hidroenergetska proracun nermin 2.docx

MAŠINSKI FAKULTET U TUZLI HIDROENERGETSKA POSTROJENJAZadatak broj: 1List broj: 2

1.

2.

3.

4.5.

SADRŽAJPRILOZIP1. Postavka zadatkaP2. Popis slika i tabela

HIDROELEKTRANE1.1 UVOD1.2 Podjela hidroelektrana1.2.1 Akumulacijiske hidroelektrane1.2.2 Protočne hidroelektrane1.2.3 Reverzibilne hidroelektrane1.2.4 Hidroelektrane na plimu i oseku1.2.5 Hidroelektrane na valove1.2.6 Niskotlačne1.2.7 Srednjotlačne1.2.8 Visokotlačne1.3 OSNOVNI DIJELOVI HIDROELEKTRANA1.4 MINI HIDROELEKTRANE1.4.1 Dijelovi mini hidroelektrane1.4.2 Prednosti i nedostatci mini hidroelektrane1.4.3 Projektovanje mini hidroelektrane1.4.4 Određivanje bruto energetskog potencijala1.4.5 Određivanje veličine izgradnje mini hidroelektrane1.4.6 Izbor turbine i neto snage

PRORAČUN MINI HIDROELEKTRANE2.1 DEFINISANJE ENERGETSKIH PARAMETARA HIDROELEKTRANE2.2 IZBOR I KONSTRUKCIJA VODOZAHVATA2.3 PRORAČUN TLAČNOG CJEVOVODA2.4 IZBOR TURBINE2.5 IZBOR GENERATORA2.6 PRESJEK STROJARNICE2.7 DOPUŠTENA USISNA VISINA DIFUZORA2.8 IZBOR EKONOMSKOG PREČNIKA CJEVOVODA

EKOLOŠKO-EKONOMSKI ASPEKTI PROJEKTA

ZAKLJUČAK

LITERATURA

556

66677789

1011121213131414

161622232426272830

32

3435


PROJEKTNI ZADATAK

Uraditi projekat male hidroelektrane sa zadanim parametrima:

br. Parametar Vrijednost1. kota vode zahvata 210 [m]2. kota vode (donje) 180 [m]3. snaga mini hidroelektrane 3150 [kW]

SADRŽAJ PROJEKTNE DOKUMENTACIJE

U projektnom zadatku potrebno je odrediti sljedeće:

definisati energetske parametre u HE (ukupni pad, neto pad, energija HE, snaga HE), izvršiti izbor vodozahvata, konstruisati vodozahvat, proračunati tlačni cjevovod, izabrati vodostan i proračunati, proračunati cjevovod na hidraulički udar, izabrati vodenu turbinu, prikazati presjek idejnog rješenja strojarnice.


POPIS SLIKA

Slika 1.0. Shema hidroelektraneSlika 1.1 Kaplanova turbinaSlika 1.2 Francisova turbinaSlika 1.3 Peltonova turbinaSlika 1.4 Shema mini HESlika 1.5 Skica HE sa velikim padomSlika 1.6 Zavisnost bruto pada od zapremine akumulirane vodeSlika 1.7 Promjena prečnika cjevovoda u zavisnosti od promjene brzine strujanja fluida kroz

cjevovodSlika 1.8 Promjena koeficijenta trenja u zavisnosti od brzine strujanjaSlika 1.9 Promjena linijskih gubitaka u cjevovodu u zavisnosti od brzine strujanjaSlika 1.10 Oblik vodozahvataSlika 1.11 Izbor turbine prema padu i protokuSlika 2.0 Presjek strojarniceSlika 2.1 Visinska razlika hs za turbinu


1. HIDROELEKTRANE1.1. UVOD

Hidroelektrana je postrojenje u kojem se potencijalna energija vode najprije pretvara u kinetičku energiju njezinog strujanja, a potom u mehaničku energiju vrtnje vratila turbine te, konačno u električnu energiju u električnom generatoru. Hidroelektranu u širem smislu čine i sve građevine i postrojenja, koje služe za prikupljanje (akumuliranje), dovođenje i odvođenje vode (brana, zahvati, dovodni i odvodni kanali, cjevovodi itd.), pretvorbu energije (vodne turbine, generatori), transformaciju i razvod električne energije (rasklopna postrojenja, dalekovodi) te za smještaj i upravljanje cijelim sustavom (strojarnica i sl).

Iskorištavanje energije vodnog potencijala ekonomski je konkurentno proizvodnji električne energije iz fosilnih i nuklearnog goriva, zato je hidroenergija najznačajniji obnovljivi izvor energije. U zadnjih trideset godina proizvodnja u hidroelektranama je utrostručena, a njen udio povećan je za 50 %, za to je vrijeme proizvodnja u nuklearnim elektranama povećana za 100 puta, a udio oko 80 puta. Ti podaci pokazuju da se proizvodnja u hidroelektranama brzo povećava, ali značajno zaostaje za proizvodnjom u nuklearnim elektranama (ali i termoelektranama).

Slika 1.0. Shema hidroelektrane

Razlog takvom stanju leži u činjenici da iskorištavanje hidroenergije ima bitna tehnička i prirodna ograničenja. Glavno ograničenje jest zahtjev za postojanjem obilnog izvora vode kroz cijelu godinu, jer je skladištenje električne energije skupo i vrlo štetno za okoliš, osim toga na određenim lokacijama je za poništavanje utjecaja oscilacija vodostaja potrebno izgraditi brane i akumulacije. Njihovom izgradnjom značajno se povećava investicija, utjecaji na okoliš, potrebna je zaštita od potresa, a u zadnje vrijeme postoje i značajne terorističke prijetnje.

Jednom kada je hidroelektrana završena, nije potreban novac za sve skuplje gorivo, ne stvara se opasan otpad (kao kod nuklearnih elektrana) i stvara gotovo zanemarljivu količinu stakleničkih plinova (za razliku od termoelektrana). U svijetu je instalirano hidroelektrana sa snagom od 777 GW, koje daju 2998 TWh električne energije, u 2006. To je otprilike 20 % svjetske proizvodnje električne energije svih vrsta, ili 88 % od svih obnovljivih izvora energije.


1.2. PODJELA HIDROELEKTRANA

Hidroelektrane se mogu podijeliti prema njihovom smještaju, padu vodotoka, načinu korištenja vode, volumenu akumulacijskog bazena, smještaju strojarnice, ulozi u elektroenergetskom sustavu, snazi itd.

Prema načinu korištenja vode, odnosno regulacije protoka, hidroelektrane se dijele na:

akumulacijske, kod kojih se dio vode prikuplja (akumulira) kako bi se mogao koristiti kada je potrebnije

protočne, kod kojih se snaga vode iskorištava kako ona dotječe reverzibilne ili crpno-akumulacijske, kod kojih se dio vode koji nije potreban pomoću viška

struje u sustavu crpi na veću visinu, odakle se pušta kada je potrebnije.

1.2.1. AKUMULACIJISKE HIDROELEKTRANE

Potencijalna energija akumulacijskih hidroelektrana dolazi od akumulacionog jezera, koji ima branu, i kad je potrebno voda se dovodi do vodne turbine i električnog generatora, da bi se proizvela električna energija. Snaga ovisi o visini vodenog stupca, ili razlici visine između površine vode u akumulacionom jezeru i odvodu vode poslije vodne turbine. Velika cijev koja vodi od akumulacionog jezera do vodne turbine naziva se tlačni cjevovod.

1.2.2. PROTOČNE HIDROELEKTRANE

Protočne hidroelektrane su one čija se uzvodna akumulacija može isprazniti za manje od dva sata rada kod nazivne snage ili takva akumulacija uopće ne postoji. Kinetička energija vode se skoro direktno koristi za pokretanje vodnih turbina. Vrlo su jednostavne za izvođenje, nema dizanja razine vodostaja, imaju vrlo mali utjecaj na okoliš, ali su i vrlo ovisne o trenutno raspoloživom vodenom toku

1.2.3. REVERZIBILNE HIDROELEKTRANE

Reverzibilnim turbinama voda se iz donjeg akumulacijskog jezera pumpa natrag u gornje akumulacijsko jezero. Taj proces se dešava u satima u kojima nije vršno opterećenje, radi uštede energije i radi raspoloživosti postrojenja u vršnim satima. Principijelno, donja akumulacija služi za punjenje gornje akumulacije. Iako pumpanje vode zahtjeva utrošak energije, korisnost se očituje u tome što hidroelektrana raspolaže sa više vodenog potencijala za vrijeme vršnih opterećenja. Osnovna primjena je pokrivanje vršnih opterećenja. Energetski su neefikasne, ali su praktičnije od dodatne izgradnje termoelektrana za pokrivanje vršnih opterećenja potrošnje.

Prema smještaju samih postrojenja, odnosno prema vodenom toku čiju energiju iskorištavaju, hidroelektrane mogu biti:

"klasične", na kopnenim vodotokovima: rijekama, potocima, kanalima i sl. na morske valove na morske mijene: plimu i oseku.

