je posneta ob odprtem pokrovu ležaja Slika 76. Levo: prenosnik toplote olje/voda na HE Medvode, modre barve. Desno: visokotlačna črpalka za inicialno mazanje ležajev na HE Solkan, levo turbinska gred Slika 77. Ležaji na HE Hubelj so pobarvani rumeno. Na sliki je viden tudi vztrajnik, ki služi za primer otočnega delovanja, če je elektrarna s porabniki ločena od ostalega omrežja Slika 78. Senzor premikanja v HE Solkan, svetlomodra škatla. Ta turbina ima nameščeno na gredi še eno zaščito in sicer dva vijaka, ki se pri povečani vrtilni frekvenci okrog 10% delovne vrtilne frekvence pomakneta iz normalne lege 1

13 ven v radialni smeri in prekineta stikalo, ki je vidno pred detektorjem premikanja. To vklopi zasilno zaustavitev elektrarne Slika 79. Levo: stari hidravlični regulator odprtja vodilnika na HE Hubelj, ni več v uporabi. Desno: hidravlični agregat z mehanskim regulatorjem vrtilne frekvence na HE Solkan Slika 80. Digitalni turbinski regulator na HE Medvode (levo) nadzoruje hidravlični agregat (desno) za premikanje vodilniških in gonilniških lopatic Kaplanove turbine. Hidravlični agregat je povezan s tlačnim rezervoarjem, ki je samo deloma poln Slika 81. Vzbujevalni sistem v ČHE Avče. Levo v kontejnerju ABB je kontrolni del, hladilni dela in močnostni del, desno pa vzbujevalni transformator Slika 8. Levo: strojnica in pokrov generatorja na HE Doblar II. Rotor (v sredini) in stator (desno) generatorja HE Solkan ob remontu Slika 83. Dizel agregat v HE Medvode Slika 84. Prerez prelivnega polja HE Solkan Slika 85. Levo: HE Solkan z dvema prelivnima poljema in tremi turbinskimi polji. V sredini: prelivni polji HE Solkan med poplavami leta 01. Desno: tablasta zapornica kljukaste izvedbe na prelivnem polju HE Medvode Slika 86. Ribja steza HE Krško. Levo: povezava s Savo. Desno: ribe prehajajo v ribjo stezo zgolj na določeni višini, zato je potrebno izvesti več vstopov po višini. Posamezni vstopni kanali se združijo dolvodno v ribjo stezo. V primeru HE Krško sta taka vstopa dva Slika 87. Ribja steza He Krško Slika 88. Ribja steza HE Blanca Slika 89. Shematska reprezentacija hidravličnega stroja. Tok teče v smeri puščice za črpalko ali za turbino Slika 90. Merjenje pretoka z merilnimi krilci na protipu. Levo in v sredini: inštalacija merilnih krilc v dovodni kanal hidroelektrarne Ožbalt, izvedba meritev Turboinštitut. Desno: kalibracija krilc v bazenu, Brodarski inštitut v Zagrebu Slika 91. Rezultat meritev pretoka z merilnimi krilci na prototipu, primer HE Ožbalt, za vse štiri dele dovodnega kanala (glej sliko zgoraj) Slika 9. Meritev specifične hidravlične energije preko merjenja tlaka z diferenčnimi tlačnimi odjemi za primer Kaplanove turbine. Črtkane črtice označujejo potek tlačnih cevk, ki so nameščene tako, da merilnik (krogec) meri tlačno razliko med merilnima ravninama 1 in

14 Slika 93. Meritev specifične hidravlične energije z ločenimi tlačnimi odjemi, primer turbine z nizkim padcem Slika 94. Meritev specifične hidravlične energije z ločenimi tlačnimi odjemi, primer turbine s srednjim in visokim padcem Slika 95. Meritev specifične hidravlične energije z ločenimi tlačnimi odjemi, primer impulzne (npr. Peltonove) turbine. Predpostavimo, da nizkotlačni referenčni del ustreza ravnini na višini z in da je tlak v notranjosti ohišja enak atmosferskemu Slika 96. Levo: kavitacijska erozija v gonilniku Francisove turbine. Desno: kavitacija v modelu gonilnika Francisove turbine Slika 97. Različni tipi kavitacijskih vrtincev v Francisovi turbine Slika 98. Prikaz nivojev in padcev v vodni turbini za določitev NPSE in NPSH. Slika prikazuje primer, ko v točki ni možno izmeriti tlaka in tlačne izgube med točkama in ' niso zanemarljive Slika 99. Kavitacijska krivulja z značilnimi vrednosti Thomovega kavitacijskega števila. Krivulja je lastna isti hidravlični točki (pretočno in tlačno število), spreminja se samo absolutni tlak oziroma potopitev turbine Slika 100. Območja pojavljanja kavitacije na lopati gonilnika Kaplanove turbine Slika 101. Presek strojnične zgradbe ČHE Avče. Strojnični jašek je globok približno 80 m, pri čemer je turbina nameščena na njegovem dnu, približno 60 m pod gladino spodnje vode, to je akumulacija Ajba. Vir: Seng Slika 10. Vzdolžni profil ČHE Avče. Strojnična zgradba iz zgornje slike je povsem desno spodaj (napis strojnica). Vir: Seng Slika 103. Trikotniki hitrosti v turbini. Pred vodilnikom tok nima tangencialne hitrosti. Vodilnik da toku tangencialno hitrost. V gonilniku se tangencialna hitrost postopoma zmanjšuje in na izstopu ima tok samo aksialno hitrost. Absolutna hitrost toka v 1 na izstopu iz vodilnika je usmerjena približno enako kot izstopni kot lopatice vodilnika. Ker se gonilnik vrti z obodno hitrostjo u, nateka na lopatice gonilnika hitrost w 1 (gonilnik "čuti" relativno hitrost, oziroma se premika v smeri tangencialne hitrosti) pod približno enakim kotom, kot so usmerjene lopatice gonilnika Slika 104. Pretok vodotoka je odvisen od topografskih, geoloških in klimatskih razmer opazovanega področja, P = V + R + T I

15 Slika 105. Hidrogram pretoka vodotoka Drave na merilnem mestu Dravograd (levo) in krivulje trajanj pretokov Drave, isto merilno mesto. Vir: [Vodnogospodarske osnoveg, Zveza vodnih skupnosti Slovenije] Slika 106. Hidroelektrarna Dravograd Slika 107. Kanalska hidroelektrarna Formin Slika 108. Sistem vhidroelektrarn Ulla - Førre, Norveška. Vir: Slika 109. Ravnovesje pri vodenju energetskih sistemov. Vir: Slika 110. Obremenilni diagram porabe električne energije v času delovnega dneva. Zgornji del je vršni, srednji del je trapezni in spodnji del je pasovni

16 Seznam tabel 16

17 Seznam uporabljenih simbolov Q nd =, pretočno število (nd = non dimensional) E nd = energijsko število, = kot odprtja vodilnika, Q ndmax = največje dovoljeno pretočno število, E Pmax = največje energijsko število za prototip, E Psp = dogovorjeno (specified) energijsko število za prototip, E Pmin = najmanjše energijsko število za prototip, hm = hidravlični izkoristek za model, n s = specifična hitrost, n q = specifična hitrost, E = specifična hidravlična energija stroja, n = vrtilna frekvenca, Q = pretok, H = višina vode, = pretočno število, = tlačno število, 17

18 Uvodna beseda avtorjev Na področju hidroenergetskih sistemov na Fakulteti za strojništvo v preteklosti ni bilo na voljo učbenika. Vsebina učbenika Hidroenergetski sistemi je prilagojena študentom 3. letnika Visokošolskega strokovnega študijskega programa prve stopnje strojništvo na Fakulteti za strojništvo Univrze v Ljubljani. Oblika in podajanje snovi v učbeniku sledita potrebam operaterjev v elektrarnah in splošnemu inženirskemu razumevanju področja hidroenergetskih sistemov. V zadnjih nekaj letih je s prodajami in nakupi slovenskih podjetij, ki se ukvarjajo z izdelovanjem vodnih turbin, stroka na tem področju na veliki preizkušnji. Morda bo ta učbenik pomagal prispevati k povrnitvi ugleda na področju izdelave vodnih turbin. Za dosego visoke stopnje razumevanja sva vključila v učbenik številne slike. S tem sva želela bralcu omogočiti razumevanje vsebine ter da pridobljeno znanje ne temelji zgolj na memoriranju podatkov. Podajanje snovi z enačbami sva z razlogom omejila, saj je učbenik namenjen študentom Visokošolskega strokovnega študijskega programa prve stopnje strojništvo. V dobršni meri sva izpustila izpeljave enačb in težje matematične formulacije. Zahvaljujeva se vsem, ki so pripomogli k nastanku tega učbenika. Za strokovne komentarje, popravke in predloge za dopolnitve učbenika se zahvaljujeva Robertu Stoparju iz Turboinštituta in dr. Tinetu Cenciču iz podjetja SENG Soške elektrarne Nova Gorica. Zahvaljujeva se tudi prof. Branetu Široku in prof. Ferdinandu Trencu, ki sta pred izidom učbenik temeljito pregledala in ga ustrezno popravila. Zahvaljujeva se tudi vsem podjetjem, ki so dovolile objavo slik, še posebej podjetju SENG Soške elektrarne Nova Gorica, Turboinštitutu, Andinu, Savskim elektrarnam Ljubljana in ostalim. Vsem uporabnikom učbenika želiva, da bi v njem našli željene podatke ter da bi ga s pridom uporabljali v času študija in kasneje ob delu. Avtorja: Marko Hočevar in Matevž Dular Ljubljana,

19 1. Uvod Proizvodnja električne energije v vodnih elektrarnah je najpogosteje uporabljena oblika obnovljive energije. Predstavlja približno 16 odstotkov celotne svetovne proizvodnje električne energije in sicer preko 3000 teravatnih ur proizvodnje električne energije v letu 010 [Worldwatch Institute, 01]. Letno povečanje proizvodnje električne energije v hidroelektrarnah v zadnjih letih znaša približno 3 %. Električna energije se v hidroelektrarne proizvaja v 150 državah, v azijsko-pacifiški regiji se je v letu 010 ustvarilo 3 odstotkov električne energije iz vodne energije. Kitajska je največji proizvajalec s 71 teravatnih ur proizvodnje v letu 010, kar predstavlja okoli 17 odstotkov domače porabe električne energije. Slika 1. Proizvodnja električne energije iz hidroelektrarn v petih največjih državah proizvajalkah. Povzeto po: [ Stroški proizvodnje elektrike v vodnih elektrarnah so relativno nizki, zaradi česar vodna energija stroškovno ugoden vir obnovljive energije. Povprečni strošek električne energije v velikih v vodnih elektrarnah znaša med 3 do 5 centov na kilovatno uro. Prav tako je vodna energija prilagodljiv vir električne energije, saj se lahko količina proizvedene v vodnih elektrarnah zelo hitro povečajo ali zmanjšajo, s čimer se prilagodijo na spreminjajoče se povpraševanje po energiji. Vendar zajezitev reke, ki je potrebna za postavite vodnih elektrarn, prekine tok vodotoka in lahko spremeni lokalni ekosistem. V nekaterih primerih gradnja jezov in zbiralnikov vključuje tudi razseljevanje prebivalcev. Ko je hidroelektrarna zgrajena, ne proizvaja neposrednih 19

20 odpadkov in ima bistveno nižjo proizvodnjo toplogrednih plinov ogljikovega dioksida CO od elektrarn na fosilna goriva. V Sloveniji se proizvede iz vodne energije približno 1/3 vse proizvedene energije [HSE in obnovljivi viri energije v Sloveniji, 010] Proizvodnja vodnih turbin Področje izdelave turbin in spremljevalnih sistemov je v Sloveniji dobro razvito. Glavna podjetja v Sloveniji s področja proizvodnje vodnih turbin so: - Litostroj d.o.o. (dobavil že več kot 500 turbin v več kot 50 državah, preko 18GW inštalirane moči) - Turboinštitut d.d. - Andino d.o.o. - Vodosil d.o.o., Laško - Hidropower d.o.o., Idrija - Ligres d.o.o., Šentjur - Hydro Hit, Gameljne, Ljubljana - TPS Turbine, Celje - Siapro d.o.o., Most na Soči - S.var d.o.o., Godovič - Tinck Inženiring d.o.o., Cerkno - Mbm energija d.o.o., Šentjanž Na svetu so največji proizvajalci vodnih turbin Andritz, Voith, Alstom hydro, General Electric, Mitsubishi, Hitachi, Volk, Stellba, čkd, Hydrolink, Turab, Ossberger, FARAB, Gilkes, itd. Največje hidroelektrarne na svetu so predstavljene v tabeli 1. Tabela 1. Seznam največjih hidroelektrarn na svetu, vse turbine so Francisove. ime država vodotok inštalirana moč [MW] letna proizvodnja [TWh] tri soteske Kitajska Jangce Itaipu Paragvaj in Parana Brazilija Xiluodu Kitajska Jinsha Guri Venezuela Caroni Tucurui Brazilija Tocantins

21 Grand Coulee ZDA Columbia Xiangjiaba Kitajska Jinsha 6448 Največja vodna elektrarna v Evropi je Volgogradskaja, Rusija, 500 MW. Največje hidroelektrarne v Sloveniji so navedene v tabeli. Tabela. Največje vodne elektrarne v Sloveniji. ime vodotok inštalirana moč [MW] Avče (črpalna elektrarna) Soča 185 v turbinskem režimu letna tip turbine proizvodnja [GWh] 46 Francis Zlatoličje Drava Kaplan Formin Drava Kaplan Največja v Sloveniji izdelana turbina ima 375 MW, proizvajalec Litostroj, turbina je inštalirana na Kitajskem. 1

22 . Predstavitev glavnih tipov turbin in njihove značilnosti V tem poglavju bomo pregledali različne tipe turbin: Peltonove, Francisove, Kaplanove, cevne in druge turbine. Kasneje bomo v poglavju 3 pregledali še druge dele sistema, ki so prigrajeni turbini in so sestavni deli hidroelektrarn..1. Razvrstitev turbin Turbine delimo na po tipu turbine: - Peltonove, - Francisove, - Kaplanove, - cevne in druge turbine. Slika. Pretočne in zajezne elektrarne. Levo: pretočna HE Krško, desno: zajezna HE Moste Kriteriji razvrstitve vodnih turbin glede na specifično hitrost Različne turbine se uporabljajo za različne pretoke in padce.

23 Slika 3. Izbira turbin za različne pretoke in padce. Diagram je v fizikalnih enotah. Povrzeto po [Dixon, Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery,005]. Specifična hitrost n s je dimenzijski in tudi brezdimenzijski parameter, ki se ga uporablja, da ovrednotimo obliko turbinskih strojev. Zgodovinsko je bila specifična hitrost določena kot hitrost, s katero bi se morala vrteti turbina, da bi proizvajala 1 konjsko moč pri padcu vode 1 m. Kasneje se je ta zapisava spremenila, vendar na več različnih načinov. S pomočjo spremenljivk n q ali n s (specifične hitrosti) lahko turbine v grobem razvrstimo v tri tipične skupine: Peltonove, Francisove in Kaplanove. Zaporedje - razvrstitev je podana s proporcionalnim povečevanjem specifične vrtilne hitrosti. Peltonove turbine pokrivajo področje velikih padcev in malih volumskih pretokov, Francisove turbine pokrivajo področje srednjih vrednosti pretokov in tlačnih višin, Kaplanove turbine pa so prisotne pri velikih pretokih in malih tlačnih višinah. Vrtilna frekvenca turbine n, volumski pretok Q in razpoložljiva tlačna višina H (razlika med spodnjo in zgornjo vodo, med gladinama) so projektni parametri, ki omogočajo izbor tipa turbine. Ker je možnih več oblik, naj navedemo zapis iz [IEC 60193, Hydraulic turbines model acceptance tests]: 3

24 n s = n Q E 3 = n Q 4 (gh) 3 4 Tu je n s specifična hitrost, E specifična hidravlična energija stroja, n vrtilna frekvenca, Q pretok in H višina vode. Uporabimo podatke za pretok, tlačno višino in vrtilno frekvenco, pri kateri turbina deluje z najboljšim izkoristkom, to je najpogostejše velikosti teh parametrov. V skladu z gornjo definicijo je n s brezdimenzijski parameter. Čeprav standard IEC predpisuje, da uporabimo za izračun n s delovno točko z največjim izkoristkom, nekateri proizvajalci uporabljajo točko nominalne moči ali največje moči. Nekatere definicije specifične vrtilne hitrosti ne vsebujejo zemeljskega pospeška. V tem primeru izraz ni brezdimenzionalen in se izračunane vrednosti razlikujejo glede na merske enote. Problem je pri ameriških in angleških proizvajalcih, ki uporabljajo ne-si enote kot so galona, imperialna galona, čevelj, konska moč, imperialna konska moč itd. V uporabi je tudi podobna definicija, v slovenskem prostoru (Turboinštitut, Litostroj) in Evropi se uporablja naslednja enačba, pri čemer se vstavlja vrtilno frekvenco v [1/min], pretok in višino pa v SI enotah [enačba 1], delovna točka je tista z največjim izkoristkom: n s = 3.65n Q (H) 3 ali n 4 s = 576 φ (ψ) 3 enačba 1 4 Specifična hitrost n s turbine označuje obliko turbine na način, da ni odvisna od velikosti turbine. je pretočno število in je tlačno število. Leva enačba ima enoto [1/min], desna je brez enote. Specifična hitrost tudi omogoča, da se turbino po velikosti spreminja glede na osnovni dizajn znanih lastnosti. Specifična hitrost je tudi glavni kriterij za ustreznost posameznega mesta vgradnje s tipom turbine. V skladu z [enačbo 1] je delitev med turbinami naslednja (Turboinštitut, Litostroj): - do n s = 70 se uporablja Peltonove turbine, - od n s = 70 do n s = 350 se uporablja Francisove turbine, - od n s = 350 do n s = 600 se uporablja Kaplanove turbine, - nad n s =600 se uporablja cevne turbine (angl. bulb turbines). 4

25 Slika 4. Izbira turbin za različne pretoke in padce. Pretok je podan z brezdimenzijskim številom n s, kot je navedeno v enačbi desno zgora, povzeto po [Krivchenko, Hydraulic Machines: Turbines and Pumps, 1993].. Peltonova turbina Peltonova turbina ima zgodovinskega prednika v vodnem kolesu. Peltonova turbina je enakotlačna turbina s tangencialnim natokom vode na lopatice turbine. Enakotlačna turbina pomeni, da je v ohišju turbine tlak okolice. Vgradnja je vertikalna ali horizontalna. Peltonova turbina je impulzna turbina. Tradicionalen dizajn turbine je tak, da se gonilnik vrti z 1/ hitrosti vodnega curka. Pri tem zapušča voda lopatice gonilnika z zelo majhno hitrostjo, tako da je izkoristek energijske pretvorbe velik. V praksi je hitrost curka vedno malo večja, zato da se voda odstrani iz mesta, kjer je gonilnik. Peltonova turbina je primerna za vgradnjo, kadar so pretoki majhni in padci veliki, od približno 50 do 000 m. Za Peltonove turbine ni priporočljivo, da se višina vode močno spreminja. Razlog temu je, da je hitrost toka vode iz šobe odvisna od tlaka oziroma višine vode. Vrtilna frekvenca gonilnika je sinhrona z električno mrežo, hitrost vrtenja gonilnika pa naj bi bila le malo večja od hitrosti curka. Voda izteka iz šobe (na šobi se tlačna energija pretvarja v kinetično). Šoba je lahko ena, lahko pa jih je več, do 6. Curek je usmerjen tangencialno na lopatice. Ko curek zadane ob lopatico, ji preda kinetično energijo. Za dizajn je pomembno, da se curek odbije od lopatice nazaj, pri čemer se ne sme zaleteti v naslednjo lopatico (gonilnik se vrti, zato imajo lopatice na sredini izrezan del 5

26 lopatice). Več kot je šob, več lopatic obliva voda in večja je moč Peltonove turbine. Regulacija delovanja turbine se izvaja s premikanjem igle v šobi. Iglo premika vreteno, ki se pomika v šobi. Igla je hruškaste oblike. Sistem vsebuje še odklonilo oziroma odrezač. Odklonilo odkloni curek pri razbremenitvi za toliko časa, da igla pripre šobo. Regulacija je količinska, to pomeni, da se spreminja količina vode. Regulacija je dobra od zelo majhne obremenitve dalje, to je približno od 1/4 obremenitve. Zaradi tega se Peltonove turbine uporabljajo, kadar se pretok vode močno spreminja. Lopatice so lahko narejene iz enega kosa skupaj z diskom turbine (blisk = blade + disk). Ta rešitev se pogosto uporablja v zadnjih letih, ko se gonilniki izdelujejo s CNC stroji. Za zapiranje pretoka vode se uporablja ventil. Ventil imajo lahko vsi tipi turbin, ne samo Peltonove turbine, večinoma pa Peltonove in Francisove turbine. Ventil zapira tlačni cevovod, ki dovaja vodo iz zgornjega zajetja. Ventil omogoča hitro zapiranje dotoka na turbino, če se turbina razbremeni, hkrati pa omogoča servis turbin. Slika 5. Peltonova turbina, risba in šoba z iglo. 6

27 Slika 6. Peltonova turbina, shema (Ralston, Voith), navpična os, Peltonova turbina s šestimi šobami. Peltonove turbine imajo horizontalne osi do dveh šob, navpične osi pa imajo Peltonove turbine s 4-6 šobami, če je potreba po večjem pretoku. To je zaradi tega, ker pri vodoravnih oseh se ne bi dalo dobro odvajati vode, če bi imela turbina več šob. Slika 7. Gonilnik Peltonove turbine, levo Peltonova turbina iz Walchensee- ja, Nemčija. V sredini blisk, Peltonova turbine proizvajalca PRÄWEST, desno detajl lopatice... Francisova turbina 7

