Elektrownie wodne (J. Paska)

1

1 . Ogólna charakterystyka elektrowni wodnych

Rys. 1. Cykl przemian energetycznych, realizowanych w elektrowni wodnej i uproszczony obraz strat energ ii

2. Moc i energia elektrowni wodnych

Rys. 2. Przekrój koryta rzeki: a) w stanie naturalnym,

b) po wybudowaniu elektrowni wodnej: Z1, Z2 - wzniesienie

przekrojów 1 i 2 nad dowolny poziom odniesienia, np. nad

poziom morza [m]; p1, p2 - ciśnienie wody [Pa]; ρ - gęsto ść wody [kg/m 3];

υυυυ1, υυυυ2 - średnia pr ędko ść wody [m/s]; g - przyspieszenie

ziemskie [m/s 2]; V - objętość przepływaj ącej wody [m 3];

H1, H2 - poziomy niwelacyjne luster wody w stosunku do poziomu odniesienia [m];

h1,h2 - głęboko ść poło żenia środka ci ężkości masy wody

pod lustrem wody [m]

Stosując oznaczenia z rys. 2a można wyznaczyć energię wody w korycie rzeki w każdym z przekrojów:

[ ]JVρυ

ρ

pgZA )

2(

211

11 ++= , [ ]JVρυ

ρ

pgZA )

2(

222

22 ++=

Człony wyrażenia w nawiasach mają wymiar [m2/s2 = J/kg] i określają energię jednostkową:

gZ - energia położenia (potencjalna), ρp

- energia ciśnienia, 2

2υ

- energia prędkości (kinetyczna).

Energia rozwijana przez rzekę między dwoma przekrojami wynosi:

( ) [ ]JVpp

ZZgAAA ρ

υ−υ+

ρ−

+−=−=2

22

2121

212112 .

Zakładając, że na poziomach Z1 i Z2 po wybudowaniu zapory znajdą się środki ciężkości mas wody na górnym i dolnym poziomie (rys. 2b) i zainstalowane zostaną hydrozespoły elektrowni wodnej oraz dodatkowo oznaczając: Hl - H2 = H - spad niwelacyjny [m]; gΣhstr - suma strat energii jednostkowej, spowodowanych oporami

przepływu wody przez doprowadzenia i odprowadzenia jej z turbiny [J/kg]; t

VQ = - przepływ wody [m3/s];

ηT - sprawność turbiny wodnej; ηg - sprawność generatora; a także uwzględniając, że: H1 = Z1 + h1, H2 = Z2 + h2, p1 = h1 ρ g, p2 = h2 ρ g,

Elektrownie wodne (J. Paska)

2

otrzymuje się po przekształceniach wyrażenie określające ilość energii elektrycznej możliwą do uzyskania w

elektrowni wodnej: [ ]JηηVρhgυυ

gHA gTstr

22

21

el12 )22

()( Σ−−+= .

Wyrażenie w nawiasach jest jednostkową energią użyteczną Au: [ ]kgJhgυυ

gHA /22 str

22

21

u Σ−−+= .

Człon gH + υ12/2 jest jednostkową energią potencjalną wody w zbiorniku górnym oraz energią kinetyczną

związaną z ruchem wody w tym zbiorniku z prędkością υ1. Człon υ2

2/2 jest stratą jednostkowej energii kinetycznej wody odpływającej na dolnym poziomie z prędkością υ2. Człon gΣhstr jest stratą jednostkowej energii związaną z oporami przepływu wody w doprowadzeniach i odprowadzeniach z turbiny.

Ostatecznie: [ ]JηηVAA gTuel12 )( ρ= .

Moc elektrowni wodnej przy założeniu ρ = 1000 kg/m3 i t = 1 s: ( ) [ ]kWgTu

el1212 ηηQA

t

AP == ≈ 8QH.