1.2.4. HIDROELEKTRANE NA PLIMU I OSEKU


Energija plime i oseke spada u oblik hidroenergije koja gibanje mora uzrokovano morskim mijenama ili padom i porastom razine mora, koristi za transformaciju u električnu energiju i druge oblike energije. Za sad još nema većih komercijalnih dosega na eksploataciji te energije, ali potencijal nije mali. Energija plime i oseke ima potencijal za stvarnje električne energije u određenim dijelovima svijeta, odnosno tamo gdje su morske mijene izrazito naglašene. Morske mijene su predvidljivije od energije vjetra i solarne energije. Taj način proizvodnje električne energije ne može pokriti svjetske potrebe, ali može dati veliki doprinos u obnovljivim izvorima energije. Na pojedinim mjestima obale u zapadnoj Francuskoj i u jugozapadnom dijelu Velike Britanije amplituda dostiže i više od 12 m. Za ekonomičnu proizvodnju je potrebna minimalna visina od 7 m. Procjenjuje se da na svijetu postoji oko 40 lokacija pogodnih za instalaciju plimnih elektrana.

1.2.5. HIDROELEKTRANE NA VALOVE

Hidroelektrane na valove su elektrane koje koriste energiju valova za proizvodnju električne energije. Energija valova je obnovljivi izvor energije. To je energija uzrokovana najvećim dijelom djelovanjem vjetra o površinu oceana. Snaga valova se razlikuje od dnevnih mijena plime/oseke i stalnih cirkularnih oceanskih struja. Za korištenje energije valova moramo odabrati lokaciju na kojoj su valovi dovoljno česti i dovoljne snage. Ta snaga varira ovisno o zemljopisnom položaju, od 3 kW/m na Mediteranu do 90 kW/m na Sjevernom Atlantiku.

Generiranje snage iz valova trenutno nije široko primijenjena komercijalna tehnologija, iako su postojali pokušaji njenog korištenja još od 1890.

Prema padu vodotoka, odnosno visinskoj razlici između zahvata i ispusta vode (klasične) hidroelektrane se mogu podijeliti na:

niskotlačne, s padom do 25 m srednjotlačne, s padom između 25 i 200 m visokotlačne, s padom većim od 200 m.

1.2.6. NISKOTLAČNE HIDROELEKTRANE

Za niske padove (do približno 40 metara) koriste se takozvane Kaplanove turbine koje rade slično kao i Francisove turbine, s tim da je broj lopatica daleko manji.

Kaplanova turbina je propelerna vrsta vodnih turbina, sa zakretnim lopaticama na rotoru i radi samo na niskim padovima vode, uglavnom s velikim protokom. Da bi se smanjili sudarni gubici i osiguralo strujanje vode s najmanje hidrauličkih gubitaka, u većini propelernih turbine, lopatice radnog kola mogu se zakretati u pogonu. Izvedba turbina sa zakretnim lopaticama rotora je složenija nego izvedba običnih propelernih turbina, no njihove energetske karakteristike su znatno povoljnije. Njihov stupanj iskorištenja može biti i preko 90 %.


Propelerne turbine spadaju u red aksijalnih hidrauličkih strojeva s primjenom pri malim padovima i velikim protocima. Korisni padovi se kreću od nekoliko metara pa sve do 60-70 metara. Radi takvih karakteristika, ovakve turbine se uglavnom primjenjuju u ravninskim područjima, na rijekama koje osiguravaju cjelogodišnji visoki protok, a izgradnjom umjetnih brana se osigurava potreban pad. Izlazne snage Kaplanovih turbina mogu biti od 5 do 120 MW.

Glavni vodeni tok kroz Kaplanovu turbinu je aksijalan. Ugao zakreta lopatica rotora određuje se prema otvoru privodnog kola i trenutnom padu. Kombinatorna veza se definira tako da se ostvari najveća moguća korisnost u svim pogonskim uvjetima. Odnos otvora lopatica privodnog i radnog kola kod turbina sa zakretnim lopaticama rotora regulira se preko posebnog uređaja koji se naziva kulisa. Sustav automatske regulacije turbina s pomičnim lopaticama rotora osim privodnim kolom, upravlja i radnim kolom zakrećući lopatice rotora, pa se takve turbine nazivaju dvostruko reguliranim turbinama. Slika 1.1. Kaplanova turbina

Kaplanove turbine spadaju u grupu reakcionih turbina, a to znači da se tlak mlaza vode mijenja prolaskom kroz turbinu. Turbine s većim padom, imaju veću razliku tlakova između lopatica rotora i difuzora, tako da na lopaticama rotora dolazi do pojave kavitacije.

1.2.7. SREDNJETLAČNE HIDROELEKTRANE

Za srednje padove (do 200 metara) koriste se takozvane Francisove turbine, kod kojih provodni dio s lopaticama okružuje kotač. U provodnom dijelu ovih turbina potencijalna se energija vode samo djelomično pretvara u kinetičku, tako da s određenim pretlakom dospijeva u obrtno kolo (kotač) i njemu predaje svoju energiju.

Francisova turbina je vrsta vodene turbine koju je konstruirao britansko-američki inženjer James Bicheno Francis a primarno služi za proizvodnju električne energije uz pomoć generatora. Francisove turbine imaju veliki stupanj iskoristivosti kapaciteta s preko 90%, te veliki raspon djelovanja u odnosu na visinu (konstruktivni pad) fluida pri protoku kroz turbinu. To je naročito naglašeno kod vode gdje postiže optimalan rad pri konstruktivnom padu od 20 metara do čak 700 metara, a izlazna snaga može biti od par kilovata do 750 MW. Promjer rotora može biti od 1 m do 10 m, a broj okretaja rotora od 83 do 1000 okretaja u minuti.

Francisov tip turbine je najučestaliji tip turbine koja se instalira u pogone za proizvodnju električne energije koji rade na bazi protoka vodene mase kroz pogon za proizvodnju – najčešće su to hidroelektrane. Slika 1.2. Francisova turbina


Francisova turbina je reakcijska ili pretlačna turbine, a to su vodne turbine u kojima je tlak na ulazu u rotor veći od onoga na njegovom izlazu. Pojedini dijelovi reakcijskih vodnih turbina načelno se razlikuju najviše po konstrukciji radnog kola kao glavnog dijela, dok im je većina ostalih dijelova:

spiralni dovod, statorske lopatice, difuzor i ležajevi,

slična po konstrukciji i funkciji.

1.2.8. VISOKOTLAČNE HIDROELEKTRANE

Za visoke padove (preko 200 metara) primjenjuju se takozvane Peltonove turbine kod kojih se potencijalna energija vode u provodnom dijelu potpuno pretvara u kinetičku, i u obliku vodenog mlaza pokreće lopatice turbine pretvarajući kinetičku energiju u mehaničku.

Peltonova turbina je vodna turbina koja se koristi za velike padove (preko 200 m) i manje protoke vode. Ona je među turbinama s najvećim stupnjem iskorištenja. Izumio ju je Lester Allan Pelton 1878. Ona je glavni prestavnik turbina slobodnog mlaza ili akcijskih turbina. Geometrija lopatica je tako podešena da se one okreću sa pola brzine mlaza vode, koriste skoro svu količinu gibanja mlaza vode, koji napušta turbinu gotovo bez ikakve brzine. Ona nije potopljena u vodi i lopatice se okreću u zraku. Maksimalna snaga može biti do 200 MW.

Rotor turbine se obično sastoji od 12 do 40 lopatica, a svaka je lopatica oštrim bridom podijeljena u dva jednaka ovalna dijela.

Slika 1.3. Peltonova turbina

Ovakav oblik lopatice „reže“ mlaz vode u dva dijela od kojih svaki napušta lopaticu pod kutem od gotovo 180°. Osebujnost lopatica Peltonovih turbina jest u tome što nisu stalno opterećene, kao npr. lopatice rotora Francisovih turbina, već su samo privremeno u dodiru s mlazom. Tijekom dodira lopatice s mlazom nagib lopatice prema mlazu, kao i mjesto gdje ovaj ulazi u lopaticu, se stalno mijenja.Ovisno o konstrukciji, Peltonove turbine mogu imati jednu ili više mlaznica, odnosno slobodnih mlazova, a rotor turbine može biti postavljen na horizontalno ili vertikalno vratilo, na kojem mogu biti postavljena jedan ili dva rotora . Postavljanje više rotora na vertikalno vratilo zahtijeva pažljivu konstrukciju, kako gornji rotor ne bi hidrodinamički narušavao rad donjeg rotora. Izvedba Peltonove turbine s vertikalnim vratilom je povoljnija, jer omogućuje dovod vode po obodu rotora, te postavljanje rotora na minimalnu visinu iznad donje vode. Dovod


vode po obodu rotora (u istoj horizontalnoj ravnini) omogućuje korištenje većeg broja mlazova koji se nalaze na istoj geodetskoj koti, a što je povoljno sa stanovišta regulacije.