28 Francisova turbina je nadtlačna turbina radialno - aksialne izvedbe. Uporablja se za srednje pretoke in padce. Francisova turbina je turbina z enojno regulacijo, to pomeni, da se premikajo (regulirajo) samo vodilniške lopatice, gonilniške lopatice pa so nepremične. Francisova turbina je reakcijska turbina. Reakcijska turbina pomeni, da se vodi, ko teče mimo lopatic gonilnika, zmanjšuje tlak, s čimer predaja energijo gonilniku in tudi generatorju. Energija se prenaša na gonilnik/generator z zmanjševanjem tlaka in prenosom kinetične energije vode. Nekatere zelo redke Francisove turbine imajo regulacijo vrtilne frekvence. To pomeni, da je možno vrtilno frekvenco spreminjati, običajno za nekaj % nazivne vrtilne frekvence. Pri nas ima kot edina elektrarna tak način regulacije ČHE Avče od -% do +4%. Francisove turbine se uporabljajo za padce od 0 do 500 m. Premeri so od 1 do 10 m. Skoraj vse Francisove turbine so montirane tako, da je os vrtenja vertikalna. Francisove turbine imajo visok izkoristek, tudi preko 93%, in še zaradi širokega intervala pretokov in tlakov jih to postavlja na prvo mesto po številu turbin med vsemi tipi vodnih turbin. Sestavni deli Francisovih turbin so (1) spiralno ohišje, () predvodilnik, (3) vodilnik, (4) gonilnik, (5) sesalna cevi, (6) gred, (7) ležaji, (8) generator, itd. Večina teh elementov je skupna tudi Kaplanoviom turbinam. V nadaljevanju sledi opis sestavnih delov Francisovih turbin. Kasneje v poglavju 3 bomo opisali tudi druge dele hidroelektrarn, ki so neobhodno potrebni za nemoteno in varno obratovanje hidroelektrarn. Spiralno ohišje je nameščeno okrog turbine in ima okrog turbine dolgo odprtino. Spiralno ohišje je na vstopu povezano s tlačnim cevovodom ali z zapornim ventilom. Skozi odprtino doteka voda v vodilniške lopatice in naprej v turbino. Spiralno ohišje je dizajnirano tako, da je hitrost tekočine na vseh delih odprtine enaka, to pomeni, da se spiralno ohišje stran od dovodnega cevovoda enakomerno zožuje. Spiralno ohišje je večinoma pri Francisovih turbinah zalito v betonu. Vodilniški del je sestavljen iz predvodilnika in vodilnika. Vodilniške lopatice imajo dvojno funkcijo, spreminjajo tlačno energijo vode v kinetično in usmerjajo tok na lopatice turbine. Vodilniške lopatice so običajno razporejene v dveh vrstah kot predvodilniške lopatice (predvodilnik) in kot vodilniške lopatice (vodilnik). Vodilniške lopatice so nastavljive, spreminjamo jim lahko kot zavrtitve. Vodilniške lopatice se vrtijo (premikajo) okoli čepa lopatice, ki je kar sestavni del lopatice same. S tem zapiramo pretok vode na gonilnik turbine in zmanjšujemo pretok. Vodilniške lopatice so povezane v vodilniški obroč, ki omogoča, da zavrtimo vse lopatice naenkrat za enak kot. Vodilniške lopatice vrtimo hidravlično ali s servo motorjem. Vodilniške lopatice omogočajo tudi, da se dotok vode na gonilnik turbine prekine. Popolnoma se dotok vode na gonilnik z vodilnikom ne more prekiniti, to je zaradi zračnosti, ki nastopa nad in 8

29 pod vodilniškimi lopaticami. Zračnost je potrebna za samo premikanje vodilnika. Dotok vode z vodilnikom prekinjamo ob normalni zaustavitvi turbine ali prisilni zaustavitvi, pri remontu pa uporabimo zapornice. Gonilnik (rotor, čeprav se izraza rotor in stator običajno uporabljata za vrteč in murujoč del generatorja) se vrti in pretvarja energijo vode v mehansko energijo vrtenja gredi. Gonilnik je mehansko spojen z gredjo, ki je na drugi strani spojena z generatorjem. Gonilnik ima nepremične lopatice, kar pomeni, da je turbina enojno regulirana (regulacija je mogoča samo z vrtenjem lopatic vodilnika). Sesalna cev je element, ki je nameščen pod gonilnikom in služi upočasnjevanju toka in vodi vodo iz gonilnika proti iztočnem objektu (pri ČHE vtočno iztočni objekt). Tok se mora upočasniti, če želimo pretvoriti v tlak vso energijo toka (po Bernoullijevi enačbi ima tok energijo razdeljeno med tlak, hitrost in višino) oziroma izgubiti kinetično energijo toka, ki je na voljo. Funkcija sesalne cevi je, da poskrbi, da se izkoristi celoten vodni padec (pri Pelton turbini tega ni). Ostali elementi hidroelektrarne bodo predstavljeni v poglavju 3. Tu naj omenimo samo še gred, generator in ležaje. Gred je element, ki povezuje gonilnik z generatorjem. Ležaji držijo gonilnik in gred v horizontalni in vertikalni smeri. Običajno ima turbina vsaj en nosilni ležaj (nosi v vertikalni smeri) in vsaj en vodilni ležaj. Poleg električne proizvodnje se lahko Francisova turbina uporablja tudi za črpalne hidroelektrarne. V črpalnem režimu delovanja črpalka turbina črpa vodo iz spodnje akumulacije v zgornjo akumulacijo (deluje kot črpalka). Generator v črpalnem režimu obratuje kot elektromotor in sicer v času, ko je na voljo dovolj poceni energije. To je predvsem ponoči, ko delujejo jedrske elektrarne, poraba pa je nizka. Spodnja in zgornja akumulacija služita za skladiščenje vode kot velika vira za shranjevanje "odvečne" električne energije. To je eden od le nekaj načinov, da se začasno presežne električne moči shrani za kasnejšo uporabo. Slika 8. Levo: Francisova turbina. Z rdečo so predstavljeni deli, ki se vrtijo, gonilnik in gred. Z zeleno je prikazan vodilnik. Z rumeno so predstavljeni ležaji. S svetlo modro so prikazana mesta, kjer je v turbini voda. Desno: na sliki je vodoravna 9

30 Francisova turbina. Vidno je spiralno ohišje in zunanji del vodilnika. Z rumeno je pobarvan vodilniški aparat, ki vrti vodilniške lopatice. Slika 9. ČHE Avče, prerez pretočnega polja (levo) in dovodnega tlačnega cevovoda (desno). Slika 10. Levo: gonilnik Francisove turbine, elektrarna treh sotesk, Kitajska. Desno: gonilnik črpalne hidroelektrarne Avče, merjenje kavitacijske erozije z merilno roko. Slika 11. Levo: transport gonilnika, Guri, Venezuela, MW MW MW+ 3 5 MW MW. Desno: hidroelektrarna Bratsk, Rusija, 18x50 MW. 30

31 Slika 1. Spust gonilnika v strojnični jašek ČHE Avče..3. Kaplanove turbine Kaplanova turbina je reakcijska vodna turbina z nastavljivimi gonilniškimi lopaticami. Je turbina z dvojno regulacijo, saj je poleg gonilniških lopatic možna regulacija tudi vodilniških lopatic. Zgodovinsko gledano je Kaplanova turbina evolucija Francisove turbine za vodotoke z nizkimi padci in velikimi pretoki. Danes se jih uporablja za padce od 10 do 50 m in za moči do 00 MW. Izkoristki so preko 90%, pri zelo nizkih padcih in majhnih pretokih pa so lahko nižji. Dotok vode je enak kot pri Francisovi turbini in sicer poteka tok skozi tlačni cevovod (brez ventila) v spiralno ohišje, skozi predvodilnik in vodilnik. Za vodilnikom voda zavije navzdol, še preden pride v gonilnik. To pomeni, da je vtok na gonilnik aksialen in iztok iz gonilnika tudi aksialen, natok na turbino pa je radialen in iztok iz turbine aksialen. Gonilnik ima lopatice z nastavljivim kotom. Zasuk je hidravličen, pri čemer hidravlično olje priteka po sredini gredi. Dotok olja v gred je na zgornji strani nad pokrovom generatorja. Poembno je, da je tesnenje olja v gredi kvalitetno izvedeno, saj puščanje olja v vodotok ni dovoljeno. Iz gonilnika odteka voda enako kot pri Francisovi turbini po sesalni cevi v iztok. Dvojna regulacija turbine omogoča delovanje v širokem območju delovnih točk. Posebna izvedenka Kaplanove turbine je propelerska turbina. Propelerska turbina je podobna Kaplanovi vendar z nepremično vpetimi gonilnimi lopatami. Propelerska turbina je enojno krmiljena z vodilnimi lopatami kot Francisova turbina. Zaradi preprostejše zasnove in višje vrtilne frekvence se z njimi nadomešča starejše Francisove turbine, ki so nameščene v hidroelektrarnah z nizkimi padci (do 10 m). Višja imenska vrtilna frekvenca omogoča manjši in cenejši generator. Višja vrtilna hitrost pomeni manjše število polovih parov generatorja. Večinoma pri manjših agregatih kjer so vodne razlike majhne, se uporabi multiplikator, ki poveča število vrtljajev iz turbinske na generatorsko 31

32 gred. Tak primer v Sloveniji je med drugim na mhe Gradišče in mhe Planina s povišanjem vrtilne frekvence za ca. 10x. Slika 13. Levo: shema Kaplanove turbine. Z rdečo so predstavljeni deli, ki se vrtijo, gonilnik, gred in rotor generatorja. Z zeleno je prikazan vodilnik in hidravlični sistem za vrtenje lopatic gonilnika (zgoraj). Z rumeno so predstavljeni ležaji in sicer od zgoraj navzdol: zgornji generatorski vodilni ležaj, spodnji generatorski vodilni ležaj, zgornji turbinski vodilno / nosilni ležaj in spodnji turbinski vodilni ležaj. S svetlo modro so prikazana mesta, kjer je v turbini voda. Desno: gonilnik Kaplanove turbine, lepo so vidna vrtišča lopatic, Plave. Slika 14. Spirala Kaplanove turbine (levo) in pogled na gonilnik iz vodilnika (desno), HE Solkan. 3

33 Slika 15. Pretočno polje Kaplanove turbine, primer HE Solkan..4. Cevne turbine Cevne turbine je skupno ime za več različnih podtipov turbin. To so turbina s hruško, turbina v jašku, turbina S in Saxo turbina. Cevne turbine so primerna rešitev, če je padec manjši kot 30 m. cevne turbine so v zadnjih letih skoraj povsem nadomestile Kaplanove turbine za zelo nizke padce. Zaradi zelo nizkih padcev ni potrebno poplavljanje velikih površin z zajezitvijo. Cevne turbine lahko delujejo reverzibilno npr. v elektrarnah na plimo. Nekateri viri in avtorji navajajo, da cevne turbine sodijo med Kaplanove turbine kot njihova variacija, drugi avtorji pa jih obravnavajo kot različno vrsto vodnih turbin. Cevne turbine so primerne tam kjer ni velikega nihanja zgornje in spodnje vode in pretoka, zato so večkrat uporabljeni kot agregati biološkega minimuma. Med vsemi cevnimi turbinami bomo natančnejše opisali cevno turbino s hruško, ostale bomo zgolj omenili. Cevna turbina s hruško Cevna turbina s hruško je aksialna turbina z vodoravno gredjo z aksialnim vtokom vode na vodilnik. Opremljena je z ravno sesalno cevjo s stožcem. Omogoča velik pretok in posledično veliko moč tudi pri nizkih padcih. Generator z neposrednim pogonom je nameščen v hruški. Hruška je vodotesna. Ta je 33

34 pritrjena na predvodilnik turbine. Ime turbine pride od hruškaste oblike gorvodnega za vodo neprodušnega dela, v katerem je generator. Razlika med Kaplanovo turbino in cevno turbino je v natoku vode na turbino. Pri Kaplanovi tubini je natok vode izveden v radialni smeri, pri cevni turbini s hruško pa je natok aksialen. Iztok turbine in gonilnika je pri obeh turbinah aksialen. Zaradi takšne vgradnje se smer toka vode zelo malo spremeni, kar omogoča dober izkoristek in komaktno vgradnjo. Kompaktna vgradnja znatno zniža stroške gradbenih del in omogoča prilagodljivo vgradnjo. Gonilnik cevne turbine ima lopatice, katerim lahko spreminjamo kot. To pomeni, da ima turbina dvojno regulacijo (regulacija vodilniških lopatic in regulacija gonilniških lopatic). Cevna turbina s hruško nima spiralnega ohišja, sesalna cev pa je po obliki znatno drugačna od sesalnih cevi Kaplanovih in Francisovih turbin. Slika 16. Cevna turbina s hruško, presek pretočnega polja. Z rdečo barvo so označeni vrteči deli, gonilnik in gred. 34

35 Slika 17. Gonilnik cevne turbine s hruško. Turbina v jašku Podobna je turbini s hruško, le da je generator nameščen v jašku v pretočnem traktu. Pri manjših elektrarnah namreč ni mogoče imeti celotnega generatorja neprodušno zaprtega v hruški v toku. Generator je navadno povezan s turbinsko gredjo prek zobniškega prenosnika, ki je nameščen v turbinskem jašku in omogoča, da se kljub nizki vrtilni frekvenci turbine generator vrti z visoko frekvenco. S tem se zmanjša stroške za izdelavo generatorja. Zato so donosne celo tovrstne hidroelektrarne z zelo nizkimi padci. Možna je tudi izvedba z neposrednim prenosom vrtilnega momenta med turbino in generatorjem. Slika 18. Cevna turbina v jašku. Turbina S Turbina S je verianta cevne turbine s hruško. Turbina S je turbina z vodoravno gredjo z aksialnim vtokom vode na vodilnik. Opremljena je s sesalno cevjo "S" oblike z enim ali dvema kolenoma. Gred je speljana skozi koleno sesalne cevi. 35

36 Ta tip turbine je primeren za manjše vodne elektrarne do 10 MW. Pri manjših elektrarnah namreč ni mogoče imeti celotnega generatorja neprodušno zaprtega v hruški v toku. Slika 19. Cevna turbina S. Generator je nameščen zunaj pretočnega trakta turbine. Aksialna turbina z navpično gredjo turbina tipa Saxo Turbina Saxo je varianta cevne turbine. S turbino tipa Saxo se je Litostroj v zadnjih letih uveljavil v Kanadi. To je vertikalna aksialna turbina, ki je od vstopa do gonilnika podobna cevni turbini z vstopnim kolenom in polaksialnim vodilnikom, od vključno gonilnika do konca sesalne cevi pa podobna običajni kaplanovi turbini. Ta tip turbine lahko pokriva področje uporabe cevnih in kaplanovih turbin. Voda aksialno priteka v vodilnik. Generator je nameščen nad turbino. Gred je speljana skozi vtočno koleno. Sesalna cev je lahko ravna ali pa z enim kolenom. 36

37 Slika 0. Shema Saxo turbine. Vir: Litostroj..5. Ostale vodne turbine Ostale vodne turbine so podobne zgoraj opisanim turbinam. Reakcijske turbine so : Deriaz, Tyson, Gorlov Impulzne turbine so: vodno kolo, Turgo, Banki, Jonval, Arhimedov vijak 37

38 Slika 1. Gonilnik deriazove turbine. Deriazove turbine imajo nastavljive lopatice, tok v njih je diagonalen. Turbina je podobna Kaplanovi, samo da so lopatice bolj nagnjene, kar je ugodno za srednje padce od 0 do 100 m. Slika. Tysonova turbina. Ta turbina ne potrebuje ohišja, vstavi se jo neposredno v tekočo vodo. Sestavljena je iz propelerja, ki je pritrjen pod splavom. Gonilnik poganja generator, ki je običajno na vrhu splava, povezana sta z jermenom. Turbino potegnemo na sredino vodotoka, kjer je tok najhitrejši. Slika 3. Gorlova turbina. Je turbina, razvita iz Darriusove turbine, le da ima zavita krila. Tok vode na turbino deluje z navorom na krila turbine, zato se turbina vrti. Smer toka je pravokotna na os vrtenja. 38

39 Slika 4. Vodno kolo je star turbinski stroj, ki se je predvsem v preteklosti poganjal za pogon mlinov, žag, za črpanje vode in odvodnjavanje. Prvi opis vodnega kolesa sega v čas pred našim štetjem, iz Grčije preko Rimskega imperija pa se je uporaba razširila v druge dele severne poloble. Slika 5. Turgo turbina je podobna Peltonovi turbini, je pa gonilnik lažje izdelati. Natok vode je s strani. Turgo turbine delujejo na področju padcev, kjer se prekrivata Peltonova in Francisova turbina. 39

40 Slika 6. Banki turbina je zanimiva, ker je to ena redkih turbin, kjer voda teče skozi gonilnik in "dvakrat" poganja gonilnik. Slika. Jonvalova turbina je podobna kot vodno kolo z razliko, da na Jonvalovo turbino voda priteka z zgornje strani. Slika 7. Arhimedov vijak se je tradicionalno uporabljalo za črpanje vode, danes za črpanje odpadne vode. V obrnjeni smeri deluje Arhimedov vijak kot turbina. 40

41 3. Izdelava vodnih turbin Izdelava vodnih turbin se razlikuje glede na tip gonilnika in glede na velikost gonilnika. V tem poglavju bomo večinoma obravnavali samo izdelavo gonilnikov. Dele gonilnikov se spaja z varjenjem. Pred varjenjem je potrebno dele gonilnika ogreti na približno 100 C. To se preverja z merjenjem temperature s termočleni, ki so enakomerno porazdeljeni po celotni turbini. Po varjenju in kaljenju pride do deformacij oblike gonilnika, zato je potrebno naknadno struženje. Zaradi tega se v prvi fazi npr. pri Francisovih turbinah izdela pesto in obroč turbine z nekaj mm večjim premerom. Po varjenju in kaljenju se gonilnik turbine ponovno struži, da se zagotovi ustrezne zunanje mere gonilnika. Varjenje največjih gonilnikov izvajajo podjetja, ki imajo bogate izkušnje z varjenjem ter vse potrebne certificate. Slika 8. Varjenje velikega 00 ton težkega gonilnika Francisove turbine. (Vir: EWM-group) Po varjenju se zvare brusi z brusilko do željene kvalitete površine. Ker so nekateri zvari težko dostopni, sta varjenje in brušenje zvarov zahtevni opravili Izdelava gonilnikov Peltonovih turbin 41

42 Gonilnike Peltonovih turbin se izdeluje tako, da se postruži jekleni ulitek glede na zunanjo površino. Lopatice je možno, da se izdela v enem kosu, lahko pa se jih vari. Če lopatice varimo, je potrebno po končanem varjenju V preteklosti se je lopatice vedno varilo ali vijačilo, saj ni bilo možnosti izdelave v enem kosu. Slika 9. Izdelava gonilnika Peltonove turbine. Levo: brušenje gonilnika pred varjenjem lopatic. Desno: varjenje lopatice. (vir: Andino) Slika 30. Izdelava lopatic Pelton turbin na frezalnem storju, gonilnik iz enega kosa (vir: Siapro d.o.o.). 4

43 Slika 31. Gonilnik Peltonove turbine s skoraj navarjenimi lopaticami (levo). Za varjenje in obdelavo je gonilnik montiran tako, da delavec vari in brusi posamezno lopatico v njegovi delovni višini (desno). (vir: Andino) 3.. Izdelava gonilnikov Francisovih turbin Izdelavo lopatic Francisovih turbin je mogoče izvesti s 3D rezkanjem celotnega gonilnika (manjše turbine), z varjenjem krivljenih lopatic (srednje turbine) in z varjenjem litih lopatic (velike turbine). Pred varjenjem je potrebno izvesti postavitev lopatic med pesto in obroč. Lopatice po litju ali krivljenju obdelamo s 3D rezkarjem in se jih postavi tako, da dobro nalegajo po površini, jih pa je potrebno enakomerno razporediti po obodu in ustrezno nagniti. Postavitev se izvede z deljenjem obsega po obodu pesta in obroča. Dodatno se pri struženju pesta in obroča zastruži markirne linije po višini, kar označuje, kam po višini nasedejo lopatice. 43

44 Slika 3. Izdelava manjšega gonilnika Francisove turbine z rezkanjem (levo) in izdelava lopatic s krivljenjem (desno). (vir: Andino) Slika 33. Izdelava gonilnika Francisove turbine. Levo: krivljenje lopatice turbine. Desno: poravnava pesta in obroča. (vir: Andino) Slika 34. Postavitev lopatic med pesto in obroč. Lopatice so po litju ali krivljenju obdelano s 3D rezkarjem in se jih postavi tako, da dobro nalegajo po površini, jih pa je potrebno enakomerno razporediti po obodu in ustrezno nagniti. (vir: Andino) 44

45 Slika 35. Izdelava gonilnika Francisove turbine, varjenje lopatic na pesto in obroč. Pri varjenju mora biti gonilnik ogret na približno 100 C, kar se preverja z meritvami temperature s termočleni (vidni so na srednji sliki). Delo je zelo naporno, zlasti poleti. (vir: Andino) Slika 36. Brušenje lopatic Francisove turbine (vir: Siapro). Slika 37. Struženje pesta in oboda na končno dimenzijo (vir: Siapro) Izdelava Kaplanovih gonilnikov 45

46 Slika 38. Izdelava lopatice Kaplanovega gonilnika. Desno: 3D rezkanje površine lopatice. (vir: Litostroj in Đuro Đaković strojna obrada) Slika 39. Predmontaža Kaplanove turbine (vir: Siapro d.o.o.) Slika 40. Izdelava vodilniške lopatice Saxo turbine (vir: Siapro) Slika 41. Montaža Kaplanove turbine (vir: Siapro in Litostroj) 46

47 3.4. Izdelava drugih delov vodnih turbin V tem podpoglavju bomo zgolj zaradi zanimivosti v slikah prikazali izdelavo vodnih turbin. Slika 4. Struženje vztrajnika na mestu vgradnje (vir: Hydro-hit) in izdelava z lopute (metuljčka), (vir: Litostroj Power) Slika 43. Izdelava gonilnika Francisove turbine. Prikazano je penetriranje za določitev poškodb v materialu. Postopek se vedno izvede za vse vrste turbin, v dogovoru z naročnikom pa se včasih izdela tudi rentgenski pregled. (vir: Andino) 47

48 4. Teorija podobnosti turbinskih strojev Pri teoriji podobnosti pridobimo razumevanje delovanja turbinskih strojev v največji meri. To je formalna procedura, kjer skupino spremenljivk, ki opisujejo izbran fizikalni pojav, zmanjšamo ali spremenimo na manjše število brezdimenzijskih skupin spremenljivk. Teorija podobnosti ima več pomembnih področij uporabe : (1) napoved delovanja prototipa stroja iz poizkusov, izvedenih na pomanjšanem stroju - podobnost, in () določanje najprimernejšega tipa stroja na podlagi največjega izkoristka, tlaka, pretoka in vrtilne frekvence, (3) napoved delovanja strojev pri spremenjenem številu vrtljajev ali gostoti. Podobna turbinska stroja sta taka turbinska stroja, ki se razlikujeta samo v velikosti. To pomeni, da je razmerje vseh dimenzij med obema strojema enaka. Prav tako so med podobnima strojema vsi koti lopatic enaki. Tudi tok fluida je usmerjen v vseh mestih v obeh turbinski strojih enako. Obstaja več metod določanja brezdimenzijskih spremenljivk. Na osnovi logičnega premisleka in z uporabo Bernoullijeve enačbe lahko določimo eksponente spremenljivk n, d in za pretok, tlak in aerodinamsko oz. hidravlično moč (tabela). Enačbe lahko preoblikujemo, tako da zapišemo vrtilno frekvenco v obr/min, vključimo vanje gravitacijski pospešek itd. Na ta način dobimo enačbe za tlačno število in pretočno število, ki sta brezdimenzijski merili za pretok in tlak. Tlačno število lahko zapišemo z gravitacijskim pospeškom ali brez njega. Če ga zapišemo brez gravitacijskega pospeška, tlačno število ni brezdimenzijsko, ima enoto. Vendar je taka zapisava uporabna, če zgolj primerjamo dva stroja med seboj. Q Q, pretočno število 3 nd 3 n D 4 60 H Hg Hg,, tlačno število n d n d n D 60 iz zgornjih enačb sledi: - pretok je sorazmeren z vrtilno frekvenco, - tlak je sorazmeren s kvadratom vrtilne frekvence, - moč je sorazmerna s tretjo potenco vrtilne frekvence (hidravlična moče je produkt tlaka in volumskega pretoka), 48

