IZBOR TURBINSKEGA AGREGATA HE MARKOVCI

Fakulteta za strojništvo

IZBOR TURBINSKEGA AGREGATA HE

MARKOVCI

Diplomsko delo

Študent: Mario KNEŽEVIĆ

Študijski program: Visokošolski strokovni; Strojništvo

Smer: Energetika in procesno strojništvo

Mentor: Red. prof. dr. Brane ŠIROK

Somentor: Doc. dr. Ignacijo BILUŠ

Maribor, April 2012

Vložen original sklepa o

potrjeni temi diplomskega dela

II

I Z J A V A

Podpisani Mario Knežević izjavljam, da:

je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom Braneta

Široka in somentorstvom Ignacija Biluša ;

predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev

kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;

soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet

Univerze v Mariboru.

Maribor, 05.04.2012 Podpis:___________________________

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju Branetu Široku in

somentorju Ignaciju Bilušu za pomoč in vodenje pri

opravljanju diplomskega dela. Zahvaljujem se tudi

sodelavcem podjetja Iskra Impuls d.o.o. za potrpljenje

in pomoč.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili

študij.

IV

IZBOR TURBINSKEGA AGREGATA HE MARKOVCI

Ključne besede: hidroelektrarna

hidrologija

cevna turbina

gonilnik

vodilne lopatice

UDK:

POVZETEK

V diplomski nalogi je analizirana izbira tipa turbinskega agregata za hidroelektrarno

Markovci. Izhodišče za izbor turbine so bile hidrološke in geološke razmere vodotoka reke

Drave na jezu v Markovcih. Z uporabo statistične analize energetskih in geometrijskih

parametrov obstoječih vgrajenih vodnih turbin v brezdimenzijski obliki je izbrana cevna

turbina za majhne padce s fiksnimi lopaticami gonilnika in vodilnika. Natančneje so

obravnavani osnovni parametri gonilnika kot glavni parameter pretočnega trakta turbine.

Predlagana je tudi oprema turbine in generatorja.

V

THE TURBINE SELECTION FOR THE HYDRO POWER PLANT

MARKOVCI

Key words: hydro-power plant

hydrology

bulb turbine

runner

guide vanes

UDK:

ABSTRACT

The bachelor's thesis analyses a selection of the turbine unit type of Markovci hydro – power

plant. The selection of the turbine unit is based on a study of hydrological and geological

conditions of the river Drava at Markovci dam. A statistical analysis of both energy and

geometrical parameters of the existing instalation of water turbines in no-dimensional

configuration shows that the radial Francis turbine with fixed runner blades and guide vanes

is to be chosen. The thesis later focuses in more details on the parameters of the turbine

runner, since they are one of the key parameters of the water flow tract. Finally, a

configuration of the turbine and generator unit equipment is proposed.

VI

1 UVOD ................................................................................................................. - 1 -

1.1 SPLOŠNA IZHODIŠČA ...................................................................................... - 1 -

1.2 POMEMBNOST IZGRADENJ HIDROELEKTRARN ................................................ - 2 -

1.3 NAMEMBNOST MALIH HE .............................................................................. - 2 -

1.4 PREDVIDENI CILJI ........................................................................................... - 4 -

2 VODNA MOČ KOT ENERGIJA .................................................................... - 5 -

2.1 OPIS MALE HIDROELEKTRARNE ...................................................................... - 5 -

2.2 ENERGIJA VODE ............................................................................................. - 6 -

2.3 KARAKTER VODNIH TURBIN ........................................................................... - 9 -

2.3.1 Specifična vrtilna hitrost .......................................................................... - 9 -

2.3.2 Sinhronska vrtilna hitrost ....................................................................... - 10 -

2.3.3 Kritična vrtilna hitrost pri pobegu .......................................................... - 10 -

2.3.4 Moč in izkoristki .................................................................................... - 11 -

2.3.5 Pelton turbina ......................................................................................... - 13 -

2.3.6 Francis turbina ........................................................................................ - 14 -

2.3.7 Kaplan turbina ........................................................................................ - 16 -

3 REKA DRAVA ................................................................................................ - 18 -

4 MALA HE MARKOVCI ................................................................................ - 20 -

4.1 IDEJA O GRADNJI .......................................................................................... - 20 -

4.2 UMESTITEV V PROSTOR ................................................................................ - 20 -

4.3 HIDROLOGIJA ............................................................................................... - 22 -

4.4 GEOLOGIJA .................................................................................................. - 22 -

4.5 SEIZMOLOGIJA ............................................................................................. - 23 -

4.6 KARAKTERISTIKE ......................................................................................... - 23 -

4.7 OBJEKTI ....................................................................................................... - 24 -

4.7.1 Zajetje vode ............................................................................................ - 24 -

VII

4.7.2 Vtočni objekt .......................................................................................... - 25 -

4.7.3 Cevovod ................................................................................................. - 26 -

4.7.4 Strojnična zgradba .................................................................................. - 28 -

5 OSNOVE ZA IZRAČUN PRETOČNEGA TRAKTA TURBINE ............. - 30 -

5.1 BRUTO PADEC .............................................................................................. - 30 -

5.2 PRETOK ........................................................................................................ - 30 -

5.3 NETO PADEC ................................................................................................ - 31 -

5.3.1 Srednja hitrost vode v cevovodu ............................................................ - 31 -

5.3.2 Tlačne izgube v cevovodu ...................................................................... - 32 -

5.3.3 Izračun neto padca .................................................................................. - 42 -

5.3.4 Kontrola neto padca ............................................................................... - 42 -

6 DOLOČITEV TURBINSKEGA AGREGATA ............................................ - 43 -

6.1 IZBIRA TIPA TURBINSKEGA AGREGATA ........................................................ - 43 -

7 TEORIJA STATISTIČNE METODE ZA PRETOČNI TRAKT TURBINE- 45 -

7.1 UVOD ........................................................................................................... - 45 -

7.2 OBDELAVA STATISTIČNIH PODATKOV Z MATEMATIČNO STATISTIKO ............ - 45 -

7.3 REGRESIJSKA KRIVULJA ............................................................................... - 46 -

7.4 TEORIJA KORELACIJE ................................................................................... - 46 -

7.4.1 Srednja vrednost ..................................................................................... - 46 -

7.4.2 Standardna deviacija .............................................................................. - 47 -

7.5 METODA DOLOČANJA REGRESIJSKIH KRIVULJ .............................................. - 48 -

7.5.1 Analitična metoda .................................................................................. - 48 -

7.5.2 Metoda najmanjših kvadratov ................................................................ - 49 -

8 IZRAČUN PARAMETROV PRETOČNEGA TRAKTA CEVNE TURBINE

PO STATISTIČNI METODI .......................................................................... - 51 -

8.1 PRETOČNI TRAKT ......................................................................................... - 52 -

8.1.1 Specifična vrtilna hitrost ........................................................................ - 52 -

VIII

8.1.2 Imenska vrtilna hitrost ............................................................................ - 54 -

8.1.3 Energijsko in pretočno število ................................................................ - 55 -

8.1.4 Školjčni diagram .................................................................................... - 57 -

8.1.5 Postavitev gonilnika nad spodnjo vodo .................................................. - 58 -

8.1.6 Gonilnik .................................................................................................. - 62 -

8.1.7 Geometrijski parametri pretočnega trakta .............................................. - 65 -

8.1.8 Sesalna cev ............................................................................................. - 73 -

9 PARAMETRI CEVNE TURBINE ................................................................ - 77 -

9.1 GENERATOR ................................................................................................. - 77 -

9.2 MOČ TURBINSKEGA AGREGATA ................................................................... - 77 -

9.3 PROIZVODNJA TURBINSKEGA AGREGATA ..................................................... - 78 -

9.4 TEHNIČNI OPIS ............................................................................................. - 79 -

9.4.1. Splošno .................................................................................................. - 79 -

9.4.1 Turbinski gonilnik .................................................................................. - 79 -

9.4.2 Ohišje turbine ......................................................................................... - 80 -

9.4.3 Vodilni in nosilni ležaj ........................................................................... - 80 -

9.4.4 Elastična sklopka .................................................................................... - 80 -

9.4.5 Predturbinski zaporni organ ................................................................... - 80 -

9.4.2. Sesalna cev ............................................................................................ - 81 -

9.5 DIMENZIJE ................................................................................................... - 81 -

9.6 ZAKLJUČEK .................................................................................................. - 82 -

SEZNAM UPORABLJENIH VIROV ................................................................... - 84 -

IX

UPORABLJENI SIMBOLI

Hb [m] - bruto padec

Hn [m] - neto padec

Hs [m] - sesalna višina

HBAR [m] - višina zračnega tlaka

HV [m] - tlačna višina vodne pare

ΔH [m] - višinska razlika

H1[m.n.m] - zgornja gladina vode

H2[m.n.m] - spodnja gladina vode

H [m] - padec

Ep [J] - potencialna energija

Et [J] - tlačna energija

Ek [J] - kinetična energija

Δp [Pa] - izguba tlačne energije

hi [m] - skupne izgube

hid [m] - izgube v dovodnem kanalu

hic [m] - izgube v cevovodu

hio [m] - izgube v odvodnem kanalu

hiL [m] - linijske izgube

hiLOK [m] - lokalne izgube

hiVt [m] - lokalne izgube oblike vtoka

hiPs [m] - lokalne izgube potopne stene

hiPd [m] - lokalne izgube prehodnega dela

hiGr [m] - lokalne izgube grobe rešetke

X

hiFr [m] - lokalne izgube fine rešetke

hiRd [m] - lokalne izgube razcepnega dela

ζ - koeficient lokalnih izgub

Ni [min-1

] - imenska vrtilna hitrost

NS [min-1

] - sinhronska vrtilna hitrost

Np [min-1

] - pobežna vrtilna hitrost

nq [min-1

] - specifična vrtilna hitrost

[kg/s] - masni pretok

[m3/s] - volumski pretok

max [m3/s] - maksimalni volumski pretok

m1 [m3/s] - volumski pretok pozimi

m2 [m3/s] - volumski pretok poleti

S [m2] - presek cevovoda

O [m] - obseg cevovoda

L [m] - dolžina cevovoda

Dn [m] - notranji premer cevovoda

τ [MPa] - strižne napetosti

A [m2] - ploščina plošče

F [N] - sila

v [m/s] - hitrost pomika

B [m] - razdalja od plošče do tal

η [Pas] - dinamična viskoznost

ν - kinematična viskoznost

δ [mm] - mejna plast

XI

c [m/s] - srednja hitrost vode

g [m/s2] - pospešek prostega padca

dh [m] - hidravlični premer

Re - Reynoldsovo število

k [mm/s2] - koeficient absolutne hrapavosti

λ - koeficient tekočinskega trenja

ρ [kg/m3] - gostota vode

xi,yi,Zi - spremenljivke

a,b,c - realna števila

- srednji vrednosti spremenljivk xi,yi

α1,0, α0,1 - prvi ničelni moment

N - število spremenljivk

D - raztros točk spremenljivk xi,yi

σx,σy,σ - standardna deviacija

r - korelacijski faktor

μ2,0, μ0,2 - drugi ničelni moment

- vsota kvadratov odklonov

ψ - energijsko število

φ - pretočno število

σs - koeficient kavitacije

vs [m/s] - vstopna hitrost vodnega toka sesalne cevi

vsi [m/s] - izstopna hitrost vodnega toka sesalne cevi

Dr [m] - premer gonilnika

DS [m] - premer sesalne cevi na vstopu

XII

Dp [m] - premer pesta gonilnika

R1 [m] - notranji radij gonilnika

R2 [m] - zunanji radij gonilnika

Ls [m] - dolžina hruške turbine

Ds [m] - premer hruške turbine

Lmin [m] - dolžina sesalne cevi

ηi - izkoristek turbine

ηig - izkoristek generatorja

PA [kW] - moč turbinskega agregata

Pi [kW] - moč vodne turbine

Pig [kW] - moč generatorja

P - število parov polov generatorja

Ku - koeficient obodne hitrosti

EL [kWh] - proizvodnja električne energije

EL1 [kWh] - proizvodnja električne energije pozimi

EL2 [kWh] - proizvodnja električne energije poleti

XIII

UPORABLJENE KRATICE

HE - hidroelektrarna

mHE - mala hidroelektrarna

m.n.m - nadmorska višina

DEM - Dravske elektrarne Maribor

ca. - cirka, približno

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 1 -

1 UVOD

1.1 Splošna izhodišča

HE Formin je druga elektrarna kanalskega tipa na Dravi, ter zadnja v verigi HE na Dravi v

Sloveniji. Zajezitev za HE Formin predstavlja jez v Markovcih s Ptujskim jezerom. Jez

Markovci predstavlja mejo med strugo Drave in bazenom. Dravske elektrarne Maribor, so po

koncesijski pogodbi obvezne na jezu Markovcih spuščati v strugo Drave ekološko sprejemljiv

pretok 5 pozimi in 10 poleti. Na jezu v Markovcih se vsa navedena količina

trenutno preliva preko zapornic. Smiselno je energetsko izkoristiti obvezen ekološko

sprejemljiv pretok, s tem zmanjšati manipulacije zapornic ter zagotoviti potrebno enakomerno

količino vode v strugi reke Drave [10].