1.3. OSNOVNI DIJELOVI HIDROELEKTRANE

Brane ili pregrade su građevine koje imaju višestruku svrhu: da skrenu vodu s njenog prirodnog toka prema zahvatu hidroelektrane, da povise nivo vode radi postizanja većeg pada i da ostvare akumulaciju vode. Brane se dijele na visoke i niske. Niska brana kojom se bitno ne mijenja nivo vode naziva se i pragom. Obzirom na upotrijebljeni materijal brane mogu biti masivne (kamen, beton) i nasute (zemljane i kamene). Za odvođenje suvišnih voda i radi regulisanja vodostaja pri nailasku velikih voda služe preljevi, ispusti i pretočna polja u tijelu brane u kojima su smještene ustave (pokretne zapornice).

Zahvat ima zadatak da vodu zaustavljenu od pregrade primi i uputi prema centrali. Razlikuju se u principu dva osnovna tipa zahvata: zahvat na površini i zahvat ispod površine vode. Zahvat na površini vode izvodi se kada je pregrada niska pa je nivo vode iza pregrade praktično konstantan. Prolaz vode kroz zahvat reguliše se zapornicama. Kada se, usljed akumuliranja vode u kišnom periodu i njenog korištenja u sušnom, nivo vode tokom godine mijenja, zahvat treba postaviti ispod nivoa vode, i to na najnižu kotu do koje se može očekivati spuštanje nivoa vode.

Dovod spaja zahvat s vodostanom ili vodnom komorom. Može biti izrađen kao kanal ili kao tunel, zavisno od topografije terena kojim se vodi dovod i o pogonskim zahtjevima koji se postavljaju hidroelektrani. Tunel se može izvesti kao gravitacioni i kao tlačni tunel. Gravitacioni tunel voda ne ispunjava, pa je za promjenu dotoka vode potrebo mijenjati otvor na zahvatu, u slučaju tlačnog tunela voda ispunjava cijeli profil tunela i za promjenu količine dobavljene vode nije potrebno nikakvo djelovanje na zahvatu. (Hidroelektrane su znatno "elastičnije" u pogonu kada imaju tlačni dovod, nego kada imaju gravitacioni, jer mogu bez ikakvih manipulacija slijediti promjene opterećenja).

Vodostan ili vodna komora nalazi se na kraju dovoda. Kada je dovod gravitacioni, potreban je vodostan dovoljne zapremine, da bi mogao poslužiti kao rezervoar vode u slučaju naglih promjena opterećenja. Ako pak hidroelektrana ima tlačni dovod, proširenje na kraju tog dovoda mora se izvesti kao vodna komora takvih dimenzija da, nakon promjene opterećenja pritisak u dovodu ne porate iznad dozvoljene granice, odnosno da nivo vode ne padne ispod najviše kote ulaza u tlačni cjevovod. Dimenzionisanje vodne komore ima bitan uticaj na pravilno funkcionisanje hidroelektrane.

Tlačni cjevovod služi za vođenje vode iz vodostana ili vodne komore do turbina. Na ulazu u cjevovod uvijek postoji zaporni organ, čija izvedba zavisi od pritiska koji vlada na početku cjevovoda. Najvažniji je sigurnosi zaporni organ koji ima zadatak da automatski spriječi daljnje doticanje vode u cjevovod ako iz bilo kakvih razloga pukne cijev. Ispred sigurnosnog zapornog organa postavlja se pomoćni zaporni organ, koji omogućuje pregled i opravke na sigurnosnom organu bez pražnjenja dovodnog tunela ili dovodnog kanala. Postavljanje zapornih organa na dnu tlačnog cjevovoda zavisi od broja turbina koje su spojene na jedan cjevovod i od pogonskih zahtjeva koji se postavljaju hidroelektrani.

Obilazni cjevovod se nalazi na početku glavnog cjevovoda. On je predviđen za postepeno punjenje glavnog cjevovoda te ima mnogo manji prečnik od ovog, jer se, radi sprečavanja oštećenja, cjevovod puni samo sa približno 1/20 protoka u normalnom pogonu. Osim toga, zadatak


je obilaznog cjevovoda da omogući izjednačenje pritisaka ispred i iza zapornog organa na ulazu u cjevovod, jer bi bez tog izjednačenja bila potrebna vrlo velika snaga za otvaranje zapornog organa.

1.4. MINI HIDROELEKTRANE

Mini hidroelektrane su hidroenergetski sistemi manjih snaga, uglavnom izgrađni na manjim vodotocima (rijekama) i potocima, kanalima pa čak i sistemima za vodosnabdijevanje. Osnovni parametri, koje bi trebalo koristiti u klasifikaciji mini HE su:

instalisana snaga agregata, vrsta agregata u odnosu na turbinu i način rada, broj obrtaja, način rada u odnosu na opšti energetski sistem, instalisani pad, itd.

Podjela mini HE prema raspoloživom padu prihvaćena je u većini zemalja koje su prema instalisanom padu definisale opremu. Tako, na primer, jedan broj proizvođača elektromašinske opreme u SAD proizvodi standardizovane agregate u koje se uključuje turbina, sinhroni generator sa sistemom automatske regulacije, ulazni ventil, kontrolna ploča za maksimalne padove od 15m.

Prema zahvatu:

protočna s bočnim zahvatom iz glavnog vodotoka sa akumulacijom-branom, sa dnevnim, nedeljnim, godišnjim ili višegodišnjim

izravnjavanjem

Prema regulisanosti protoka:

mini HE sa protokom koji se može podešavati-regulacija protoka na ulazu u turbinu (ručna ili automatska)

sa stalnim protokom, bilo zbog stvarne prirode opterećenja, ili uništavanjem viška energije

Prema povezanosti sa mrežom i načinom rada:

izolovane elektrane-samostalni rad elektrane vezane na mrežu-paralelni rad elektrane koji rade pod režimom ±on-off± elektrane u kojima radi jedna, dve ili više

jedinica elektrane koje rade po potrebi, u zavisnosti od

potrošnje

Prema instalisanoj snazi HE za naše uslove


džepne HE do 20kW mini HE od 20 do 500kW male HE od 0.5 do 3MW srednje HE od 3 do 10 MW velike HE preko 10MW Slika 1.4. Shema mini HE

1.4.1. DIJELOVI MINI HIDROELEKTRANA

Sistem (male) hidroelektrane se sastoji od svih objekata i dijelova koji služe za skupljanje, dovođenje i odvođenje vode, za pretvaranje mehaničke u električnu energiju, za transformaciju i razvod el. energije. Razlikuju se sljedeći karakteristični dijelovi hidroelektrane: brana ili pregrada, zahvat, dovod, vodna komora, tlačni cjevovod, strojarnica (turbina, generator, ...) i odvod vode. Prema tipu hidroelektrane mogu neki od dijelova potpuno izostati, a u drugim slučajevima može isti dio preuzeti više funkcija.

Brane ili pregrade imaju višestruku namjenu tj. služe za skretanje vode s njezinoga prirodnog toka prema zahvatu hidroelektrane, povišenje razine vode radi postizanja boljeg pada i ostvarivanje akumulacije.

Zahvat vodu zaustavljenu pregradom prima i upućuje prema hidroelektrani. Postoje dva tipa zahvata, zahvat na površini i zahvat ispod površine.

Dovod spaja zahvat s vodnom komorom. Može biti izgrađen kao kanal ili tunel. Tunel može biti izgrađen kao tlačni ili gravitacijski, hidroelektrane s tlačnim tunelom su puno elastičnije u pogonu jer mogu bez ikakvih djelovanja slijediti promjene opterećenja. Tlačni privod služi za vođenje vode iz vodne komore do turbine. Najćešće se izrađuju od čelika, a za manje padove i od betona. Gravitacijski privod ima slobodno vodno lice. Profil je uglavnom trapeznog oblika. Izvodi se u kanalima i rovovima čija se konstrukcija izvodi tako da se postignu najmanji hidraulički gubici.

Vodna komora se nalazi na kraju dovoda. Dimenzioniranje vodne komore ima velik utjecaj na pravilno funkcioniranje hedroelektrane.

U strojarnici se nalaze generatori zajedno sa turbinama. Hidrogeneratori se rade pretežno u vertikalnoj izvedbi zbog ekonomičnije izvedbe hidrauličkog dijela elektrane. Hidrogeneratori s horizontalnom osovinom susreću se u postrojenjima manje snage ili kad dvije Pelton ili Francis turbine pogone jedan generator.

Ulazu u tlačni cjevovod se nalazi zaporni uređaj koji ima sigurnosnu ulogu. On automatski sprječava daljni dotok vode u cjevovod ako pukne cijev. Postavljanje zapornih uređaja na dnu tlačnog cjevovoda ovisi o broju turbina koje su spojene na jedan cjevovod.

