formule calcul

8. Turbine hidraulice. Energia i puterea8.1. Energia i puterea hidraulic 8.2. Puterea mecanic la arborele turbinei i puterea electric la bornele generatorului 8.3. Tipuri de turbine 8.4. Cderea de calcul pentru turbine 8.5. Caracteristicile energetice ale turbinelor hidraulice 8.6. Puterile caracteristice ale unei amenajri hidroenergetice1/4/2007 Cap.8 Turbine hidraulice. Energia si puterea. 1

8.1. Energia i puterea hidraulicEnergia unui stoc de ap afluent pe o perioad de timp dat (zi/lun/an) este compus din energia de poziie i energia cinetic. Energia potenial sau de poziie reprezint energia nmagazinat static ntr-un volum de ap V [m3] aflat ntr-un lac situat la o cot z (luat n raport cu un plan de referin n general nivelul unei mri n Romnia: Marea Neagr, Marea Baltic, Marea Mediteran sau Marea Adriatic).1/4/2007 Cap.8 Turbine hidraulice. Energia si puterea. 2

Relaia de calcul a energiei poteniale este: E z = V z [J] n hidrotehnic, greutatea specific se consider = 9810 [N/m3] Cu toate c, n mod normal, aceasta depinde de temperatura apei, variaiile sunt practic neglijabile n cazul calculelor hidrotehnice. Energia cinetic sau de micare este energia datorat unei mase de ap m aflat n scurgere, ntr-un interval de timp, cu viteza V:m V 2 V2 Ec = = V 2 2 g

unde masa de ap n micare este: m =1/4/2007

V [kg]. g3

Cap.8 Turbine hidraulice. Energia si puterea.

Astfel, energia hidraulic disponibil a unui curs de ap natural, denumit teoretic sau brut, este suma energiilor poteniale i cinetice:V2 Eb = E z + Ec = V ( z + ) = V Hb 2 g

unde Hb se denumete cdere energetic natural brut:V2 Hb = z + 2 g

La amenajrile hidroenergetice, pe lng aceste forme de energie, mai apar: energia potenial de presiune: E p = V p [J] energia pierderilor de sarcin: Er = V hr [J]

1/4/2007


4

Energia hidraulic net a unei amenajri hidroenergetice numit i energia hidraulic la intrarea n turbin, este: Eh = E z + E p + Ec Er = V H n [J] unde Hn reprezint cderea net i este egal cu cderea brut nmulit cu randamentul hidraulic: H n = H b h Puterea hidraulic reprezint derivata energiei n raport cu timpul, sau energia hidraulic n unitatea de timp:dEh dV Ph = = H n = Q H n [kW] dt dt

Puterea hidraulic se exprim n [CP] sau [kW], astfel: Ph = 9,81 Q H n [kW] Ph = Q H n = 13,33 Q H n [CP]75

1/4/2007


5

8.2. Puterea mecanic la arborele turbinei i puterea electric la bornele generatoruluiPuterea hidraulic Ph este transformat de turbin n putere mecanic Pm, numit putere la arborele turbinei i se calculeaz cu relaia:Pm = Ph t = 9,81 Q H n t

Generatorul electric transform puterea mecanic P n putere electric Pe, numit putere la borne:Pe = Pm g = Ph t g = 9,81 Q H n t g

1/4/2007


6

Energia produs de o central hidroelectric este energia produs la bornele generatorului i se calculeaz pentru un interval de timp T dat (24 ore pentru o zi, 8.760 ore pentru un an etc.) prin integrarea puterii electrice n raport cu timpul:E = P dt =9,81 Q(t ) H n t g dt0 0 T T

Valoarea debitului variaz n timp, valoarea cderii nete variaz n raport cu debitul afluent i cel uzinat n momentul t, iar valorile randamentelor variaz n raport cu cderea net.

1/4/2007


7

Pentru un calcul aproximativ al energiei produse de o central hidroelectric se pot utiliza valori medii ale parametrilor variabili. Astfel, relaia de calcul este: E = 9,81 Qm Hnm tmgm T [kWh/an] unde se numete factor de utilizare al stocului, este subunitar i reprezint pierderea de stoc, fie prin deversarea la ape mari, fie prin calculul energiei la valori medii. De exemplu, dac se calculeaz cu un debit mediu lunar, n orice zi din luna respectiv care are debitul afluent mai mare dect debitul instalat al centralei, se poate pierde, la centralele pe firul apei sau cele cu o acumulare mic, diferena de debit ntre debitul afluent i cel instalat.

1/4/2007


8

Factorul de utilizare depinde de gradul de supraechipare al centralei hidroelectrice, k: unde: Qi este debitul instalat n central; Qi k= Qm este debitul mediu (lunar, semestrial, Qm anual etc.).e

Qafluent(m c/s)

Un exemplu de curb de utilizare este prezentat n figura, pentru captarea Schitu, MHC Ceahlu.