49 - pretok je sorazmeren s tretjo potenco premera stroja, - tlak je sorazmeren s kvadratom premera stroja, - moč je sorazmerna s peto potenco premera stroja. V tabeli lahko gornje ugotovitve napišemo na način, kot ga prikazuje tabela. Za preračunavanje iz modela na prototip je potrebno zagotoviti hidravlično podobnost. Hidravlična podobnost je zagotovljena, če sta stroja (1) dimenzijsko podobna, (podobnost je imenovana tudi geometrijska podobnost), če so enaka () razmerja različnih sil, ki delujejo med fluidom in komponentami stroja (dinamična podobnost) in če so enaka (3) razmerja komponent hitrosti v vsaki ustrezni točki modela in prototipa (kinematična podobnost ali podobnost gibanja, kar pomeni tudi, da je dimenzijska podobnost nujna za doseganje kinematične podobnosti), kar pomeni, da so enaki trikotniki hitrosti. Tabela: Eksponenti spremenljivk n, d in za pretok, tlak in aerodinamsko oz. hidravlično moč. spremenljivka pretok tlak aerodinamska, hidravlična moč n n n n 3 d d 3 d d 5 1 Dinamični in kinematični podobnosti ni mogoče vedno ustreči, se pa je možno v določeni meri približati. Zaradi tega, ker kinematični podobnosti in dinamični podobnosti ne ustrežemo vedno, npr. izkoristek dveh podbnih strojev ni enak in uporabljamo izkustvene enačbe za popravljanje izkoristka. Pri razvoju turbine je izkoristek na izvedbi vedno večji kot na modelu, kar je posledica predvsem relativno tanjše mejne plasti na izvedbi. Prej omenjena razmerja različnih sil, ki delujejo med fluidom in komponentami stroja, so definirana s podobnostnimi števili : - Reynoldsovo število (inercija/viskoznost), - Eulerjevo število (tlak/inercija), - Thomovo število (NPSE/E), - Froudejevo število (inercija/gravitacija), - Webrovo število (inercija/površinska napetost). 49

50 1 5 Rem p 1 1 m , je izkustvena zveza za preračun Re p izkoristka iz modela na prototip, ki približno velja za radialne turbine, Običajno je nemogoče zagotoviti testne pogoje, ki bi zadovoljevale vsa različna podobnostna števila naenkrat. Zato zagotovimo geometrijsko podobnost in upoštevamo popravke tistega podobnostnega števila, ki ima največji vpliv Uporaba brezdimenzijskih števil Dva turbinska stroja, ki sta podobna, lahko delujeta v podobni delovni točki in imata v njej enaki tlačni števili. Običajno primerjamo turbinska stroja (1 ali m) model in ( ali p) prototip. Model imenujemo turbino, ki jo razvijamo v inštitutu in prototip imenujemo turbino, ki je vgrajena v elektrarni. Lahko pa označimo npr. z indeksom 1 ventilator, ki se vrti pri 100 Hz in z indeksom isti ventilator, ki se vrti s 110 Hz. V primeru primerjave modela in prototipa velja: Q m n m 3 mdm Q p n p 3 pd p in H m n g m mdm p H g n p pd p Modeli v Turboinštitutu imajo vsi zunanji premer 350 mm, prototipi pa imajo mere tudi do 8 metrov. Ker ni mogoče turbin testirati pri poljubnem premeru ali premeru prototipa (to je izvedbe), se jih testira pri izbranem premeru v inštitutu. Potem se karakteristike preračuna na premer prototipa. Če za modelno turbino karakteristike izmerimo v brezdimenzijski obliki (to pomeni, da na x osi in na y osi nastopata pretočno število in tlačno število), je karakteristika za model in prototip enaka. Prav tako je za brezdimenzijsko zapisavo tudi školjčni diagram enak za model in prototip. Tlačna in pretočna števila so uporabna tudi za primerjavo delovne točke stroja, ki obratuje pri dveh različnih vrtilnih frekvencah. Isti stroj je podoben sam sebi, zato zanj velja teorija podobnosti. Zapišemo lahko 50

51 Q Q 1 1 in (ker je d 1 = d, d pokrajšamo) n1 n in H H 1 in (ker je d 1 = d, d pokrajšamo, prav tako n n pokrajšamo g) 1 1 Tlačna in pretočna števila so uporabna tudi za primerjavo delovne točke podobnih strojev, ki obratujeta pri enakih vrtilnih frekvencah. Zapišemo lahko Q1 Q 1 in (ker je n = n, n pokrajšamo) d 1 d in H1 H 1 in (ker je n 1 = n, n pokrajšamo, prav tako d1 d pokrajšamo g) Če se stroju spremenita hkrati velikost (in če sta stroja podobna) in vrtilna frekvenca, imamo naslednje enačbe za obratovanje v podobnih delovnih točkah 1 in Q n d Q n 1 d in H H 1 in (pokrajšamo g) n n 1 1 d1 d 4. Primeri uporabe brezdimenzijske analize Kot primere uporabe lahko navedemo preračunavanje na različno vrtilno frekvenco, premer gonilnika ali gostoto toka. V nadaljevanju je navedenih nekaj primerov uporabe. 51

52 5 Primer 1. Črpalka obratuje pri tlaku 1 bar in pretoku 100 m3/h. Zanima nas, za koliko se spremenita pretok in tlak, če povečamo vrtilno frekvenco gonilnika iz 1500 na 1800/min. h m n n V V bar n n p p / 10 1, Primer. V optimumu obratuje turbina z 0 kw. Premer venca turbine je 1.3 m, padec je 4.8 m, vrtilna frekvenca je 1.66/s. Zanima nas, pri kateri vrtilni frekvenci obratuje geometrijsko podobna turbina s premerom venca 0.65 m in padcem 7.5 m in kakšna je moč podobne turbine. Izkoristek turbine je 90%. ' ' , ' ' ' ' ' ' s H H n D D n n D H n D H n n D D Q Q n D Q n D Q ' ' ' ' ' ' ,49 ' ' ' ' ' ' Q Q H H ghq gh Q P P ' 0,49 P P =107,4 kw Primer 3. Iščemo razmerje moči za črpalko in petkrat manjši model D/D'=5, če poznamo razmerje dobavnih višin H/H'=4 in imata obe črpalki enak izkoristek. ' '

53 P ghq P' gh ' Q' H D n H H' H ' D' n' D D' Q D n Q' D' n' P ghq 00 P' gh' Q' 3 n n' n D' n' D H H' Izpeljava brezdimenzijskih števil Predpostavimo, da imamo naslednje spremenljivke in predpostavimo naslednjo povezavo med spremenljivkami f ( P, d, n, Q, H,,, K) 0 v zgornji enačbi je P=moč, d=premer, n=vrtilna frekvenca, Q=pretok, H=višina vode, μ=dinamična viskoznost vode, ρ=gostota vode in K=stisljivostni modul. Buckinghamov π teorem dimenzijske analize pravi, da če imamo tri osnovne dimenzije (masa, dolžina, čas), potem lahko nastavimo (8-3=5) pet brezdimenzijskih števil. Zato izberemo ρ, d in n kot spremenljivke, ki vsebujejo tri osnovne dimenzije, ter jih kombiniramo s preostalimi petimi spremenljivkami Q, H,,, K. Čeprav smo mi izbrali take spremenljivke, kot je bilo ravnokar navedeno, to ni edina možna izbira spremenljivk, je pa ugodna, ker na ta način izpeljemo tlačno in pretočno število, kakor smo ga zapisali na začetku poglavja. a b c d (1) Če ρ, d in n kombiniramo z μ, zapišemo 1 d n. Ta zapis ima nd rešitev 1, ki je Reynoldovo število. 53

54 () Če ρ, d in n kombiniramo s K, zapišemo n d rešitev K zvoka pri čemer upoštevamo zvezo K d n a b c d. Ta zapis ima, ki je Machovo število (razmerje obodne hitrosti in hitrosti K c ). (3) Če ρ, d in n kombiniramo s P, zapišemo rešitev P 3 n d 3 5, ki je močnostno število. a b P c d 3 d n. Ta zapis ima (4) Če ρ, d in n kombiniramo s Q, zapišemo Q d n Q rešitev 4, ki je pretočno število. 3 nd a b c d (5) Če ρ, d in n kombiniramo s H, zapišemo 5 H d n. Ta zapis ima H rešitev 5, ki je tlačno število. n d a b c d 4. Ta zapis ima Na ta način smo tudi zmanjšali število spremenljivk, od katerih je odvisno posamezno brezdimenzijsko število. Npr. f '(Re, M,, ) in f ''(Re, M,, ). Na podoben način je možno izpeljati tudi brezdimenzijsko število specifično vrtilno frekvenco n s oziroma n q, ki jo uporabljamo za razvrstitev turbin na Peltonove, Francisove, Kaplanove in cevne turbine in sicer v obliki 1 n q 4 4 g H np Lastnosti in delovanje turbin V nadaljevanju si bomo pogledali nekatere značilnosti turbin in sicer karakteristiko, školjčni diagram, delovanje črpalk/turbin, proceduro pri zagonu in zaustavitvi itd. Za razumevanje si poglejmo dve spremenljivki, ki nastopata v 54

55 karakteristiki in sicer specifično hidravlično energijo in pretok. Z indeksoma 1 in označujemo tlačni in sesalni del stroja, kjer določamo specifično hidravlično energijo. Slika 44. Shematska reprezentacija hidravličnega stroja. Tok teče v smeri puščice za črpalko ali za turbino. Specifična hidravlična energija je spremenljivka, ki pove, koliko specifične energije ima voda na voljo, da jo preda turbini (iz standarda IEC60193) E p abs1 p abs v 1 v 1 g z z. V zgornji enačbi sta p abs1 in p abs absolutna tlaka na mestu merilnih ravnin 1 in in sta sestavljena iz dveh delov: (1) natlak v cevovodu in () atmosferski tlak. v1 in v sta hitrosti na mestu merilnih ravnin 1 in. g je povprečen gravitacijski pospešek. z1 z je razlika geodetskih višin med obema merilnima ravninama. je povprečna gostota vode. Poglejmo si, kako lahko zgornjo enačbo zapišemo enostavneje. Zaradi preprostosti ali pa zgodovinskih razlogov, pogosto namesto specifične hidravlične energije uporabljamo višine oziroma padce. Ob predpostavki, da razlika med hitrostmi vodnega toka v1 in v ni velika, da imamo sistem s prostima gladinama, ter da sta atmosferska tlaka p abs1 in p abs na prosti 55

56 gladini vode približno enaka, lahko enačbo zapišemo kot odvisnost specifične energije od razlike geodetskih višin H st (razlika med zgornjo in spodnjo vodo): z z ghst E g 1, Razlika geodetskih višin zgornje in spodnje gladine vode na hidroelektrarnah se imenuje statična višinska razlika H st. Skupna tlačna razlika hidroelektrarne H b je bruto padec, ki sledi iz H st in razlike kinetičnih energij. H b je torej bruto padec, ki je statična višinska razlika, zmanjšana za delež energije, ki odpade na hitostni del H b = H st + α 1v 1 g α v g Neto padec H n hidroelektrarne dobimo, če bruto padcu H b odštejemo hidro dinamske izgube v dovodnem delu do turbine in odvodnem delu do spodnje akumulacije H izg H n = H st + α 1v 1 g α v g H izg Pretok je količina vode, ki teče skozi ravnini 1 in. Predpostavimo, da je pretok skozi obe ravnini enak. V primeru elektrarne kot je npr. HE Plave ali HE Doblar, je zgornja akumulacija daleč stran od strojnice elektrarne. Voda teče po dovodnem turnelu. V tem primeru je vsota izgub relativno velika, gladina vode v dovodnem tunelu pa na vstopu v tunel in na izstopu iz tunela ni enaka, je kar različna za vsoto izgub iz zgornje enačbe. Slika 45. Primer HE Plave. Zaradi izgub v dovodnem tunelu ni ves bruto padec na voljo turbini. 56

57 Pogosto uporabljamo namesto specifične hidravlične energije, padca ali pretoka brezdimenzijske spremenljivke, npr. E ND (energijsko število, ND= non dimensional), (pretočno število), Ψ (tlačno število), itd. Podobno lahko zapišemo tudi brezdimenzijsko moč, npr. P ND, obstaja pa še več drugih brezdimenzijskih števil Karakteristika in školjčni diagram turbin Lastnosti turbin predstavljamo z diagrami karakteristik in s školjčnimi diagrami. Pri tem moramo ločiti tri različne tipe turbin glede na regulacijo: - turbine brez regulacije - turbine z enojno regulacijo - turbine z dvojno regulacijo in Karakteristike turbin Pri neregulirani turbini (slika spodaj) so moč, pretok in izkoristek podani za izbrano vrtilno frekvenco. Meritve potekajo tako, da spreminjamo specifično hidravlično energijo in merimo ostale spremenljivke. Osi sta v tem primeru glede na npr. karakteristike ventilatorjev ali črpalk zamenjani. Slika 46. Karakteristika neregulirane turbine. V tem primeru so osi zamenjane, na x osi je brezdimenzijska specifična hidravlična energija E nd (na tem mestu bi lahko zapisali bruto ali neto pade, tlačno število, itd) in na y osi izkoristek, pretok in moč. Vir: IEC

58 Diagram karakteristike ali krajše karakteristika turbin z enojno regulacijo je prikazan na spodnji sliki. Pri turbini z enojno regulacijo za vsako brezdimenzijsko specifično energijo E nd izmerimo dovolj merilnih točk, da lahko skoznje potegnemo krivulje izkoristka, odprtja vodilnika in moči. Meritve na merilni postaji potekajo tako, da na mejah turbine z obtočno črpalko ustvarimo izbrano brezdimenzijsko specifično energijo E nd. Potem odpiramo in zapiramo vodilnik in za vsako odprtje vodilnika izmerimo pretok (na diagramu ga predstavimo kot pretočno število), moč in izkoristek. Meritve se običajno izvedejo za eno vrtilno frekvenco. Za pretoke je običajno, da se predpiše območje pretokov, v katerih turbina lahko obratuje. Diagram na spodnji sliki je mogoče uporabiti, da se iz njega izdela školjčni diagram s tridimenzionalno površino (angleško: hill diagram). Slika 47. Karakteristika turbine z enojno regulacijo, npr. Francisova turbina. Pri turbini z enojno regulacijo za vsako brezdimenzijsko specifično energijo E nd izmerimo dovolj merilnih točk, da lahko skoznje potegnemo krivulje izkoristka, odprtja vodilnika in moči. Indeks nd pomeni brezdimenzijski, non-dimensional, indeks sp pomeni specified (izbran), to pomeni da v garancijskih preizkusih določimo, v katerih točkaj se izvede meritve in preverja delovanje turbine. Vir: IEC Pri dvojno regulirani turbini poleg odprtja vodilnika spreminjamo tudi kot zasuka gonilnika. karakteristika turbine z dvojno regulacijo je predstavljena na sliki spodaj. Pri karakteristiki modelne turbine merimo moč in izkoristek za vsak kot gonilnika. To naredimo zato, ker je na modelni turbini lažje zamenjati odprtje vodilnika kot kot zasuka gonilnika (za to je potrebno razstaviti turbino). 58

59 Meritve na merilni postaji potekajo tako, da na mejah turbine z obtočno črpalko ustvarimo izbrano brezdimenzijsko specifično energijo E nd. Potem odpiramo in zapiramo vodilnik in za vsako odprtje vodilnika izmerimo pretok (na diagramu ga predstavimo kot pretočno število), moč in izkoristek. Izkaže se, da so krivulje izkoristkov pri kostantnem koti zasuka gonilnika razmeroma strme. Čez vrhove teh delnih krivulj potegnemo skupno krivuljo izkoristka (skupna krivulja izkoristka je npr. na sliki spodaj predstavljena s črtkano črto). Meritve se običajno izvedejo za eno vrtilno frekvenco. Slika 48. Karakteristika turbine z dvojno regulacijo, npr. Kaplanova turbina. Pri turbini z dvojno regulacijo moramo za vsako točko (specifična hidravlična energija/pretok spreminjati kot zasuka vodilnika. Garancijsko in testno področje je določeno za potrebe prevzemnih preizkusov. Vir: IEC Školjčni diagram Karakteristike - zmožnosti turbine kot hidravličnega motorja za pogon generatorja se dobijo z modelnimi meritvami na testnih postajah, kakor je bilo predstavljeno zgoraj v prejšnjem podpoglavju. Merijo se osnovne karakteristike Q, M, in P. Iz diagramov karakteristike (kakršen je predstavljen v zgornjem podpoglavju), se oblikujejo kompleksne karakteristike turbine, ki jo imenujemo školjčni diagram (angl. hill diagram). Školjčni diagram za enojno in dvojno regulirane turbine dobimo tako, da delne krivulje izkoristkov in moči "prerežemo", primer je na sliki karakteristik enojno regulirane turbine, glej zgoraj krivulje za različne specifične hidravlične energije E nd. 59

60 V školjčnem diagramu so vidne krivulje konstantnega odprtja gonilnika, krivulje kostantnega kota gonilnika, krivulje kostantnega izkoristka (te imajo obliko školjke, zato ime školjčni diagram) in krivulje konstantne moči. V školjčnem diagramu so vidne naslednje omejitve turbine: - maksimalni dovoljeni pretok, - maksimalna moč, ki je večinoma omejitev moči generatorja, - krivulja pobega pri izkoristku =0. Maksimalna moč je navedena zaradi lastnosti generatorja, ki je sposoben generirati zgolj moči do največje dovoljene moči. Prekoračenje meje maksimalne moči bi vodile do odpovedi generatorja. Hitrost pobega je hitrost pri polnem pretoku in ničelni obramenitvi. V primeru pobega se delovanje turbine premakne zelo hitro po krivulji konstantnega odprtja vodilnika (po trenutni, v kateri obratuje turbina v trenutku izpada generatorja) navzdol do krivulje pobega. To pomeni, da se tlak oziroma brezdimenzijski tlak, ki ga predeluje turbina, zelo zmanjša. Pri Francisovih turbinah se premaknemo k nižjim pretokom, pri Kaplanovih pa lahko tudi k višjim pretokom (glede na usmerjenost krivulj konstantnega odprtja vodilnika). Školjčni diagrami so lahko brezdimenzijski (na x osi pretočno število in na y osi tlačno število) ali pa dimenzijski. V primeru brezdimenzijske reprezentacije se določeni deli diagrama relativno stisnejo ali raztegnejo glede na druge, zato nekateri naročniki zahtevajo od proizvajalca turbin oba tipa školjčnega diagrama. Školjkasti diagram modela 0,35 A 0 = 0,9 1,0 1,1 1, 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 0,34 0,33 0,3 99,6 100,0 99,1 99,6 98,5 97,4 99,1 0,31 96,3 97,4 98,5 94,1 0,30 1,9 0,9 9,0 Obratovalna točka kavitacije 0,8 0,7 89,8 0,6 = ,5 0,05 0,10 0,15 0,0 0,5 0,30 Slika 49. Školjčni diagram turbine proizvajalca Turboinštitut. Z modro so označeni koti lopatic gonilnika, z rdečo odprtje vodilnika, z debelo črno pa krivulje 60

61 konstantnega izkoristka. Diagram je relativen, max. izkoristek je 100%, proizvajalci namreč ne želijo izdati dejanskih izkoristkov turbin, ki jih izdelujejo. Vir: Turboinštitut. Slika 50. Školjčni diagram turbine z enojno regulacijo (Francisova turbina). Vidne so krivulje konstantnega izkoristka in krivulje konstantnega odprtja vodilnika. S sivo barvo je označeno garantirano področje obratovanja. Vir: IEC Q nd =, pretočno število (nd = non dimensional) E nd = energijsko število, = kot odprtja vodilnika, Q ndmax = največje dovoljeno pretočno število, E Pmax = največje energijsko število za prototip, E Psp = dogovorjeno (specified) energijsko število za prototip, E Pmin = najmanjše energijsko število za prototip, hm = hidravlični izkoristek za model. 61

62 Slika 51. Školjčni diagram turbine z dvojno regulacijo (Kaplanova turbina). Vir: IEC Dodatno k školjčnem diagramu enojno regulirane turbine: = kot odprtja gonilnika. 5.. Delovanje črpalk/turbin v štirih kvadrantih (razširjeno področje obratovanja) Turbine in črpalke lahko delujejo v štirih kvadrantih glede na specifično imensko hitrost n ED in imenski pretočno število Q ED (n ED = nd in Q E ED = Q ). D E Štirje kvadranti so določeni glede na vrednost (pozitivna ali negativna) pretoka ali vrtilne frekvence. Na sliki spodaj je z (a) označeno obratovanje pri največji določeni moči in z (c) delovanje pri najmanjši dovoljeni moči. Posamezni deli so: spodaj levo - črpalni kvadrant, spodaj desno - zaviralni črpalni kvadrant, zgoraj levo - zaviralni turbinski kvadrant zgoraj desno - turbina. Nekateri od kvadrantov se še dodatno delijo, npr. kvadrant desno zgoraj se deli na turbinski del in turbinsko disipacijski (zavorni) del. V tem primeru krivulja pobega ločuje obe območji. Krivulja pobega označuje področje, kjer je navor enak 0 (generator ne deluje oziroma ni priključen na omrežje). Nad krivuljo pobega je čisto turbinsko območje, kjer turbina deluje večino časa (pretok pozitiven, vrtilna frekvenca pozitivna in navor pozitiven). Pod krivuljo pobega je področje, kjer je turbinsko disipacijski (zavorni) del, tu je pretok pozitiven, vrtilna frekvenca pozitivna (oboje enako kot pri turbini v običajnem obratovanju), navor pa je negativen. Take delovne točke so redke, določene 6