1.4.2. PREDNOSTI I NEDOSTACI MINI HIDROELEKTRANA

Prednosti izgradnje mini HE u odnosu na izgradnju drugih izvora energije su mnogobrojne:

u odnosu na velike HE nemamo plavljenja širokih područja (kako bi se obezbedio prostor za akumulaciju vode) i narušavanja lokalnog ekološkog sistema


mogu obezbediti navodnjavanje zemljišta, kao i snadbevanje vodom okolnih naselja,izgradnju ribnjaka i zaštitu od poplava

smanjuju unvesticiona ulaganja za elektrifikaciju udaljenih naselja od opšte električne mreže, a elektrifikacijom takvih ruralnih naselja doprinosi se unapređenju njihovog razvoja

eksploatišu se uz veoma male materijalne troškove radni vek je vrlo dug, praktično neograničen; prosečan vek je 30 godina, mada ima mini HE

koje već rade 80 godinaNaravno, mini HE kao izvori energije, u odnosu na druge slične izvore imaju nedostatke, a to su:

visoki investicioni troškovi po instalisanom kW veliki troškovi istraživanja u odnosu na ukupne investicije eksploatacija zavisi od postojećih resursa zahtijeva integralno vodoprivredno rešenje, s tim što se prednost mora dati sistemima za

snadbevanje vodom i za navodnjavanje, zato mini HE moraju raditi sa instalisanim protokom koji je određen prema drugim potrošačima

ako radi autonomno, proizvodnja el.energije zavisi od potrošnje, pa višak ostaje neiskorišćen

1.4.3. PROJEKTOVANJE MINI HIDROELEKTRANA

Prednosti izgradnje mini HE u odnosu na izgradnju drugih izvora energije su mnogobrojne:

u odnosu na velike HE nemamo plavljenja širokih područja (kako bi se obezbedio prostor za akumulaciju vode) i narušavanja lokalnog ekološkog sistema

mogu obezbediti navodnjavanje zemljišta, kao i snadbevanje vodom okolnih naselja,izgradnju ribnjaka i zaštitu od poplava

smanjuju unvesticiona ulaganja za elektrifikaciju udaljenih naselja od opšte električne mreže, a elektrifikacijom takvih ruralnih naselja doprinosi se unapređenju njihovog razvoja

eksploatišu se uz veoma male materijalne troškove radni vek je vrlo dug, praktično neograničen; prosečan vek je 30 godina, mada ima mini HE

koje već rade 80 godina

Naravno, mini HE kao izvori energije, u odnosu na druge slične izvore imaju nedostatke, a to su:

visoki investicioni troškovi po instalisanom kW veliki troškovi istraživanja u odnosu na ukupne investicije eksploatacija zavisi od postojećih resursa zahteva integralno vodoprivredno rešenje, s tim što se prednost mora dati sistemima za

snadbevanje vodom i za navodnjavanje, zato mini HE moraju raditi sa instalisanim protokom koji je određen prema drugim potrošačima

ako radi autonomno, proizvodnja el.energije zavisi od potrošnje, pa višak ostaje neiskorišćen

1.4.4. ODREĐIVANJE BRUTO ENERGETSKOG POTENCIJALA

Svakom profilu vodotoka odgovara određena kota H (visina iznad površine mora) i određeni srednji protok QSR, pa se vodotok može prikazati Q-H dijagramom vodotoka. Pri


odredjivanju srednje snage i energije vodotoka, pretpostavljeno je da je sva voda energetski iskoristiva, od izvora do ušća, te da se potencijalna energija vode pretvara (npr. u mehaničku) bez gubitaka. Postupak se osniva na izrazu za bruto snagu i energiju:

P = 9,81 · Qs · Hb [ kW ]W = P · T = 9,81 · Qs · Hb · T [ kWh ]

gdje je: Qs - srednji protok za promatrano razdoblje [m3/s]Hb - bruto pad (prirodni) u [m]T - promatrano razdoblje u satima (obično 1 god = 8760 h)

1.4.5. ODREĐIVANJE VELIČINE IZGRADNJE MINI HIDROELEKTRANE

Za odredjivanje veličine izgradnje male HE mogu se postaviti neki općeniti principi i pojednostavljena metodologija, u odnosu na onu koja se primjenjuje kod velikih HE. Kod utvrđivanja principa određivanja veličine izgradnje za male hidroelektrane moraju se razlikovati tipovi postrojenja, kod kojih se osnovne koncepcije utvrđivanja instaliranog kapaciteta međusobno bitno razlikuju:

Male HE predviđene za samostalan rad (kod lokacija udaljenih od distributivne elektroopskrbne mreže za samostalnu opskrbu izoliranih potrošača)

Male HE vezane na distributivnu mrežu.Općenito treba težiti da mala HE bude vezana na distributivnu mrežu uz mogućnost samostalnog rada u slučaju raspada sistema.

Male HE predviđene za samostalan rad: Protočna postrojenja veličina izgradnje određuje se na temelju krivulje trajanja protoka. Odluka se donosi na osnovu malih vodotoka neke određene frekvencije: kod protočnog postrojenja kao jedinog izvora energije za izoliranog potrošača sigurnost u opskrbi energijom ovisi samo o prirodnim protocima, pa su one i presudne za kriterij određivanja veličine izgradnje (trajanje malih voda u sušnom razdoblju).

Tipična krivulja trajanja protoka: Qi je instalirani protok, a Qp [%] je protok (ili veći od njega) koji stoji na raspolaganju p [%] vremena, (100-p)[%] vremena su protoci manji od instaliranog, te će tada trebati provoditi redukciju potrošnje energije.

1.4.6. IZBOR TURBINE I NETO SNAGE ZA MINI HIDROELEKTRANU

Općenito vodne turbine dijele se na: turbine slobodnog mlaza (akcijske) i pretlačne (reakcijske) turbine, ovisno o padu,protoku i tlaku.

Akcijske – slično vodenom točku udubljene lopatice - okreću se u zraku za velike padove (okomito >10 m), za velike pritiske.

Reakcijske – za velika postrojenja lopatice slične elisi broda –potopljene u odi za male padove, pri velikom protoku i alom pritisku


Tipovi vodnih turbina, izbor tipa turbine za odgovarajuće uvjete je vrlo važan. Osnovni kriterij za izbor ipa turbine su visina pada i količina protoka su, a ostali kriteriji su još i korisnost, cijena i sl.

Pretlačne (reakcijske) turbine Francisova (konstruirao Amerikanac Francis 1848.) Kaplanova (konstruirao Čeh Kaplan 1912.) Propelerna (Kaplanova s nepomičnim rotorskim lopaticama) Turbine slobodnog mlaza (akcijske) Peltonova (konstruirao Amerikanac Pelton 1878.) Banki-Michell turbina (za velike vodene tokove i manje padove od Peltonove turbine, izvodi

se samo sa horizontalnom osovinom) Mikroturbine: potrebna snaga od 3-4 kW, uz Q·H ~1 uz stupanj korisnog djelovanja od ~50%

postiže se snaga ~5 kW Tip, geometrija i dimenzije turbine su uvjetovani prema kriterijima kao što su neto pad,

protok kroz turbinu, brzina rotacije, cijena i sl.

Svi dijelovi male hidroelektrane mogu se podijeliti u tri osnovne grupe:

gradjevinski dijelovi koji obuhvataju branu, zahvat, dovodni kanal (derivacijski ili potisni cjevovodi, strojarnice i odvodni kanali)

hidrotehnički dijelovi koji sadrže rešetke, pjeskolove, predturbinske zatvarače i izlazne dijelove turbine;

te elektromašinski dijelovi sa turbinama, generatorom, transformatorom, regulacijskim dijelom, zaštitnim dijelovima i spojem na elektroenergetski sistem.

Da bi se hidroelektrana smatrala malom hidroelektranom, treba da ima sljedeća svojstva:

protočni rad ili iznimno mala akumulacija (minimiziran utjecaj na vodotok) paralelan rad sa mrežom i ugradnja asinkronih generatora kod objekata sa instaliranom snagom manjom od 100 kW nema gradnje trafostanice već se

predviđa izvođenje transformatora na stubu postrojenje se sastoji od brane (niskog prelivnog praga), dovodnog kanala i/ili cjevovoda, zgrade strojarnice i odvodnog kanala

prelivni prag služi samo zato da uspori vodotok prije ulaska u dovodni kanal. Umjesto niskog prelivnog kanala može se upotrijebiti tzv. tirolski zahvat

dovodni kanal zatvorenog tipa predviđen je samo za vođenje zahvaćene vode po strmim obroncima i većim dijelom je ukopan (može biti i potpuno ukopan)

dovodni kanal otvorenog tipa predviđen je za veće količine vode i u pravilu se nalazi na manje strmim terenima

potisni cjevovod treba biti što manjih dimenzija i predviđen je da vodu najkraćim putem dovede do strojarnice

zgrada strojarnice, i ona treba da je što manjih gabarita odvodni kanal je otvoren i kratak i njime se voda vraća iz strojarnice u vodotok (ova voda

najčešće je jako obogaćena kiseonikom, tako da se ribe rado zadržavaju u ovom području).