0 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 k

10

20

30

40

50 p(%)

60

70

80

90

0 100

curba de durata

curba de utilizare

1/4/2007


9

Valoare coeficientului de utilizare se poate considera, pentru centrale hidroelectrice cu regularizare: multianual, = 0,98; anual, = 0,95; sezonier, = 0,9; pe firul apei, = 0,75 0,85 (variaz n funcie de gradul de supraechipare ki al centralei).

1/4/2007


10

8.3. Tipuri de turbineTurbina hidraulic transform energia hidraulic n energie mecanic. Turbinele hidraulice au randamentele cele mai ridicate (n comparaie cu alte tipuri de turbine) i au urmtoarele caracteristici: prelucreaz cderi cuprinse ntre 1 m i 2.400 m i debite cuprinse ntre 0,1 m3/s i 900 m3/s; sunt maini fiabile, cu durat de via de peste 50 de ani (Sadu I, microhidrocentral n funciune din anul 1986); au elasticitate n funcionare n condiii de variaie a debitului, puterii i turaiei; pot fi pornite i ncrcate la capacitate optim ntr-un timp foarte scurt, de aceea sunt capabile s fac servicii de sistem.1/4/2007 Cap.8 Turbine hidraulice. Energia si puterea. 11

Dup forma energiei primare i felul transformrii acesteia, turbinele se pot clasifica astfel: turbine cu aciune sau de egal presiune, transform n stator ntreaga cdere net n nlime cinetic pe care o transform n rotor n energie mecanic, iar presiunea la intrarea n cupele rotorului este egal cu cea de la ieire i anume presiunea atmosferic (Banki, Pelton turbine cu cupe); turbinele cu reaciune sau cu suprapresiune, care primesc energia hidraulic preponderent potenial, iar presiunea la intrarea n rotor este mai mic dect la ieire (Francis, Kaplan, Propeler elicoidal, axiale bulb, axial concentrice.

1/4/2007


12

Banki

Francis

Pelton Kaplan1/4/2007 Cap.8 Turbine hidraulice. Energia si puterea. 13

Turbinele cu reaciune sunt compuse din: carcasa spiral (melc) face legtura ntre vana de admisie i statorul turbinei; stator distribuie debitul uniform pe periferia aparatului director; aparat director (distribuitor) distribuie uniform debitul pe periferia rotorului i asigur unghiul optim de intrare corect a apei n rotor; rotor organ principal al turbinei, transform puterea hidraulic n putere mecanic la arborele pe care este montat rotorul (imprim o micare de rotaie acestora); aspiratorul permite devierea curentului de ap din direcie orizontal n direcie vertical sau invers; recupereaz aparte din energia cinetic a apei sporind randamentul turbinei; evacueaz apa spre canalul de fug al centralei n condiii hidrodinamice optime.1/4/2007 Cap.8 Turbine hidraulice. Energia si puterea. 14

Clasificarea dup turaia specific a turbinei mparte turbinele n patru tipuri: ultralente lente, normale i rapide, fiecare tip de turbin avnd valorile ei maxime/minime de ncadrare n aceste categorii. Rapiditatea influeneaz forma palelor turbinelor.

Dup poziia axului, turbinele pot fi: cu ax vertical turbina si generatorul sunt dispuse pe acelai ax n poziie vertical (pentru gabarite mari, axul vertical asigur o suspendare static stabil i o transmitere bun a forelor la fundaia centralei; lagrele de ghidaj sunt mai simple, montarea i demontarea cu ajutorul podului rulant este mai uoar); cu ax orizontal (supravegherea este mai uoar echipamentele sunt la vedere, generatoarele cu ax orizontal sunt mai ieftine; dispoziia orizontal permite amplasarea de turbine duble sau gemene).1/4/2007 Cap.8 Turbine hidraulice. Energia si puterea. 15

Turbin cu ax vertical (stnga Porile de Fier I sala mainilor vizibil doar generatorul) i orizontal (se observ tot agregatul).1/4/2007 Cap.8 Turbine hidraulice. Energia si puterea. 16

8.4. Cderea de calcul pentru turbineLacul de acumulare al unei amenajri hidroenergetice are urmtoarele nivele i volume caracteristice: Vm volumul mort, situat sub nivelul prizei; Vr rezerva de fier, volumul cuprins ntre nivelul prizei i nivelul minim de exploatare; Vu volumul util cuprins ntre nivelul minim de exploatare i nivelul maxim static; Vp volumul de protecie mpotriva viiturilor, situat deasupra nivelului maxim static.1/4/2007 Cap.8 Turbine hidraulice. Energia si puterea. 17