63 turbine lahko obratujejo v njih, pojavljajo pa so zgolj v prehodnih režimih obratovanja. Pri obratovanju v turbinskem režimu deluje turbina na eni izmed krivulj konstantnega odprtja vodilnika med obema navpičnima črtkanima črtama, ki označujeta obratovanje pri največji določeni moči in delovanje pri najmanjši dovoljeni moči. Pri zasilni zaustavitvi zdrsne točka delovanja po krivulji konstantnega izkoristka do krivulje pobega (npr. do točke najbolj zgoraj desno), nato pa se z zapiranjem vodilnika turbina pomakne po krivulji pobega do izhodišča diagrama. Slika 5. Delovanje turbine v štirih kvadrantih. Z (a) je označeno obratovanje pri največji določeni moči in s (c) delovanje pri najmanjši dovoljeni moči. Vir: IEC Zagon in zaustavitev elektrarne (normalna in hitra zaustavitev) Zaustavitvi elektrarne ločimo dva tipa zaustavitve, normalno in hitro zaustavitev. Zagon elektrarne je vedno normalen Postopek zagona elektrarne Postopek zagona elektrarne se razlikuje od elektrarne do elektrarne. V tem podpoglajvju bomo predstavili primer Francisove turbine za velike padce z inverterjem, to je pri nas ČHE Avče. Pri zagonu elektrarne je potrebno izvesti naslednje operacije: - izklop detekcije premika (creep detection), 63

64 - zagon pomožne opreme (hlajenje ležajev, poskusni zagon električnega agregata, itd.), - vklop črpalk hidravličnega agregata (inicialno mazanje ležajev, se večinoma izklopi po npr. 10 minutah delovanja), - odpiranje bypass ventila krogelnega ventila, s čimer se izenači tlak pred in za krogelnim ventilom, - odpiranje krogelnega ventila, - vklop vzbujevalnega odklopnika (odklopnik oziroma stikalo za vklop transformatorja vzbujanja) in vklop pretvornika vzbujanja, - odpiranje vodilnika, v tem trenutku začne voda teči skozi turbino in turbina se začne vrteti, - zapiranje bypass ventila, - vklop inverterja (primer ČHE Avče, ki tak inverter ima) in/ali regulatorja (ostale elektrarne, ki nimajo inverterja), v tem trenutku se začne interna regulacija turbine brez da bi bila turbina priklopljena na električno omrežje - vklop sinhronizatorja, - vklop generatorskega odklopnika (generatorsko stikalo), v tem trenutku začne delovati generator in je elektrarna priključena na električno omrežje, - nastavitev minimalne delovne moči, - vklop regulatorja delovne moči, ki odpira in zapira vodilnik, lopatice gonilnika pri Kaplanovih turbinah in inverterja, če ga turbina ima, to pomeni da je elektrarna na mreži in da se regulira njena moč, - vklop regulatorja napetosti in jalove moči. V primeru, da želimo zagnati črpalko/turbino v črpalnem režimu, moramo dodatno k zgoraj navedenemu najprej pritegniti zavoro, s sisnjenim zrakom dovesti zrak v turbino (gonilnik zavrti v zraku, da so zagonski električni tokovi manjši), ko pa je agregat sinhroniziran v omprežje, pa odpremo odzračevalni ventil Normalna zaustavitev elektrarne Postopek normalne zaustavitve elektrarne se razlikuje od elektrarne do elektrarne. V tem podpoglajvju bomo predstavili primer Francisove turbine za velike padce z inverterjem, ČHE Avče. Pri normalni zaustavitvi je potrebno izvesti naslednje operacije: - izklop regulatorja delovne moči, - izklop regulatorja napetosti in jalove moči, - izklop generatorskega odklopnika (stikala generatorja), s čimer je generator izklopljen in turbina ni več priključena na električno omrežje, - izklop inverterja, 64

65 - izklop vzbujanja, - zapiranje vodilnika do popolnega zaprtja, - vklop stikala za kratkostičenje statorja, - vklop inverterja, ki v stop sekvenci služi za zaviranje gonilnika, - vklop električnega zaviranja s pomočjo inverterja, - vklop glavnih zavor (mehansko zaviranje), - izklop inverterja, - izklop pretvornika vzbujanja in izklop vzbujanja (izklop vzbujevalnega odklopnika), - izklop stikala za kratkostičenje statorja, - zapiranje krogelnega zasuna (ko je bil že prej vodilnik popolnoma zaprt), - izklop pomožnih sistemov, - izklop zavore, - aktiviranje detekcije premikov Hitra zaustavitev elektrarne Hitra zaustavitev elektrarne je potrebna, če pride do nenadne razbremenitve generatorja. To nastane v primeru, če se pride do izpada transformatorja, poškodbe daljnovodnega sistema, vdora vode, ali prekoračitve kritične vrednosti vibracij. Tedaj zaradi izklopa generatorja nič več ne zavira turbine, kinetična energija vode v dovodnem cevovodu ali rovu pa je zelo velika. Zato začneta generator in turbina pospeševati. Pri hitri zaustavitvi je potrebno preprečiti, da bi se turbina zavrtela s preveliko hitrostjo, kar bi lahko vodilo v odpoved ležajev ali drugih delov turbine. Pri hitri zaustavitvi elektrarne pride do velikih obremenitev. Nekatere elektrarne imajo razbremenilni varnostni ventil, ki odpre oziroma kratko sklene tlačni cevovod in izstop iz turbine, npr. HE Hubelj ali HE Zlatoličje. Voda se preusmeri mimo turbine, pri tem pa lahko počasi zapremo vodilnik in nato še krogelni ventil, če ga elektrarna ima. 65

66 Slika 53. Razbremenilni varnostni ventil na HE Hubelj, to je element na sliki levo spodaj. Pri elektrarnah, ki tega varnostnega bypass ventila nimajo, je potrebno pretok zapreti z vodilnikom, gonilnikom in ventilom. To je potrebno narediti počasi, da v turbini in pretočnem traktu gorvodno in dolvodno ne pride do preveč povečanih tlačnih fluktuacij. Če je turbina Kaplanova, se v tem primeru vodilnik zapira, gonilnik pa odpira. Hitra zaustavitev elektrarne je eden izmed testov, ki se jih izvaja v okviru prevzemnih preizkusov (ang. acceptance tests), ko naročnik prevzame turbino od proizvajalca. Hitro zaustavitev se v okviru prevzemnih meritev običajno dogovorno med obema stranema izvaja pri več obremenitvah, npr. 60%, 75%, 90% in 100% in sicer pri hladni turbini (takoj po zagonu pri hladnih ležajih) in pri topli turbini (po vsaj pol ure obratovanja). Obremenitve si sledijo ena za drugo, pri čemer se testira do 100% obremenitve, če parametri vibracij in pomikov ležajnega ohišja pri prejšnjih delnih obremenitvah niso bili preseženi Tlačna in masna nihanja pri zaustavitvi turbine Sprememba pretočne hitrosti v cevovodu povzroči spremembo tlaka. Motnja vzdolž cevovoda potuje kot tlačni oziroma udarni val. Najpreprostejša enačba, ki popisuje tlačni (udarni) val, je enačba Žukovskega. Enačba Žukovskega je zaradi preprostosti uporabna za primere, ko ne upoštevamo interakcije med tlačnimi valovi. Pri izpeljavi enačbe Žukovskega predpostavimo, da ima cevovod togo steno in je zato presek cevovoda po celotni dolžini konstanten in se ne spreminja s časom. Sprememba hitrosti iz v 0 na v 0 +Δv povzroči spremembo tlaka iz p 0 na 66

67 p 0 +Δp. Ta sprememba inducira tlačni val, ki potuje naprej glede na čelo vala. Hitrost širjenja tlačne motnje označujemo z a. Matematično korektne izpeljave lastnosti tlačnih in masnih gibanj v tlačnih cevovodih so na voljo v študijski literaturi, npr. v [Hidravlika ali Hidravlika nestalnega toka]. Najlažje je izpeljati enačbo Žukovskega in razumeti razmere na čelu udarnega (tlačnega) vala, če se s koordinatnim sistemom postavimo na čelo tlačnega vala. Kontinuitetna enačba se glasi (masni pritok kapljevine v kontrolni volumen minus masni iztok = 0): (ρ + ρ)(v + a + v)a ρ(v + a)a = 0 To tudi pomeni, da je masni pritok kapljevine v kontrolni volumen enak iztoku iz kapljevine. Če enačbo preuredimo in zanemarimo višje člene (tiste, ki vsebujejo npr. ρ v), dobimo poenostavljeno obliko kontinuitetne enačbe ρ = ρ v v + a V gibalni enačbi upoštevamo tlačno silo na kontrolni volumen ter pritok in iztok gibalne količine pa (p + p)a = (ρ + ρ)(v + a + v) A ρ(v + a) A Če gornjo enačbo preuredimo in tudi tu zanemarimo višje člene, dobimo p = ρ v(v + a) + ρ(v + a) Zdaj uporabimo najpomembnejšo poenostavitev v izpeljavi enačbe Žukovskega, in sicer da je hitrost širjenja udarnega vala a mnogo večja od hitrosti toka v. Hitrost širjenja tlačne motnje je večja od 1000 m/s, hitrost toka pa je zgolj nekaj m/s. Poenostavitev pomeni, da lahko zapišemo, da je v + a a. Tako dobimo še bolj poenostavljeno obliko kontinuitetne enačbe ρ = ρ v v + a ρ v a Če to enačbo vstavimo v poenostavljeno gibalno enačbo, dobimo končno obliko enačbe Žukovskega p = ρa v 67

68 Mi smo enačbo izpeljali na najenostavnejši možen način, v njej ne nastopa čas. Velja npr., če ventil zapremo v trenutku. Enačba Žukovskega se običajno zapiše na naslednji način p v = ρa t t Če ventil zapremo v trenutku ter predpostavimo, da se hitrost toka v cevovodu spremeni za npr. 1 m/s, se tlak spremeni za približno 1 MPa, to je za 10 barov. Zato je vsaka sprememba hitrosti v cevovodu nevarna za obratovanje elektrarne. Za primer obremenitve tlačnega cevovoda lahko tlačni razliki p lahko pripišemo razliko tlačnih višin H. Slika 54. Razmere v cevovodu za izpeljavo enačbe Žukovskega. Poglejmo, kako potuje motnja tlačnega vala po cevovodu. Ločimo štiri glavne dele in sicer glede na smer potovanja tlačne motnje in smer potovanja vode: (1) potovanje tlačne motnje od ventila proti akumulaciji, voda teče proti ventilu, tlačna motnja je pozitivna () odboj tlačne motnje od akumulacije nazaj proti ventilu, voda teče proti akumulaciji, tlačna motnja je pozitivna, (3) drugo potovanje tlačne motnje od ventila proti akumulaciji, voda teče proti akumulaciji, tlačna motnja je negativna, 68

69 (4) drugi odboj tlačne motnje od akumulacije nazaj proti ventilu, voda teče proti ventilu, tlačna motnja je negativna. Po drugem odboju tlačne motnje od akumulacije nazaj proti ventilu (točka 4) je vzpostavljeno enako stanje kot na začetku. Če bi sistem ne bil dušen, bi se tlačna motnja odbijala od ventila do akumulacije in nazaj neomejeno dolgo časa. Tlačna motnja je tako pozitivna in negativna in lahko cevovod razpre ali stisne. Za preprečevanje tlačnih motenj v sistem elektrarne vgrajujemo vodostane. Pri nas so vodostani na npr. elektrarnah Moste, Avče, Doblar in Plave. Slika 55. Vodostan na HE Plave II, zgoraj: tloris in spodaj: vzdolžni profil. 69

70 Slika 56. Vodostan na HE Doblar II, zgoraj: tloris in spodaj: vzdolžni profil Sinhronizacija vodne turbine z omrežjem Pri sinhronizaciji vodne turbine z omrežjem želimo priključiti zunanje trifazno omrežje napetosti U na sponke statorskega navitja sinhronskega generatorja. Sinhronski generator iziroma sinhronska turbina sta stroja, ki se vrtita z natančno ustrezno frekvenco, kakršno ima tudi omrežje. Poleg tega pa s priključitvijo sinhronskega stroja na zunanje omrežje ne želimo povzročiti tokovnih sunkov, kateri povzročijo sunke navora. Slednji lahko ogrozijo stroj in ga poškodujejo. Slika prikazuje postopek sinhronizacije sinhronskega generatorja na omrežje. 70

71 Slika 57. Postopek sinhronizacije sinhronskega generatorja na omrežje, povzeto po [D. Miljavec in, P. Jereb, Električni stroji]. Sinhronizacija poteka v štirih fazah: 1. Prepričamo se o enakem faznem zaporedju trifaznih priključkov omrežja in sinhronskega stroja na sinhronizacijskem stikalu. To zagotovimo s preverjanjem vezja in/ali merilnikom faznega zaporedja.. Izenačimo napetosti omrežja U in sinhronskega stroja E f, kar uredimo z nastavitvijo rotorskega vzbujalnega toka I r in z voltmetroma kontroliramo U in E f. 3. Izenačimo frekvenci omrežja f u in sinhronskega stroja f. Slednje dosežemo z nastavitvijo hitrosti turbine, to je z nastavitvijo odprtja vodilnika. 4. Zagotovimo enaki fazi omrežne napetosti U in strojeve napetosti E f. To dosežemo z naravnanjem turbine do prave lege vrtečega se gonilnika in rotorja sinhronega generatorja. 71

72 Slika 58. Sinhronizacija vodne turbine z omrežjem. Levo: Generator in turbina sta počasnejša kot mreža. V sredini: Generator in turbina delujeta z enako frekvenco kot mreža, vendar nista v fazi. Desno: Generator in turbina delujeta z enako frekvenco kot mreža in sta v fazi. Ob izpolnitvi zgoraj navedenih stopenj ničelni voltmeter ΔU pokaže razliko napetosti 0, kar pomeni da med sponkami odprtega sinhronizacijskega stikala ni napetosti. Sledi vklop sinhronizacijkega stikala brez povzrocitve tokovnega sunka. Sinhronhronski stroj je še vedno v prostem teku, a pripravljen za obremenitev Jalova obremenitev S povečanjem rotorskega vzbujevalnega toka Ir se ustrezno poveča E f, faza napetosti E f pa se ne spremeni, to pomeni, da je še vedno v fazi z napetostjo U. Med obema napetostima nastane napetostna razlika ΔU. Padec napetosti povzroči bremenski tok I, ki začne teči preko sinhronizacijskega stikala med omrežjem in sinhronskim strojem. Le-ta je popolnoma induktiven in zaostaja za ΔU za 90. Sinhronski generator v tem primeru dobavlja induktivne tokove induktivnim bremenom, omrežje ga zaznava kot kapacitivnost oziroma kondenzator. Temu stanju pravimo prevzbujanje, dano situacijo prikazuje srednji kazalčni diagram na spodnji sliki. V primeru, da po končani sinhronizaciji in prostem teku zmanjšamo rotorski vzbujalni tok, se posledično zmanjša tudi E f (slika spodaj, desni kazalčni diagram). Padec napetosti sedaj obrne fazo za 180. Sedaj bremenski tok zaostaja za 90 za ΔU in prehiteva napetost U za 90. Električno omrežje zazna podvzbujen sinhronski generator kot induktivnost oziroma dušilko. 7

73 Slika 59. Kazalčni diagrami sinhronskega generatorja, povzeto po [D. Miljavec in, P. Jereb, Električni stroji] Delovna obremenitev Ko je generator sinhroniziran na omrežje in ga poganja vodna turbina, napetost E f prehiteva omrežno napetost U, pri tem pa sta obe napetosti enaki po velikosti. Iz slike spodaj je razvidno, da se padec napetosti ΔU prišteva napetosti U do E f. Glede na kazalec ΔU je bremenski tok popolnoma induktiven in zaostaja za 90 za ΔU, po drugi strani pa je skoraj popolnoma v fazi z omrežno napetostjo. Slika 60. Položaj kazalcev ob delovni obremenitvi generatorja, povzeto po [D. Miljavec in, P. Jereb, Električni stroji]. 73

74 74

75 6. Drugi sestavni deli hidroelektrarne 6.1. Vtočni sistem Vtočni sistem sestavljajo zgornja akumulacija, zajezitev oziroma jezovi in rešetke Jezovi Jezovi (ang. dams) so gradbene strukture, ki zadržujejo vodo, Uporabljajo se za različne potrebe, med drugim tudi za zadrževanje vode za potrebe proizvodnje električne energije. Jezovi so različnih vrst, nasipni, betonski, gravitacijsko, ločni, steberni ali kombinacije navedenih kategorij. Nasipne jezove se izdela z nasutjem kamnine, v sredini pa imajo osrednjo vodotesno steno, danes je le-ta večinoma betonska. Uporabljajo se v primerih, ko je potrebno zajeziti široko dolino. Nasipni jezovi so gravitacijski in jih na mestu drži lastna teža. Za zajezitev globokih in ozkih sotesk je potreben betonski jez, saj je le betonska struktura dovolj trdna, da zdrži tlak vode. Najvišji betonski jezovi so visoki preko 300 m. Prerez jezu je večinoma trikoten. Gradnja velikih betonskih jezov je zapletena in počasna, saj je potrebno strukturo med gradnjo hladiti. Betonski jezovi so gravitacijski (na mestu jih drži lastna teža), ločni (ti so ukrivljeni v obliki loka in se upirajo na straneh v bregove doline, kar jih drži na mestu, se uporabljajo za zajezitev ozkih in visokih sotesk) ali steberni (stebri so globoko in močno temeljeni, temelji se upirajo v tla), obstajajo pa tudi kombinacije. Jezovi imajo utrjeno strukturo tudi ob jezu, primer je HE Medvode. Pregrada HE Medvode leži na mestu, kjer je Sava vrezala brzice v dolomitu, ki je večji del razpokan in prepreden z votlinami. Za zagotovitev dobrega temeljenja so izvedli stabilizacijo tal z injekcijsko zaveso. Razvita širina zavese znaša 190 m in sega do nepropustne podlage iz skrilavcev in peščencev, ki ležijo v globini 7 do 45 m. Primer nesreče, ki se je zgodila, ker niso upoštevali možnosti zdrsa hribine ob jezeru, je jez Vajont ob mestu Longarone v Italiji. V akumulacijsko jezero Vajont se je porušil del hriba in povzročil 00 m visok val. V Sloveniji je najvišji jez visok 60 m na HE Moste. Večji jezovi imajo vgrajeno opremo za merjenje plazenja. 75

76 Slika 61. Levo: betonski jez HE Moste (ločni), desno: jezovna zgradba HE Medvode je kombinirano steberskega-obrežnega tipa, zadaj akumulacija Zbiljsko jezero Zobje in rešetke Vtok iz jezov v cevovod ali kanal elektrarne je izveden na različne načine, je pa večinoma del jeza ali jezovne zgradbe. Uporablja se zobe, rešetke itd. Zob zadržuje vse plavje, ki plava na vodi ali potone. Zaradi zoba je vtočni kanal približno nekaj m pod gladino in nekaj m nad tlemi, s tem se zmanjša možnost, da bi v elektrarno tok vode prinesel večje kose lesa. Plavje, ki se nabere pred zobom, je potrebno čistiti s čistilnim strojem. Rešetke (ang. trash rack) zadržujejo nesnago, da ne potuje skozi turbino in da je ne poškoduje. Nesnaga je listje dreves, žir, kamenje, prodec in pesek. Na rešetki je lahko nameščen merilnik diferencialnega tlaka. Če je padec tlaka na rešetki prevelik, je potrebno rešetko očistiti s čistilnim strojem. Slika 6. Levo: zob HE Medvode in rešetka, zob zadržuje plavje, rešetka pa ni vidna, je pod kovinsko ograjo na spodnjem delu slike. Zaradi zoba je vtočni kanal približno 3 m pod gladino in nekaj m nad tlemi, s tem se zmanjša možnost, da bi v elektrarno tok vode prinesel večje kose lesa. V sredini in desno: vtočno iztočni objekt v ČHE Avče med gradnjo in med delovanjem. Zobje pri ČHE Avče so navpični in nameščeni tako, da preprečujejo, da bi v elektrarno posrkalo večje plavajoče kose lesa. 76

77 Slika 63. Primer rešetke na mali HE. 6.. Sistem za dovod vode Sistem za dovod vode iz zgornje akumulacije do turbine sestavljajo dovodni kanali, dovodni tuneli, peskolov, zapornica, vodostan, tlačni cevovod in zaporni organ. Sistem za dovod vode je nadaljevanje vtočnega sistema. Sistemi za dovod vode so zelo veliki oziroma dolgi pri elektrarnah, kjer je zajezitev oddaljena od strojnične zgradbe. Pri elektrarnah npr. pretočno akumulacijskega tipa je sistem za dovod vode kratek in je vgrajen v jezovno zgradbo Dovodni kanali in tuneli Dovodni kanali ali dovodni tuneli (ang. head race channel in head race tunnel) dovajajo vodo do tlačnega dela cevovoda. To je zato, ker pri večini elektrarn zajezitev ni nad strojnično zgradbo, temveč nekoliko stran. Kanali so odprti in so večinoma narejeni tako, da so vkopani in asfaltirani. Dovodni tuneli so večinoma položni. Narejeni so z vrtanjem ali razstreljevanjem v kamnino in obbetonirani. Na koncu dovodnega kanala ali tunela je običajno peskolov, to je razširjen del, kjer se hitrost toka zmanjša in se delci, težji od vode usedejo na dno. Na koncu dovodnega kanala ali tunela je vodostan. 77

78 Slika 64. Dovodni tunel med gradnjo, vidne so posamezne plasti betona. V sredini: dovodni tunel ČHE Avče. Desno, dovodni kanal HE Hubelj Vodostan Funkcija vodostana (ang. surge tank ali surge chamber) je, da zmanjšuje tlačna in masna nihanja v cevovodu in dovodnem tunelu, ki jih povzročijo spremembe v obremenitvi, v sprejemljivih mejah. Vodostan je razširjen del dovodnega tunela. Ko pride do tlačnih in masnih nihanj, se voda iz tlačnega cevovoda razlije v vodostan, v katerem se nivo vode trenutno poveča. Vodostan preprečuje, da bi se tlačni val razširil v dovodni rov ali dovodni kanal, da ne bi prišlo do poškodb ali razlitja. Za vodostanom je običajno nameščena zapornična komora, ki končuje razmeroma raven del sistema za dovod vode. V zapornični komori je nameščena zapornica, ki služi zapiranju kanala z namenom, da je mogoče izprazniti tlačni cevovod v primeru inšpekcijskega nadzora ali popravila, brez da bi izpraznili dovodni rov. Za zapornično komoro se začne tlačni cevovod. Shema vgradnje vodostana je prikazana za primer HE Doblar II in HE Plave II v poglavju Tlačna in masna nihanja pri zaustavitvi turbine. Vodostan je lahko izveden kot enostaven vodostan, ki je samo navpičen valj, lahko pa ima vodostan zgornjo in spodnjo vodostansko komoro, dušilko in pristopni tunel. Zgornja in spodnja vodostnska komora povečujeta volumen vodostana, hkrati pa služita za disipacijo energije vode pri dotoku in iztoku. Pri odpiranju ventila, ko se voda v dovodnem rovu še ne premika, se tlačni del cevovoda polni z vodo iz vodostana in spodnje vodostanske komore. Spodnja vodostanska komora je izvedena kot dovod vode v vodostan, lahko pa, če je dovolj dolga, prevzame tudi funkcijo dušenja in nadomesti dušilko. Dušilka služi blaženju fluktuacij vodnega toka na vstopu v vodostan. Izvedena je kot zožitev. Pristopni tunel služi pregledovanju in servisu ter prezračevanju, ko voda doteka in izteka iz vodostana. 78