2. PRORAČUN MINI HIDROELEKTRANE2.1. DEFINISANJE ENERGETSKIH PARAMETARA U HIDROELEKTRANI

Poznati podaci su:

br. Parametar Vrijednost1. kota vode zahvata 210 [m]2. kota vode (donje) 180 [m]3. snaga mini hidroelektrane 3150 [kW]

Iz čega slijedi da je H = 210 - 180 = 30 [m]

Na osnovu poznate snage (P=3150 [kW]), te nakon sto usvojimo gustinu vode za

t=20 [O C ] ⇒ ρ=1000 [kgm3 ] , možemo odrediti zapreminski protok i on iznosi:

P= ρ⋅g⋅Q⋅H1000

[ kW ] ⇒ Q=1000 Pρ⋅g⋅H

=3150 Nm

s⋅1000

1000 [ kgm3 ]⋅9 ,81[ms2 ]⋅30 [m ]

Q = 10,703 [m3/s]

Razlika gornje dotočne vode i donje odvodne vode naziva se statičkim padom (H ST ) . Ukupni pad

hidroelektrane naziva se bruto pad i obilježava se sa (H b) . Bruto pad se dobija kada se statički pad uveća za kinetičku energiju ulazne mase vode kojoj treba oduzeti kinetičku energiju vode na izlaznom presjeku.

Hb=H ST+α1w1

2

2 g−α 2w s

2

2g [m ]

Gdje je: α 1 ;α2 - Koeficijent kinetičke energije.

w1 ;w2 - Srednja brzina strujanja na ulazu odnosno izlazu.

Neto pad (H n) hidroelektrane se dobije ako se od bruto pada (H b) oduzmu gubici strujanja vode u privodnom dijelu cjevovoda do ulaza u turbinu.


Slika 1.5. Skica HE sa velikim padom

Hn=Hb−∑ hw=HST+α1w1

2

2g−α2w s

2

2g -∑ hw

Ni bruto pad, ni neto pad nisu konstantni. Na prvi utiču promjene nivoa donje i gornje vode, a na drugi osim promjena nivoa još i promjene gubitaka. Promjene nivoa gornje vode mogu nastati zbog preljeva velikih voda preko brane, do čega dolazi kada se sva suvišna voda ne može propustiti kroz ispuste. U ovom slučaju nivo gornje vode zavisan je od protoka, ali samo za protoke koji su veći od

protoka Q̇ ' , zavisnog od kapaciteta ispusta i veličine izgradnje hidroelektrane. U pribranskim hidroelektranama i u akumulacionim hidroelektranama sa tlačnim dovodom bruto pad, a prema tome i neto pad, zavisan je od zapremine akumulirane vode. Ta zavisnost se prikazuje krivom Hb = f(V) koja je data na slici 1.6. Za izvjesnu promatranu hidroelektranu maksimalni bruto pad je određen ukupnom zapreminom akumulacije, a minimalni bruto pad korisnom zapreminom akumulacije

Zanemarujući razlike kinetičke energije ulazne i izlazne vode (w1=w2) sistema hidroelektrane,

raspoloživi neto pad (H n) je:Hn=H ST -∑ hw

Slika 1.6. Zavisnost bruto pada od zapremine akumulirane vode

Da bi smo odredili kolki su linijski gubici usvojimo dužinu cjevovoda i brzinu strujanja, pa je:

l=1400 [m ] ; w=3 [ms ] .


Te na osnovu svega ovoga možemo izračunati prečnik cjevovoda, i on iznosi iz jednačine kontinuiteta:

Q=A⋅w=d2 π4

⋅w ⇒ d=√4⋅Qw⋅π

=√4⋅10 ,703[m3

s ]3 [ms ]⋅π

→ d = 2,131 [m]

Za slučaj manjih brzina, prečnici su:

d=√4⋅Qw⋅π

=√4⋅10 ,703[m3

s ]2[ms ]⋅π

= 2,61 [m]

d=√4⋅Qw⋅π

=√4⋅10 ,703[m3

s ]1,5[ms ]⋅π

=3,014 [m].

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.50

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Brzina [m/s]

Preč

nik

cjev

ovod

a [m

]

Slika 1.7 Promjena prečnika cjevovoda u zavisnosti od promjene brzine strujanja fluida kroz cjevovod


Linijski gubici u cjevovodu se računaju na osnovu sledećeg obrasca:

hlin=λ⋅ld⋅w

2

2g

Da bi smo odredili koliki je koeficijent trenja u tlačnom dijelu cjevovoda, prvo određujemo Reynolds-ov broj i određujemo o kakvom se strujanju radi, pa je:

Re=w⋅dυ

Za t=20 [O C ] i p=1 [bar ] ⇒ (TDT ) ⇒ υ=1⋅10 -6[m2

s ]Te iz jednačine (1.1.1) ⇒

Re=6393000 Re=6,3⋅106>5⋅105

Za t=10 [O C ] i p=1 [bar ] ⇒ ( TDT ) ⇒ υ=1,3⋅10 -6[ m2

s ]Te iz jednačine ⇒

Re=6769230 ,769 Re=6 ,769⋅106>5⋅105

Za različite brzine strujanja:

Re=w⋅dυ

= Re=

2⋅2 ,61υ

= 4,01 · 10 6

Re=w⋅dυ

= Re=

1,5⋅3 ,014υ

= 3,477· 10 6

Ako je Reynolds-ov broj Re>5⋅105, tada se radi o turbulentnom strujanju. Kada fluid struji preko

ravne površine, prijelaz iz laminarnog u turbulentan tok javlja se pri Re>5⋅105. Ovu vrijednost

Reynolds-ovog broja nazivamo kritičnom vrijednosti Reynolds-ovog broja. Strujanje u cijevima je

laminarno kada je Re<2300 , dok je prijelazno područje za 2300<Re<10000 . Kao i kod ravnih površina vrijednost kritičnog Reynolds-ovog broja zavisi od hrapavosti cijevi i takozvane glatkoće toka slobodne struje fluida.

Koeficijent trenja prema Altšulj-u računamo kao:

λ=0 ,11( εd +68Re )

0 ,25

εd=0 ,002

- Koeficijent hrapavosti cijevi.Te iz jednačine slijedi:


λ=0 ,11⋅(0 ,002+686,3⋅106 )

0 ,25

λ=0,023293489 .


λ=0 ,11⋅(0 ,002+684,01 ⋅ 106 )

0 ,25

λ=0,02331132

λ=0 ,11⋅(0 ,002+683,447 ⋅ 106 )

0 ,25

λ=0,04137683

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.50

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.045

Slika 1.8 Promjena koeficijenta trenja u zavisnosti od brzine strujanja

Te sada iz jednačine možemo izračunati koliki su linijski gubici u tlačnom dijelu cjevovoda, i oni iznose:

hlin=0,023293489⋅14002,131

⋅32

2⋅9 ,81hlin=7 ,01 [m ]


hlin=0,02331132⋅14002,61

⋅22

2⋅9 ,81hlin=2 ,54 [m ]


1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.20

1

2

3

4

5

6

7

8

Brzina [m/s]

Lini

jski

gu-

bici

[m]

Slika 1.9 Promjena linijskih gubitaka u cjevovodu u zavisnosti od brzine strujanja

Te iz jednačine slijedi da je neto pad:Hn=30−7 ,01Hn=22 ,99 [m ]

Za različite brzine strujanja:Hn=30−2 ,54Hn=27 ,46 [m ]

Hn=30−2,2Hn=27 ,8 [m ]

Snaga turbine iznosi:

Pn=ρ⋅Q sr⋅g⋅Hn=1000 [kgm3 ]⋅10 ,703[m3

s ]⋅9 ,81[ms2 ]⋅22 ,99 [m ]=2413867 ,92 [W ]

Pn=2413,867 [kW ]Za različit neto pad:

Pn=ρ⋅Q sr⋅g⋅Hn=1000 [kgm3 ]⋅10 ,703[m3

s ]⋅9 ,81[ms2 ]⋅27 ,46 [m ]=2883201 ,96 [W ]

Pn=2883 ,2 [kW ]

Pn=ρ⋅Q sr⋅g⋅Hn=1000 [kgm3 ]⋅10 ,703[m3

s ]⋅9 ,81[ms2 ]⋅27 ,8 [m ]=2918900 ,75 [W ]

Pn=2918 ,90 [kW ]


Dnevna proizvodnja električne energije iznosi:EP=Pn⋅T d=2413867 ,92 [W ]⋅24 [h ]=57932830,08 [Wh ]EP=57 ,932 [MWh ]

Za različite snage:EP=Pn⋅T d=2883201 ,96 [W ]⋅24 [h ]=69196847 ,04 [Wh ]EP=69 ,196 [MWh ]EP=Pn⋅T d=2918900 ,75 [W ]⋅24 [h ]=70053618 [Wh ]EP=70 [ MWh ]

Odnosno godišnja proizvodnja električne enerije iznosi:

Eg=Pn⋅T g=2413867 ,92 [W ]⋅8760 [h ]=21145482980 [Wh ]Eg=21145,4 [MWh ]

Za različite proizvodnje elek. energije:

Eg=Pn⋅T g=2883201 ,96 [W ]⋅8760 [h ]=25256849170 [Wh ]Eg=25256 ,6 [MWh ]Eg=Pn⋅T g=2918900 ,75 [W ]⋅8760 [h ]=25569570570 [Wh ]Eg=25569 ,5 [ MWh ]

2.2. IZBOR I KONSTRUKCIJA VODOZAHVATA

Vodozahvat kao hidrotehnički objekt služi za zahvatanje vode iz akumulacije, zadržavanje čvrstih plivajućih predmeta, leda, šljunka i pijeska u akumulaciji, odvoda vode u cijev ili kanal kojim se voda odvodi ka postrojenju. Ne gledajući raznovrsnost konstrukcije i načine izvođenja, osnovni princip konstrukcije isti je za sve vrste hidroelektrana. U principu razlikuju se dvije vrste vodozahvata i to:

površinski vodozahvati obezbjeđuju površinsko odvođenje vode iz rijeke ili akumulacije dubinski ili potopljeni vodozahvati zahvataju vodu ispod nivoa vode u akumulaciji, i odvode

je zatvorenim cjevovodom ili tunelom pod hidrostatičkim pritiskom do hidroenergetskog postrojenja.