V ta namen bo zgrajena mala hidroelektrarna Markovci, ki bo v sklopu objektov HE

Formin na reki Dravi in sicer ob Jezu Markovci, ki je vstopna pregrada za kanal HE Formin.

Slika 1.1 - Prikaz območja načrtovane mHE Markovci na desnem bregu jezu v

Markovcih [10]


- 2 -

1.2 Pomembnost izgradenj hidroelektrarn

Vodno energijo se uvršča med “čiste obnovljive vire” (skupaj z vetrom, bibavico, valovi,

sončno in geotermalno energijo), za razliko od gorljivih obnovljivih virov (kot so biomasa,

odpadki v mestih, lesni odpadki itd).

Vodno energijo se uvršča med obnovljive vire, ker je voda, ki teče skozi vodno

elektrarno, del vodnega cikla, ki ga poganja sonce. Čista je v tem pomenu, ker njena pretvorba

v električno energijo ne onesnažuje okolja. Skrbi za zmanjševanje emisij plinov tople grede,

saj nadomešča ostale načine pretvorbe energije. Če je hidroelektrarna skrbno načrtovana, se

vodno energijo označi kot “obnovljivo” in “trajno”.

Vodna energija ima naslednje značilnosti:

- je zanesljiva, z znanimi pozitivnimi in negativnimi vplivi,

- hidroelektrarne imajo dolgo obratovalno dobo - do 100 in več let,

- hidroelektrarne so bolj učinkovite kot vse ostale vrste elektrarn, ki uporabljajo

neobnovljive in obnovljive vire; izjema so mogoče geotermalne elektrarne,

- v hidroelektrarnah gre za neposredno spremembo potencialne energije vode v delo

brez vmesne spremembe v toploto z visokim izkoristkom do 95%,

- stroški vzdrževanja in obratovanja so nizki, nadzor obratovanja je enostaven,

- ni plinov, ki povzročajo učinek tople grede, kot posledice obratovanja,

- olajšan je hiter odziv na spremembe pretoka, zelo učinkovita je izhodna regulacija,

- vodne elektrarne so lahko razvite v sklopu večnamenske uporabe vode.

V vse bolj ostri energetski situaciji lahko hidroelektrarne do moči 1 MW (male HE)

ublažijo pomanjkanje električne energije in prihranijo vse težje dosegljive druge energetske

vire. Tako mala HE moči 10 kW vsako uro obratovanja prihrani 10 kg lignita ali 2 l nafte

[16].

1.3 Namembnost malih HE

Namen malih HE je predvsem v racionalnem koriščenju naravnega energetskega vira vode in

zagotavljanju napajanja lokalnega električnega omrežja.


- 3 -

Letna proizvodnja je odvisna od letnih hidroloških razmer. Dinamika proizvodnje je

neposredno odvisna od vodnih dotokov, saj male HE niso opremljene z akumulacijami, ki bi

lahko urejale dinamiko proizvodnje v daljšem časovnem obdobju.

V Sloveniji postajajo za izkoriščanje vodne energije vse bolj zanimivi tudi manjši

vodotoki. Začetek gradnje malih HE v Sloveniji je v začetku 80-ih let spodbudil Zakon o

energetskem gospodarstvu, ki je dovolil gradnjo energetskih objektov tudi izven

elektrogospodarstva. Tako so nekoč glavni viri električne energije, male HE spet pridobile na

svojem pomenu.

Gradnja novih malih HE je odvisna od pridobitve dovoljenj za gradnjo na majhnih

vodotokih. Pogoj je tudi zagotovitev finančnih sredstev, saj je gradnja novih malih HE

finančno zelo zahtevna. Je pa dolgoročno smiselna, ker izkorišča vodno energijo za

proizvodnjo električne energije. Posebno pozornost je potrebno nameniti umeščanju malih HE

v okolje, oziroma zadostitvi vedno strožjim okoljevarstvenim zahtevam.

V preglednici 1.1 je prikazan hidroenergetski potencial za izgradnjo novih in delež

obratujočih malih HE ter malih HE v gradnji na porečju slovenskih rek [11].

Preglednica 1.1: Problematika malih HE v Sloveniji [11]

Porečje Površina

(km2)

HIDROENERGETSKI

POTENCIAL

OBRATUJOČE IN V GRADNJI

Teoretični

(GWh/leto)

Tehnični

(GWh/leto)

Obratujoče Delež

proizv.elek.

V gradnji

(MW) (MW) (GWh/leto)

Drava 290 260 9 40 0,3 Sava 1.030 510 44 200 1,6

Soča 474 260 26 87 0,7

Mura 7 5 1 1 0,0

Kolpa 182 56

Kras 17 9

Slovenjia 20.250 2.000 1.100 80 328 2,5 1,5

Delež malih HE s skupno močjo 80 MW in proizvodnjo 328 GWh znaša 2,5 % vse

proizvedene električne energije v Sloveniji. To je izkoriščenost dobre četrtine vsega

razpoložljivega hidroenergetskega potenciala za male HE [11].


- 4 -

1.4 Predvideni cilji

V diplomski nalogi je obravnavana izgradnja nove male hidroelektrarne na reki Dravi s

poudarkom na dimenzioniranju turbinskega agregata. Z analiziranjem pretoka, ki znaša

5 pozimi in 10 poleti ter bruto padca, ki znaša 10,6 m, bom odločil kako

najučinkoviteje izrabiti energijo vode. Ta dva parametra imata velik vpliv na karakteristike

turbine.

Zaradi nizkega padca, kratkega tlačnega cevovoda in stalnega pretoka vode na jezu je

strošek na proizvedeno enoto električne energije iz bodoče male HE relativno nizek. Izbira

agregata se bo izvedla z upoštevanjem trendov proizvajalcev vodnih turbin v zadnjih

desetletjih. Te trende pa pojasnjuje statistična analiza že vgrajenih vodnih turbinskih

agregatov na podlagi specifične vrtilne hitrosti. Na osnovi statistične analize bodo določene

osnovne dimenzije pretočnega trakta turbine in njegovih elementov za pretvorbo vodne v

mehansko energijo. Dobljeni rezultati bodo služili tudi za določitev osnovnih parametrov

ostale opreme agregata, predvsem generatorja.


- 5 -

2 VODNA MOČ KOT ENERGIJA

2.1 Opis male hidroelektrarne

Po smeri toka vode je mala HE na splošno sestavljena iz (slika 2.1):

- zajetja (jez) z umirjevalnim bazenom, peskolovom in vtokom v dovodni objekt,

- dovodnega objekta, ki je lahko kanal ali cevovod,

- zgradbe strojnice, v kateri se nahaja turbinski agregat, sestavljen iz turbine in

generatorja, upravljalnega sistema ter povezave z distribucijskim omrežjem,

- odvodnega objekta.

Slika 2.1 - Podolžni profil male hidroelektrarne [15]

jez

umirjevalni bazen s

peskolovom cevovod,kanal

strojnica

odvodni objekt


- 6 -

Hidroenergetski stroj se imenuje vsak stroj, ki izkorišča energijo kapljevine. Voda je kot

nosilec energije najpogostejša tekočina v naravi. Potencialno energijo vode, ki priteka po

dovodnem cevovodu, turbina pretvarja v mehansko moč. Turbina je preko rotirajoče osi

povezana z generatorjem, ki pretvori mehansko moč v električno.

2.2 Energija vode

Padec, ki ga ima vodotok na odseku od zajetja vode do iztoka iz strojnice, imenujemo bruto

padec Hb. Bruto padec je višinska razlika med zgornjo vodno gladino bazena in spodnjo

vodno gladino turbinskega iztoka (slika 2.2).

Slika 2.2 - Bruto padec [16]

Za energetsko izkoriščanje vode je potrebna njena potencialna energija Ep. S tlačnim

cevovodom povežemo višje ležeči umirjevalni bazen zajetja z nižje ležečo turbino v strojnici

in pretvorimo potencialno energijo v tlačno energijo Et. Tlačna energija je po vrednosti enaka

potencialni energiji, saj tlačni cevovod ne spreminja količine vode in bruto padca Hb.

Na koncu tlačnega cevovoda se odpre zasun in voda steče na gonilnik turbine. Tlak v

tlačnem cevovodu je manjši kot pred odprtjem zasuna. Zmanjšanje tlaka je posledica tlačnih

izgub v tlačnem cevovodu, deloma pa posledica okoliščine, da se je del tlačne energije Et


- 7 -

spremenil v kinetično energijo Ek. Vrednost kinetične energije Ek narašča pri istem pretoku

s kvadratom hitrosti c (enačba (2.1)) .

g

cEk

2

2

(2.1)

V smeri proti turbini se vrednosti posameznih vrst energije spreminjajo. Z bližanjem

proti spodnjemu koncu tlačnega cevovoda tlačna energija Et narašča, potencialna energija Ep

pa se zmanjšuje. Pogoj je, da se presek S cevovoda in s tem hitrost vode c vzdolž tlačnega

cevovoda ne spremenita, da ostane delež kinetične energije Ek nespremenjen (enačba (2.2)).

Sc

V

(2.2)

Vsota vseh treh energijskih deležev je teoretično enaka v celotnem tlačnem cevovodu.

Zaradi pretvarjanja ene vrste energije v drugo se spreminjajo le vrednosti posameznih vrst

energije. Dejansko pa se vsota vseh treh vrst energije proti spodnjemu koncu tlačnega

cevovoda malenkostno zmanjša zaradi energijskih izgub, ki so posledica trenja med stenami

cevi in vode vzdolž cevovoda.

S spreminjanjem premera tlačnega cevovoda je tudi delež kinetične energije Ek vzdolž

tlačnega cevovoda mogoče spreminjati. Če se tlačni cevovod proti koncu oži, se pri istem

pretoku, hitrost vode in z njo delež kinetične energije Ek večata. Hitrost vode in kinetična

energija sta tik pred vstopom vode v turbino največja.

Določiti se mora tudi skupne izgube padca hi v dovodnem kanalu hid in izgube v

cevovodu hic ter odvodnem sistemu hio (enačba (2.3)). Izgubo padca v odvodnem sistemu se

upošteva pri vseh nadtlačnih turbinah razen pri enakotlačni Peltonovi turbini (slika 2.3).


- 8 -

Slika 2.3 - Izguba padca [16]

ioicidi hhhh (2.3)

Tako zmanjšani bruto padec Hb se imenuje neto padec Hn, ki se ga meri v metrih in je

prvi dejavnik vodne moči (enačba (2.4)).

ibn hHH (2.4)

Drugi dejavnik vodne moči je volumski pretok , ki se ga meri v m3/s. Upošteva se

srednji pretok pri normalni vodi na odseku od umirjevalnega bazena vtoka do iztoka.


- 9 -

2.3 Karakter vodnih turbin

2.3.1 Specifična vrtilna hitrost

Vodne turbine karakterizira specifična vrtilna hitrost, ki najbolj natančno določi lastnosti

nekega hidravličnega stroja (enačba (2.5)) [17]. Enačba vsebuje vse osnovne hidravlične

veličine.

4 3

n

iq

H

VNn

(2.5)

Specifična vrtilna hitrost nq nam pove, koliko vrtljajev na minuto bi imel podoben

turbinski stroj pri nazivni obremenitvi, če bi bil pretok =1 m3/s in padec H=1m. [17].

Iz enačbe (2.5) je razvidno, da voda, ki preide skozi turbino ne spremeni svojih

fizikalnih lastnosti (gostota, temperatura). Enačba je neodvisna od vrste medija.

Na podlagi izračunane specifične vrtilne hitrosti izberemo tip turbine (preglednica 2.1).

Preglednica 2.1: Vrednosti specifične vrtilne hitrosti [17]

Vrsta turbine )(mH )(min 1

qn

Pelton 1 šoba 1800 - 1100 2,0 – 3,3 3 šobe 1100 - 550 3,3 – 6,6

6 šob 550 - 200 6,6 – 16,7

Francis počasna 410 - 275 16,7 - 40

normalna 275 - 100 40 - 70

hitra 100 - 35 70 - 117

Kaplan 8 lopatic ~ 50 117

5 lopatic ~ 20 140

3 lopatice ~ 6 266

Število vrtljajev turbine mora tudi ustrezati razpoložljivi višini in specifični vrtilni

hitrosti.