79 Slika 65. Vodostani. Povsem desno je vodostan HE Moste Tlačni cevovod Tlačni cevovod (ang. penstock) povezuje zapornično komoro in elektrarno. Konča se z krogelnim ventilom, če ga elektrarna ima. Daljši tlačni cevovod ima jekleno steno, ki je sposobna vzdržati velike tlake vode v njem. Tlačni cevovod mora poleg statičnega tlaka vzdržati tudi dodaten pritisk, ki nastane pri hitri zapori elektrarne. Če je tlačni cevovod navpičen, se imenuje jašek (ang. shaft). Tlačni cevovod je večinoma na podstavkih, ti so lahko fiksni ali drseči. Zaradi raztezanja so na cevovodu dilatacije, kjer dve cevi drsita ena v drugi. Če je tlačni cevovod kratek, kot npr. pri pretočnih elektrarnah, je pogosto betonski. Slika 66. Levo tlačni cevovod HE Hubelj, v sredini dilatacija na njem. Desno je prerez čez turbinsko polje HE Solkan, tlačni cevovod je med vtočno rešetko (4) in turbino (8) Razbremenilni ali varnostni ventil Razbremenilni ali varnostni ventil (ang. bypass valve) je ventil, ki se uporablja pri nekaterih Francisovih turbinah z visokom padcem. Vgrajen je na vstopu v turbino in je namenjem temu, da preko njega nekaj vode iz tlačnega cevovoda 79

80 steče dolvodno od turbine. Pri hitri zaustavitvi turbine je hitrost odpiranja bypass ventila pogojena s hitrostjo zapiranja vodilniških lopatic, to se naredi z namenom zmanjšanja tlačnih obremenitev v tlačnem cevovodu zaradi nastanka tlačnega vala. Čas odpiranja razbremenilnega ventila je nekaj sekund v primeru zasilne zaustavitve. Večje elektrarne tega ventila večinoma nimajo. Slika 67. Varnostni razbremenilni ventil na HE Hubelj, to je element na sliki levo spodaj Krogelni ventil in bypass cevovod za krogelni ventil Krogelni ventil (ang. ball valve) je element, ki se uporablja pri elektrarnah za zapiranje tlačnega cevovoda. Nameščen je tik pred vstopom v spiralno ohišje. Krogelni ventil se zapre vedno, ko se elektrarna zaustavi. Zapiranje je počasno. Krogelni ventil deluje hidravlično, opremljen pa je tudi z utežjo, če pride do večje okvare elektrarne in njenih pomožnih sistemov. Krogelni ventil se začne pri zasilni zaustavitvi zapirati skupaj z vodilnikom, da prepreči, da bi turbina dosegla preveliko vrtilno frekvenco, da se torej prepreči pobeg turbine. Ko je krogelni ventil zaprt, je možno tudi odpiranje turbine, saj je možno vodo iz turbine izčrpati. Za odpiranje krogelnega ventila je predhodno potrebno tlak na njem izenačiti. Za to služi bypass, ki ga odpremo, še preden je odprt vodilnik, da se tlak pred in za ventilom izenači. Uporabljajo se kroglasti zasuni ali lopute (metuljčki). S stališča izkoristkov so boljši kroglasti zasuni (ni ovire na poti), vendar so dražji. Kroglasti zasuni se uporabljajo za večje tlake nad 4bar. Pretočne elektrarne tega ventila in bypass ventila nimajo. 80

81 Slika 68. Levo: krogelni ventil na ČHE Avče. Desno, bypass na HE Hubelj, bypass je vodoravna cev nad krogelnim ventilom Zapornica Zapornica (ang. gate) služi zapiranju dotoka vode do turbine. Zapornica ni element, ki bi zapiral pretok ob vsakodnevnih rednih zaustavitvah, uporablja se jih predvsem ob daljših zaustavitvah in remontih. V primeru pretočne elektrarne se zapornica spusti v odprtino z žerjavom in sicer ponavadi v več delih. Take zapornice imenujemo segmentne zapornice. V primeru elektrarne z zajezitvijo je običajno zapornica nameščena na koncu dovodnega kanala ali rova za vodostanom. Zapornice turbinskega vtoka skupaj z zapornicami turbinskega iztoka na pretočnih elektrarnah omogočajo izpraznitev turbine. Poleg zapornic na turbinskih poljih imajo pretočne elektrarne zapornice tudi na prelivnih poljih. Slika 69. Levo: zapornica turbinskega iztoka na HE Dubrava. Desno območje strojnice HE Plave z zapornično komoro med dovodnim rovom in tlačnim cevovodom, vse je vrezano v hribu. 81

82 Slika 70. Levo zložene zapornice v HE Medvode in desno mesto za vstavljanje zapornic Oprema v strojnici Strojnica je mesto, kjer je nameščena turbina. Strojnica je lahko v sklopu jezovne zgradbe ali pa je od nje ločena. Strojnica ČHE Avče je npr. globoka 80 m, da je črpalka turbina dovolj potopljena. V nadaljevanju bomo opisali opremo, ki je nameščena v strojnici. Slika 71. Levo: strojnica ČHE Avče, pogled s pokrova generatorja navzgor, v rumenih kanalih so električne zbiralke, ki vodijo od generatorja do transformatorja. Na ČHE Avče podobni kanali sive barve z zbiralkami vodijo do rotorja generatorja in služijo vzbujanju. Tri cevi črne barve v ČHE Avče so za drenažo in za dovod in odvod hladilne vode. Desno: strojnica HE Dubrava, Hrvaška, turbina je vgrajena v luknji pod dvigalom na levi strani slike Spiralno ohišje Spiralno ohišje ali spirala (ang. spiral casing) je element, ki dovaja tok vode v predvodilnik in vodilnik. Izvedeno je tako, da je izstopna hitrost vseskozi po obodu enaka, zato se presek spiralnega ohišja po obodu manjša, ko se voda postopoma usmerja skozi predvodilnik in vodilnik k gonilniku. 8

83 Na spiralnem ohišju so pri nekaterih turbinah nameščeni tlačni priključki za meritev pretoka po metodi Winter Kennedy. Po metodi Winter Kennedy merimo razliko tlakov na dveh mestih na spiralnem ohišju, razlika tlakov se s pretokom sorazmerno povečuje. Metodo se običajno umeri med prevzemnimi preizkusi, ko se izvede meritev pretoka s krilnimi anemometri. Spiralno ohišje je v večini velikih elektrarn zalito v beton. Pri manjših elektrarnah z vodoravno gredjo, npr. HE Hubelj, pa je vidno Predvodilniške in vodilniške lopatice Predvodilniške lopatice usmerjajo tok iz spiralnega ohišja proti turbini. Predvodilniške lopatice niso nastavljive. Njihova pomebna funkcija je zagotavljanje trdnosti, saj povezujejo zgornji in spodnji del spiralnega ohišja na notranji strani. Slika 7. Vodilniške in predvodilniške lopatice na HE Solkan (levo, Kaplanova turbina) in vodilniške lopatice na HE Dubrava (desno, cevna turbina). Vodilniške lopatice so zunaj pretočnega trakta povezane v vodilniški obroč, ki hkrati premika vse vodilniške lopatice. Vodilniški obroč premika hidravlična roka. V posameznih primerih so lahko lopatice vodilnika mehko vpete in so opremljene z mikrostikali. Mikrostikala zaznajo, da se določena lopatica pri zaustavitvi ni popolnoma zaprla, da se je npr. vanjo zagozdila veja. Tedaj operater ponovno odpre in zapre vodilnik ter morda premakne vejo, da jo odplakne vodni tok. 83

84 Slika 73. Levo: Vodilniški obroč (rdeče barve) na cevni turbini HE Dubrava, Hrvaška. Desno: vodilniški obroč na Kaplanovi turbini HE Solkan, vidna je hidravlična roka za premikanje vodilnika in mehko vpete lopatice z mikrostikali (zelene barve) Gonilnik, turbinski pokrov, tesnenje in sistem za vpihovanje zraka Gonilniki (ang. runner) so lahko Peltonovi, Francisovi, Kaplanovi itd. Več o gonilnikih smo povedali v drugem poglavju. Gred je lahko vodoravna ali navpična, navpična izvedba je primerna za večje moči. Turbinski pokrov gonilnika je debela jeklena plošča, ki je nameščena nad gonilnikom. Ker je izpostavljen velikim tlakom, je turbinski pokrov zelo debel. V sklopu turbinskega pokrova je izvedeno tudi tesnenje. Sistem za vpihovanje zraka ima več funkcij in sicer: - omogoča zagon velikih prečrpovalnih hidroelektrarn v črpalnem režimu (zagon bi zahteval prevelik zagonski tok, zato črpalka turbina štarta v črpalnem režimu v zraku, zrak prisilno vpihamo v turbinski prostor, šele ko doseže izbrano vrtilno frekvenco, zrak izčrpamo), - blaži tlačne pulzacije pri delovanju Francisovih turbin pri delnih obremenitvah (pri delnih obremenitvah je pri Francisovih turbinah v sesalnem konusu in kolenu prisoten kavitacijski vrtinec, ta opleta po prostoru s približno 1/3 frekvence gonilnika in povzroča velike tlačne fluktuacije in vibracije ležajev, momenta in električne moči, zrak je stisljiv in zaradi njegovega dodatka v vodi je zmes manj toga, ventil samo odpremo in zaradi podtlaka zrak sam vstopi v pretočni trakt), - blaži tlačni udar pri zasilni zaustavitvi turbine (ventil spusti zrak iz strojnice v sesalni del pretočnega trakta, zaradi tega se zmanjšajo tlačna nihanja v cevovodu pri zasilni zaustavitvi) 84

85 Slika 74. Levo: gonilnik Kaplanove turbine, pogled s spodnje strani iz sesalnega konusa. V sredini: luknje v gonilniku za vpihovanje zraka, ČHE Avče. Desno: pokrov gonilnika ČHE Avče Gred Gred (ang. shaft) povezuje gonilnik z generatorjem. Gred je običajno dvodelna in se deli na turbinsko gred in na generatorsko gred. Na turbinsko gred je nameščen gonilnik, na generatorsko gred pa rotor generatorja. Slika 75. Levo: turbinska gred ČHE Avče. Na zgornjem delu je viden zadebeljen del, ki je spoj med turbinsko in generatorsko gredjo. Desno: gred HE Solkan Ležaji Ležaji na vseh večjih elektrarnah so drsni. Elektrarne imajo vsaj en turbinski ležaj in vsaj en generatorski ležaj. Vodilni ležaji držijo gred na mestu v radialni smeri, nosilni ležaji pa jo podpirajo v aksialni smeri. Ležaji so izvedeni iz segmentov. Olje se nahaja do približno polovice višine segmenta. Olje skrbi za hlajenje ležaja in mazanje. Poleg rdečih zapor na spodnji 85

86 sliki (primer na sliki je HE Solkan), ki skrbijo, da je vsak segment ležaja stabilno nameščen v aksialni smeri, je izvedena tudi jeklena ojačitev v radialni smeri (vidno v črni barvi na sliki med rdečimi zaporami). Ojačitev v radialni smeri služi tudi za nastavljanje zračne reže. Na zunanji strani proč od gredi je nameščen vijak, s katerim se lahko prilagaja zračno režo. Na sliki spodaj so luknje v aksialni smeri na ležajnem segmentu št.1 kot pomoč pri izgradnji segmenta - segment št. ima v sredi še dodatno luknjo, v katero pride temperaturna sonda za meritev temperature v ležaju, to deluje kot zaščita. Na spodnji sliki je viden tudi različen material ležaja. Ob gredi je tanka plast bele kovine, v primeru da pride do dotika, se gred ne poškoduje, poškoduje se le bela kovina (ta je mehkejša in ima nižje tališče), pa tudi segment se da kasneje popraviti. Med obratovanjem se ustvari v reži med gredjo in ležajem oljni film, ki sam sebe vzdržuje, ne potrebuje prisilnega mazanja. Ležaji so na modernejših in večjih turbinah opremljeni s črpalko za inicialno mazanje olja. Ta črpalka zagotavlja mazanje ležaja, ko se turbina ne vrti ali se zaganja, se posebej nosilnega ležaja, ki dvigne turbino in omogoča gladek zagon. Če je vključena, je mogoče turbino zavrteti na roko, če v pretočnem traktu ni vode. Ko turbina doseže normalno obratovanje, se črpalka zaustavi. Olje v ležajih se hladi s prenosnikom toplote olje/voda, ki je običajno nameščen v bližini ležaja. Slika 76. Segmenti turbinskega vodilnega ležaja na HE Solkan. Desno detajl. S črno barvo je izvedena ojačitev, ki služi kot opora. Z rdečo barvo so označene rdeče zapore, ki skrbijo da je ležaj stabilno nameščen v aksialni smeri. Slika je posneta ob odprtem pokrovu ležaja. 86

87 Slika 77. Levo: prenosnik toplote olje/voda na HE Medvode, modre barve. Desno: visokotlačna črpalka za inicialno mazanje ležajev na HE Solkan, levo turbinska gred. Manjše elektrarne imajo preprostejše ležaje, npr. HE Hubelj na spodnji sliki. Slika 78. Ležaji na HE Hubelj so pobarvani rumeno. Na sliki je viden tudi vztrajnik, ki služi za primer otočnega delovanja, če je elektrarna s porabniki ločena od ostalega omrežja Senzor premikanja Senzor premikanja (ang. creep detection) turbinske gredi je del sistema za nadzor vodilnika. Senzor premikanja je merilna naprava, ki je sposobna izmeriti zelo počasno vrtenje turbinske gredi. Lahko je del merilnika vrtilne frekvence ali pa je samostojen inštrument. Namen senzorja premikanja je, da zazna počasno vrtenje gredi med mirovanjem turbine. Če se turbina zelo počasi vrti, tudi ko so lopatice vodilnika zaprte, to običajno pomeni, da ena ali več lopatic vodilnika pušča, običajno zaradi nečistoč, vej itd.. Sistem, ko zazna počasno vrtenje, 87

88 vklopi pomožne sisteme, kot so npr. črpalke ležaja, da ne pride do poškodbe agregata. Slika 79. Senzor premikanja v HE Solkan, svetlomodra škatla. Ta turbina ima nameščeno na gredi še eno zaščito in sicer dva vijaka, ki se pri povečani vrtilni frekvenci okrog 10% delovne vrtilne frekvence pomakneta iz normalne lege ven v radialni smeri in prekineta stikalo, ki je vidno pred detektorjem premikanja. To vklopi zasilno zaustavitev elektrarne Regulator kota vodilniških in gonilniških lopatic Regulator kota vodilniških lopatic skrbi za to, da je kot odprtja vodilniških in v primeru Kaplanovih in cevnih turbin tudi gonilniških lopatic ustrezen. Regulator v fazi zagona elektrarne, ko turbina ni sinhronizirana na omrežje in generatorja omrežje še ne zavira ter vzdržuje frekvence, skrbi za ustrezno vrtilno frekvenco turbine. To regulator naredi tako, da uravnava kot odprtja vodilniških ter gonilniških lopatic. V fazi delovanja regulator zagotavlja ustrezen kot odprtja vodilniških ter gonilniških lopatic, da je pri danem neto padcu zahtevana moč dosežena pri najmanjši porabi vode, to je pri optimalni nastavitvi odprtja vodilniških ter gonilniških lopatic. Izvedb regulatorjev je več, od povsem mehanskih, preko elektro hidravličnih do elektronskih in digitalnih. Elektronski oziroma digitalni regulatorji so povezani s hidravličnim agregatom, ki poskrbi, da se po potrebi spremeni kot vodilniških in če je možno tudi gonilniških lopatic. Hidravlični agregat je povezan s tlačnim rezervoarjem, ki je poln samo do približno tretjine, nad oljem pa je zrak pod enakim pritiskom kot hidravlično olje. Ta služi kot rezervoar, da se hidravlične črpalke ne vklapljajo neprestano. 88

89 Rezervoar tudi gladi nenadne spremembe tlaka v sistemu. V primeru odpovedi agregata pa stisnjen zrak nudi dovolj energije za zaustavitev in zaprtje vodilnika. Olje v hidravličnem sistemu lahko letno pregledujemo na prisotnost kovin, npr. prisotnost bakra nam pove, da je v sistemu bakreno tesnilo, ki je podvrženo prekomerni obrabi. Slika 80. Levo: stari hidravlični regulator odprtja vodilnika na HE Hubelj, ni več v uporabi. Desno: hidravlični agregat z mehanskim regulatorjem vrtilne frekvence na HE Solkan. Slika 81. Digitalni turbinski regulator na HE Medvode (levo) nadzoruje hidravlični agregat (desno) za premikanje vodilniških in gonilniških lopatic Kaplanove turbine. Hidravlični agregat je povezan s tlačnim rezervoarjem, ki je samo deloma poln Inverter Z inverterjem so opremljene redke elektrarne, pri nas ČHE Avče. Agregat je izveden tako, da, inverter omogoča spreminjanje hitrosti vrtenja od npr -4% do npr. +4% nazivne hitrosti vrtenja. To omogoča doseganje večjega izkoristka in večje prilagajanje razmeram v elektroenergetskem sistemu in razpoložljivi količini vode. V ČHE Avče je motor/generator dvojno napajan asinhronski stroj (DFIM Doubly Fed Induction Machine) s spremenljivo hitrostjo vrtenja. Prednost 89

90 spremenljive vrtilne frekvence je zlasti v boljšem izkoristku, saj se lahko s tovrstnim strojem prilagajamo želeni moči in padcu, ki glede na napolnjenost bazena nekoliko niha, tako da je izkoristek največji. Prednosti so še v hitri odzivnosti, sinhronizaciji in regulaciji moči v črpalnem režimu. Vzbujalni sistem je specifični element v ČHE Avče in omogoča spremembo vrtljajev na agregatu (varspeed). Glavni del vzbujalnega sistema je trinivojski VSI (Voltage Source Inverter) pretvorniški sistem. Sestavljen je iz usmerniškega in razsmerniškega dela, ki ju povezuje enosmerni tokokrog. Glavni sestavni deli vzbujalnega sistema so IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) tristorji, ki so trenutno ena od naprednejših izvedb močnostnih polprevodnikov. Vzbujalni sistem rotorju generatorja spreminja napetost, frekvenco in slip. S temi parametri dobi agregat široko področje delovanja. V vzbujalnem sistemu je že integrirano krmiljenje in zaščita samega sistema. Slika 8. Vzbujevalni sistem v ČHE Avče. Levo v kontejnerju ABB je kontrolni del, hladilni dela in močnostni del, desno pa vzbujevalni transformator Zavore Zavore (ang. brakes) so namenjene temu, da ustavijo turbino, ko se le ta čisto počasi vrti (prej zaviramo turbino hidravlično z zapiranjem vodilnika ali pri Kaplanovih turbinah s kombinacijo odprtja vodilnika in gonilnika). Zavore so mehanske. Zavore popustimo, ko se turbina ustavi in od tistega trenutka dalje mora turbina mirovati. To zaznavamo z detektorjem premikov (creep detektorjem). Če do vrtenja gonilnika vseeno pride, je to običajno zaradi nečistoč, ki so se zataknile v vodilniku, da ta ne more biti dobro zaprt. Turbina se ne sme vrteti, ko ni v obratovanju, tako vrtenjo jo lahko poškoduje. Zavore ni so namenjene stalnemu zaviranju. Zavore so pnevmatske, poganja jih nizkotlačni kompresor Generator in električna oprema generatorja 90

91 V generatorju se mehanska energija pretvarja v električno. Generator je sestavljen iz rotorja in statorja. Vsi električni generatorji v elektrarnah delujejo na principu električne indukcije, kjer nastane električna napetost, ko vodnik prehaja preko silnic magnetnega polja. Magnetno polje pri manjših generatorjih zagotavljajo trajni magneti, pri večjih enotah pa so bolj pogosti elektromagneti, ki pa potrebujejo dodaten vir toka za vzbujanje. Generatorji so lahko sinhroni ali asinhroni. Pri modernih sinhronih izmeničnih generatorjih vzbujalni tok zagotavlja ločen zunanji vir. Ker je vzbujalni tok precej manjši od toka v induciranem navitju, je vzbujalni tokokrog navadno nameščen na rotor generatorja, saj drsni obroči niso primerni za prevajanje velikega toka. Večina rotorjev generatorja je vzbujanih z enosmernim tokom. Edina elektrarna pri nas, ki je vzbujana z izmeničnim tokom, je ČHE Avče. Del električne energije se odvzema iz mreže in se ga preko vzbujevalnega sistema in Pri ČHE Avče kot izmenični vzbujevalni tok vodi na rotor generatorja. To omogoča spreminjanje vrtilne frekvence za 4%. To je še posebej pomembno v črpalnem načinu obratovanja, ko se regulacija izvaja večinoma električno in ne s spreminjanjem odprtja vodilnika. Vzbujevalni sistem je sestavljen iz kontrolnega dela, hladilnega dela in močnostnega dela. Za potrebe hlajenja vzbujevalnega sistema je voda demineralizirana in deionizirana, da je neprevodna in da ne pride do preboja. Generator je zelo velik in težak, zato ga pri večjih elektrarnah ni mogoče transportirati v enem kosu. v ČHE Avče sta stator in rotor generatorja vsak zase težja od 00 ton. Generator se zato sestavlja na lokaciji elektrarne. Zaradi tega ga je potrebno pred uporabo balansirati. To se naredi najprej pri zelo nizki vrekvenci vrtenja z merilno uro, potem pa z meritvijo vibracij pri povečevanju vrtilne frekvence pri 5%, 50% itd. in z dodajanjem mase na ustrezna mesta. V ČHE Avče je generator nameščen v generatorskem sodu, kjer je neprodušno zaprt. Znotraj soda so sistemi za gašenje požara. Generator je s kovinskimi rokami uprt na stene, ki podpirajo ležaj. Največje obremenitve kovinskih rok in ležajev so takrat, ko se turbina zaganja ali zaustavlja, to je, kadar se temperatura spreminja. 91