Na slici data je shema vodozahvata sa ulaznim otvorom cjevovoda. Gornji nivo vode (GNV) obicno se nalazi na 1 do 2 metra od radnog nivoa vode u akumulaciji (RNV).0vo se čini zbog toga da se vazduh ne usisava u cjevovod pod pritiskom.Pravilan izbor dimenzija vodozahvata vrši se na osnovu složenih hidrotehničkih proračuna i obično se ispravnost proračuna provjerava na modelu u laboratoriji.


Slika 1.10. Oblik vodozahvata

2.3. PRORAČUN TLAČNOG CJEVOVODA

U prethodnom proračunu odredili smo na osnovu jednačine kontinuiteta, prečnik cjevovoda, koji se može nazvati i računskim. Ako bi usvojili cijev prema standardu, koja ima prvi

sledeći veći unutrašnji prečnik, tada bi prečnik cijevi iznosi du=2200 [mm ] . Pošto smo promijenili prečnik cijevi kroz koji teče voda sa konstantnim protokom, mijenja se sada i brzina kretanja odnosno proticanja tečnosti kroz cijev. Ako uzmemo ovo u obzir, moraćemo izvršiti korekciju brzine i ona će iznositi na osnovu jednačine kontinuiteta:

Q=d2⋅π4

⋅w ⇒ w=2,817[ ms ]Kao što vidimo, brzina je se promijenila, i to opala sa

w=3 [ms ] na w=2,817 [ms ] . U daljem

proračunu potrebno je odrediti debljinu stijenke cijevi koja će se koristiti na cjevovodu. Debljina cijevi se proračunava na osnovu formule:

δ=du⋅Δp2σd⋅ξ

+C

Gdje je: du - unutrašnji prečnik cijevi ( usvojeni ili izračunati); p - proračunski ili nazivni pritisak [Pa];

σ d - dozvoljeni napon materijala cijevi na zatezanje ( vlačna čvrstoća); ξ - koeficijent slabljenja zbog zavarivanja;

(ξ=1 za cijevi bez šava; ξ=0,7 - 0,9 - za uzdužno zavarene cijevi ) C - dodatak zbog korozije.

Proračunski (nazivni) maksimalni pritisak iznosi:Δpmax= ρ⋅c⋅w


Gdje je: c [ms ] - brzina zvuka;

w [ms ] - brzina tečnosti

Iz strojarskog priručnika B.Kraut biramo sledeće brzine zvuka, na osnovu materijala:

c=1000 [ms ] - za čelične cijevi;

- za gusane cijevi.Te iz jednačine (3.2.1) slijedi:

Δpmax=1000 [kgm3 ]⋅1000 [ms ]⋅2 ,817[ms ]Δpmax=28 ,17 [bar ]Usvajamo ξ=0,7 za uzdužne zavarene cijevi.Prema preporuci usvajamo C=2 [mm]Iz tablica Osnovi konstruisanja, autora Nedžad Repčić, dipl. Inž, Sarajevo 1998. usvajamo za Č.0345

da je dozvoljeni napon materijala na zatezanje σ d=120 [MPa ]Te sada iz jednačine (3.2) možemo izračunati debljinu stijenke cijevi i ona iznosi:

δ=2,2 [m ]⋅28 ,17⋅105 [ Nm2 ]

2⋅120⋅106 [ Nm2 ]⋅0,7+0 ,002=0,03888 [m ]

= 38,88 [mm]

2.4. IZBOR TURBINE

Već smo ranije ustanovili, da je za svako radno područje najpodesnija određena vrsta turbomašina, pa tako i turbine. Na osnovu značica specifične brzohodnosti

nq=n⋅√ p

ρ12⋅g

54⋅H

54⋅η

12

bira se tip turbine i njene glavne dimenzije, međutim zavisno od tipa turbine i pogonskih uslova (Q i H) razlikovat će se značica turbine, radna i kavitacijska od kojih na drugu utiče broj obrtaja n. Obje

značice i ns i nq su vrlo važne pri izboru vodnih turbina.

ns=3 ,65⋅n⋅Q

12

H34

nq=n⋅√ p

ρ12⋅g

54⋅H

54⋅η

12

sm 1200 c


Slika 1.11. Izbor turbine prema padu i protoku

Na osnovu predhodno određeni podataka možemo tražiti katalog proizvođača koji će nam isporučiti turbinu.

Q=10 ,703[ m3

s ] Hn=22 ,99 [m ] Pn=2413 [kW ]

Iz kataloga proivođača “ElectWay Electric” biramo, na osnovu gore izračunatih podataka odabirem turbinu tipa ZD500-LH-140 sa sledećim karakteristikama:

Broj obrtaja: n = 375 [ o/min ]

Neto pad: Hn=23,7 [m ]

Protok: Q=12660 [ ls ]=12 ,66[m3

s ]Snaga turbine: Pn=2654 [ KW ]

Specificni broj obrtaja sracunat za protok iznosi:

ns=n√Q

Hn

34

=375√10 ,703

22 ,9934

=116 ,85[ omin ]


Specificni broj obrtaja sračunat za snagu iznosi:

nq=n√P

H n

54

=375√2654

22 ,9954

=383 ,75 [ omin ]

2.5. IZBOR GENERATORA

Broj polova generatora za frekvenciju mreže f = 50 ( Hz ) je:

P=60 fn

Pa je:

P=60 fn

=60⋅50375

=8

Karakteristične vrednosti broja pari polova su 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16,18, 20, 24, 30, 34, 40, 50 i 60. Neparan broj pari polova se izbjegava zbog teškoća koje nastaju sa višim harmonicima i vibracijama Kako je nas broj pari polova standardni tako i usvajamo da je P = 8 polova, nominalne snage 2654 [kW], sinhroni trofazni.

Električnu energiju proizvodimo pomoću trofaznog, bez četkičnog, samopobudnog sinhronog generatora koji je mehanički spregnut, pomoću odgovarajuće spojnice, sa usvojenom turbinom. Konstrukcija generatora i njegovih regulacionih krugova u pobudi su prilagođeni za napred navedene režime rada, paralelan rad sa mrežom i samostalni pogon. Grupa turbina-generator je montirana na odgovarajuće temelje sa gumenim amortizerima na postolju, čime se vibracije smanjuju na najmanju moguću mjeru.


2.6. PRESJEK STROJARNICE


Slika 2.0. Presjek strojarnice

2.7. DOPUŠTENA USISNA VISINA DIFUZORA

Dopustena usisna visina difuzora (H sdoz ) jednaka je barometarskom (atmosferskom)

pritisku na nivou postrojenja(H a) , umanjena za pritisak isparavanja (H t ) koji odgovara datoj temperaturi t. Nadalje, mora se odbiti izvjesni postotak zavisan o tipu turbine od ukupnog pada(H n) , kojim se u obzir uzima lokalni pad pritiska na ugroženim mjestima lopatica, prouzrokovan dijelovanjem brzine strujanja. Posebno podoban koeficijent, koji se najčešće koristi za turbine i pumpe jeste Tomov (Thorn) koeficijent. U principu on određuje dozvoljenu vrijednost najnižeg apsolutnog pritiska u referentnom presjeku mašine, pri čemu se u kritičnim tačkama strujnog prosora neće pojaviti kavitacija ili će ona biti u dozvoljenim granicama. Referentni presjek se postavlja iza kola turbine ili ispred kola pumpe.