- 10 -

2.3.2 Sinhronska vrtilna hitrost

Vrtilna hitrost turbinskega agregata je tisto število vrtljajev turbinske gredi na minuto, s

katerim mora obratovati turbina ne glede na obremenitev, da je njen izkoristek najboljši [15].

Vrtilna hitrost turbine in generatorja, ki sta neposredno povezana s sklopko, je enaka eni

izmed sinhronskih vrtilnih hitrosti (preglednica 2.2).

Sinhronska vrtilna hitrost generatorja je tista vrtilna hitrost, ki jo zahtevata frekvenca

električnega omrežja in število parov polov P generatorja [15].

Preglednica 2.2: Najpogostejše sinhronske vrtilne hitrosti [15]

P 1 2 3 4 5 7 6 8 10 12

NS(min-1

) 3000 1500 1000 750 600 428 500 375 300 250

P 13 14 16 18 20 24 28 32 36 40 NS(min

-1) 231 214* 188 167* 150 125 107* 94 83 75

* redkeje v uporabi!

2.3.3 Kritična vrtilna hitrost pri pobegu

Podaja tisto zvišano vrtilno hitrost, ki jo doseže turbinski agregat, ko je nenadoma v celoti

razbremenjen – ločen od električnega omrežja [15].

Turbinski agregat tako ne more oddajati svoje moči v omrežje. Zaradi tega se moč

agregata porablja za pospeševanje vrtilne hitrosti. Vrtilna hitrost se veča toliko časa, da

izkoristek agregata pade in je zmanjšana proizvajalna moč v ravnotežju z močjo za

premagovanje uporov med vrtenjem. Vrtilna hitrost tako ne narašča več. Ta vrednost se

imenuje kritična vrtilna hitrost pri pobegu ali pobežna vrtilna hitrost (enačba (2.6)) [15].

NNP 2,2 (2.6)

Za cevno turbino velja da je pobežna vrtilna hitrost večja od imenske vrtilne hitrosti za

2-2,6 [7], v primeru obravnavane turbine izberem 2,2.


- 11 -

2.3.4 Moč in izkoristki

Moč vodne turbine je dana z masnim pretokom vode =ρ∙ in razpoložljivo višinsko razliko

ΔH=H1-H2 med zgornjo in spodnjo gladino zbiralnika vode (enačba (2.7)) [17].

HgVHgmP iii

(2.7)

Moč vodnih turbin konstrukcijsko skoraj ni omejena; omejena je le z reliefom zemlje in

s količino padavin. Regulira se s spreminjanjem pretoka vode, višinska razlika se praktično ne

spreminja, koristni padec se glede na pretok malenkostno spreminja; z večanjem ali

manjšanjem pretoka vode se namreč ustrezno veča ali manjša tekočinsko trenje in s tem

manjša ali veča koristni padec [17].

Večina turbin, ki se danes uporabljajo, ima velik notranji izkoristek ne samo pri imenski

obremenitvi, ampak tudi v širokem območju delnih obremenitev [17].

Danes se uporablja več vrst vodnih turbinskih agregatov za različne pretoke in

izkoristke (slika 2.4). Na abscisni osi je podan notranji volumski pretok , na ordinatni

osi pa notranji izkoristek ηi. V malih HE z dovodom vode po cevovodu do turbinskega

agregata, kot je v primeru male HE Markovci, je uporabna Kaplan turbina.

Slika 2.4 - Izkoristek vodnih turbin [17]

A – Pelton

B – Kaplan

C – Francis

Č – Francis

(hitra)

D – Kaplan

E -

Propelerske


- 12 -

Krivulja izkoristka za turbinski agregat Pelton turbine prikazuje, da ima turbina pri

polni obremenitvi in pretoku 100% vrednost izkoristka 85%. Če nato moč turbinskega

agregata zmanjšujemo, izkoristek narašča in doseže svojo največjo vrednost 90% pri 60%

pretoku. Ob nadaljnjem zmanjševanju pretoka nato izkoristek pada in doseže pri 30% pretoku

vrednost izkoristka polno odprte turbine. Šele pod 30% pretoka vrednost izkoristka strmo

pada. Izkoristek doseže vrednost nič pri 5% pretoku, kar pomeni, da potrebuje turbina 5%

pretoka, ko ne oddaja moči.

Krivulja izkoristka za turbinski agregat Kaplan je podobna krivulji izkoristka za

turbinski agregat Pelton. Prikazuje da pri polni obremenitvi in pretoku 100% je vrednost

izkoristka 85%. Z nadaljnjim padanjem moči turbinskega agregata, izkoristek narašča in

doseže svojo največjo vrednost 90% pri 60% pretoku. Ob nadaljnjem zmanjševanju pretoka

pri turbinskem agregatu Kaplan začne izkoristek prej padati kot pa pri Turbinskem agregatu

Pelton. Šele pod 30% pretoka vrednost izkoristka strmo pada. Izkoristek doseže vrednost nič

pri 5% pretoku, kar pomeni, da potrebuje turbina 5% pretoka, ko ne oddaja moči, podobno

kot pri turbinskem agregatu Pelton.

Krivulji izkoristka za turbinski agregat Francis turbine opisujeta dve karakteristiki.

Krivulja Č opisuje hitre (za padce do 100 m) in krivulja C počasne (za padce do 500 m)

Francis gonilnike. Hitra turbina dosega svoje najboljše izkoristke pri 90% pretoku, počasna pa

že pri 75% pretoku. Pri nižjih obremenitvah se obe krivulji strmo spuščata, saj ima počasna

turbina že pri 50% obremenitvi isto vrednost izkoristka kot pri polnem pretoku. Na to

vrednost se zniža izkoristek hitre Francis turbine že pri 65% pretoku.

S primerjavo krivulj izkoristka za Pelton, Kaplan in Francis turbino ugotavljam, da

Francis turbine nimajo dobrega izkoristka na tako širokem območju delnih obremenitev kot

Kaplan in Pelton turbine.


- 13 -

2.3.5 Pelton turbina

Za Pelton turbine je značilna ugodna vrednost izkoristkov v zelo širokem območju delnih

obremenitev med 30% in 100% pretoka. Vzrok je v tem, da se z obremenitvijo ne spreminja

kot, pod katerim udarja vodni curek na lopate gonilnika turbine (slika 2.5).

Slika 2.5 - Vodni curek pri Pelton turbini [7]

Na sliki 2.6 je prikazan shematski prerez turbinskega agregata s Pelton turbino. Voda

doteka k turbini po dovodni cevi, ki se končuje s šobo, v kateri je igla. V šobi se hitrost vode

pospeši, da v obliki okroglega curka zapusti šobo. V prostem curku ni nobenega nadtlaka nad

atmosferskim tlakom, kar pomeni, da se je v šobi vsa energija pretvorila v hitrostno energijo.

Vodni curek doseže z veliko hitrostjo posamezne lopate gonilnika. Na sredini lopate se

curek razpolovi in vsaka njegova polovica spremeni v lopatici smer gibanja za 180º. Prav ta

sprememba smeri gibanja povzroča, da se gonilnik vrti in da se v njem energija vode

spreminja v mehansko energijo. Ker voda med gibanjem ne spremeni svojega tlaka, sodijo

Pelton turbine med enakotlačne turbine.


- 14 -

Slika 2.6 - Prerez turbinskega agregata s Pelton turbino [7]

2.3.6 Francis turbina

Na sliki 2.7 je prikazan shematski prerez turbinskega agregata s Francis turbino. Voda doteka

po kanalu in vstopa med vodilne lopate vodilnika. V vodilniku voda svojo hitrost poveča in

se zavrtinči, nato preteče prostor med vodilnikom in gonilnikom. Ko vstopi v gonilnik pod

določenim tlakom, tako da prostore med lopatami gonilnika v celoti napolnjuje, odda svojo

energijo.

Voda, ki izstopa iz gonilnika z določeno hitrostjo ne sme odteči na prosto, ker bi to

pomenilo precejšnjo energetsko izgubo. Zato je na turbino s spodnje strani pritrjena sesalna

cev, ki se proti svojemu koncu stožčasto razširja. V njej se hitrost vode zmanjša na tako

vrednost, da so izgube energije minimalne.

odklonilo

šoba z iglo

lopate


- 15 -

Slika 2.7- Prerez turbinskega agregata s Francis turbino [17]

Vodilnik in gonilnik sta medsebojno postavljena tako, da je najugodnejša vstopna smer

vode na gonilnik pri 70 do 90% pretoku. To je vzrok, da ima turbina slabši izkoristek pri

nižjih obremenitvah.

V delovnem območju ima Francis turbina slabši izkoristek kot Pelton turbina zaradi

vodilnika in njegovega spreminjanja kota, pod katerim doteka voda na gonilnik pri različnih

obremenitvah.

vodilnik

sesalna cev

gonilnik


- 16 -

2.3.7 Kaplan turbina

Na sliki 2.8 je prikazan shematski prerez turbinskega agregata s Kaplan turbino. Pretok vode

skozi Kaplanovo turbino je enak kot pri francisovi turbini, enako velja za sesalno cev.

Lopate gonilnika in vodilnika so lahko medsebojno nastavljive, s tem je omogočeno

doseganje maksimalnega izkoristka pri katerem koli pretoku in padcu.

Če so lopatice gonilnika in vodilnika nastavljive, potem je turbina dvojno regulirana, za

njo velja ugodna vrednost izkoristkov v zelo širokem območju delnih obremenitev med 15%

in 100% pretoka. Pri fiksnih lopaticah vodilnika in nastavljivih lopaticah gonilnika je turbina

enojno regulirana, za njo velja ugodna vrednost izkoristkov v širokem območju delnih

obremenitev med 30% in 100% pretoka. Turbina, ki ima na gonilniku in vodilniku fiksirane

lopatice, je neregulirana oziroma se imenuje propelerska turbina. Uporabljajo se pri

konstantnem pretoku in padcu.

Slika 2.8 – Prerez turbinskega agregata s Kaplan turbino [7]

Cevna turbina je ena izmed pogostih izvedb Kaplanove turbine. Na sliki 2.9 je prikazan

shematski prerez turbinskega agregata s cevno turbino. Cevna turbina je postavljena na

sredino v samo dovodno cev, od tod tudi ime. Voda doteka po cevi vzporedno z turbinsko

gredjo mimo ohišja, v katerem se nahaja generator, do vodilnika.

vodilnik

gonilnik

sesalna cev


- 17 -

V vodilniku voda poveča svojo hitrost in se zavrtinči, nato vstopi v gonilnik pod

določenim tlakom, tako da prostore med lopatami gonilnika v celoti napolnjuje, kjer odda

svojo energijo.

Slika 2.9 - Prerez turbinskega agregata s cevno turbino [7]

vodilnik

gonilnik

generator

turbinska gred

ohišje generatorja

sesalna cev


- 18 -

3 REKA DRAVA

Energetsko najpomembnejša slovenska reka, ki povezuje države in velika biografska

območja, ima samosvoje vodne pretoke, primerne za intenzivno izrabo.

Reka Drava izvira blizu avstrijske meje na Toblaškem polju v Italiji. Pot po Avstriji

zaključi blizu Dravograda. Po 133 km poti in 148 m padca zapusti Slovenijo pri Ormožu in

konča svojo pot pri Osijeku na Hrvaškem, kjer se izliva v Donavo. Na svoji poti povezuje

alpsko in panonsko biogeografsko območje.

Drava ima fluvioglacialni vodni režim, kar pomeni, da ima najvišje vodne pretoke junija, v

času taljenja ledenikov, ko se pri večini drugih rek že kažejo posledice poletne suše. Drugi

vodni vrhunec doseže novembra, ko jo napolnijo jesenska deževja širokega alpskega zaledja.

Padavinsko območje reke Drave v Italiji in Avstriji obsega 10.964 km2, na območju Slovenije

pa še 2700 km2. Padavinsko območje v delu centralnih Alp opredeljuje osnovne značilnosti

pretokov reke Drave. Pritoki iz južnega dela povodja zaradi močnih vplivov sredozemske

klime povzročajo kratkotrajne velike pretoke spomladi, še posebno pa jeseni, saj v povprečju

enkrat v sto letih lahko dosežejo tudi več kot 2800 m3/s, čeprav je srednji letni pretok le

297 m3/s.

Slika 3.1 – Izvir Drave na Toblaškem polju [3]


- 19 -

Elektrarne na Dravi so izjemnega pomena v slovenskem elektroenergetskem sistemu,

saj proizvedejo v povprečju letno do 25 % skupne proizvodnje električne energije v Sloveniji

ter zagotavljajo 37 % zahtev po moči poleti in 20 % pozimi.