92 Slika 83. Levo: strojnica in pokrov generatorja na HE Doblar II. Rotor (v sredini) in stator (desno) generatorja HE Solkan ob remontu. Električna oprema zajema še stikališče, distribucijsko stikališče, transformatorje, generatoski odklopnik, dizel agregat, baterije itd. Dizel agregat je vseskozi ogrevan, da je vedno pripravljen na zagon in sicer mora zagotavljati energijo za lastno rabo. Lastna raba je poraba električne energije za pogon sistemov, tudi tistih, ki obratujejo tudi, ko elektrarna miruje. To so predvsem drenažne črpalke. Slika 84. Dizel agregat v HE Medvode Ostali sistemi v elektrarni Ostali sistemi so med drugim sistem drenaže, različni sistemi hlajenja, sistem za preskrbo in čiščenje olja itd. Drenažne črpalke obratujejo nepretrgoma, saj je v elektrarni običajno, da vanjo zelo počasi vdira voda. Drenažne črpalke so velik porabnik v lastni rabi in morajo obratovati tudi, kadar elektrarna ne proizvaja elektrike in kadar elektrarna izpade iz omrežja Prelivna polja in zapornice prelivnih polj Zapornice prelivnih polj so podobne kot zapornice turbinskih polj. Odvisno od tipa elektrarne sta pogosto zapornici dve in sta lahko različnih vrst, npr. segmentna in tablasta zapornica. Segmentna zapornica se vstavi na mesto z žerjavom in se uporabi, kadar je potrebno izprazniti vodo izpred tablaste zapornice. Tablasta zapornica je zapornica, ki zapira pretok čez prelivno polje, kadar je pretoka malo in gre vsa voda čez turbinsko polje. V primeru povečanja pretoka (ko je požiralnost turbin premajhna) se tablasta zapornica najprej 9

93 spusti (majhen pretok preko zapornice), potem dvigne (velik pretok pod zapornico) ali popolnoma umakne (celotno prelivno polje je odprto). Problem pri naraslih vodah je, da vodotok s sabo nosi velike veje in celo velika drevesa. Taka drevesa se lahko zagozdijo tudi v prelivno polje in znatno zmanjšajo pretok. Voda iz turbinskih polj ali prelivnih polj teče v spodnjo akumulacijo. Na spodnji akumulaciji imajo nekatere elektrarne plavajoče zapornice. To so votle zapornice, ki jih žerjav spusti v vodo spodnje akumulacije, nato plavajo do mesta namestitve, kjer vanjo spustimo vodo in potonejo. Uporablja se jih pri servisiranju izočnega objekta dolvodno od elektrarne, podslapja ali podobno Slika 85. Prerez prelivnega polja HE Solkan. Elektrarne, ki morajo vedno spuščati vodo za ohranjanje biološkega minimuma vodotoka, ne morejo popolnoma prekiniti pretoka vodotoka. Zaradi tega tudi nimajo zapornic na vseh turbinskih poljih. 93

94 Slika 86. Levo: HE Solkan z dvema prelivnima poljema in tremi turbinskimi polji. V sredini: prelivni polji HE Solkan med poplavami leta 01. Desno: tablasta zapornica kljukaste izvedbe na prelivnem polju HE Medvode Drenažne črpalke Drenažne črpalke služijo črpalnju vode iz strojnice elektrarne. Ker je strojnica elektrarne pod gladino vode, vanjo vdira voda. Ta se znotraj elektrarne po kanalih steka v bazen na najnižjem delu elektrarne. V bazenu so vgrejene drenažne potopne črpalke, ki se po potrebi vklapljajo in izčrpajo vodo, da ne pride do zalitja strojnice. V določenih primeri, ko je strojnični jašek velik in vode veliko, podtalnico črpamo tudi iz komor ob strojničnem jašku, s čimer se sprosti pritisk vode na stene strojničnega jaška, tak primer je na ČHE Avče. Drenažne črpalke se lahko uporablja tudi za črpanje vode iz pretočnega trakta. V tem primeru je vgrajen cevovod z ventilom, ki povezuje pretočni trakt in bezen z drenažnimi črpalkami. Ko voda iz pretočnega trakta steče v drenažni bazen, vodo iz njega izčrpajo drenažne črpalke Ribja steza Graditev hidroelektrarn je povezana z vrsto posegov v vodni in obvodni prostor. Eden najbolj negativnih vplivov je uničenje habitatov in prekinitev selitvenih poti rib na drstišča in pasišča. Prvi zapiski o postavitvi ribjih prehodov segajo v 17. stoletje, njihovo število pa se je občutneje povečalo šele okoli leta 1850, z nastankom prvih hidroelektrarn. Prvi dokumentirani prehodi za ribe so bili zgrajeni v letih na vodotoku Ballisodare na Irskem. Zajezitve vplivajo na rečno hidrologijo in sezonsko spremenljivost pretoka. Zaradi odstranjene obrežne vegetacije so brežine izpostavljene segrevanju, posledica je višja temperatura vode in manjša vsebnost kisika. Višja temperatura vode in nižje vsebnosti kisika so za ribe stresni dejavniki. Na drugi strani hladnejša voda negativno vpliva na razmnoževanje, manj je potomstva, poveča pa se število velikih osebkov in odraslih rib. Na mestih izpusta toplejše vode v vodotok z normalno hladno vodo tako lahko pogine več rib. Taka sprememba vpliva na razmnoževanje in produkcijo hrane za preostale ribje populacije Vse elektrarne nimajo ribjih stez, v teh primerih je potrebno seljenje mladic preko pregrad, kar izvajajo lokalne ribiške družine. Zajezitve postanejo žarišča najrazličnejših bolezni. V anaerobnih procesih nastaja na dnu zajezitev metan, ki lahko povzroči pogin rib. Vzroki za selitev rečnih vrst rib so torej v iskanju različnih za preživetje nujnih življenjskih prostorov. Številne spolno zrele sladkovodne ribe se selijo po toku navzgor na 94

95 drstišča bodisi v vodotoku sami bodisi v njenih pritokih, mlade ribe pa se s tokom selijo dolvodno. Pod pregradami se ribe zbirajo zaradi večjih možnosti za plenjenje tudi v času sezonskih selitev. Dokazano je, da se po postavitvi pregrade zelo hitro zmanjšata število vrst in velikost populacij. Ostanejo le tiste vrste rib, ki v novih razmerah lahko preživijo. Pregrada je neprehodna ovira, ki lahko popolnoma spremeni naravni rečni režim in preprečuje tako stalnim ribjim vrstam kot selivkam prehajanje med različnimi gor- in dolvodnimi habitati. Ribji prehodi so tehničen omilitveni ukrep, ki naj bi zmanjšal negativen vpliv hidroenergetskih pregrad na ribe. Določen tip ribjega prehoda (ribja steza, ribje dvigalo, obtočni kanal itd.) se izbere in zgradi na način, da ustreza vsem ribjim vrstam. Pomemben element ribjega prehoda je njegov vhod in zmožnost privabljanja rib za gorvodno migriranje. Ključnega pomena so tudi pretok v času selitve rib in vedenjski vzorci vrst rib. Načrt za ribji prehod vključuje mehanične in hidravlične rešitve za odvračanje stalnih rib bodisi s plašenjem med dolvodno selitvijo in usmerjanjem, npr. z rešetkami, in usmerjanje v transportne naprave med gor-vodno selitvijo. Problematika prehajanja rib se večinoma omenja le na velikih hidroelektrarnah, na male hidroelektrarne na manjših vodotokih pa se pozablja. Takšni vodotoki so s stališča varovanja rib prav tako pomembni. V Sloveniji imata hidroelektrarni Mavčiče in Vrhovo umetni drstišči kot nadomestilo za prekinjeno migracijo na gor- in dolvodna drstišča, deluje pa le drstišče v Mavčičah. Na Dravi je več ribjih stez, vendar so bile mnoge v preteklosti opuščene kot nefunkcionalne. Slika 87. Ribja steza HE Krško. Levo: povezava s Savo. Desno: ribe prehajajo v ribjo stezo zgolj na določeni višini, zato je potrebno izvesti več vstopov po višini. Posamezni vstopni kanali se združijo dolvodno v ribjo stezo. V primeru HE Krško sta taka vstopa dva. 95

96 Slika 88. Ribja steza He Krško. Slika 89. Ribja steza HE Blanca. 96

97 7. Izkoristki in moči v hidroelektrarni V tem poglavju se bomo ukvarjali z določanjem specifične hidravlične energije, pretoka, mehanske moči, vrtilne hitrosti in izkoristka. Prevzemni preizkusi na modelnih črpalkah in turbinah se izvajajo na laboratorijskih postajah ob upoštevanju zakonov podobnosti. V nadaljevanju bomo predstavili meritve posameznih spremenljivk. Slika 90. Shematska reprezentacija hidravličnega stroja. Tok teče v smeri puščice za črpalko ali za turbino. V nadaljevanju bomo merilna mesta označevali z indeksoma 1 in. Za turbino in črpalko velja, da je merilno mesto, označeno z 1, na visokotlačnem delu in da je merilno mesto, označeno z, na nizkotlačnem delu. Referenčna ravnina je ravnina, na kateri proizvajalec garantira moč in izkoristek turbine. Merilna ravnina je ravnina, v kateri se izvajajo meritve. Če je mogoče, ti dve ravnini sovpadata, če pa to ni mogoče, je potrebno preračunati vrednosti, pomerjene v merilni ravnini, na vrednosti v referenčni ravnini. Mi se bomo v nadaljevanju omejili na turbine in bomo obravnavali primere, ko referenčna in merilna ravnina sovpadata Izkoristek Izkoristek izračunamo iz mehanske moči P, ki se izmenja z električnim generatorjem in hidravlično energijo P h vode. Za turbino velja: 97

98 Za določitev izkoristka moramo torej poznati hidravlično moč in mehansko moč. To vsebuje meritev pretoka, specifične hidravlične energije, električne ali mehanske moči in vrtilne frekvence. Izkoristek lahko dobimo tudi na direkten način iz povečanja temperature vode zaradi izgub s t.i. termodinamsko metodo. Osnovna prednost te metode je, da ni potrebno meriti pretoka. 7.. Hidravlična moč P P h Definicija hidravlične moči je P h E( Q) 1 Vrednotenje zahteva poznavanje specifične hidravlične energije in masnega pretoka skozi visokotlačni referenčni presek. Masni pretok skozi referenčno površino se lahko razlikuje od pretoka skozi merilno ravnino zaradi dodajanja/odvzemanja vode v sistem med obema ravninama. To je potrebno zaradi pravilnega delovanja hidravličnega stroja. Vsi takšni ne nujno potrebni pretoki morajo biti med meritvijo zaprti, ostale pa je potrebno upoštevati oziroma oceniti. Ti tokovi običajno predstavljajo majhen del glavnega pretoka, zato za njihovo določanje zadostujejo preproste ocene (npr. za hlajenje ležajev) Določanje pretoka Meritev pretoka je pomemben del določanja izkoristka elektrarne, zato je potrebno izvesti ukrepe, ki omogočajo namestitev merilne opreme že v fazi konstruiranja elektrarne, kjer je to le mogoče. Izbira metode merjenja pomeni izbiro med naslednjima tipoma merjenja: absolutna in relativna (indeksna) metoda. Absolutne metode so: metoda traverziranja oziroma metode hitrost/površina z anemometri ali Pitotovimi cevmi, Gibsonova metoda (metoda tlak/čas), indikatorske metode, standardizirane ozke zapornice, standardizirane metode na principu tlačne razlike in volumetrično merjenje. Dodatno so pogojno dovoljene akustična metoda in termodinamska metoda. Relativne metode kot npr. Winter-Kennedyjeva metoda, nestandardizirne metode na podlagi merjenja tlaka, določeni tipi akustičnih metod ali meritev pretoka z enim anemometrom niso predvidene za izvajanje prevzemnih preizkusov. 98

99 Slika 91. Merjenje pretoka z merilnimi krilci na protipu. Levo in v sredini: inštalacija merilnih krilc v dovodni kanal hidroelektrarne Ožbalt, izvedba meritev Turboinštitut. Desno: kalibracija krilc v bazenu, Brodarski inštitut v Zagrebu. Meritev pretoka poteka na prototipu in modelu na različne načine. Meritve na prototipu potekajo na naslednji način: - z merilnimi krilci za merjenje hitrosti - s Pitotovimi cevmi - Gibsonova metoda (tlak/čas) - indikatorska metoda - prelivi v odprtih kanalih ali metoda zastojnega tlaka v zaprtih kanalih Metodi z merilnimi krilci in Pitotovimi cevmi se uporabljata podobno, pretok izračunamo iz meritev hitrosti v več točkah po preseku. Vsaki meritvi hitrosti pripišemo delno površino, izračunamo pretok za to delno površino in nato seštejemo delne pretoke. Gibsonova metoda merjenja pretoka temelji na Newtonovem zakonu in zakonih mehanike fluidov, ki povezujejo silo zaradi spremembe diferencialnega tlaka med dvema presekoma in pospeševanjem ali zaviranjem mase med tema presekoma zaradi premikanja zapornega organa. Pri indikatorski metodi merimo čas prehoda koncentracije dodane snovi med dvema ravninama. Slika 9. Rezultat meritev pretoka z merilnimi krilci na prototipu, primer HE Ožbalt, za vse štiri dele dovodnega kanala (glej sliko zgoraj) Določanje specifične hidravlične energije 99

100 Meritev specifične hidravlične energija je pomembna spremenljivka in jo je potrebno določiti pri vsakem prevzemnem testu hidravličnih strojev. Za določitev specifične hidravlične energije je potrebno oceniti specifično energijo vode na visokotlačnem in nizkotlačnem referenčnem delu. V praksi ni vedno možno izmeriti tlaka na referenčnih ravninah, v tem primeru izvedemo potrebne meritve čim bližje referenčnih ravnin. Kjer je le mogoče, še posebej pri nizkotlačni referenčni ravnini, izmerimo tlak direktno, če to ni mogoče, izmerimo višino proste gladine vode. Glavni razlog za spremembo merilnega mesta za tlak je neenakomeren izstopni profil in turbulentnost toka na izstopu iz turbine. Na visokotlačnem delu lahko tok moti dušilna loputa. Do spremembe merilnih mest lahko pride, če tlačni priključki niso izvedeni in če cevovod ni dostopen. Če merilna ravnina ni hkrati tudi referenčna ravnina, je potrebno izvesti ustrezne popravke (izračun hidravličnih izgub). Pri določanju specifične hidravlične energije je pomembno, da natančno določimo višine tlačnih odjemov glede na izbrano referenčno točko. Vedno izhajamo iz osnovne enačbe, ki temelji na Bernoullijevi enačbi E gh p abs1 p abs v 1 v 1 g z z. V zgornji enačbi sta p abs1 in p abs absolutna tlaka na mestu merilnih ravnin 1 in in sta sestavljena iz dveh delov: (1) natlak v cevovodu in () atmosferski tlak. v1 in v sta hitrosti na mestu merilnih ravnin 1 in. g je povprečen gravitacijski pospešek. z1 z je razlika geodetskih višin med obema merilnima ravninama. je povprečna gostota vode. Kasneje (v naslednjih podpoglavjih) glede na tip meritve (z diferencialnimi merilniki, z merjenjem višine vodnega stolpca itd.) in tip elektrarne (visok padec, nizek padec) zapišemo še ustrezne izraze za p abs1 in p abs. Glavna razlika med "običajnimi" in natančnimi prevzemnimi meritvami je, da pri prevzemnih meritvah upoštevamo stisljivost vode. Zaradi tega je gostota vode med merilno ravnino 1 in merilniki tlaka večja od gostote vode med merilnikom tlaka in merilno ravnino Meritev tlaka z diferenčnimi tlačnimi odjemi Meritev specifične hidravlične energije preko meritve tlaka na tlačnih odjemnih mestih je posebej primerna za turbine z majhnim padcem, lahko pa jo uporabimo za vse tipe strojev, za katere so na voljo inštrumenti z zadosti majhno merilno negotovostjo. 100

101 E gh p abs1 p abs v 1 v g z z 1 Za meritev diferencialnega tlaka dobimo: p abs1 p abs p g 1 z zm z1 zm Pri vajah bomo zgolj odzračili cevke do diferencialnih tlačnih merilnikov in predpostavili enako gostoto vode v obeh priključnih cevkah (to je od merilnika tlaka do ravnine 1 in od merilnika tlaka do ravnine ). Če merimo turbine z nizkim padcem in je dp < Pa, kot je npr. pri Kaplanovih turbinah, lahko stisljivost vode zanemarimo (enake gostote vode) in je E gh p v 1 v. Slika 93. Meritev specifične hidravlične energije preko merjenja tlaka z diferenčnimi tlačnimi odjemi za primer Kaplanove turbine. Črtkane črtice označujejo potek tlačnih cevk, ki so nameščene tako, da merilnik (krogec) meri tlačno razliko med merilnima ravninama 1 in Meritev tlaka ločenimi tlačnimi odjemi Ločimo tri primere, (1) turbine z nizkim padcem, () turbine s srednjim in visokim padcem in (3) impulzne turbine. 101

102 Med turbine z nizkim padcem sodijo turbine s padcem do Pa (do približno 40 m padca). Zanemarimo lahko stisljivost vode, kar pomeni, da v vseh izrazih pišemo povprečno gostoto vode. Spet izhajamo iz iste osnovne enačbe E gh p abs1 p abs v 1 v g z 1 z S črtico označimo (glej sliko) višine vode v obeh merilnikih tlaka. Za absolutne in tlake okolice uporabimo naslednje izraze: p p p abs1 abs amb1' g( z g( z p amb' 1' ' z ) p 1 z ) p g( z a amb1' amb' 1' z Poenostavljena enačba se glasi E g ' ) a v v v v z z 1 1 a g Z1 1 1' ' V gornji enačbi je Z višinska razlika med gladinama merilnikov v skladu s spodnjo sliko. Slika 94. Meritev specifične hidravlične energije z ločenimi tlačnimi odjemi, primer turbine z nizkim padcem. 10

103 Pri turbinah s srednjim in visokim padcem višinska razlika pri namestitvi merilnikov malo vpliva na specifično hidravlično energijo in jo lahko zanemarimo. Ne smemo pa predpostaviti, da je gostota vode enaka povprečni gostoti vode. Merilnika sta namreč nameščena blizu turbine in je razlika v zračnih tlakih zanemarljiva glede na razpoložljiv tlačni padec. Spet izhajamo iz osnovne enačbe E gh p abs1 p abs v 1 v g z z 1 Ker sta Z 1 in Z majhna v primerjavi s H, to pomeni da velja pamb 1 ' pamb ' pamb, lahko zapišemo p p abs1 abs p 1' p ' Z g p 1 amb Z g p 1 amb Ker sta Z1 in Z majhna v primerjavi s H, lahko predpostavimo, da velja Z 1 Z 1 1 in Z Z S črtico označimo (glej sliko) mesto, kjer je nameščen posamezen merilnik tlaka. Z z 1 z, se poenostavljena enačba glasi Če upoštevamo zvezo E p ' ' 1' p' v g 1' ' v v p1' p' v z z 1 g Z 1 103

104 Slika 95. Meritev specifične hidravlične energije z ločenimi tlačnimi odjemi, primer turbine s srednjim in visokim padcem. Med impulzne turbine sodijo Peltonove turbine. Predpostavimo, da nizkotlačni referenčni del ustreza ravnini na višini z in da je tlak v notranjosti ohišja enak atmosferskemu. Spet izhajamo iz osnovne enačbe E gh p abs1 p abs v 1 v g z z 1 Razliko v tlaku okolice 1' in zanemarimo p p p amb1 ' pamb pamb abs1 p1' Z1 1 g abs p amb p amb Ker je z 1 =z in če predpostavimo, da je v =0, dobimo p E 1' p1' v1 gz1' z g Z v1 104

105 Slika 96. Meritev specifične hidravlične energije z ločenimi tlačnimi odjemi, primer impulzne (npr. Peltonove) turbine. Predpostavimo, da nizkotlačni referenčni del ustreza ravnini na višini z in da je tlak v notranjosti ohišja enak atmosferskemu. 105

106 8. Kavitacija S pojmom kavitacija označujemo pojav prehodov iz tekočine v plinasto fazo in nazaj v okolju sprva homogene tekočine. Osnovni vzrok za nastanek kavitacije je lokalno zmanjšanja tlaka ob približno konstantni temperaturi. Soroden pojav je vrenje vode, kjer pa za razliko od kavitacije uparjanje nastopi zaradi povišanja temperature tekočine ob približno konstantnem tlaku. V obeh primerih nastanejo v fluidu mehurčki, napolnjeni s paro in drugimi plini, ki se nahajajo v fluidu. V nadaljevanju bo predmet obravnave predvsem hidrodinamična kavitacija, ki nastane v toku fluida. Zaključna faza kavitacijskega dogajanja je tako imenovana faza implozije ali kolapsa, ki nastopi ob pogoju povečanja tlaka. V tem primeru nastali prazni prostor (mehurček) v trenutku napolni kapljevina iz okolice. Pride lahko do silovitega trčejna in nastanka udarnega vala, ki se v naslednjem trenutku širi od mesta trčenja na vse strani. Poleg udarnega vala se pojavijo še drugi spremljevalni efekti, ki lahko destruktivno vplivajo na okolico, posebno na bližnje trdne stene. Slika 97. Levo: kavitacijska erozija v gonilniku Francisove turbine. Desno: kavitacija v modelu gonilnika Francisove turbine. Problem obnašanja hidravličnih strojev pod različnimi kavitacijskimi pogoji raziskujemo s pomočjo izvajanja posebnih kavitacijskih preizkusov na modelih hidravličnih strojev. Za določitev kavitacijskih lastnosti vodnih turbin kot funkcije posameznih lastnosti (vodni padec, nivo spodnje vode, pretok skozi stroj, moč) so najpomembnejši naslednji kriteriji: učinek stroja kot funkcija kavitacije, kavitacijska erozija, dinamično obnašanje stroja v odvisnosti od kavitacije. 106