3. Rodzaje elektrowni wodnych

Rys. 3. Elektrownia przepływowa, przyzaporowa

o małym spadzie

Rys. 4. Elektrownia pompowa, derywacyjna o du żym spadzie, podziemna:

1 - zbiornik górny, 2 - uj ęcie wody i zamkni ęcia, 3 - sztolnia, 4 - maszynownia,

5 - komora wyrównawcza, 6 - tunel dojazdowy, 7 - zb iornik dolny

4. Turbiny wodne

T u r b i n a w o d n a jest silnikiem hydraulicznym wykorzystującym energię kinetyczną lub energię kinetyczną i energię ciśnienia wody - zależnie od systemu turbiny - do napędu i przekazania energii wirnikowi i sprzęgniętemu z nim generatorowi. Turbiny wodne dzieli się na dwa zasadnicze rodzaje: turbiny wodne akcyjne (natryskowe) oraz reakcyjne (naporowe). Podział ten wynika, podobnie jak w przypadku turbin parowych, z zasady ich działania. W t u r b i n i e a k c y j n e j woda zostaje doprowadzona do wirnika pod ciśnieniem równym w przybliżeniu atmosferycznemu i przekazuje wirnikowi energię kinetyczną pochodzącą z przemiany energii wody (związanej z jej ciśnieniem) w nieruchomej dyszy oraz energii pochodzącej od ruchu wody na wlocie do turbiny. W t u r b i n i e r e a k c y j n e j energia wody związana z jej ciśnieniem na wlocie do turbiny ulega przemianie na energię kinetyczną przekazywaną wirnikowi, częściowo w aparacie kierowniczym i częściowo w samym wirniku.

Elektrownie wodne (J. Paska)

3

Rys. 5. Zmienno ść ciśnienia i pr ędko ści w turbinie wodnej: a) turbina akcyjna, b) turbin a reakcyjna;

c0 – prędko ść wlotowa wody do turbiny, c1 – prędko ść wody na wylocie z dyszy D lub kierownic K, c2’ – prędko ść wody na wylocie z wirnika turbiny, c2 – prędko ść wody na wlocie do wody dolnej, w – wzgl ędna pr ędko ść wody w wirniku, u – prędko ść (wypadkowa), pa – ciśnienie atmosferyczne, p – ciśnienie wody w danym punkcie słupa wody, WR – wirnik turbiny, RS – rura

ssąca, GW – „górna woda”, DW – „dolna woda”

W elektrowniach wodnych znajdują zwykle zastosowanie cztery systemy turbin wodnych. Każdy z nich ma odmienną budowę przystosowaną do najlepszego wykorzystania wielkości spadu, przy jakim ma pracować. Nazwy systemów turbin pochodzą od nazwisk ich pierwszych konstruktorów. Mamy więc do czynienia z turbinami systemu: � Peltona - do spadów największych, H = 300÷2000 m, ns = 2÷35 min-1, � Francisa - do spadów dużych i średnich, H = 50÷500 m, ns = 50÷450 min-1, � Deriaza - do spadów średnich, H = 50÷300 m, ns = 50÷450 min-1, � Kaplana - do spadów małych, H = 3÷80 m, ns = 300÷l000 min-1.

Rys. 6. Turbina systemu Peltona: a) widok wirnika, b) przekrój;

1 - dysze z odchylaczami strugi wody, 2 - serwomotor, 3 - obudowa

wirnika

Rys. 7. Turbina systemu Francisa: a) widok wirnika, b) widok spirali,

c) przekrój; 1 - wirnik, 2 - łopatki kierownicze,

3 - spirala, 4 - generator, 5 - rura ss ąca

Elektrownie wodne (J. Paska)

4

Rys. 8. Turbina systemu Deriaza: a) widoki wirników, b) przekrój;

1 - wirnik, 2 - łopatki kierownicze, 3 - spirala, 4 - generator, 5 - rura ss ąca

Rys. 9. Turbina systemu Kaplana: a) widoki wirników , b) przekrój;