Izkoriščanje energetskega potenciala reke Drave se je začelo leta 1918, ko je bila

zgrajena elektrarna Fala. Elektrarni Fala je sledila izgradnja in spuščanje v obratovanje

elektrarn Dravograd leta 1943, Mariborski otok leta 1948, Vuzenica leta 1953, Vuhred leta

1956, Ožbalt leta 1960, Zlatoličje leta 1968 in Formin leta 1978. Verigo elektrarn na

slovenskem delu reke Drave sestavlja osem elektrarn s skupno nazivno turbinsko močjo 585

MW. Z upoštevanjem male elektrarne Melje in Ceršak pa 587 MW. V jezerih elektrarn je

akumuliranih 78 milijonov vode, od tega je 12,4 milijonov izkoristljivih. Z 8

hidroelektrarnami na reki Dravi in z 2 malima hidroelektrarnama proizvedejo DEM kar 80

odstotkov slovenske električne energije [3].

Slika 3.2 – Povprečni delež posamezne elektrarne v skupni proizvodnji [3]


- 20 -

4 MALA HE MARKOVCI

4.1 Ideja o gradnji

Dravske elektrarne Maribor na jezu v Markovcih spuščajo v strugo reke Drave konstanten

pretok 5 pozimi in 10 poleti, ki je energetsko neizkoriščen. Prav tako je višinska

razlika od kote zgornje vode v akumulacijskem jezeru in kote spodnje vode v strugi reke

Drave stalna. Na podlagi teh podatkov in že prej zgrajene mHE Melje na jezu v Melju, sem

dobil idejo za izdelavo diplomske naloge z opisom idejne zasnove turbinskega agregata in

določitvijo hidromehanske opreme za mHE Markovci na jezu v Markovcih.

4.2 Umestitev v prostor

Zajezitev HE Formin predstavlja jez v Markovcih s Ptujskim jezerom in je meja med strugo

Drave in akumulacijo. Jez v Markovcih je pregrada višine ca. 21 m dolžine 122 m s 6

prelivnimi polji. Ob levem boku pregrade se nahaja pogonski prostor potreben za

manipuliranje zapornic jezu Markovci ter dovodni energetski kanal HE Formin. Preko

energetskega kanala je speljan most (kot potopna stena). Zaradi teh že obstoječih objektov na

tem mestu ni možno postaviti mHE Markovci.

Postavitev male HE Markovci sem načrtoval na desnem bočnem objektu obstoječega

jezu v Markovcih, kjer se nahaja dovozna pot za lokalni promet preko jezu za vaščane, ki

imajo poljedelske obdelovalne površine na desnem bregu Drave. V času izgradnje mHE

Markovci bi se dovozna pot za lokalni promet premaknila za kakšnih 300 m nizvodno od jeza.

V ta namen bi se preko reke zgradil začasni nasip z cesto in pod njim položenimi cevmi za

neoviran pretok reke. Po izgradnji mHE Markovci bi se stara dovozna pot ponovno zgradila,

začasni nasip preko reke z cesto pa bi se podrl.


- 21 -

Slika 4.1 – Lokacija mHE Markovci

Lokacija mHE

Markovci


- 22 -

4.3 Hidrologija

Za potrebe projektiranja mHE Markovci so pridobljeni osnovni hidrološki podatki [10]:

- kota zgornje vode: 220 m.n.m

- minimalna kota zgornje vode (denivelacija): 219 m.n.m

- spodnja voda pri nazivnem pretoku turbine 5 m3/s: 209,3 m.n.m

- spodnja voda pri nazivnem pretoku turbine 10 m3/s: 209,43 m.n.m

- spodnja voda pri pretoku turbine 0 m3/s : 209,3 m.n.m

- maksimalna kota ( = 2500 m3/s): 215,3 m.n.m

- maksimalna kota ( = 800 m3/s): 212,36 m.n.m

Ekološko sprejemljivi pretok na jezu Markovcih znaša:

- 5 m3/s v obdobju od 15.10 do 15.3

- 10 m3/s v obdobju od 15.3 do 15.10

4.4 Geologija

Za potrebe izvedbe mHE Markovci je bilo naročeno geološko – geomehansko poročilo s

strani HSE d.o.o., ki ga je izdelal inštitut za geotehniko Fakultete za gradbeništvo, Univerze v

Mariboru. Poročilo za potrebe idejnega projekta je delno povzeto [10].

Tla na območju jezu v Markovcih gradijo dravski sedimenti. Na površju se pod tanko

plastjo humusa nahajajo gramozne zemljine s sorazmerno majhno količino drobnih frakcij

premera D<0.075 mm, ki v glavnem ne presegajo 10 % količine skupne mase. Gramozna

plast je do globine 8 m dobro prepustna ter je zaradi stalnega precejanja talne vode podvržena

izpiranju drobnih frakcij, kar se manifestira v zmanjšanem gostotnem stanju gramoznih

zemljin v območju nihanja gladine talne vode.

Na območju pregrade je bilo ob izgradnji objekta obsežno gradbišče z izkopom globoke

gradbene jame, ki je bila kasneje zasuta z izkopanimi gramoznimi zemljinami. Po strukturi tal

ni mogoče razločiti med naravnimi oz. raščenimi ter nasutimi gramoznimi zemljinami.


- 23 -

Ob zgradbi jeza se nahaja ca. 16,5 m nasutih oz. vgrajenih gramoznih zemljin, ki so si

na videz povsem podobne, vendar se bistveno razlikujejo v gostoti posameznih plasti. V

globini 0 – 8 m so zemljine dobro utrjene z zelo dobrimi mehanskimi lastnostmi, medtem ko

so v globini 8 – 14 m skoraj rahle, kar je možno pripisati izpiranju drobnih frakcij zemljin v

območju desnega boka, kar pripisujemo možnemu slabemu tesnenju stika med krilnim zidom

in zgradbo jeza. Možni vzroki so bodisi razpoke v krilnem zidu ali pa obtekanje vode širšega

območja pregrade Markovci. Pri izvedbi sondažnih vrtin je bila ugotovljena podzemna vodna

na nivoju med 210,9 m.n.m do 209,35 m.n.m.

4.5 Seizmologija

Lokacija male HE Markovci se nahaja v VII. Potresni coni po EMS (Evropska

makrosezmična lestvica) skali [8].

4.6 Karakteristike

Mala HE Markovci je načrtovana kot derivacijska elektrarna na desnem bočnem objektu

obstoječega jezu v Markovcih [10]. Sestavljajo jo naslednji ključni objekti:

- vtočni objekt,

- dovodni sistem (tlačni cevovod),

- strojnica,

- iztočni objekt ter

- pripadajoča infrastruktura.

Načrtovana MHE Markovci bo imela glavne tehnične karakteristike v odvisnosti od

razpoložljivega ekološko sprejemljivega pretoka in različnih gladin vode (dovoljena

denivelacija ptujskega jezera 1m) prikazane v preglednicah 4.1 in 4.2.


- 24 -

Preglednica 4.1: Tehnične lastnosti elektrarne pri gladini vode 220 m.n.m. [10]

Pretok

5 10

Spodnja voda m.n.m 209,3 209,4

Bruto padec m 10,7 10,6

Preglednica 4.2: Tehnične lastnosti elektrarne pri gladini vode 219 m.n.m. [10]

Pretok

5 10

Spodnja voda m.n.m 209,3 209,4

Bruto padec m 9,7 9,6

4.7 Objekti

4.7.1 Zajetje vode

Za zajetje vode mHE Markovci se bo uporabil že obstoječi jez Markovci, ki služi za zajetje

vode HE Formin. Jez v Markovcih je pregrada višine ca. 21 m dolžine 122 m s 6 prelivnimi

polji, širine 17 m. Opremljen je s segmetnimi zapornicami in vrhnjimi zaklopkami. Prepustna

sposobnost jezu je 4200 m3/s [3].


- 25 -

Slika 4.2 – Prerez skozi prelivno polje na jezu Markovci [3]

4.7.2 Vtočni objekt

Vtočni objekt je načrtovan ob desnem boku pregrade, v nasipu akumulacijskega jezera HE

Formin. Vtočni objekt bo tlorisnih dimenzij ca. 9,5 m x 18,5 m ter se konusno oža proti vtoku

v tlačni cevovod. Vtok v vtočni objekt je predviden na koti 218 m.n.m, kar bo omogočalo

zanesljivo obratovanje elektrarne pri dovoljeni denivelaciji akumulacije HE Formin 219

m.n.m.

Vtočni objekt bo opremljen s potopno steno, ki bo preprečevala vtok plavja v vtočni

objekt. Potopna stena – armirano betonski nosilec dimenzij 50/100 cm razpona ca. 9 m bo

potopljen v vodno gladino 0,5 m. Za potrebe odstranjevanja naplavin je predviden kovinski

podest širine ca. 0,8 m, razpona ca. 9 m.

V vtočnem objektu so še predvidene zapornice in vtočne rešetke s čistilnim strojem. Ob

njih sta prav tako predvidena dva kovinska podesta razpona ca. 9 m, širine ca. 0,8 m [4].

Del vtočnega objekta (zoženi del pred vtokom v tlačni cevovod) sem načrtoval pod

obstoječo prometnico, vendar je zaradi globine izvedbe vpliv prometne obtežbe zanemarljiv.

jez

zaklopka

segmentna zapornica


- 26 -

Slika 4.3 – Prerez skozi vtočni objekt

4.7.3 Cevovod

Od vtočnega dela objekta do strojnice elektrarne bo postavljen jekleni tlačni cevovod premera

1800 mm. Pred vstopom v strojnico se bo cevovod razdeli v dva dela (dve cevi) premera 1700

mm dolžine 7 m. Cevovod bo v celoti zavarjen, brez prirobničnih spojev razen na spoju z

dilatacijsko oz. demontažno cevjo predturbinskega zapornega organa. Cevovod bo imel na

primernih mestih vstopne odprtine notranjega premera 800 mm za potrebe kontrole in

vzdrževanja. Cevovod bo v celoti (zunaj in znotraj) zaščiten pred rjavenjem, s primerno

antikorozijsko zaščito [13].

vtočna zapornica

groba rešetka

čistilni stroj

fina rešetka

prehodni kos


- 27 -

17265

35673

A A

B

B

Slika 4.4 - Tloris cevovoda

Slika 4.5 - Prerez skozi cevovod


- 28 -

Slika 4.6 - Prerez skozi razcepni kos

4.7.4 Strojnična zgradba

Strojnica je gradbeno inženirski objekt tlorisnih dimenzij ca. 16 m x ca. 8,9 m višine ca. 8 m

je načrtovana na desnem bregu Drave, tik za nizvodnim krilnim zidom jezu Markovci, ca. 35

m pod jezom. Strojnica je objekt temeljen na koti ca. 206 m.n.m.

Objekt je razdeljen na dva glavna prostora:

- prostor za elektroopremo

- transformatorski prostor in elektro omare.

V generatorski etaži se nahajata 2 turbini (generatorja) nazivne moči 2 x 450 kW. Za

potrebe manipulacije strojne in elektro opreme je v strojnici načrtovan mostni žerjav

nosilnosti 70 kN.


- 29 -

Slika 4.7 – Strojnična zgradba


- 30 -

5 OSNOVE ZA IZRAČUN PRETOČNEGA TRAKTA

TURBINE

5.1 Bruto padec

Višino, s katere doteka voda k turbini, predstavlja višinska razlika med zgornjo vodno gladino

(ZVG) in spodnjo vodno gladino (SVG), ki je na sliki 2.2 označena s Hb in merimo v metrih

[15]. Beseda bruto pomeni, da višina tega padca vodotoka ni možno v celoti uporabiti za

izkoriščanje.

Na podlagi lokacije, normalne višine vode na vtočnem objektu in iztočnem objektu

strojnične zgradbe male HE Markovci opisane v poglavju 4.6, sem določil bruto padec.

Normalna zgornja vodna gladina v vtočnem objektu je na koti 220 m.n.m. (ZVG), normalna

spodnja vodna gladina v kanalu iztočnega objekta pa je na koti 209,3 m.n.m. (SVG). Tako

znaša bruto padec:

Hb = 10,7 m.

5.2 Pretok

Količino vode, ki doteka k turbini vsako sekundo in iz turbine seveda tudi izteka, imenujemo

pretok. Označujemo ga z veliko črko in merimo v m3/s [15].

Na mHE Markovci imamo dva različna pretoka, ki sta večino časa stalna, za dva

časovna obdobja:

m1 =5 m3/s - v obdobju od 15.10. do 15.03

m2 = 10 m3/s - v obdobju od 15.03. do 15.10.

Odločil sem se da bom izkoristil celoten hidroenergetski potencial, ki ga omogoča

pretok vode na jezu Markovci, za obe časovni obdobji. Za izkoriščanje celotnega pretoka m2

v obdobju od 15.03. do 15.10. bosta za to namenjena dva turbinska agregata enakih nazivnih


- 31 -

moči. V krajšem obdobju od 15.10 do 15.03 bo deloval samo en turbinski agregat. Za

določitev turbinskega agregata je merodajen manjši pretok vode m1 .