Slika 2.1. Visinska razlika hs za turbinu

S povećanjem specifičnog broja obrtaja smanjuje se izlazni prečnik rotora, što ima za posljedicu porast brzine na izlazu iz rotora, a samim time i povećanje gubitaka na izlazu uprkos


postavljenom aspiratoru. Brzina na izlazu iz rotora c2 da se s obzirom na neto – pad Hn prikazati pomoću koeficijenta brzine k2 datog relacijom

n

222

2 gH2c

k

Prema Ščapovu, kritična vrijednost kavitacije se računa kao:

σ=(nq−54 )2

450000+0 ,035

= 0,263

Dozvoljenu usisnu visinu računamo kao:

HSdoz=H a−H t−σ⋅H n

Gdje je:Hn=22 ,99 [m ] - neto padH a - pad usljed barometraskog pritiska na nivou postrojenja, i njega određujemo:

pa=ρ⋅g⋅Ha ⇒ Ha=pa

ρ⋅g=

1⋅105 [Pa ]

1000 [kgm3 ]⋅9 ,81 [ms2 ] Ha=10,194 [m ]

Ht -pritisak isparavanja koji odgovara datoj temperaturi

Za t1=5 [O C ] T 1=t1+273 ,15=278 ,15 [ K ]

Iz TDT za T 1=t 1+273 ,15=278 ,15 [ K ] pZ 1=0 ,008719 [bar ]=871 ,9 [ Pa ] i ρ=999,9[kg

m3 ]pZ 1=ρ⋅g⋅H t1 ⇒ H t 1=

pZ 1

ρ⋅g=

871,9 [ Pa ]

999,9 [kgm3 ]⋅9 ,81 [ms2 ]

H t 1=0,089 [m ]

HSdoz=H a−H t−σ⋅H n=10,194 [m ] -0,089 [m ] - 0,263⋅22,99 [m ]=4,058 [m ]

Za t1=10 [O C ] T 1=t 1+273 ,15=283 ,15 [ K ]

Iz TDT za T 1=t 1+273 ,15=283 ,15 [ K ] pZ 1=0 ,012277 [bar ]=1227 ,7 [Pa ] i ρ=999,6[kg

m3 ]pZ 1=ρ⋅g⋅H t1 ⇒ H t 1=

pZ 1

ρ⋅g=

1 227 ,7 [Pa ]

999,6 [kgm3 ]⋅9 ,81[ms2 ]

H t 1=0,125 [m ]


HSdoz=H a−H t−σ⋅H n=10,194 [m ] -0,125 [m ] - 0,263⋅22 ,99 [m ]=4,022 [m ]

Za t 1=20 [O C ] T 1=t 1+273 ,15=293 ,15 [ K ]

Iz TDT za

T 1=t 1+273 ,15=293 ,15 [ K ] pZ 1=0 ,02337 [bar ]=2337 [Pa ] i ρ=998,6[kg

m3 ]

pZ 1=ρ⋅g⋅H t1 ⇒ H t 1=pZ 1

ρ⋅g=

2337 [ Pa ]

998,6 [kgm3 ]⋅9 ,81[ms2 ]

Halignl ¿ t 1 ¿ ¿=0,238 [m ] ¿HSdoz=H a−H t−σ⋅H n=10,194 [m ] -0,238 [m ] - 0,263⋅22 ,99 [m ]=3 ,909 [m ]

2.8. IZBOR EKONOMSKOG PREČNIKA CJEVOVODA

Za optimalno rješenje troškova eksploatacije i troškova izgradnje potrebno je naći ekonomski prečnik potisnog cjevovoda, što znači takav prečnik koji stvara najmanje troškove eksploatacije odnosno električne energije i troškova izgradnje.

ukupni

investicioni

pogonski

[d]Slika 2.2. Prikaz ekonomskog prečnika

U svijetu se za iste uslove rada mogu naći cjevovodi pod pritiskom različitih prečnika, što zavisi od kriterijuma po kojima se vršio proračun, jer postoji niz empirijskih izraza za određivanje prečnika


cjevovoda. Ovdje se razmatra problem izbora ekonomskog prečnika u odnosu na sve druge prečnike koji ispunjavaju tehničke uslove ali je samo jedan od njih najekonomičniji. Ako se poveća prečnik cjevovoda povećavaju se i troškovi gradnje ali se zato sa tehničkog gledišta dobijaju manji gubici strujne energije. Ova dopunska snaga koja se dobija na račun smanjenja strujnih gubitaka može se u hidroenergetskom postrojenju iskoristiti za dobijanje dopunske energije.

Ekonomski prečnik cjevovoda pod pritiskom određuje se na sljedeći način. Masa cjevovoda određuje se po izrazu:

m= π ∙ D ∙δ ∙L ∙ ρ1000

gdje je:D – prečnik cjevovodaL – ukupna dužina cjevovodaδ - debljina zida cjevovodaρ – gustina materijala od kojeg je cjevovod izgrađen (za liveno željezo 7874 kg/m3)Srednja debljina zida cjevovoda može se odrediti po izrazu:

δ= H ∙ D4 ∙ σ doz

gdje je:H – bruto turbinski padσ doz – dozvoljeno naprezanje materijalaObično se uzima da dozvoljeno naprezanje materijala za izradu cjevovoda iznosi 8 daN/mm2, te je:

δ=H ∙ D32

Ako se posljednja vrijednost uvede u izraz za masu cjevovoda dobija se, za različite slučajeve:

m= π ∙ ρ32000

∙ H ∙ D2 ∙ L=0,77 ∙22,99 ∙2,1312 ∙1400=112544,59 [kg ]

m= π ∙ ρ32000

∙ H ∙ D2 ∙L=0,77 ∙27,46 ∙2,612 ∙1400=201650,96 [kg]

m= π ∙ ρ32000

∙ H ∙ D2 ∙L=0,77 ∙27,8 ∙3,0142∙1400=272238,81[kg]

Ukupna dobit koja se može ostvariti u hidroenergetskom postrojenju može se sračunati po izrazu:B=P ∙c ∙ z

B – instalirani prihodc – prodajna cijena električne energijez – broj radnih sati postrojenja u toku jedne godineP – snaga cjevovodaOd instaliranog prihoda B treba odbiti troškove:Sk−M−D2 LHmkI kada se izvrši odgovarajuća smjena za pojedine veličine iz prethodnih izraza, konačno se dobija:


S – cijena koštanja ostalog dijela postrojenja (osim cjevovoda)M – cijena koštanja održavanja postrojenja tokom jedne godinek – kamatna stopa i akumulacijam – cijena koštanja 100kg cijevi

Instalirani prihod B bit će najveći kad je izraz u zagradi u gornjoj jednačini najmanji. Ovaj izraz u zagradi imat će najmanju vrijednost kad se potraži prvi izvod i isti izjednači s nulom, znači:

7,5 βQ3 L[−5D4

D10 ]cz+HLmk ∙2 D=0

I kad se izraz sredi dobija se:37,5β Q3Lcz

D6 +2HDLmk=0

Kad se ova jednačina riješi po D, konačno se dobija:

D= 7√18,75 βQ3 czmkH

Sljedeći empirijski izraz za ekonomski opravdan prečnik cjevovoda je:

D= 7√ 5,2Q3

H=7√ 5,2∙10,7033

30=2,15[m ]

Odakle, koristeći jednačinu kontinuiteta, dolazimo do podatka o ekonomski opravdanoj brzini strujanja:

d=4⋅Qd2⋅¿⋅π

=4⋅10 ,7032 ,152⋅π

=61 ,1625 ,504

=2 ,94ms

¿

3. EKOLOŠKO-EKONOMSKI ASPEKTI PROJEKTA

Električna energija predstavlja jedan od najčešćih oblika energije. Mogućnosti dobivanja električne energije su raznovrsni. Najprihvatljiviji su načini dobivanja iz obnovljivih izvora energije, kao što su hidroelektrane, vjetroelektrane te solarne elektrane. Od obnovljivih izvora energije hidroelektrane su najraširenije. Njihov udio među obnovljivim izvorima energije je oko 88% (podatak za 2005. godinu). To je posljedica više uticaja. Za razliku od vjetra ili sunca, čiji intenzitet je nepredvidljiv te zavisi o meteorološkim prilikama, voda, odnosno njen zapreminski protok, je puno stabilniji i stalniji tokom godine. To znači da je i opskrba električnom energijom pouzdanija. Također, vrlo zanimljiva skupina hidroelektrana su reverzibilne hidroelektrane, koje omogućavaju dva režima rada, te kao takve su vrlo isplative i poželjne za izgradnju. Procjenjuje se da je 2005. godine 20% ukupne svjetske potrošnje električne energije bilo opskrbljeno upravo energijom iz hidroelektrana, što je približno 816 GW.

http://hr.wikipedia.org/wiki/Svijet

http://hr.wikipedia.org/wiki/Reverzibilne_hidroelektrane

http://hr.wikipedia.org/wiki/Godina

http://hr.wikipedia.org/wiki/Meteorologija

http://hr.wikipedia.org/wiki/Sunce

http://hr.wikipedia.org/wiki/Vjetar

http://hr.wikipedia.org/wiki/2005

http://hr.wikipedia.org/wiki/Postotak

http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarne_termalne_elektrane

http://hr.wikipedia.org/wiki/Vjetroelektrana

http://hr.wikipedia.org/wiki/Obnovljivi_izvori_energije

http://hr.wikipedia.org/wiki/Obnovljivi_izvori_energije


Velika prednost je što ne koriste fosilna goriva kao pokretač turbine, odnosno električnog generatora. Time električna energija nastala u hidroelektranama postaje rentabilnija, te nezavisna o cijeni i ponudi fosilnih goriva na tržištu. Hidroelektrane također imaju predviđen duži životni vijek nego elektrane na fosilna goriva. Ono što je bitno, u razmatranju hidroelektrana s ekonomskog aspekta, jest da današnje, moderne, hidroelektrane zahtijevaju vrlo mali broj osoblja, zbog velikog stepena automatiziranosti. Nadalje, cijena investicije u izgradnju hidroelektrane se povrati u razdoblju do desetak godina.