1 - wirnik, 2 - łopatki kierownicze, 3 - spirala, 4 - generator, 5 - rura ss ąca

Rys. 10. Turbina Kaplana typu gruszkowego (rurowa): 1 - szczelna obudowa, 2 - łopatki wsporcze, 3 - łop atki

kierownicze, 4 - generator, 5 - wentylator, 6 – wła z

Rys. 11. Turbina Banki-Michella z napływem:

a) poziomym, b) pionowym;

1 – łopatka kierownicza, 2 – wirnik turbiny

Elektrownie wodne (J. Paska)

5

Rys. 12. Obszary zastosowa ń turbin wodnych różnych typów (cross-flow – turbina Banki-

Michella, Turgo – podobna do turbiny Peltona)

5. Charakterystyka energetyki wodnej i wybranych el ektrowni wodnych

Tablica 1. Najwi ększe elektrownie wodne w Polsce

Elektrownia Moc zainstalowana, MW Liczba i typ turb in 1) Rok uruchomienia i rodzaj 2)

Żarnowiec Porąbka-Żar Solina Włocławek Żydowo Niedzica (Czorsztyn) Dychów

680,0 500,0 200,0 160,2 150,0

92 79,5

4 R 4 R

2 R + 2 F 6 K

2 R + 1 F 2 R (D)

3 K+ 4 P

1982 – SP 1979 – SP 1969 – ZP 1969 – P

1971 – SP 1997 – P (SP)

1951 – ZP Rożnów Koronowo Tresna Dębe Porąbka

56,0 26,0 21,0 20,0 12,6

4 K 2 K 2 K 4 K

2 K +1 F

1942 – Z 1960 – Z 1966 – Z 1963 – P 1954 - Z

RAZEM 1881,6 – – 1): K – Kaplana, F – Francisa, R – odwracalna (pompoturbina), D – Deriaza, P – oddzielna pompa śmigłowa; 2): SP – szczytowo-pompowa, P – przepływowa, Z – zbiornikowa, ZP – zbiornikowa z członem pompowym

Obecnie w Polsce największą elektrowni ą wodn ą przepływow ą jest elektrownia Włocławek na Wiśle, stanowiąca pierwszy element planowanej Kaskady Dolnej Wisły o sumarycznej mocy 1300 MW. Elektrownia Włocławek jest wyposażona w 6 hydrozespołów z turbinami Kaplana o łącznej mocy 160 MW (6 po 27,8 MW).

Przykładem elektrowni zbiornikowej z członem pompowym jest elektrownia Solina, zbudowana w latach 1960-86, stanowiąca element przyszłej kaskady rzeki San. Jest to elektrownia przy zaporze betonowej, ze zbiornikiem w wyrównaniu wieloletnim. Została ona wyposażona w: - dwie turbiny Francisa o danych: moc turbiny Pt = 68 MW, prędkość obrotowa n = 136 min-1, średnica

wirnika D = 4,1 m, spad średni H = 57 m, turbiny napędzają prądnice synchroniczne (ze wzbudnicą prądu stałego) o danych: S = 75,5 MV⋅A, P = 68 MW, cosφ = 0,9, U = 10,5 kV ± 5 %;

- dwie pompoturbiny o danych: stosunek mocy pracy turbinowej do mocy pracy pompowej Pt/Pp = 32 MW/30 MW, n = 136,6 min-1, D = 4,5 m, H = 57 m, prądnice/ silniki synchroniczne o danych: S = 35,5 MV⋅A, Pt/Pp = 31,8 MW/30,7 MW, cosφt/cosφp = 0,9/0,9 poj, U = 10,5 kV ± 5 %.

Ważną rolę w systemie elektroenergetycznym spełniają elektrownie wodne pompowe , zwane również szczytowo-pompowymi. Pozwalają one na użycie wody jako magazynu energii, bowiem pracują w ten sposób, że w okresach małego obciążenia systemu pompują wodę ze zbiornika dolnego do górnego a w okresach dużego obciążenia wytwarzają energię elektryczną wykorzystując wodę zgromadzoną w górnym zbiorniku.