5.3 Neto padec

Med obratovanjem turbine je tlak vode zmanjšan zaradi trenja vode v cevovodu. Turbini ni

več na voljo celotna višina Hb, temveč neka za tlačne izgube v cevovodu zmanjšana višina. To

višino imenujemo neto padec. Merimo ga v metrih in označimo s Hn, da ga tako ločimo od

celotne višinske razlike Hb med zgornjo in spodnjo vodno gladino [15].

Neto padec je najpomembnejši element za odločitev investitorja glede gradnje nove

male HE, ker največ prispeva k moči turbinskega agregata. Padec se porabi za premagovanje

trenja, ki nastane ob stiku vode s steno, običajno kovinskega cevovoda. Pri novogradnjah

velja, da znaša neto padec (0,9 - 0,98) Hb. Večja vrednost velja za krajše cevovode, manjša

vrednost za dolge cevovode [16].

5.3.1 Srednja hitrost vode v cevovodu

Srednja hitrost vode c mora biti v mejah priporočene za dolge in ravne cevovode, ta je

določena in znaša 1–3 m/s [2]. Na osnovi tega priporočila in dolžine cevovoda, določim

notranji, svetli premer cevovoda, ki znaša Dn=1,8 m.

2

14

n

m

D

Vc (5.1)

smc 97,1


- 32 -

5.3.2 Tlačne izgube v cevovodu

Izgube energije nastanejo zaradi notranjega trenja med delci tekočine ter trenja med delci

tekočine in hidravličnim vodnikom (cev, kanal, žleb). Te izgube npr. pri cevovodih

ugotavljamo na:

- ravnem delu vzdolž cevovoda, imenujemo jih linijske izgube hi L ,

- na posebnih lokacijah cevovoda (kolena, ventili, lopute, zasuni, zožitve), imenujemo

jih lokalne izgube hi Lok.

Hidravlični premer

Hidravlični premer dh je definiran z notranjim presekom cevi S in z obsegom cevi O, ki je

omočena s tekočino [14]. To prikazuje slika 5.1.

Slika 5.1 - Hidravlični premer [14]

Cevovod je omočen po celem obsegu cevi. To upoštevam in izračunam v enačbi 5.2.

O

Sdh

4 (5.2)

mdh 8,1


- 33 -

Hidravlične izgube

Pri tekočinah moramo upoštevati tudi notranje trenje, to je, da imamo v tekočini strižne

napetosti τ, ki so odvisne od hitrosti te tekočine.

Če položimo na mokra tla ploščo s ploščino A, lahko ugotovimo, da potrebujemo za

premikanje plošče neko silo F (slika 5.2). Ta sila je odvisna od ploščine A, od hitrosti pomika

v, od razdalje med ploščo in tlemi B in od sorazmernega faktorja. Sorazmernostni faktor je

specifičen za vsako tekočino in ga imenujemo dinamična viskoznost [17].

B

vAF

(5.3)

Splošneje:

dy

dv

A

F

(5.4)

Slika 5.2 - Strižne sile v tekočini [17]

Da izločimo vpliv mase tekočine, delimo dinamično viskoznost z gostoto. To veličino

imenujemo kinematična viskoznost ν [17].


- 34 -

Kinematično viskoznost sem določil glede na medij in njegovo teoretično največjo

možno temperaturo v cevovodu. Za vodo pri teoretični največji temperaturi 20 oC znaša

kinematična viskoznost ν =1,01 mm2/s [9].

Reynoldsovo število

V osnovi imamo opravka z dvema vrstama toka. Laminarni tok imenujemo tok, kjer potekajo

tokovnice po vsem tokovnem prerezu vzporedno. Menjava energije med tokovnicami je

majhna in je izključno posledica trenja tekočine. V tehniki imamo večinoma opravka s

turbulentnim tokom: delci tekočine zadevajo drug ob drugega, zaradi tega nastane nepravilno

gibanje v vzdolžni in prečni smeri toka. Menjava energije v tekočini je večja kot pri

laminarnem toku in je posledica trenja in medsebojnih elastičnih trkov delcev tekočine. Zaradi

večje izmenjave energije znotraj toka je hitrost toka po celotnem prerezu zelo enakomerna, z

izjemo mejne plasti ob steni δ (slika 5.3). S kakšnim tokom imamo opravka nam pove

Reynoldsovo število Re; tok v okroglem cevovodu je npr. turbulenten, če je Re>2300 [17].

Slika 5.3 - Vrste tokov v cevovodih [17]


- 35 -

Na osnovi izračunane srednje hitrosti vode c v cevovodu, določene kinematične

viskoznosti ν in omočenosti hidravličnega premera cevovoda dh izračunam Reynoldsovo

število Re (enačba (5.5)).

h

e

dcR

(5.5)

kreR Re105,3 6

Vrednost Reynoldsovega števila mi pove, da je v cevovodu turbulenten tok, ki je osnova

za določitev koeficienta tekočinskega trenja vode ob steno cevovoda.

Relativna hrapavost cevovoda

Za izračun linijskih in lokalnih izgub v cevovodu moramo poznati material cevovoda, ki

določa srednjo absolutno hrapavost k, ki je na sliki 5.4.

Slika 5.4 - Srednje absolutne hrapavosti k [17]


- 36 -

Iz slike 5.4 izberem za cevovod varjene jeklene cevi – nove s srednjo absolutno

hrapavostjo k=10-1

mm.

Izračunana relativna hrapavost cevovoda k/Dn znaša .

Linijske izgube v cevovodu

Pri toku tekočin skozi cevi pride zaradi notranjega trenja v tekočini do izgube tlaka Δp. Za

ravno cev velja enačba (5.6).

2

2c

D

Lp

n

(5.6)

Izguba specifične tlačne energije Δp je premo sorazmerna z dolžino cevovoda L, s

kinetično energijo c²/2 in obratno sorazmerna s premerom cevovoda Dn. Sorazmernostni

faktor λ se imenuje koeficient tekočinskega trenja [17].

Celotna dolžina trase cevovoda L, s premerom Dn=1800 mm je razvidna iz slike 5.5.

Slika 5.5 – Predvidena trasa cevovoda [10]


- 37 -

Vrednosti za koeficient tekočinskega trenja λ so prikazane grafično v Moodyjevem

diagramu (slika 5.6). Prikazuje koeficient tekočinskega trenja λ za ravne okrogle cevi v

odvisnosti od Reynoldsovega števila Re in relativne hrapavosti k/d.

Slika 5.6 - Moodyjev diagram [17]

Na osnovi izračunanih vrednosti Reynoldsovega števila Re in Relativne hrapavosti k/Dn

iz Moodyjevega diagrama na sliki 5.6 odčitam koeficient tekočinskega trenja λ=0,01.

Izračunana izguba specifične tlačne energije Δp v obliki linijskih izgub hi L=0,011m.


- 38 -

Lokalne izgube v kolenih cevovoda

Izgubo tlaka Δp v kolenih, lokih, odcepih, iztokih, priključkih, ventilih, zasunih itd. lahko

določimo samo z meritvami [17].

Podobno kot pri enačbi za ravne cevi velja enačba (5.7) z upoštevanjem koeficienta

lokalnih izgub ζ.

2

2cp

(5.7)

Pri tem je koeficient lokalnih izgub ζ določen za različne vrste krožnih lokov (slika 5.7).

Slika 5.7 - Koeficient lokalnih izgub ζ [9]

Za izračun lokalnih izgub moram poznati traso cevovoda (slika 5.5) iz katere razberem

število in vrste krožnih lokov. Izračun je prikazan v Preglednici 5.1.


- 39 -

Preglednica 5.1: Izračun lokalnih izgub na krožnih lokih

Kot krožnih lokov (º) število r/Dn ζ n Δp(Pa)

64 1

1

3,5

,

5

0,0805 0,7 156,2

42 1 3,5

0,0575

0,5

111,6

∑268

Izračunana izguba specifične tlačne energije Δp v obliki lokalnih izgub hi LOK=0,027m.

Lokalne izgube oblike vtoka

2

2cp

35,0 - koeficient izgub oblike vtoka [5]

– maksimalna hitrost vode na vtoku

hi Vt=0,006m

Lokalne izgube potopne stene

2

2cp

82,0 - koeficient izgub oblike potopne stene [5]

- maksimalna hitrost vode ob potopni steni

hi Ps=0,007m


- 40 -

Izgube prehodnega dela vtoka

2

2cp

08,0 - koeficient izgub prehodnega dela [5]

- maksimalna hitrost vode na prehodnem delu

hi Pd=0,001m

Izgube na grobi rešetki

sin2

234

g

c

e

sh

[5] (5.8)

42,2 - koeficient izgub oblike palic rešetke [5]

- maksimalna hitrost vode na rešetki pri 20% zamašenosti

- debelina palic rešetke

- razdalja med palicami

- kot nagnjenosti rešetke glede na smer pretoka vode

hi Gr=0,004m


- 41 -

Izgube na fini rešetki

sin2

234

g

c

e

sh

[5]

42,2 - koeficient izgub oblike palic rešetke [5]

- maksimalna hitrost vode na rešetki pri 20% zamašenosti

- debelina palic rešetke

- razdalja med palicami

- kot nagnjenosti rešetke glede na smer pretoka vode

hi Fr=0,006m

Izgube razcepnega dela cevovoda

2

2cp

23,0 - koeficient izgub razcepnega dela [5]

- hitrost vode v cevi

hi Rd=0,045m


- 42 -

5.3.3 Izračun neto padca

Od bruto padca Hb sem odštel izračunane izgube specifične tlačne energije v obliki linijskih

hiL in lokalnih izgub hiLOK v cevovodu in dobil neto padec Hn (enačba (5.9)).

iRdiFriPdGriPsiVtiKliLbn hhhhhhhhHH (5.9)

mHn 6,10

5.3.4 Kontrola neto padca

Pravilnost izračuna neto padca kontroliram na osnovi pogoja, da mora biti neto padec v

območju 90-98% bruto padca (enačba (5.10))[17].

%100% b

nn

H

HH (5.10)

%99% nH

Rezultat je zadovoljiv, ker se neto padec Hn nahaja v primernem območju.


- 43 -

6 DOLOČITEV TURBINSKEGA AGREGATA

6.1 Izbira tipa turbinskega agregata

Za podan padec in pretok je zelo pomembno, da se izbere primeren tip turbine. Izbrani tip

turbine mora predstavljati optimalno rešitev za dane geološke in hidrološke parametre.

V elektrarnah se uporablja več vrst vodnih turbin za različna področja neto padcev H in

pretokov (slika 6.1.). Za višje padce in manjše pretoke ustrezajo peltonove turbine.

Srednjim pretokom in srednjim padcem ustrezajo francisove turbine. Kaplanove turbine

(propelerske S- turbine in cevne turbine) so uporabne za večje pretoke in nizke padce.

Slika 6.1. Uporabna območja vodnih turbin [7]

Kaplan

Francis

Kaplan

Pelton


- 44 -

Glede na pretok =5 m3/s pri neto padcu Hn=10,5 m, določim točke izbora tipa turbine,

ki je označena z rdečo točko. Položaj točke je v optimalnem območju cevne turbine, to je

območje z majhnim padcem in velikim pretokom. Izberem cevno turbino, ki bo imela

približno moč P=450 kW na osi turbine.

Zaradi zagotavljanja konstantnega pretoka na jezu v Markovcih in zelo majhnega

nihanja gladine vode v akumulacijskem jezeru, izberem neregulirano cevno S turbino.


- 45 -

7 TEORIJA STATISTIČNE METODE ZA PRETOČNI TRAKT

TURBINE

7.1 Uvod

Izbrani cevna turbina mora imeti geometrijske parametre, ki so rezultat dosedanjega razvoja

in eksploatacije. Osnova za določitev optimalnih geometrijskih parametrov je statistična

obdelava podatkov že izdelanih in delujočih turbinskih agregatov.

Za določitev parametrov pretočnega trakta cevne turbine v mali HE Markovci sem

uporabil magistrsko nalogo: Gregori Janez. Optimizacija energetskih in geometrijskih

parametrov vodnih turbin: magisterij. Ljubljana : Fakulteta za strojništvo, 1987.

7.2 Obdelava statističnih podatkov z matematično statistiko

Vrednotenje statističnih podatkov zajema:

- zbiranje,

- urejanje,

- grafično iskanje relacije med dvema parametroma,

- analitično določanje meril kvalitete dobljene povezave.

Medsebojno povezanost opisuje regresijska krivulja. Nadomešča množico dveh

koreliranih parametrov na korelacijskem diagramu.