Pe curba de capacitate a lacului, pentru volumul Vu/2 rezult nivelul centrului de greutate al volumului util exploatat i de la acel nivel n jos se msoar cderea brut de calcul a turbinelor. Cderea net de calcul este cderea brut de calcul din care se scad pierderile de sarcin (notat convenional cu H). Fa de acest H turbinele funcioneaz n intervalul [Hmin, Hmax], corespunztoare nivelului static maxim (creasta deversorului) i nivelului minim de exploatare.1/4/2007 Cap.8 Turbine hidraulice. Energia si puterea. 18

n funcie de tipul de turbin exist o limitare a valorii raportului Hmin/Hmax astfel nct randamentul turbinei s nu scad sub cel minim economic:H min 0,70 turbine Pelton: H maxH min 0,60 turbine Francis, SemiKaplan, Elicoidale: H max

H min 0,45 turbine Kaplan: H max

n concluzie, turbina se dimensioneaz pentru cderea net de cacul i se verific la dimensionarea extrem cu Hmin i Hmax.1/4/2007 Cap.8 Turbine hidraulice. Energia si puterea. 19

8.5. Caracteristicile energetice ale turbinelor hidrauliceO caracteristic a turbinei hidraulice, despre care s-a mai vorbit este rapiditatea i se calculeaz astfel:ns = n H P H

unde: n - turaia turbinei P - puterea turbinei H - cderea turbinei

1/4/2007


20

Caracteristica universal a turbinei1/4/2007 Cap.8 Turbine hidraulice. Energia si puterea. 21

Pentru rotorul turbinei se schieaz n laborator aa numita caracteristic universal, care reprezint variaia randamentului la diferite debite i cderi, sub forma de debit unitar Qi i a turaiei unitare ni, aa cum se prezint n figura anterioar. Pentru determinarea turaiei n i a diametrului D a unui tip de turbin astfel nct s se obin randamente acceptabile pentru tot domeniul de variaie al debitelor i cderilor la care va lucra turbina, se stabilesc urmtoarele cderi i debite caracteristice: cderea nominal HN cderea minim la care turbina va dezvolta puterea nominal utiliznd debitul nominal QN; cderea de calcul Hc i debitul de calcul Qc,, corespunztoare randamentului maxim al turbinei, pe baza cruia se calculeaz turaia n.

Pe baza acestor coordonate sunt trasate curbele de egal randament. Caracteristica de exploatare d posibilitatea utilizatorului s determine direct randamentul turbinei n funcie de cdere i debit (putere). Un exemplu de caracteristic de exploatare este dat n figur.1/4/2007 Cap.8 Turbine hidraulice. Energia si puterea. 22

Caracteristica de exploatare a turbinei1/4/2007 Cap.8 Turbine hidraulice. Energia si puterea. 23

Caracteristica universal i cea de exploatare permit determinarea caracteristicii de lucru a turbinei, care reprezint curba t = f (Q) sau t = f (P) , pentru o anumit cdere.Aceste elemente prezentate pun n eviden zona de cderi i debite pentru care turbina lucreaz cu randamente maxime.

Caracteristica de lucru a turbinei1/4/2007 Cap.8 Turbine hidraulice. Energia si puterea. 24

8.6. Puterile caracteristice ale unei amenajri hidroenergeticePuterile caracteristice ale unei amenajri hidroenergetice reflect condiiile de exploatare ale amenajrii. Astfel, se poate ntlni: puterea instalat a unei amenajri hidroenergetice reprezint suma puterilor nominale ale hidroagregatelor instalate (puterea nominal a fiecrui grup hidrogenerator poate fi citit pe plcua generatorului); puterea disponibil a unei amenajri hidroenergetice reprezint puterea maxim pe care o poate dezvolta amenajarea la un moment dat, n condiiile de debit i cdere diferite de cele de calcul; puterea disponibil nu poate fi dect mai mic, cel mult egal, cu puterea nominal, diferena reprezentnd aa numita putere indisponibil dat de coeficientul de indisponibilitate al agregatului (datorat uzurii, deficitului de debit sau de cdere);

1/4/2007


25

puterea asigurat (garantat) este puterea cu o anumit asigurare, de obicei ntre 75% i 95%, n funcie de tipul amenajrii, care se citete pe curba de durat a puterilor; puterea utilizabil reprezint puterea maxim care o poate dezvolta amenajarea la un moment dat, lund n considerare grupurile n reparaie i parametrii disponibili la acel moment; puterea n funciune a unei amenajri este dat de sum puterilor reale, dezvoltate de hidroagregate, la un moment dat.

Trebuie specificat faptul c, puterea instalat i asigurat sunt valori caracteristice constante, n timp ce puterea disponibil, utilizabil i n funciune sunt valori caracteristice variabile n timp.

1/4/2007


26

Documents

formule calcul