Elektrownie wodne (J. Paska)

6

Rys. 13. Zasada pracy elektrowni pompowej

S p r a w n o ś ć c yk l u p r a c y e l e k t r o w n i p o m p o w e j jest określona następująco: � sprawność pracy pompowej rpstrcp ηηηηη =

� sprawność pracy turbinowej rtgtrct ηηηηη =

� sprawność cyklu ctcpc ηηη =

gdzie: ηp, ηt, ηtr, ηg, ηs – sprawności: pompy, turbiny, rurociągu wodnego, transformatora, maszyny elektrycznej pracującej jako generator lub jako silnik napędzający pompę.

Uzupełniając już podane wartości sprawności danymi: gs ηη = , 9,0p =η , 99,0r =η , otrzymuje się

77,07,0c ÷=η , co oznacza że z 1 kW⋅h energii pobranej z systemu zostanie zwrócone 0,7 ÷ 0,77 kW⋅h w

okresie szczytu. Sprawność elektrowni pompowej określa zależność: eppece ηηηη =

gdzie: ηpe – sprawność przesyłu energii; ηep – sprawność, z jaką wytwarza się energię elektryczną zużywaną na pompowanie.

Obecnie w Polsce największą elektrownią wodną pompową jest elektrownia Żarnowiec o mocy zainstalowanej 680 MW (4 hydrozespoły). Elektrownia ma sztuczny zbiornik górny zbudowany na płaskowyżu położonym w sąsiedztwie jeziora z naturalnym dopływem wody (jezioro Żarnowieckie), stanowiącym zbiornik dolny elektrowni. Woda ze zbiornika górnego jest doprowadzona do turbin 4 rurociągami ciśnieniowymi stalowymi o długości 1135 m i średnicy (max/min) 7,1/5,5 m. Elektrownia jest wyposażona w:

- pompoturbiny o danych: Pt/Pp = 170 MW/182 MW; n = 166,7 min-1; D = 6 m; H = 117 m; ηt/ηp = 0,905/0,910;

- prądnice/silniki synchroniczne o danych: S = 200 MV⋅A; cosφt/cosφp = 0,85/0,94poj; U = 15,75 kV ± 7,5%.

Interesująco została rozwiązana elektrownia Porąbka-Żar, o mocy 500 MW, która została wybudowana jako podziemna we wnętrzu góry Żar. Elektrownia ma zbiornik dolny powstały ze spiętrzenia rzeki Soły oraz sztuczny zbiornik górny i została wyposażona w: � cztery pompoturbiny o danych: Pt/Pp = 124 MW/135 MW; n = 600 min-1; D = 3,1 m; H = 440 m;

ηt/ηp = 0,916/0,907; � prądnice/silniki synchroniczne o danych: S = 150 MV⋅A; cosφt/cosφp = 0,9/0,9poj; U = 13,8 kV ± 10%. Średniospadowa, zlokalizowana na wybrzeżu elektrownia Żarnowiec została uruchomiona w 1982 roku i przekazana w całości do eksploatacji w 1983 r.

Wysokospadowa elektrownia szczytowo-pompowa Porąbka-Żar, usytuowana na południu Polski, w Beskidzie Małym koło Żywca została uruchomiona w 1979 r. i przekazana w całości do eksploatacji w 1980 r. Porąbka-Żar (4×125 MW) jest klasyczną elektrownią typu podziemnego, której wszystkie obiekty funkcjonalne, z wyjątkiem zbiorników wodnych górnego i dolnego, usytuowane są w masywie góry Żar na dużej głębokości pod powierzchnią terenu. Rolę dolnego zbiornika elektrowni spełnia istniejący zbiornik retencyjny Porąbka, tzw. jezioro Międzybrodzkie. Leży on 440 m poniżej zbiornika górnego.