Osnova za statistično opazovanje je zbiranje podatkov o energetskih in geometrijskih

parametrih vodnih turbin različnih proizvajalcev.

Urejanje je prikaz zbranih podatkov v obliki tabele, ki ima zaradi univerzalnosti

sistematsko sestavo. Predstavlja najpreglednejši pregled nad zbranimi podatki in služi kot

osnova za nadaljnje raziskovanje.


- 46 -

Grafični prikaz je nadgradnja tabelaričnega prikaza. Nazorno podaja zvezo med dvema

opazovanima parametroma in istočasno prikazuje smernice za podrobno statistično obdelavo.

7.3 Regresijska krivulja

Krivulja, ki poteka med vrisanimi točkami na diagramu se imenuje regresijska krivulja.

Predstavlja nadomestno množico dvojic statističnih podatkov in prikazuje funkcijsko

zakonitost v idealnem primeru.

Regresijske krivulje določamo po različnih metodah. Osnova za določitev regresijske

krivulje je izbira pravilnega tipa krivulje, ki naj predstavlja trend. Krivulja mora biti smiselna,

objektivna in enostavne matematične oblike.

Kot trend pri statističnem opazovanju vodnih turbin uporabimo analitično dobljeno

regresijsko krivuljo v obliki premice (enačba (7.1)).

bxaxfy )( (7.1)

7.4 Teorija korelacije

7.4.1 Srednja vrednost

Srednjo vrednost določa prvi ničelni moment, ki ga predstavljamo z enačbama srednje

vrednosti spremenljivk x in y (enačba (7.2)).

N

i

ixN

x1

0,1

1


- 47 -

N

j

iyN

y1

1,0

1 (7.2)

7.4.2 Standardna deviacija

Standardno deviacijo ali interval zaupanja definira drugi ničelni moment, ki predstavlja

raztros točk statističnih spremenljivk x in y (enačba (7.3)).

N

i

i xxN

xD1

2

0,2 )(1

N

j

j yyN

yD1

2

2,0 )(1

(7.3)

Drugi ničelni moment predstavlja odstopanja posameznih statističnih spremenljivk ix in

iy od njunih srednjih vrednosti x in y . To odstopanje imenujemo varianca.

V primeru, da je vrednost variance zelo majhna, so točke zelo ozko razporejene okrog

srednje vrednosti. Velikost razsipanja prikazujemo s standardno deviacijo ali standardnim

odklonom (enačba (7.4)).

N

i

ix xxN 1

2

0,2

1

N

j

jy yyN 1

2

2,0

1 (7.4)

Za analizo statističnih podatkov vodnih turbin uporabljamo modificirano obliko

standardne deviacije ali modificiran interval zaupanja, ker obravnavamo manjše število

statističnih podatkov (enačba (7.5)).


- 48 -

N

i

ix xxN 1

2

1

1

N

j

jy yyN 1

2

1

1 (7.5)

Glede na zakonitost frekvenčne distribucije sledi, da je verjetnost razporeditve

statističnih podatkov znotraj pasu oziroma intervala zaupanja (enačba (7.6)).

%27,68 xxx

%45,9522 xxx

%73,9933 xxx (7.6)

7.5 Metoda določanja regresijskih krivulj

7.5.1 Analitična metoda

Za analitično določitev regresijske krivulje ali trenda uporabimo metodo najmanjših

kvadratov. Metoda najmanjših kvadratov je najpogosteje uporabljena zaradi vsestranske

univerzalnosti, praktičnosti in natančnosti.

Za popis regresijske krivulje in korelacije cevne turbine uporabimo odvisnost premera

pesta turbine pD in rotorja RD od specifičnih vrtljajev qpn (enačba (7.7)).

)(/ qpRp nfDD (7.7)


- 49 -

7.5.2 Metoda najmanjših kvadratov

Predstavlja merilo stopnje najboljše prilagojenosti regresijske krivulje (slika 7.1.) dani

osnovni vrsti statističih podatkov (x – y).

Pogoj merila stopnje prilagojenosti predstavlja tista regresijska krivulja, kjer je vsota

kvadratov odklonov najmanjša (enačba (7.8)). Regresijska krivulja bo tem bolje prilagojena

podatkom, čim manjša bo vsota in obratno.

MinDDDS rY 22

2

2

1

2 ... (7.8)

Slika 7.1 Regresijska krivulja [6]

Definicije D (slika 7. 1) predstavljajo vertikalno odstopanje koordinat točk od koordinat

na regresijski krivulji (enačba (7.9)). Predstavljajo pogoj metode najmanjših kvadratov.

MinyyyyyyS nY 22

2

2

1

2 )...()()(

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 2 4 6 8 10 12

x

y

xn

yn

x1

y1

Tn(xn,yn)

regresijska krivulja

dvodimenzionalna regresija Dn

D2

D1

y2

y1


- 50 -

MinyySN

i

iY

2

1

2 )( (7.9)

V praksi je običajno, da odvisna spremenljivka ni funkcija ene same, ampak dveh ali

več neodvisnih spremenljivk (enačba (7.10)).

cybxaZ (7.10)

Enačba (7.10) predstavlja ravnino v koordinatnem tridimenzionalnem sistemu, kjer se

koordinate (x1,y1,Z1), (x2,y2,Z2),...(xn,yn,Zn) porabijo za izračun oddaljenosti posameznih točk

od te regresijske ravnine. Metoda najmanjših kvadratov se v tem primeru prevede na sistem

normalnih enačb (enačba (7.11)).

N

i

N

i

ii

N

i

i ycxbNaZ1 11

N

i

N

i

iii

N

i

i

N

i

ii yxcxbxaZx1 1

2

11

N

i

N

i

iii

N

i

i

N

i

ii ycyxbyaZy1 1

2

11

(7.11)


- 51 -

8 IZRAČUN PARAMETROV PRETOČNEGA TRAKTA

CEVNE TURBINE PO STATISTIČNI METODI

Statistične podatke za obstoječe turbine v obratovanju po letu 1970 prikažemo grafično v

obliki diagramov, posamezne vrednosti pa veljajo za optimalne pogoje obratovanja. Podatki o

obstoječih turbinah vnesenih v diagrame tvorijo polje točk, katerim je določena regresijska

krivulja. Regresijska krivulja je določena po metodi najmanjših kvadratov. Predstavlja

optimalno karakteristiko za zelo široko področje specifičnih vrtilnih hitrosti turbin. Njeno

kvaliteto postavitve pa določa korelacijski koeficient in standardna deviacija.

Korelacijski koeficient r določa smer in tesnost dveh statističnih spremenljivk.

Standardna deviacija ali odklon σ določa povprečje odstopanj odvisne spremenljivke od

regresijske krivulje.

Specifična vrtilna hitrost popisuje lastnosti turbin in vsi statistični parametri so

prikazani v njeni odvisnosti. Dobljeni statistični parametri omogočajo določitev hidravličnih

in energetskih ter geometrijskih parametrov turbin.

Hidravlične in energetske parametre določa padec, potreben za pretok vode skozi

turbino in je funkcijsko odvisen od specifične vrtilne hitrosti. Povezava določi tip turbine

Geometrijski parametri določajo dimenzije turbine in njegov najpomembnejši del,

gonilnik, ki predstavlja osnovo gabaritov turbine.


- 52 -

8.1 Pretočni trakt

8.1.1 Specifična vrtilna hitrost

Specifična vrtilna hitrost turbine prikaže, kakšno vrtilno hitrost bi morala imeti geometrično

podobna turbina, grajena za koristni padec, pretok in vrtilno hitrost, da bi pri koristnem padcu

H=1 m imela pretok =1 m3/s [17].

Na sliki 8.1 je prikazana množica točk in podatkov o cevnih turbinah zgrajenih po letu

1976 z vrisano regresijsko funkcijo Hn=f(nq).

Slika 8.1 - Regresijska krivulja Hn=f(nq) [6]

242; 10,6

2

20

140

H

nq

4

6

8

10

30

280 400


- 53 -

Analitična oblika regresijske krivulje je določena z metodo najmanjših kvadratov in

sicer je to geometrijska krivulja, ki jo z logaritemsko transformacijo pretvorimo v premico.

Prikaz v logaritemskem diagramu je elegantnejši, določanje analitične povezave pa

enostavnejše.

Funkcija je v tem primeru padajoča, z večanjem specifične vrtilne hitrosti se neto padec

zmanjšuje.

Analitična odvisnost z oceno korelacije je:

6,169180 qn nH (8.1)

1min242 qn

%94,86r

8077,3

Rezultat za specifično vrtilno hitrost je nq=242 min-1

v območju nq=210 – 400 min-1

[6],

ki ustreza cevni turbini in ga vrišem v graf Hn=f(nq) prikazan na sliki 8.1.

Iz zgoraj dobljenih rezultatov je vidno da je vrednost standardne deviacije nekoliko

večja, korelacijski koeficient nekoliko manjši, zaradi tega je raztros točk nekoliko večji, kar

pomeni da so točke nekoliko na široko razporejene okoli regresijske krivulje.

Točka obravnavane turbine se nahaja zelo blizu regresijske krivulje, blizu optimuma,

kar pomeni da turbina sledi trendu že obratujočih turbin, na osnovi katerih so dobljeni podatki

za statistično analizo.


- 54 -

8.1.2 Imenska vrtilna hitrost

Imensko vrtilno hitrost Ni imenujemo tisto število vrtljajev turbinske gredi na minuto, s

katerim mora obratovati turbina ne glede na obremenitev, da je njen izkoristek najboljši. V

hidroelektrarnah, ki imajo turbine in generatorje neposredno sklopljene, je imenska vrtilna

hitrost vedno enaka eni izmed sinhronskih vrtilnih hitrosti [15]. Izračunam jo iz enačbe za

specifično vrtilno hitrost (enačba (8.2)).

V

HnN qi

4 3

(8.2)

1min636 iN

Dobljena imenska vrtilna hitrost turbine ni enaka sinhronski vrtilni hitrosti Ns

generatorja. Vrtilna hitrost generatorja je določena s frekvenco f električnega omrežja in

številom parov polov P generatorja, zato jo imenujemo sinhronska vrtilna hitrost. Sinhronsko

vrtilno hitrost izberem iz preglednice 2.2, poglavje 2.3.2 in znaša:

1min428 SN

Pobežna vrtilna hitrost Np, ki je izračunam iz enačbe (2.6) znaša:

1min942 pN


- 55 -

8.1.3 Energijsko in pretočno število

Parametra, ki podajata značilnosti turbinskega agregata in njegovo obratovalno točko sta

energijsko ψ in pretočno število φ, ki sta brezdimenzijski števili.

Na sliki 8.2 je prikazana množica točk in podatkov energijskih in pretočnih števil z

vrisano regresijsko funkcijo ψ=f(nq).

Slika 8.2 - Regresijska krivulja ψ=f(nq) [6]

Analitična oblika regresijske krivulje za energijsko število ψ je geometrijska krivulja, ki

jo z logaritemsko transformacijo pretvorimo v premico.

Funkcija je v tem primeru padajoča, z večanjem specifične vrtilne hitrosti se energijsko

število ψ zmanjšuje.

242; 0,26 Ѱ

nq

240 360 120 400

0,24

0,36

0,48

0,50

0,12


- 56 -

Analitična odvisnost z oceno korelacije:

035,177 qn (8.4)

26,0

%07,95r

06035,0

Iz zgornjih rezultatov se vidi da je standardna deviacija precej nizka, zaradi tega je

raztros točk okoli regresijske krivulje majhen. Koeficient korelacije je visok, kar pomeni

visoko stopnjo povezanosti med dvema spremenljivkama.

Na sliki 8.3 je prikazana množica točk in podatkov energijskih in pretočnih števil z

vrisano regresijsko funkcijo φ=f(nq).

Slika 8.3 - Regresijska krivulja ϕ=f(nq) [6]

242; 0,31

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

100 150 200 250 300 350 400

ϕ

nq


- 57 -

Analitična oblika regresijske krivulje za pretočno število φ je premica.

Funkcija je linearna in naraščajoča, z večanjem specifične vrtilne hitrosti se veča tudi

pretočno število φ.


qn 00085,01075,0 (8.5)

31,0

%86r

072,0

Iz zgornjih rezultatov se vidi da je standardna deviacija precej nizka, zaradi tega je

raztros točk okoli regresijske krivulje majhen. Koeficient korelacije je relativno nizek, kar

pomeni nižjo stopnjo povezanosti med dvema spremenljivkama.

Rdeči točki energijskega in pretočnega števila sta blizu regresijski krivulji, blizu

optimumu, kar pomeni da turbina sledi trendu že obratujočih turbin, na osnovi katerih so

dobljeni podatki za statistično analizo.