107 Slika 98. Različni tipi kavitacijskih vrtincev v Francisovi turbine. Naloga proizvajalca vodnih turbin je izdelati tako turbino, ki po svojih lastnostih zadovoljuje zgoraj navedene kriterije. Proces razvoja take turbine vsebuje serijo preizkusov kavitacijskih karakteristik modela turbine v posameznih stacionarnih obratovalnih točkah. Za prenos rezultatov kavitacijskih preizkusov iz modela na prototip turbine se uporabljajo izsledki teorije podobnosti NPSE, NPSH, Thomovo število in kavitacijske krivulje Osnovni parameter za opis kavitacijskega stanja v turbine je neto positivna sesalna energija NPSE. NPSE se nanaša na sesalno stran turbinskega stroja in je v direktni navezavi s pojavljanjem kavitacije. V spodnji enačbi predpostavimo, da meritev tlaka in hitrosti lahko izvedemo na mestu, kjer je nameščen gonilnik, za črpalko računamo NPSE npr. na prirobnici na vstopu. NPSE p p abs v v V turbinah NPSE predstavlja razliko med absolutno specifično hidravlično energijo na nivoju (glej sliko) in specifično energijo zaradi parnega tlaka p v na nekem referenčnem nivoju Z ref (referenčni novo ustreza običajno sredini gonilnika turbine). To je zato, ker je pri turbinah ravnina na koncu sesalne cevi turbine in ne na mestu, kjer je nameščen gonilnik. NPSE je potrebno preračunati iz nivoja na referenčni nivo turbinskega gonilnika (zadnji člen v enačbi). Enačba za NPSE se glasi: NPSE p abs p v v g( Z ref Z ). Če je v praksi možno izmeriti tlak na mestu, se gornja enačba direktno uporablja. Če to ni mogoče, lahko NPSE ocenimo iz višine vode na iztoku iz 107

108 turbine. V primeru, ko v točki ni možno izmeriti tlaka in tlačne izgube med točkama in ' niso zanemarljive, uporabimo naslednjo enačbo, pri čemer predstavlja izgube od referenčne ravnine do iztoka (+ za turbino in - za E LS črpalko): NPSE g NPSH p p amb'' v v' p gz amb'' S p E LS v v' g( Z ref Z '' ) E LS Višina vode v točki ' je nižja od mirujoče gladine, ker ima v njej vodni tok še vedno del kinetične energije. Kasneje, ko se tok vode ustavi in je kinetična energija enaka 0, hitrostni člen odpade, višina pa se preračunava na spodnjo vodo, ki je mirujoča voda daleč stran od iztoka. Enačba se v tem primeru glasi ( predstavlja izgube od referenčne ravnine do iztoka, + uporabljamo za E LS turbino in - za črpalko): NPSE p p amb'' v g NPSH g( Zref Zspodnjavod a ) E NPSH oz. neto pozitivna specifična višina podobno označuje skupno absolutno neto tlačno višino na neki referenčni točki z odšteto višino parnega tlaka vode in iztočnimi izgubami. V razmerju do NPSE jo zapišemo tako, da NPSE delimo z gravitacijskim pospeškom: NPSE NPSH. g LS. 108

109 Slika 99. Prikaz nivojev in padcev v vodni turbini za določitev NPSE in NPSH. Slika prikazuje primer, ko v točki ni možno izmeriti tlaka in tlačne izgube med točkama in ' niso zanemarljive. V praksi se porablja tudi Thomovo število, ki omogoča določitev podobnih kavitacijskih pogojev med turbinama iste oblike vendar različne velikosti, kot npr. model in prototip. Število je imenovano po njegovem avtorju Thomovo število Th (194). Krajša oznaka je Th ali kar nekateri avtorji pa ga označujejo s Th. To je kavitacijsko število, prirejeno za uporabo v turbinskih strojih. Za splošno uporabo (turbine in črpalke) definiramo Thomovo število na neki referenčni višini Z ref (glej sliko) kot: NPSE NPSH. E H H predstavlja doseženo (črpalka) ali porabljeno (turbina) tlačno višino. Spremenljivki NPSH in NPSE se uporabljata predvsem pri črpalkah, medtem ko se pri turbinah v praksi največkrat uporablja Thomovo število v originalni obliki, kjer zanemarimo izgube v sesalni cevi in izgube zaradi izhodne hitrosti: H a H s Hv. H V zgornji enečbi je H s sesalna višina. Standardne kavitacijske raziskave na vodnih turbinah vključujejo vpliv razvoja kavitacije na hidravlične karakteristike 109

110 stroja in ocenitev vpliva erozije. Rezultati so pomembni za določitev vgradne višine prototipa in s tem sesalne višine H s. V laboratorijskih pogojih, ki omogočajo spreminjanje sesalne višine na modelu turbine je mogoče s preizkusi določiti in narisati odvisnost izkoristka turbine glede na Thomovo število. Na sliki je prikazana tipična kavitacijska krivulja za Kaplanovo turbino izmerjena s spreminjanjem sesalne višine. Na diagramu so označene značilne vrednosti Thomovega števila: vrednost i, ki ustreza vrednosti pri zaznani začetni kavitaciji (določeni z vizualnim opazo-vanjem, indeks i pomeni incipient, začetna), mejna vrednost 0, najnižja vrednost pri kateri je učinek stroja še ostane nespremenjen, vrednost 1, pri kateri učinek stroja pade za 1% glede na vrednost pri 0, vrednost pl, ki predstavlja vrednost pri obratovalnih pogojih na prototipu ( plant). Poleg omenjenih vrednosti kavitacijskega števila, se v praksi pogosto označijo tudi druge vrednosti odvisno glede na obliko kavitacije, nivo vibracij, jakost hrupa in podobno. Te vrednosti so uporabne za določitev obratovalnih pogojev turbine z minimiziranjem kavitacijske izpostavljenosti. Slika 100. Kavitacijska krivulja z značilnimi vrednosti Thomovega kavitacijskega števila. Krivulja je lastna isti hidravlični točki (pretočno in tlačno število), spreminja se samo absolutni tlak oziroma potopitev turbine. V diagramu (slika) je pri zmanjševanju včasih vidna določena izboklina v krivulji, kjer nastopi povečanje izkoristka turbine. Ta lastnost je posebej znana pri Kaplanovih turbinah in je posledica nekoliko spremenjene oblike profila na lopatici gonilnika zaradi razvoja začetne kavitacije. Ustvarijo se novi natočni pogoji fluida, ki so za dane lokalne pogoje ugodnejši kot v primeru brez 110

111 kavitacije. Začetna plast kavitacije na vstopnem robu turbine deluje kot nekakšna vmesna drsna plast, ki zmanjšuje trenje pri toku fluida. 8.. Oblike in lastnosti kavitacije v vodnih turbinah Znotraj pretočnega trakta reakcijske turbine lahko opazujemo kavitacijske vzorce različnih tipov, oblik in jakosti. V praktične namene kavitacijo največkrat razdelimo glede na oblike in mesta nastanka kavitacijskih struktur (glej sliko): ploskovna kavitacija; ponavadi nastopi na sesalni strani lopate gonilnika. Je neposredna posledica lokalnega zmanjšanja tlaka zaradi relativno visokih hitrosti fluida in/ali nizkega sesalnega tlaka. Tipična struktura te kavitacije je podana s poljem kavitacijskih mehurčkov, ki se navidezno naključno generirajo v področjih nižjega tlaka. Ti mehurčki nato potujejo do področja s povečanim tlakom, kjer implodirajo. Če je množina mehurčkov dovolj gosta, govorimo o kavitacijskem oblaku. Ploskovna kavitacija na sredini profila je verjetno najbolj škodljiva oblika kavitacije z vidika erozije in hrupa. Mehurčkasta kavitacija, ki nastopi v tem primeru je v tesni zvezi z debelino profila. Zaradi povečanega vzgona imajo debelejše lopatice nižji tlak na sredini profila kot tanjše lopate. Zato so tudi občutljivejše na kavitacijo. kavitacija na vstopnem robu; nastopi pri obratovanju v neoptimalnih pogojih. Za razliko od ploskovne kavitacije je kavitacija na vstopnem robu manj odvisna od tlaka na sesalni strani vzdolž lopate. V veliko večji meri je funkcija obratovalnih pogojev, ki vplivajo na vpadni kot fluida. Pri odmiku od optimalnega, postane padec statičnega tlaka v bližini vpadnega roba gonilne lopate takšen, da se oblikuje kavitacijsko področje. Ko se obratovanje premakne k še večjim vpadnim kotom, velikost tega področja narašča. Pri polno razviti kavitaciji lahko tlak na sesalni strani do neke mere vpliva na velikost nastale kavitacijske strukture. Na sam zametek pa ima v splošnem majhen vpliv. Kavitacija na vstopnem robu je po naravi oscilirajoči proces. Tokovno polje na vstopu v turbino, ki ga oblikujeta vodilnik in sesalna cev je prostorsko neuniformno in zato nestacionarno glede na lopatice gonilnika. Kot rezultat tega se vpadni kot gonilnika spreminja po posameznih lopaticah pri vrtenju gonilnika. Pri določenih neoptimalnih pogojih postane vpadni kot prevelik, zato se za vstopnim robom formira kavitacijski oblak. Ko se lopatica gonilnika vrti naprej, se vpadni kot zmanjša in oblak izgine. Obseg in tip kavitacije lahko pri enem obratu gonilnika nihata v precejšnji meri. Tak pojav je kot hrumenje v širokem frekvenčnem obsegu, ki se pojavlja v periodah mimohoda lopate (ali vrtenja gredi). Kavitacija na vstopnem robu je lahko tudi neprekinjajoča v primeru, če je kavitacija na vstopnem robu močneje izražena in se pojavlja preko celotne zavrtitve gredi. Kavitacijski hrup je tukaj enakomerneje moduliran pri frekvenci prehoda lopat (če vse lopate kavitirajo enakomerno) ali pa frekvenci vrtenja gredi (če kavitira samo ena lopata). 111

112 vstopni rob Hočevar, Hidroenergetski sistemi kavitacijski vrtinci; nastanejo kot posledica sekundarnih tokov pri obratovanju pri pogojih izven optimuma. Ti tokovi se združijo v vrtinčni tok, katerih lastnost so visoke hitrosti blizu jedra vrtinca. Posledica je padec statičnega tlaka; če je zadosten, se pojavijo značilne vidne parne vrtinčaste strukture. Ta tip kavitacije zavisi samo od obratovalne točke, tlak na sesalni strani nanjo nima vpliva. Dostikrat se vrtinčaste strukture oblikujejo daleč od trdne površine in ne povzročajo neposredne kavitacijske škode. Vrtinčna kavitacija je po naravi kontinuirni proces, ki se sliši kot naključno prasketanje in treskanje. Vplivajo pa seveda na energetske lastnosti.turbine. Najbolj značilen primer vrtinčne kavitacije je vrtinec za konusom gonilnika. kavitacija na špranji; nastane v špranji med lopato in ohišjem turbine in v špranji med korenom lopate ter pestom. V vseh obratovalnih pogojih, kjer se razvije tlačna razlika na lopati, potuje fluid z veliko hitrostjo z visokotlačnega področja na nizkotlačno stran. Ko doseže razlika tlakov kritično velikost, se tok v špranji upari in povzroči kavitacijo. Pogosto curek fluida skozi špranjo oblikuje vrtinec vzporedno s sesalno stranjo lopate. Uhajanje fluida skozi špranje je vedno prisotno in v splošnem vpliva na zmanjšanje izkoristka turbine. špranja kavitacija izstopni rob pesto Slika 101. Območja pojavljanja kavitacije na lopati gonilnika Kaplanove turbine. 11

113 8.3. Vpliv vsebine delcev v toku na kavitacijske strukture in lastnosti Znano je, da lahko na vidni delež pojava kavitacijskih mehurčkov in rezultirajočih kavitacijskih karakteristik v veliki meri vplivajo nečistoče oz. jedra v fluidu (nevidni delež zraka oz. mehurčki plina s polmerom manjšim od 50 m). Vsebnost jeder ne vpliva samo na začetek pojava kavitacije ampak tudi na razvoj potujoče mehurčkaste kavitacije. Natančna določitev potrebnih minimalnih vrednosti vsebnosti jeder in raztopljenega plina trenutno še ni mogoče. Vpliv posameznih parametrov kot so tip stroja, specifična hidravlična energija, itd. namreč še ni dovolj raziskan. Nastanek kavitacije in možnost njenega opazovanja zavisi od tipa kavitacije, ki je povezana s tipom turbine. Še posebno za kavitacijske preizkuse pri Francisovih turbinah srednjih in visokih specifičnih hitrostih, kjer se kavitacija pojavi na izstopu iz gonilnika, je pomembno, da voda vsebuje dovolj jeder, ki se lahko aktivirajo in rastejo v področjih, kjer je lokalni tlak enak ali manjši parnemu tlaku. Meritve na prototipu kažejo, da je ponavadi v vodi dovolj jeder, ki pospešijo kavitacijo v conah z zmanjšanim tlakom. Na preizkuševališčih, kjer imamo zaprti tokokog vode, je po drugi strani število delcev zmanjšano zaradi razplinjanja vode med kavitacijskimi testi. Posledica tega je, da je pri posamezni definirani vrednosti (npr. pri pl ) aktivirano premajhno število jeder, kar v določeni meri zmanjša obseg vidne kavitacije. Zatorej je kvaliteta vode z obzirom na kavitacijo podobna pogojem pri prototipu, če je vsebnost jeder v pretočnem traktu modela zadostna. S tem zagotovimo pravilni razvoj kavitacije v vseh zonah, kjer se lokalni tlak izenači ali pade pod parni tlak vode. Ustrezno množino aktivnih kavitacijskih jeder pri modelnih meritvah lahko zagotovimo s povečanjem padca, z vpihovanjem jeder v vodo ali z uporabo nerazplinjene (vodovodne) vode. S povečanjem padca pri meritvah je potrebno biti previden, ker lahko vodi v popačene rezultate zaradi porušene Froudove podobnosti Erozija gonilnika zaradi nečistoč v vodi Do erozije gonilnika lahko pride polega kavitacije tudi zaradi nečistoč v vodi. Nečistoče oziroma sedimenti v vodi z abrazijo poškodujejo gonilnik. Abrazija je po svetu različna, najbolj problematični so vodotoki z veliko količino sedimentov, npr. vodotoki v jugovzhodni Aziji. Za zmanjšanje erozije gonilnika zaradi abrazije z nečistočami v vodi se izvaja številne študije, pri čemer se želi zmanjšati abrazijo in ohraniti dobre hidravlične lastnosti turbine. 113

114 8.5. Potopitev turbine Za turbino ni nujno potrebno, da je nameščena na najnižjem mestu v pretočnem traktu. Namestitev na najnižjem mestu je priporočjiva (v resnici tudi potrebna zaradi ekonomskih razlogov) zaradi kavitacije. Kavitacija nastane, ko tlak v tekočini pade pod uparjalni tlak, nastanejo kavitacijski mehurčki. Kavitacija in kavitacijski mehurčki zmanjšujejo izkoristek elektrarne in poškodujejo gonilnik. Pri imploziji kavitacijskih mehurčkov blizu trdne površine, večinoma je to sesalna stran gonilnika, nastane velik tlak, ki iz površine odnese material. Turbina mora delovati pri dovolj velikem NPSH (neto pozitivna sesalna višina), o tem več kasneje v poglavju o kavitaciji. V praksi se turbine namesti kolikor je mogoče visoko, da se s tem zmanjša gradbene stroške, ki predstavljajo navečji del stroškov pri gradnji hidroelektrarne. Kolikor je mogoče nizko lahko še vedno pomeni, da je treba izbrati potopitev (višino vgradnje turbine pod nivojem spodnje vode) tudi 60 m. Slika 10. Presek strojnične zgradbe ČHE Avče. Strojnični jašek je globok približno 80 m, pri čemer je turbina nameščena na njegovem dnu, približno 60 m pod gladino spodnje vode, to je akumulacija Ajba. Vir: Seng. 114

115 Slika 103. Vzdolžni profil ČHE Avče. Strojnična zgradba iz zgornje slike je povsem desno spodaj (napis strojnica). Vir: Seng. 115

116 9. Tok vode v vodnih turbinah 9.1 Absolutna in relativna hitrost Tekočina v turbinskih strojih potuje skozi elemente turbinskega stroja po tokovnici. V gonilniku oziroma rotorju se začne skupaj z njim vrteti. Na delček tekočine, ki se vrti, lahko pogledamo v vrtečem koordinatnem sistemu gonilnika ali v absolutnem koordinatnem sistemu ohišja. V relativnem koordinatnem sistemu gonilnika potuje delček tekočine približno tako, kot je usmerjen kanal lopatice turbinskega stroja. V absolutnem koordinatnem sistemu se ta isti delček vrti skupaj z gonilnikom. Hitrosti v turbinskih strojih bomo označevali z naslednjimi znaki: v - absolutna hitrost toka v absolutnem koordinatnem sistemu, v a - aksialna hitrost toka - hitrost v smeri osi stroja v absolutnem koordinatnem sistemu, v r - radialna hitrost toka - hitrost v smeri radij vektorja v absolutnem koordinatnem sistemu, u - obodna hitrost gonilnika - hitrost v smeri oboda gonilnika turbinskega stroja, v u - preslikava dejanske hitrosti na obodno hitrost gonilnika, v m - meridianska hitrost toka- vektorska vsota aksialne in radialne hitrosti, w - relativna hitrost toka- relativna hitrost toka glede na hitrost lopatice turbinskega stroja. Z indeksom 1 označimo razmere v gonilniku na vstopu in z v gonilniku na izstopu. Včasih uporabimo še indeksa 0 in 3, ki označujeta razmere izven gonilnika in sicer indeks 0 izven gonilnika na vstopu in 3 izven gonilnika na izstopu. Meridianska hitrost v m je merilo za pretok. Za meridinasko hitrost lahko zapišemo naslednje zveze: Radialni stroj: v v m Aksialni stroj: v v Diagonalni stroj: m v r a m v a v r Za meridiansko hitrost in pretok lahko zapišemo naslednjo zvezo, kjer je A presek turbinskega stroja na mestu, kjer tudi določimo meridiansko hitrost. Volumski pretok je V v m A 116

117 Obodno hitrost gonilnika zapišemo z naslednjo osnovno fizikalno enačbo, kjer je vrtilna frekvenca in r radij, na katerem določamo obodno hitrost u r Za povezavo med absolutno, relativno in obodno hitrostjo lahko napišemo naslednjo zvezo, ki je osnovna kinematična enačba za tok v turbinskih strojih. Osnovna kinematična enačba za tok v turbinskih strojih se glasi (absolutna hitrost je vsota relativne in obodne hitrosti) v w u S kotom označujemo kote absolutnega toka in s kotom označujemo kote relativnega toka. Pred vodilnikom tok nima tangencialne hitrosti. Vodilnik da toku tangencialno hitrost. V gonilniku se tangencialna hitrost postopoma zmanjšuje in na izstopu ima tok samo aksialno hitrost. Absolutna hitrost toka v 1 na izstopu iz vodilnika je usmerjena približno enako kot izstopni kot lopatice vodilnika. Ker se gonilnik vrti z obodno hitrostjo u, nateka na lopatice gonilnika hitrost w 1 (gonilnik "čuti" relativno hitrost, oziroma se premika v smeri tangencialne hitrosti) pod približno enakim kotom, kot so usmerjene lopatice gonilnika. Za maksimalen izkoristek turbine moramo zmanjšati hitrost odtekajoče vode. To pomeni, da je potrebno zmanjšati vse hitrostne komponente razen tistih, ki so povezani s propustnostjo vodnega toka skozi turbinski trakt. Na izstopu iz turbine torej želimo, da je izstopna hitrost samo v smeri aksialne hitrosti. Vsakršno pojavljanje radialne hitrosti na izstopu iz Francisovih, Kaplanovih ali cevnih turbin zmanjša izkoristek, zato je nezaželjeno. 117

118 Slika 104. Trikotniki hitrosti v turbini. Pred vodilnikom tok nima tangencialne hitrosti. Vodilnik da toku tangencialno hitrost. V gonilniku se tangencialna hitrost postopoma zmanjšuje in na izstopu ima tok samo aksialno hitrost. Absolutna hitrost toka v 1 na izstopu iz vodilnika je usmerjena približno enako kot izstopni kot lopatice vodilnika. Ker se gonilnik vrti z obodno hitrostjo u, nateka na lopatice gonilnika hitrost w 1 (gonilnik "čuti" relativno hitrost, oziroma se premika v smeri tangencialne hitrosti) pod približno enakim kotom, kot so usmerjene lopatice gonilnika Primer uporabe trikotnikov hitrosti v vodnih turbinah V nadaljevanju bomo navedli primer uporabe trikovnikov hitrosti v vodnih turbinah in črpalkah. Primer. Določi vstopne in izstopne kote tekočine za aksialno turbino, ki je podana z naslednjimi podatki. Kote računaj za premer pesta in premer venca. Predpostavi, da je gonilnik idealen. D p =1.5 m, D v =.5 m, Q=6. m 3 /s, n=500/min, Y teor =850 J/kg. Dp 500 1,5 m a) u1 P up 39,3 m/s 60s DV 500,5m u1 V u V 65,4 m/s 60s 118

119 3 Q Q 46,m b) v 1,97 m/s m A D D (,5 1,5 ) m s V p 4 c) Yteor u1v u1 uvu u1v u1 Y 850 Js vu 1p 1,6 m/s u 39,3 mkg 1p Y 850 Js vu 1v 13 m/s u 65,4 mkg 1v vm 1,97 vstop: tg 1p 1 p arctan 5, vu 1p 1,6 vm 1,97 tg 1v 1 v arctan 8, 6 v 13 tg u1v vm 1,97 arctan 6, 39,3 1,6 4 1 u v 1p p 1p u1p vm 1,97 tg arctan, 65,4 13 1v 1 v u1 v vu 1v izstop: 90 in 90 tg tg p v vm 1,97 arctan, 9 u 39,3 p p p vm 1,97 arctan 1, 7 u 65,4 v v v 9.. Izgube v turbinah in izkoristek Izgube v turbinah zmanjšujejo količino energije, ki se pretvori iz mehanske v električno energijo. Zaradi tega želimo izgube zmanjšati na najmanjšo možno mero. Izkoristek turbine je definiran kot del razpoložljive vodne energije, ki jo turbina pretvori v mehansko energijo in jo odda preko gredi na generator. Zaradi podrobnejše analize razlikujemo več izkoristkov: - hidravlični izkoristek, - volumetrični izkoristek, - mehanski izkoristek. 119