Akumulacijska jezera hidroelektrana mogu osim svoje primarne funkcije imati još nekoliko pozitivnih aspekata. Svojom veličinom mogu privlačiti turiste, te se na njihovoj površini mogu odvijati razni vodeni sportovi. Također velike brane mogu igrati značajnu ulogu u navodnjavanju, te u regulaciji toka rijeka.

Ključni dio hidroelektrane je njena brana. Urušavanje brane može dovesti do velikih katastrofa za cijeli ekosistem nizvodno od brane. Sama kvaliteta gradnje, konstrukcije i održavanje brane nije dovoljna garancija da je brana osigurana od oštećivanja. Brane su vrlo primamljiv cilj tokom vojnih operacija, terorističkih činova i tome sličnih situacija. Također jedan primjer koji svjedoči opasnosti ljudskim životima je hidroelektrana Tri klanca u Kini. Naime, hidroelektrana se nalazi na rijeci Jangce. To je najveće kineska rijeka i shodno tome je i rijeka najbogatija vodom, što opravdava izgradnju hidroelektrane na njoj. Međutim, vodeni bazen, tj. hidro akumulacijsko jezero te brane, je toliko veliko da svojom težinom opterećuje zemljinu koru. Ako se uzme u obzir da je to područje geološki nestabilno, tj. da se nalazi na spoju litosfernih ploča, jasno je da postoji opravdani rizik od potresa. Dok naučnici strahuju od potresa i urušavanja brane, političari tvrde da takav rizik ne postoji.

Rijeka svojim tokom nosi vodeni materijal u obliku pijeska i mulja. To s vremenom dovodi do taloženja toga materijala u vodenom bazenu, a posljedica toga je smanjivanje dubine vodenog bazena. Zahvaljujući tome, vodeni bazen gubi svoju ulogu. Akumulaciju vodene mase tokom kišnih razdoblja, a korištenja iste tijekom suvih razdoblja godine. To se može izbjeći gradnjom raznoraznih kanala koji imaju ulogu premosnice, te se tako odvodi taj sediment. Rezultat je da svaka hidroelektrana ima svoj životni vijek, nakon kojeg postaje neekonomična.

Također uočeni, negativni, aspekt prilikom gradnje brana je prinudnog uništavanja gospodarskih, kulturoloških i prirodnih dobara. Prilikom punjenja hidro akumulacijskog jezera dolazi do prinudnog potapanja svega onoga što se našlo ispod površine samoga jezera. Fauna toga područja je primorana na preseljenje, također kao i ljudi. Što se flore tiče, situacija je malo drugačija, prvenstveno u tropskim područjima.

Do 2008. se procjenjuje da je kod gradnji hidroelektrana preseljeno sveukupno izmedu 40 do 80 miliona ljudi širom svijeta.

http://hr.wikipedia.org/wiki/Flora_(biljke)

http://hr.wikipedia.org/wiki/Fauna_(%C5%BEivotinje)

http://hr.wikipedia.org/wiki/Mulj

http://hr.wikipedia.org/wiki/Pijesak

http://hr.wikipedia.org/wiki/Potres

http://hr.wikipedia.org/wiki/Jangce

http://hr.wikipedia.org/wiki/Brana

http://hr.wikipedia.org/wiki/Sport

http://hr.wikipedia.org/wiki/Turist

http://hr.wikipedia.org/wiki/Fosilna_goriva


Nesreće sa branama mogu biti jedne od najvećih katastrofa uopće. Tako je nesreća na brani Banqiao u Kini odnijela 26 000 ljudi izravno i oko 145 000 od epidemije. Nesreća na brani Vajont u Italiji je odnijela oko 2 000 ljudskih života 1963 god.

3.1 NAKNADA ZA KORIŠTENJE VODA I KONCESIJA NAKNADA

Vrijeme na koje se koncesija dodjeljuje:

Član 4: za korištenje vodnih snaga za proizvodnju električne energije: - za hidroelektrane snage preko 30 MW - do 99 godina,- za hidroelektrane snage od 5 do 30 MW - do 40 godina,- za hidroelektrane snage do 5 MW - do 30 godina;

Član 5: Vrijeme trajanja koncesija za korištenje voda i javnog vodnog dobra do najdužeg vremena trajanja određenog u članu 4. ove uredbe utvrdjuje se, na osnovu: - stepena utjecaja na stanje okoline, prostornom obimu i drugim privrednim okolnostima,- stepena utjecaja na stanje vodnog režima, - visine ulaganja i vremena amortizacije objekata i postrojenja, - obima korištenja voda i javnog vodnog dobra,- namjene za koje se voda i javno vodno dobro koristi, - zaštite javnog interesa.

Član 7: 1% od ostvarenog godisnjeg prihoda od prodaje električne energije za namjenu korištenja vodnih snaga za proizvodnju električne energije.

4. ZAKLJUČAK

Obnovljivi izvori energije predstavljaju veliku šansu da se umanji ovisnost od fosilnih goriva. Do trenutka kada cijena eksploatacije fosilnih goriva postane neprihvatljivo visoka mora da postoji jasna alternativa njegove zamjene. Međutim, i korištenje obnovljivih izvora energije, ukoliko se ne koriste na održivi način, može da predstavlja realnu opasnost za dalju degradaciju životne sredine i osiromašenja biološke raznovrsnosti.

Jasno je da trenutno ne postoji jedinstveni izvor obnovljive energije koji bi u budućnosti mogao da zadovolji sve naše energetske potrebe. Samo korištenje čitavog spektra različitih energetskih izvora, u obimu koji zavisi od regionalnih i lokalnih specifičnosti i mogućnosti, dugoročno može dovesti do energetske stabilnosti i očuvanja postojećeg civilizacijskog nivoa. Komercijalizacija korišćenja obnovljivih izvora energije, koja se u budućnosti može očekivati, čini realnom opasnost od daljeg neodrživog odnosa prema prirodi. Da bi se ove opasnosti

http://hr.wikipedia.org/wiki/Italija

http://hr.wikipedia.org/wiki/Kina


prevazišle, neophodna je odgovarajuća legislativa kojom se ekonomski i ekološki efekti primjene obnovljivih izvora energije sinhronizuju, uz istovremeno povećanje energetske efikasnosti, u cilju održivog odnosa prema spoljašnjoj sredini i racionalnog korištenja resursa.

Korištenje kinetičke ili potencijalne energije vode za dobijanje mehaničke vrlo je stari način pretvorbe energije koji seže u daleku prošlost (vodenice). Pretvorba u električnu energiju također je vrlo stara i primjenjivala se još u samom začetku proizvodnje električne energije. Prednosti korištenja hidroenergije u elektranama na rijekama su poznate: nema potrošnje kisika, emisije CO2 i drugih polutanata, niska je proizvodna cijena električne energije. Nepovoljni faktori su: ovisnost o hidrološkoj situaciji, pokrivanje velikih površina (kod hidroakumulacionih), veoma velika cijena izgradnje, odnosno velika početna ulaganja (viša nego za elektrane na ugljen ili nuklearne). Tome treba dodati moguće nesreće - lomove brana te promjene u okolišu vezane uz promjenu razine vode.

Procjenjuje se da će do 2020. godišnja potrošnja električne energije u svijetu iznostiti 22 000 TWh. Dio te potrošnje u budućnosti će pokriti i hidroelektrane, koje su od svih obnovljivih izvora energije najrazvijenije i koji trenutno čine uvjerljivo najčešći udio u proizvodnji iz svih obnovljivih izvora energije.

U svijetu je trenutačno instalirano oko 15 TW elektrana , a velika većina energije se proizvodi iz nafte, ugljena i prirodnog plina. Hidroelektrane (velike i male) imaju instaliranih oko 950 GW snage, što je puno više od bilo kojeg drugog obnovljivog izvora energije.

Ukupni tehnički potencijal energije vode iznosi oko 14 370 TWh/godišnje, od čega je ekonomski danas isplativo oko 8 000 TWh/godišnje, a izgrađena je otprilike trećina potencijala.

Hidroelektrane kao takve još uvjek imaju svijetlu budućnost u svijetu ali i kod nas, pri čemu treba obratiti posebnu pažnju na uslove zaštite okoliša (pogotovo kod izgradnje velikih brana gdje nastaje problem preraspodjele stanovništva čija naselja budu potopljenja – primjer Tri klanca).

5. LITERATURA

[1] H. Požar, Osnovi energetike, drugi svezak [2] R. Andričević, Male hidroelektrane [3] I. Buljubašić, Predavanja, Mašinski fakultet Tuzla. World Wide Web: [1] http://hr.wikipedia.org/wiki/Hidroelektrana (24/03/2015)[2] http://hr.wikipedia.org/wiki/Kaplanova_turbina (22/03/2015)[3] http://hr.wikipedia.org/wiki/Francisova_turbina (22/03/2015)[4] http://hr.wikipedia.org/wiki/Peltonova_turbina (23/03/2015)[5] http://www.electway.net/download/Kaplan_turbine_ZD_series_catalogue.html [katalog iz kojeg je izabrana turbina] (23.03.2014)

hidroenergetska proracun nermin 2.docx

Documents