8.1.4 Školjčni diagram

Na osnovi izračunanih brezdimenzijskih energijskih in pretočnih števil lahko razberem

izkoristke cevne turbine iz školjčnega diagrama in določim optimalno obratovalno točko.

Na sliki 8.4 je prikazan primer školjčnega diagrama za cevno turbino s podobnimi

podatki za specifično vrtilno hitrost, energijsko in pretočno število. Na ordinatni osi je

prikazano brezdimenzijsko število ψ, ki je odvisno pri obravnavani turbini od neto padca Hn.

Na abscisni osi je prikazano brezdimenzijsko število φ, ki je odvisno od pretoka . Izkoristki

so predstavljeni v obliki zveznih koncentričnih izolinij tako, da lahko enostavno razberemo in

določimo karakteristike turbine. Brezdimenzijski števili ψ in φ določata optimalno

obratovalno točko cevne turbine, pri kateri ima turbina najboljši izkoristek.


- 58 -

Slika 8.4 - Školjčni diagram [1]

Optimalna obratovalna točka turbine male HE Markovci je pri 87,7%. Ta podatek

uporabim za določitev pretoka najboljšega izkoristka ηi cevne turbine (slika 8.4).

8.1.5 Postavitev gonilnika nad spodnjo vodo

Turbina je najbolj zavarovana proti kavitaciji, če ni postavljena previsoko nad spodnjo vodo

v odvodnem kanalu.

Kavitacija na lopatici se pojavi, ko tlak na njej pade pod kritično vrednost. Ta je v

veliki meri odvisna od natočnega kota tekočine. Minimalni tlak na lopatici bo najvišji ob

idealnem natoku tekočine. Povečanje ali zmanjšanje pretoka pa se odraža na povečanem

padcu tlaka na sesalni ali na tlačni strani lopatice, čemur lahko sledi pojav kavitacije.

0,2 0,3 0,35 0,25 0,1 0,15

ϕ

ψ

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,31 0,4

0,26

0,4


- 59 -

Kavitacijo lahko delno, ne pa popolnoma, odpravimo. Lahko jo omilimo tako, da pri

cevnih turbinah postavimo dovolj dolgo in ustrezno oblikovano sesalno cev.

Sesalna dolžina cevne turbine ne sme presegati maksimalno dovoljene vrednosti, pri

kateri se še ne pojavi kavitacija. Sesalno dolžino določimo od gladine spodnje vode do osi

turbine.

Koeficient kavitacije

Nevarnost kavitacije napove kavitacijsko število ali koeficient kavitacije σs, ki je odvisen od

tlaka kapljevine, uparjalnega tlaka te kapljevine in kinetične energije.

Brezdimenzijsko kavitacijsko število je razmerje med tlačno in kinetično energijo. Po

izkušnjah se začne kavitacija pri 0,2 – 0,5 in je faktor, ki najbolj omejuje prenos izkušenj z

modela na izvedbo [17].

Na sliki 8.5 je prikazana množica točk in podatkov o koeficientih kavitacije iz

razpoložljive baze podatkov cevnih turbin vrisanih v logaritemski diagram, ki predstavljajo

regresijsko funkcijo σs =f(nq).


- 60 -

Slika 8.5 - Regresijska krivulja =f(nq) [6]

Analitična oblika regresijske krivulje je geometrijska krivulja, ki je v diagramu na sliki

(8.5) z logaritemskim transformiranjem pretvorjena v premico.

Funkcija je naraščajoča, z večanjem specifičnega števila vrtljajev naraščajo vrednosti

koeficienta kavitacije.


75,151066,8 qs n (8.6)

29,1s

%27,95r

3719,0

242; 1,29

0,1

1

σs

nq 100 200

2

0,2

280

0,3

0,4

0,5

0,6

0,8


- 61 -

V diagramu je viden ozek raztros točk okoli regresijske krivulje, zato ker je standardna

deviacija nizka. Koeficient korelacije je visok, kar pomeni višjo stopnjo povezanosti med

dvema spremenljivkama.

Koeficient kavitacije za cevno turbino mi je uspelo določiti dokaj natančno zaradi

zadostnega števila podatkov. Izračunana točka je zelo blizu regresijske krivulje , blizu

optimuma. Nahaja se nekoliko bolj na desno v diagramu, zaradi visoke specifične vrtilne

hitrosti. V ta diagram so vneseni podatki za cevne turbine z nekoliko bolj nižjimi specifičnimi

hitrostmi.

Sesalna višina

Sesalna višina pri turbinskem agregatu cevne turbine je zelo pomembna. Je razdalja med

centrom rotirajoče osi agregata in gladino spodnje vode v odvodnem kanalu.

Cevna turbina energetsko izkorišča celoten padec med gladino zgornje in spodnje vode,

čeprav je njen gonilnik postavljen nekaj metrov nad gladino spodnje vode. Izstop vode iz

gonilnika do gladine spodnje vode je povezan s stožčasto razširjeno sesalno cevjo, kar turbini

omogoča, pretvorbo kinetične energije v tlačno in posredno poveča energijski izkoristek

turbine.

Geodetska sesalna višina je odvisna od višine zračnega tlaka HBAR, ki se spreminja z

nadmorsko višino. Za vodo so višine zračnega tlaka podane v preglednici 8.1.

Preglednica 8.1: Vrednosti zračnega tlaka [9]

Nadmorska višina (m.n.m) 0 100 300 500 1000 2500

Višina zračnega tlaka HBAR (m) 10,3 10,2 9,9 9,7 9,2 7,7

Tlak nasičene vodne pare je odvisen od vrste kapljevine in njene temperature. Pri vodi

je tlačna višina vodne pare odvisna od temperature, kar je razvidno iz preglednice 8.2.


- 62 -

Preglednica 8.2: Vrednosti tlačne višine vodne pare [9]

Temperatura (CO) 5 10 20 50 80 100

Tlačna višina vodne pare HV (m) 0,09 0,12 0,24 1,26 4,83 10,33

Iz preglednice 8.1 izberem višino zračnega tlaka HBAR=10 m pri 200 m.n.m, kar ustreza

lokaciji strojnice s turbinskim agregatom.

Iz preglednice 8.2 izberem tlačno višino vodne pare HV=0,12 m, kar ustreza povprečni

letni temperaturi vode reke Drave na tej lokaciji , ki je približno 10 Cº.

Sesalno višino izračunam v enačbi (8.7) [15].

VnsBARS HHHH (8.7)

mH S 8,3

Gonilnik turbine mora biti potopljen minimalno za 3,8m pod gladino spodnje vode, za

varno obratovanje brez kvarnega vpliva kavitacije.

8.1.6 Gonilnik

Koeficient obodne hitrosti

Brezdimenzijski števili φ in ψ omogočata posredno določiti tudi premer gonilnika Dr.

Določanje premera gonilnika na statistični osnovi pa omogoča brezdimenzijsko število

imenovano koeficient obodne hitrosti Ku enačba (8.8) [6].

n

iru

Hg

NDK

260

(8.8)


- 63 -

Na sliki 8.6 je prikazana množica točk in podatkov o koeficientu obodne hitrosti, ki

predstavlja regresijsko funkcijo Ku =f(nq).

Slika 8.6 - Regresijska krivulja Ku=f(nq) [6]

Analitična oblika regresijske krivulje je premica. Funkcija je naraščajoča, z večanjem

specifične vrtilne hitrosti se veča tudi koeficient obodne hitrosti Ku.

Analitična odvisnost funkcije z oceno korelacije:

qu nK 0038,01 (8.9)

9196,1uK

%5,81r

25881,0

Iz zgornjih rezultatov je razvidno da je raztros točk okoli regresijske krivulje relativno

majhen, točke se držijo blizu regresijske krivulje kljub temu da je standardna deviacija višja in

242; 1,9196

1

1,5

2

2,5

3

100 150 200 250 300 350 400

Ku

nq


- 64 -

koeficient korelacije nekoliko nižji. Kljub navedenemu pa je navedena funkcijska odvisnost

relevantna in nam lahko služi za izbor osnovne velikosti gonilnika.

Točka, ki predstavlja obravnavano turbino, je zelo blizu regresijske krivulje, blizu

optimumu, in sledi trendu že obratujočih turbin.

Premer gonilnika

Pristop k določitvi osnovnih dimenzij pretočnega trakta cevne turbine omogočajo rezultati

geometrijskih parametrov. Premer gonilnika Dr pomeni osnovno karakteristično dimenzijo, po

kateri se ravnajo vse ostale dimenzije pretočnega trakta.

Iz koeficienta obodne hitrosti dobimo:

n

iru

Hg

NDK

260

i

nu

rN

HgKD

260

(8.10)

mmDr 831

Iz energijskega števila dobimo:

mm

N

HgD

DN

Hg

i

nr

ri

n 849

44

22

222

(8.11)

Iz pretočnega števila dobimo:

m

N

VD

DN

Hg

i

r

ri

n 860

44

3 232

2

(8.12)


- 65 -

Izračunam srednjo vrednost premera gonilnika, ki jo vzamem za merodajno:

mDrsr 847

8.1.7 Geometrijski parametri pretočnega trakta

Analiza geometrijskih parametrov bazira na razpoložljivih podatkih že obstoječih cevnih

turbin, ki so osnova za projektiranje novih. Premer gonilnika Dr služi za določitev glavnih

gabaritov cevnega gonilnika in vodilnika. Vsi podatki so predstavljeni relativno glede na

premer gonilnika v odvisnosti od specifične vrtilne hitrosti.

Premer pesta gonilnika turbine

Velikost premera pesta turbine je zelo pomemben podatek pri projektiranju cevnih turbin

Na sliki 8.7 je prikazana množica točk in podatkov o razmerju premera pesta gonilnika

Dp in premera gonilnika Dr, ki predstavlja regresijsko funkcijo Dp/Dr=f(nq).

Slika 8.7 - Regresijska krivulja Dp/Dr=f(nq) [6]

242; 0,389

0,3

0,4

0,5

0,6

150 200 250 300 350 400

Dp/Dr

nq


- 66 -

Analitična oblika regresijske krivulje, ki je določena z metodo najmanjših kvadratov, je

premica. Raztros točk je relativno velik, kar navaja na šibko korelirani odnos med premerom

pesta in zunanjim premerom gonilnika.

Funkcija je padajoča, z naraščanjem specifične vrtilne hitrosti razmerje Dp/Dr pada.

Kljub majhnemu številu podatkov je bilo mogoče določiti analitično vrednost funkcije

in oceno korelacije:

q

r

pn

D

D 4102,2443,0 (8.13)

%04,58r

04935,0

389,0r

p

D

D

Iz rezultatov se vidi da je vrednost standardne deviacije majhna prav tako je vrednost

korelacijskega koeficienta majhna, zaradi tega je raztros točk okoli regresijske krivulje

relativno velik.

Točka obravnavane turbine je kljub malemu številu analitičnih podatkov dokaj blizu

regresijske premice v primerjavi z ostalimi točkami, blizu optimuma.

Na podlagi razmerja Dp/Dr ob znanem Drsr lahko izračunam premer pesta gonilnika Dp

iz enačbe (8.14).

rsrqp DnD 4102,2443,0 (8.14)

mmDp 330

Premer pesta gonilnika Dp =330mm.


- 67 -

Notranji in zunanji radij vodilnih lopatic

Notranji in zunanjii radij R1 in R2 vodilnih lopatic sta pomembna pri projektiranju, ker

določata obris pretočnega polja.

Na sliki 8.8 je prikazana množica točk notranjega in zunanjega radija vodilnih lopatic

R1, R2 in premera vstopne odprtine gonilnika Dr, ki predstavlja regresijsko funkcijo

R1,2/Dr=f(nq).

Slika 8.8 - Regresijska krivulja R1/Dr in R2/Dr=f(nq) [6]

Iz porazdelitve točk na obeh razmerjih radijev lahko vidimo neizrazit trend naraščanja

odnosno padanja razmerji od specifične vrtilne hitrosti.

Analitična oblika regresijske krivulje v obeh primerih R1 in R2 je premica. V primeru

R1/Dr je funkcija naraščajoča, z večanjem specifične hitrosti se veča razmerje R1/Dr. V

primeru R2/Dr je funkcija padajoča, z večanjem specifične hitrosti se manjša vrednost R2/Dr.

242; 0,391

242; 0,743

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

150 200 250 300 350 400

R2/Dr

nq

R2/Dr

R1/Dr

R1/Dr


- 68 -

Oba radija sta glede na velikost specifične vrtilne hitrosti dokaj konstantna, sprememba

je manjša od 22% glede na njuni srednji vrednosti. Potek obeh trendov je nasproten, kar

nakazuje na ožje pretočno polje pri višjih specifičnih hitrosti.