120 Hidravlični izkoristki se gibljejo vse do η h = 0.95 in se jih izrazi preko hidravličnih izgub v vodilniku Z v, gonilniku Z g, difuzorju Z d ter izgub na izstopu iz turbine. Volumetrične izkoristki so posledica volumetričnih izgub, to je netesnosti pretočnega trakta turbine. Izkoristek se lahko giblje vse do η v = Izjema so le Peltonove turbine, pri katerih volumetričnih izgub ni. Mehanski izkoristek vsebuje mehanske izgube v turbini. Mehanski izkoristek se giblje do η m = Kot nam že ime pove, s skupnim izkoristkom zajamemo celotne izgube, ki nastanejo v turbini. Lahko ga izrazimo z razmerjem moči na gredi P g in idealno močjo brez izgub P, lahko pa kot zmnožek vseh do sedaj obravnavanih izkoristkov Tlačne izgube Tlačne izgube zmanjšujejo hidravlični izkoristek. Tlačne izgube imenujemo izgube, ki zmanjšajo tlačno energijo, ki je na voljo turbini. Poznamo tlačne izgube v vodilniku, gonilniku in difuzorju oziroma sesalnem delu turbine (sesalni konus, sesalno koleno in sesalna cev). Tlačne izgube zapišemo kot kvadrat hitrosti vode v posameznem delu stroja, pomnoženo z faktorjem izgub ksi. Za vodilnik uporabimo indeks '0', ki označuje tok pred turbino in za difuzor indeks '3', ki označuje tok na izstopu iz gonilnika. Izgube v gonilniku označimo z relativno hitrostjo w. Enačbe za izgube Z se glasijo Z Z Z v v v 0 izgube v vodilniku g g w izgube v gonilniku d izgube v difuzorju d v Iztočne izgube To je hitrostna izguba, ki zmanjšuje hidravlični izkoristek. Iztočne izgube nastanejo, ker ima voda na izstopu iz turbine še vedno kinetično energijo kot posledica hitrosti vode. Hitrost ima iztekajoča voda na izstopu vode iz difuzorja - iztočnega kanala iz turbine na nivoju spodnje vode elektrarne. Zmanjšujemo jo lahko na ekonomski minimum s pravilno izbiro difuzorja Volumetrične izgube Volumetrične izgube so posledica netesnosti pretočnega trakta turbine. Največkrat so to netesnosti na tesnilih gredi ali tesnilih krmilnih servo sistemov. 10

121 Največji del volumetričnih izgub nastane zaradi uhajanja vode skozi rege med vodilnikom in gonilnikom pri čemer se masni tok vode izogne procesu pretvorbe lastne energije v mehansko energijo gonilnika. To pomeni, da del vode uide gonilniku in odteče namesto skozi pretočne kanale gonilnika med gonilnikom in ohišjem. Odvisne so od splošnega konstrukcijskega koncepta, uporabljenih tesnil, od kvalitete le teh in od velikosti in izvedbe tesnilnih reg. Izjema so le Pelton turbine pri katerih volumetričnih izgub ni Mehanske izgube Nastajajo zaradi trenja v ležajih ter drugih drsnih površin v turbini in njenih pomožnih strojev. Mehanske izgube niso odvisne od velikosti obremenitve, kot to lahko trdimo za hidravlične izgube. Med mehanske izgube včasih prištevamo še porabljeno energijo pomožnih strojev turbine Glavni turbinski enačbi Obe glavni turbinski enačbi poenostavljeno predstavljata tok v vodni turbini. Veljata za povprečno mesto v turbini in za idealno delovno točko. To pomeni, da predpostavljata idealen tok vode v turbino. Realni tok v turbini je: - tridimenzionalen, - nestacionaren, - turbulenten, - se odleplja od lopatic, - ima mejno plast, - kavitira, - ima področja recirkulacije, - kaže področja sekundarnega toka. Mi bomo obravnavali tok v turbinskem stroju poenostavljeno, za nas bo tok: - stacionaren, - brez trenja, - brez mejne plasti, - brez odlepljanja, - brez kavitacije, - brez sekundarnega toka, - mogoče predstaviti s tokovnicami (enodimenzionalna teorija), - mogoče uporabiti empirične koeficiente, V nadaljevanju bomo predstavili turbinski enačbi. Turbinski enačbi nam povesta, kaj se dogaja v turbini na energijskem nivoju in s tem kaj narediti kot konstrukter, da bo turbina delovala z maksimalnim izkoristkom. 11

122 Prva turbinska enačba Prvo turbinsko enačbo zapišemo s pomočjo energijske bilance na mestu pred vstopom v turbinski gonilnik (indeks 1) in na izstopu iz gonilnika (mesto ) gh v p Y gh v p Y Energijsko bilanco naredimo s pomočjo Bernoullijeve enačbe. Energija v točki predstavlja iztočno izgubo gonilnika. Kot konstrukterji bomo le to želeli minizirati. Če upoštevano zakon o ohranitvi energije, celotne izgube v turbini Z ter oddano specifično energijo Y, lahko energijsko bilanco zapišemo z naslednjo enačbo Z Y gh v p gh v p Oddana specifična energija se glasi Z gh v h h g v v p p Y Hkrati lahko zapišemo Bernoullijevo enačbo za energijsko bilanco v vrtečem koordinatnem sistemu Z gh u w p gh u w p Iz enačbe za Y izrazimo tlačno razliko in jo vstavimo v Bernoullijevo enačbo za energijsko bilanco v rotirajočem koordinatnem sistemu. Prva turbinska enačba se tako glasi w w u u v v Y

123 Gornjo enačbo lahko zapišemo tudi z obrnjenim predznakom, odvisno od tega, kako označujemo energijo, če jo turbina odvzame mediju. Drugi člen v gornji enačbi je centrifugalni člen, saj se obodna hitrost spremeni, če sta vstopni in izstopni radij različna. Za povsem aksialne turbine je drugi člen enak 0. Na podlagi prve glavne enačbe lahko sklepamo naslednje. Oddano delo oz. moč turbine je tem večja, čim večje so razlike posameznih členov. Vsi trije členi naj bi bili pozitivni. Da bi bili vsi členi pozitivni mora biti vstopni premer gonilnika večji od izstopnega (v tem primeru je u 1 > u ), ter kanali gonilnika morajo biti nadtlačni, saj s tem zagotavljajo, da relativna hitrost narašča in s tem velja w > w 1. Za doseganje maksimalne pozitivne razlike prvega člena enačbe uporabimo primeren difuzor, saj z njim lahko zmanjšamo hitrost odtekajoče vode v na minimum. Pogoj u 1 > u za maksimiranje specifične hidravlične energije, ki jo lahko turbina predela, lahko povežemo z obliko turbinskih gonilnikov. Visokotlačni Francisovi gonilniki imajo vstopni radij večji od izstopnega, prej smo dejali, da tak gonilnik zaradi daljših lopatic lahko predela več tlaka kot Francisov gonilnik z krajšimi lopaticami. Gonilnik s krajšimi lopaticami ima premer na vstopu manjši od premera na izstopu u 1 < u Druga turbinska enačba Do druge glavne enačbe turbine pridemo, če s pomočjo kosinusnega izreka izrazimo iz trikotnikov hitrosti Δ 1 ter Δ relativni hitrosti w1 v u v u cos1 w v u vu cos ter jih vstavimo v prvo turbinsko enačbo. Pri tem dobimo Y u v 1 1 cos 1 uv cos Kot vidimo, ima enačba negativni člen. Iz slednjega je razvidno, da turbina doseže maksimalno moč, če je drugi člen enačbe enak nič. To zagotovimo z enakostjo = 90. Iz drugimi besedami povedano, iztočni trikotnik mora biti pravokoten. Tako dobimo drugo glavno enačbo turbine za pravokotni iztok ter maksimalno moč in brez upoštevanja izkoristka (predpostavimo, da v toku ni izgub): Y u v 1 1 cos1 13

124 Iz enačbe je razvidno: - da turbina proizvaja mehansko delo, se mora gonilnik turbine vrteti, - da turbina proizvaja električno energijo, mora obstajati obodna komponenta absolutne hitrosti v 1 cos 1 0. Iz tega sledi, da mora veljati 1 < 90, kar dosežemo s poševnim dotokom vode v sam gonilnik. To nam omogočajo lopate vodilnika, ki določajo kot dotoka vode. - enačba velja le v optimalni točki. Pri zmanjšanju pretoka in posledično moči turbine pravokotni trikotnik ni zagotovljen. Pri tem se pojavi negativni člen in turbina deluje z manjšim izkoristkom, kar je tudi velika pomanjkljivost turbinskih strojev. 14

125 10. Obratovalni režimi elektrarn in vodenje elektrarn Pretok vodotoka je odvisen od topografskih, geoloških in klimatskih razmer opazovanega področja (lahko se močno spreminja). Od vseh padavin (P) priteče na površino zemlje kot tekoča voda (V) le del. Del padavin porabijo rastline ali pa takoj izhlapi (R), del padavin ponikne in ostane pod površino kot talna voda (T). Del talne vode priteče na plan s časovnim zamikom kot izvir (I). Slika 105. Pretok vodotoka je odvisen od topografskih, geoloških in klimatskih razmer opazovanega področja, P = V + R + T I. Primernost rek za postavitev HE je odvisna od hidroloških razmer posameznega vodotoka. Primernost za postavitev HE je velika, če izkazuje vodotok majhno spremembo pretoka med letom in veliko zanesljivost predvidevanja pretoka v posameznih dobah. Za postavitev vodne elektrarne je bistven pretok vodotoka na mestu, kjer je načrtovana. Poznavanje časovnega spreminjanja pretoka odločujoče vpliva na zasnovo HE. Podnebje se na daljšo dobo rahlo spreminja (sušno, normalno, deževno leto). Za določitev imenskega pretoka se zato jemlje povprečje zadnjih 10 do 30 let. Hidrološke razmere so podane za naslednje karakteristične pretoke, med katerimi so [Vodnogospodarske osnove]: - največji pretok (največji izmerjeni pretok v izbranem obdobju), - srednji pretok (srednja vrednost vseh srednjih dbnevnih pretokov izbranega obdobja), - srednji mali pretok (srednja vrednost vsakoletnih najmanjših povprečnih dnevnih pretokov izbranega obdobja), - najmanjši povprečni dnevni pretok (najmanjši opaženi pretok v izbranem obdobju), - verjetnost visoke vode v % za razne povratne dobe (1000, 1000, 50, 0 in 5 letne), 15

126 - hidrogrami pretokov po mesecih (prikazujejo povprečne mesečne pretoke za izbrano obdobje, - trajanje pretokov (označujejo pretoke, ki trajajo največ 1,, mesecev v povprečnem letu za izbrano obdobje). Slika prikazuje krivulje trajanj pretokov in in hidrograme pretokov po mesecih za Dravo na merilnem mestu Dravograd. Drava spada med visokogorske vodotoke, ima največji pretok pozno spomladi in v začetku poletja, najmanjšega pozimi. Sava je srednjegorski vodotok reka, ki ima dva maksimuma: spomladi in jeseni. Soča pa je primorski vodotok, ki ima največji pretok v dobi zimskega deževja. Vsaka elektrarna ima omejitve pri koriščenju vode v zgornji akumulaciji. Omejitev podajata višina maksimalne in minimalne gladine, kar imenujemo denivelacija. Denivelacija se sme spreminjati gibati v določenem predpisanem intervalu, le ta je omejen z najvišjo in najnižjo koto akumulacijskih bazenov. Omejitev predstavlja tudi največja predpisana hitrost praznenja ali polnjenja. Optimiranje obratovanja verige elektrarn ima za cilj čim večjo proizvodnjo in čim večji zaslužek na trgu električne energije. Za hidroelektrarne zato želimo, da delujejo takrat, ko je cena električne energije na trgu najvišja, najvišjo ceno pa ima variabilna električna energija. 16

127 Slika 106. Hidrogram pretoka vodotoka Drave na merilnem mestu Dravograd (levo) in krivulje trajanj pretokov Drave, isto merilno mesto. Vir: [Vodnogospodarske osnoveg, Zveza vodnih skupnosti Slovenije] Tipi hidroelektrarn Razlikujemo različne tipe hidroelektrarn, pretočne, akumulacijske, pretočno akumulacijske in črpalne hidroelektrarne Pretočne hidroelektrarne Pretočne hidroelektrarne (ang. Run of the river hydroelectricity) izkoriščajo veliko količino vode, ki ima običajno relativno majhen padec. Vodotok se zajezi, ne ustvarja pa se zaloge vode. Pretočne elektrarne nimajo možnosti zbiranja vode za jezom, temveč sproti izrabijo tisto količino vode, ki priteka po strugi vodotoka. Slabost teh hidroelektrarn je, da sta proizvedena energija in oddana moč odvisni od pretoka, ki pa skozi leto niha. Pretočna elektrarna lahko stoji samostojno ali pa v verigi več elektrarn. Tak sistem več elektrarn v vrsti imenujemo tudi kaskada elektrarn. Tak tip postavitve hidroelektrarn je v Sloveniji izveden na Dravi, na Savi pa se tak sistem gradi. Sistem kaskadnih pretočnih hidroelektrarn dobro deluje, če imata prva in zadnja elektrarna v verigi dovolj veliko akumulacijo, katero lahko kasneje izkoriščajo vse druge dolvodne elektrarne v kaskadi. Pomen akumulacije pri zadnji elektrarni v kaskadi je, da zgladi variacije pretoka dolvodno od zadnje elektrarne v kaskadi. Pretočne elektrarne nimajo možnosti, zbiranja vode za jezom, temveč sproti izrabijo tisto količino vode, ki priteka po strugi vodotoka. Voda teče brez zadrževanja skozi turbine, morebitni presežek pa neizkoriščen čez prelivna polja v jezu. Število in velikost turbin sta prilagojena izbranemu srednjemu pretoku. Primerne so za osnovno preskrbo omrežja z električno energijo, potrebujejo čim bolj enakomeren pretok čez vso leto. Za take elektrarne so značilni veliki pretoki in majhni padci. Za ta tip elektrarn je značilno, da so zgradbe grajene v strugi vodotoka in predstavljajo stebri jezovne zgradbe že strpojnico hidroelektrarne. Presledki med večimi turbinskimi stebri so pretočna polja s sistemom zapornic, ki zapirajo pretok vodi, odvečno pa prepuščajo. Pri nas v Sloveniji imamo večje število pretočnih hidroelektrarn. Zanimiva je hidroelektrarna Dravograd. Elektrarna Dravograd predstavlja prvo stopnjo dravske verige v Sloveniji. Graditi so jo pričeli med drugo svetovno vojno leta 1941 ter jo končali leta 1944 z dvema vgrajenima agregatoma. Elektrarna Dravograd je, poleg enake avstrijske elektrarne Labot, prva v Evropi zgrajena elektrarna stebrskega tipa. 17

128 Slika 107. Hidroelektrarna Dravograd. Med pretočne elektrarne sodijo tudi kanalske hidroelektrarne. Naravna struga je rezultat korozijske sile vodotoka in odpornosti tal, po katerih teče. Da zmanjšamo upornost, katero mora voda na poti premagovati, speljemo vodo v umetni derivacijski kanal. Umetni kanal je primerna rešitev tudi v primerih, ko je padec premajhen in bi zajezitveno jezero zalilo preveliko površino. Da je elektrarna ekonomsko upravičena, moramo zagotoviti dovolj velik padec. Tla kanala so iz materiala, ki predstavlja najmanjše trenje za vodo, za to se uporablja asfalt. V strugi mora zaradi življenja v vodotoku (biološki minimum) še vedno ostati nekaj vode. Primer takega tipa elektrarne je hidroelektrarna Formin. Jez Markovci vodi vodo iz vodotoka Drave po dovodnem kanalu do strojnice HE Formin. Voda dolvodno zapušča HE Formin po odvodnem kanalu in se zliva nazaj v Dravo pri Ormožu. Z zajezitvijo Drave z jezom v Markovcih je nastalo največje slovensko umetno jezero dolžine 7 km in površine 3,46 km, imenovano Ptujsko jezero, ki vsebuje 17,1 milijona m 3 vode, od katerih se lahko 4,5 milijona m 3 izkoristi za proizvodnjo električne energije. Slika 108. Kanalska hidroelektrarna Formin. 18

129 Akumulacijske hidroelektrarne Akumulacijske hidroelektrarne so nasprotje pretočnim elektrarnam. Akumulacijske hidroelektrarne večinoma izkoriščajo manjše količine vode, ki pa ima večji višinski padec od pretočnih elektrarn. Pri teh elektrarnah akumuliramo vodo z nasipi ali pa s poplavitvijo dolin in sotesk. Vodo shranimo zato, da imamo na voljo določen pretok, tudi ko je vode manj. Te elektrarne so lahko večnamenske, saj velikokrat služijo tudi oskrbi z vodo, namakanju, itd. Akumulacijske hidroelektrarne delimo glede na akumulacijo na hidroelektrarne z: - dnevno akumulacijo vode (manjši jezovi), na primer vodne elektrarne na Dravi, - tedensko akumulacijo vode (večji jezovi in pregrade), pri nas v Sloveniji je taka hidroelektrarna Moste, - sezonsko akumulacijo vode, - letno akumulacijo vode (dolinske pregrade). Elektrarna z dnevno akumulacijo deluje na sledeč način. V času majhne nočne obremenitve se akumulacijski bazen polni, v času povečane obremenitve podnevi pa se akumulacijski bazen prazni Pretočno akumulacijske hidroelektrarne Pretočno - akumulacijske elektrarne so kombinacija zgoraj omenjenih. Gradijo se v verigi v kateri ima le prva elektrarna akumulacijsko jezero. Te elektrarne zbirajo vodo navadno krajši čas, medtem ko zbirajo akumulacijske elektrarne vodo daljše obdobje. Kateri način izrabe hidropotenciala je najprimernejši, je odvisno od več dejavnikov, predvsem hidroloških lastnosti vodotoka in možnosti izgradnje akumulacije Črpalne hidroelektrarne Črpalno akumulacijske hidroelektrarne zbirajo vodo v dveh zbiralnikih na različnih višinah. V primeru presežka proizvedene električne energije se vodo prečrpa iz spodnjega zbiralnika v zgornjega. Črpalno akumulacijske elektrarne (ČHE) se uporablja za shranjevanje energije. ČHE deluje v dveh režimih: ko je višek elektrike, elektrarna deluje v režimu črpanja - vodo črpa iz nižjega rezervoarja v višjega, pri tem porablja energijo. Ko pa je potrebno proizvajati elektriko pa poteka obraten proces - voda teče iz višjega rezervoarja v nižjega in pri tem generira elektriko. Pri tem se največkrat uporablja isto poostrojenje: pri črpanju deluje turbina kot črpalka, električni generator pa kot električni motor. Črpalne elektrarne se uporabljajo za shranjevanje energije v obliki potencialne energije vode. 19

130 Izkoristek celotnega sistema je med 70 in 80%. To pomeni, da elektrarna porabi več energije pri črpanju, kot pa jo proizvede pri generiranju, 0-30% energije se izgubi. Prednosti ČHE so, da lahko proizvaja elektriko, ko je velika potreba, v času viškov proizvodnje električne energije zaradi obratovanja jedrskih elektrarn v pasu, pa črpajo vodo za kasnejšo uporabo v zgornjo akumulacijo. ČHE lahko hitreje reagirajo na spremembo moči kot npr. termoelektrarne, zato so pomembne za potrebe sistemske regulacije omrežja. Črpalne elektrarne so lahko enostavne, kot je npr. ČHE Avče, ali pa so vključene v sistem drugih klasičnih in črpalnih elektrarn. Z izrazom enostavna elektrarna imamo v mislih črpalno elektrarno, ki ima eno zgornjo in eno spodnjo akumulacijo. V drugem primeru je možnosti za črpanje več, npr. iz ene spodnje akumulacije v zgornjo akumulacijo, podnevi pa spet v drugo, nižje ležečo spodnjo akumulacijo, kot je to npr. primer sistema elektrarn Ulla Førre na Norveškem. V sedemsetih letih 0. stoletja je bila v Sloveniji zgrajena prva prečrpovalna elektrarna Završnica, ki je delovala v sklopu HE Moste. Agregat HE Završnica je lahko črpal vodo iz Save v akumulacijo Završnica, vendar zaradi onesnaženja Save, slabega izkoristka in nezanesljivosti agregata HE Završnica nikoli ni obratovala v prečrpovalnem režimu delovanja. V zadnjih letih so se pojavile študije izvedbe podzemne spodnje akumulacije črpalnih elektrarn. V ta namen se želi uporabiti obstoječe opuščene rudnike, ali pa podzemne rezervoarje na novo izvrtati, kakor je to v primeru HE Forbach v Nemčiji. Slika 109. Sistem vhidroelektrarn Ulla - Førre, Norveška. Vir: Vodenje energetskih sistemov Vodenje elektroenergetskih sistemov je potrebno, ker je bistveno za zagotavljanje ravnotežja med proizvodnjo in porabo pri odjemalcih električne 130

131 energije. Ker se električna energija v omrežju ne more shranjevati, je potrebno, da je v vsakem trenutku proizvodnja enaka porabi električne energije. Deli elektroenergetskega sistema so usmerjeni v zagotavljanje stalnosti ravnotežja med odjemom in izvozom na porabni strani ter uvozom in proizvodnjo na proizvodni strani. Stalnost ravnotežja in tudi ustreznost obratovanja elektroenergetskega sistema se kaže v zagotavljanju stalne frekvence omrežja. Odstopanje od ravnovesja se kaže kot odstopanje od nazivne frekvence v omrežju. Povečan odjem zmanjšuje, povečana proizvodnja pa povečuje frekvenco v omrežju. Sistemske regulacije se odzovejo na odstopanje in omogočijo izvedbo ukrepov za vrnitev elektroenergetskega sistema v ravnovesje. Potrebe po porabi električne energije se v času dneva, tedna ali letnega časa spreminjajo. Slika kaže povprečen obremenilni diagram porabe električne energije v času delovnega dneva. Elektroenergetski sistem se mora s proizvodnjo, uvozom in izvozom prilagajati porabi. Kritje porabe v skladu z obremenilnim diagramom zahteva ustrezno časovno spreminjanje proizvodnje. Pri tem je pomembno vedeti, da se vsi tipi elektrarn niso sposobni enako odzvati na potrebe po spremembah proizvodnje električne energije. Zgornji del obremenitvenega diagrama je vršni (pokrivajo ga hidroelektrarne), srednji del je trapezni (pokrivajo ga večinoma termoelektrarne) in spodnji del je pasovni (pokrivajo ga jedrske elektrarne). Slika 110. Ravnovesje pri vodenju energetskih sistemov. Vir: Pomembna je primerjava delovanja jedrskih, termo in hidroelektrarn. Jedrske elektrarne so namenjene za pokrivanje porabe v pasu, saj ves čas obratujejo s konstantno močjo. Termo elektrarne so namenjene tudi za pokrivanje potreb po električni energiji v pasu, večinoma, posebej v Sloveniji, pa zaradi majhnega elektroenergetskega sistema za pokrivanje trapeza in celo vršne energije. Nove in sodobne jedrske enote so že močno izboljšane, zato lahko že pokrivajo tudi manjši del sekundarne regulacije, a to ni njihov namen. Pretirano nihanje moči 131