Analitična vrednost funkcije z oceno korelacije razmerja notranjega radija vodilnih

lopatic R1 in premera vstopne odprtine gonilnika Dr :

q

r

nD

R 41 1052,1335,0

(8.15)

371,01 rD

R

%55r

09365,0

Standardna deviacija je majhna, zaradi tega je raztros točk okli regresijske premice

relativno majhen. Koeficient korelacije je majhen, kar kaže na nizko stopnjo povezanosti med


Točka obravnavane turbine je skoraj na premici, skoraj na optimumu. Turbina sledi

trendu že izdelanih turbin.

Analitična vrednost funkcije z oceno korelacije razmerja zunanjega radija vodilnih

lopatic R2 in premera vstopne odprtine gonilnika Dr:

q

r

nD

R 42 1086,3837,0

(8.16)

%2,60r

07873,0

744,02 rD

R


- 69 -

Standardna deviacija je majhna, zaradi tega je raztros točk okoli regresijske premice

relativno majhen. Koeficient korelacije je majhen, kar kaže na nizko stopnjo povezanosti med


Točka obravnavane turbine je blizu premice, blizu optimuma. Turbina sledi trendu že

izdelanih turbin.

Na podlagi razmerja R1/Dr ob znanem Drsr lahko izračunam notranji radij vodilnih

lopatic iz enačbe (8.17).

rsrq DnR 4

1 1052,1335,0

(8.17)

mmR 3151

Notranji radij vodilnih lopatic je R1 =315mm.

Na podlagi razmerja R2/Dr ob znanem Drsr lahko izračunam zunanji radij vodilnih

lopatic iz enačbe (8.18).

rsrq DnR 4

2 1086,3837,0

(8.18)

mmR 6302

Zunanji radij vodilnih lopatic je R2=630mm.

Dolžina in premer hruške turbine

Oblikovanje hruške turbine kot obtočnega telesa bazira na njenih osnovnih izmerah, to je na

njeni dolžini Ls in njenem premeru Ds.

Na sliki 8.9 je prikazana množica točk dolžine L s, premera hruške turbine Ds in premera

vstopne odprtine gonilnika Dr, ki predstavlja regresijsko funkcijo Ls/Dr=f(nq) in Ds/Dr=f(nq).


- 70 -

Slika 8.9 - Regresijska krivulja Ls/Dr in Ds/Dr=f(nq) [6]

Analitična oblika regresijske krivulje v obeh primerih Ls in Ds je premica, prav tako je

v obeh primerih Ls/Dr in Ds/Dr je funkcija padajoča, z večanjem specifične hitrosti se manjša

vrednost Ls/Dr in Ds/Dr.

Analitična vrednost funkcije z oceno korelacije razmerja dolžine Ls in premera vstopne

odprtine gonilnika Dr :

q

r

s nD

L 00123,0579,2

(8.19)

%23,56r

31336,0

281,2r

s

D

L

242; 2,281

242; 0,975

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

150 200 250 300 350 400

Ds/Dr

nq

Ls/Dr

Ls/Dr

Ds/Dr


- 71 -

Standardna deviacija je relativno majhna, zaradi tega je raztros točk okoli regresijske

premice relativno majhen. Koeficient korelacije je majhen, kar kaže na nizko stopnjo

povezanosti med dvema spremenljivkama.



Analitična vrednost funkcije z oceno korelacije premera hruške Ds in premera vstopne

odprtine gonilnika Dr :

q

r

s nD

D 4108,6143,1

(8.20)

%79,58r

19953,0

975,0r

s

D

D

Standardna deviacija je relativno majhna, zaradi tega je raztros točk okoli regresijske

premice relativno majhen. Koeficient korelacije je majhen, kar kaže na nizko stopnjo

povezanosti med dvema spremenljivkama.



Na podlagi razmerja Ls/Dr ob znanem Drsr lahko izračunam dolžino hruške turbine iz

enačbe (8.21).

rsrqs DnL 0123,0579,2

(8.21)

mmLs 1932

Dolžina hruške turbine Ls =1932mm.


- 72 -

Na podlagi razmerja Ds/Dr ob znanem Drsr lahko izračunam premer hruške turbine v

enačbi (8.22).

rsrqs DnD 4108,6143,1

(8.22)

mmDs 829

Premer hruške turbine Ds =829mm.

Na sliki 8.10 so prikazane osnovne dimenzije cevne turbine.

Slika 8.10 – Geometrijski parametri pretočnega trakta


- 73 -

Lopatice gonilnika

Lopatice gonilnika so določene glede na specifično vrtilno hitrost nq in velikost razmerja

premera pesta gonilnika in vstopne odprtine gonilnika Dp /Dr .

Na podlagi preglednice 8.3 sem ugotovil, da bo imel cevna turbina 4 gonilne lopatice,

kar ustreza izračunanemu razmerju premeru pesta gonilnika in vstopne odprtine gonilnika

Dp /Dr=0,389 in specifične vrtilne hitrosti nq =242 min-1

.

Preglednica 8.3: Odvisnost števila lopatic od razmerja Dp / Dr in specifične vrt.

Hitrosti[12]

Število lopatic 3 4 5 6 8 10

Razmerje Dp / Dr 0,3 0,4 0,5 0,55 0,6 0,7

Specifična vrt. hitrost (min-1

) 316 253 189 127 110 95

8.1.8 Sesalna cev

Naloge sesalne cevi cevne turbine so:

- odvaja vodo iz gonilnika v odvodni cevovod;

- omogoča postavitev gonilnika nad spodnjo vodo, ne da bi se pri tem del padca izgubil

do gladine spodnje vode;

- zmanjša izstopne izgube gonilnika, tako da pretvarja kinetično energijo vodnega toka

v tlačno energijo.


- 74 -

Vstopna hitrost vodnega toka v sesalni cev

Čim višje je specifično število vrtljajev turbine, bolj narašča kinetična energija vodnega toka

iz gonilnika in tako tudi hitrost. Zaradi zveznega povečanja presekov sesalne cevi proti

izstopnemu premeru, se hitrost vodnega toka zmanjšuje proti izstopu [15].

Na sliki 8.11 je prikazana množica točk in podatkov o vstopni hitrosti vodnega toka v

sesalni cevi, ki predstavljajo regresijsko funkcijo vS =f(nq).

Slika 8.11 - Regresijska krivulja vS=f(nq) [6]

Analitična oblika regresijske krivulje, ki je določena z metodo najmanjših kvadratov, je

premica. Funkcija je padajoča, z naraščanjem specifične vrtilne hitrosti vrednost vs pada.

Analitična odvisnost funkcije z oceno korelacije:

qS nv 00216,0286,2 (8.23)

%87,23r

242; 2,81

1

2

3

4

100 120 140 160 180 200 220 240 260

vs

nq


- 75 -

5286,0

smvS 81,2

Iz rezultatov se vidi da je vrednost standardne deviacije nekoliko velika, prav tako je

vrednost korelacijskega koeficienta precej majhna, zato je raztros točk okoli regresijske

premice velik in povezanosti med dvema spremenljivkama ima nizko stopnjo.

Točka obravnavane turbine je blizu premice, kljub kar velikemu raztrosu točk okoli

regresijske premice. Turbina sledi trendu že izdelanih turbin.

Izstopna hitrost vodnega toka v sesalni cevi

Izstopna hitrost vodnega toka v sesalni cevi vSI se mora čim bolj približati hitrosti vode v

odvodnem kanalu, ki znaša 1m/s.

Izstopno hitrost vodnega toka vsi in njeno ustreznost izračunam v enačbi (8.24) [6].

132,2

n

nsi

H

Hv (8.24)

smvsi /47,1

Rezultat ustreza izrazu v enačbi (8.25):

04,02

2

n

s

Hg

vi

(8.25)

04,00104,0


- 76 -

Parametri sesalne cevi

Za ta tip cevne turbine ustreza horizontalna sesalna cev v obliki krivine (S oblika).

Glavna naloga sesalne cevi je, da ustvarja v svojem vstopnem delu podtlak (vakuum), ki

se povečuje z velikostjo sesalne dolžine. Sesalna cev sesa vodo iz gonilnika in tako s

sesanjem enakovredno zamenja tisti del vodnega tlaka, ki bi deloval na gonilnik, če bi ga

postavili v višini gladine spodnje vode v odvodnem kanalu. Izstop iz sesalne cevi mora biti

potopljen pod najnižjo možno gladino vode v odvodnem kanalu tako, da tudi pri najnižji

gladini zrak ne more vstopiti v cev. V tem primeru bi se vakuum v sesalni cevi uničil in cev

ne bi opravljala svoje naloge.

Minimalno dolžino izračunam v enačbi (8.26). Parameter Ds predstavlja premer sesalne

cevi na vstopu, ki je enaka premeru gonilnika Dr.

s

S

Dv

VL

I

4,496,4min (8.26)

mL 3,5min


- 77 -

9 PARAMETRI CEVNE TURBINE

9.1 Generator

Glede na dosedanje rešitve podobnih primerov, sem se odločil da bosta v strojnico vgrajena

dva tri fazna asinhronska generatorja s kratkostično kletko moči 450kW. Generatorska gred

bo direktno spojena z gredjo turbine preko elastične sklopke. Hlajenje generatorja bo prisilno

zračno s pomočjo venca ventilatorskih krilc na rotorju. Izgubljena toplota generatorja se bo

odvajala iz objekta preko odvodnih kanalov, v zimskem času pa se bo uporabljala za

ogrevanje strojnice. Generatorska ležaja bosta mazana z mastjo in zračno hlajena, temperatura

ležajev se bo merila z uporovnimi termometri. Osnovni tehnični podatki generatorja so podani

v preglednici 9.1.

Preglednica 9.1: Osnovni tehnični podatki generatorja

Nazivna moč 450 kW

Napetost obratovanja 3x400 V

Frekvenca 50Hz

Nazivna hitrost vrtenja 428 min-1

Pobežna hitrost vrtenja 942 min-1

Nazivni faktor moči 0,83

Izkoristek ηig 0,93

Masa 6000 kg

9.2 Moč turbinskega agregata

Izkoristek cevne turbine, ki sem ga odčital iz školjčnega diagrama znaša 87,7%. Iz tabele

tehničnih podatkov generatorja sem razbral izkoristek generatorja, ki znaša 93%. Oba podatka

uporabim za izračun moči turbinskega agregata v enačbi (9.1).


- 78 -

iginA HVP

8,9 (9.1)

kWPA 424

Moč turbinskega agregata je zmanjšana za izkoristek turbine in generatorja, kar povsem

ustreza neto padcu in pretoku.

9.3 Proizvodnja turbinskega agregata

Letna proizvodnja električne energije EL je izračunana na osnovi hidroloških podatkov in

izkoristka turbinskega agregata za dve obdobji.

Obdobje 15.10 – 15.03:

hHVE iginL 36008,91

(9.2)

GWhEL 52,11

Za to obdobje upoštevam da deluje samo en agregat.

Obdobje 15.03 – 15.10:

251608,92

hHVE iginL (9.3)

GWhEL 37,42

Za to obdobje upoštevam da delujeta oba agregata.


- 79 -

Skupna letna proizvodnja električne energije EL :

21 LLL EEE (9.4)

GWhEL 89,5

9.4 Tehnični opis

9.4.1. Splošno

Pogonski del agregata je cevna turbina s pripadajočimi elementi:

- turbinski gonilnik

- ohišje turbine

- vodilnik, ki ga sestavljajo fiksne usmerjevalne lopatice, usmerja tok vode na gonilnik

- turbinska gred, ki povezuje gonilnik in generator

- vodilni in nosilni ležaj

- tesnilka gredi, ki se nahaja na prehodu gredi iz spiralnega ohišja

- elastična sklopka

- predturbinski zaporni organ

- sesalna cev

9.4.1 Turbinski gonilnik

Gonilnik premera 847 mm sestavljajo:

- pesto ki je nasajeno na turbinsko gred

- ukrivljene lopatice, ki so fiksno nameščene na pesto

Zavrtinčena voda vstopa med lopatice po vsem obodu gonilnika, izstopa in odteka

naprej skozi sesalno cev v spodnjo vodo.


- 80 -

9.4.2 Ohišje turbine

Vstopni premer je 1600 mm ki se oža proti gonilniku. Ohišje turbine je varjena jeklena

konstrukcija in je postavljena na betonske temelje v strojnici elektrarne.

9.4.3 Vodilni in nosilni ležaj

Drsni radialni in drsni aksialno radialni ležaj, ležita v oljni kopeli s prisilnim mazanjem. Olje

se hladi v izmenjevalniku olje/voda. Tokokrog vode je zaprtega tipa.

9.4.4 Elastična sklopka

Povezuje gred turbine in generatorja. Sklopka mora omogočati manjša odstopanja v ravninah

gredi in prenesti vse momente in sile v času pobega.

9.4.5 Predturbinski zaporni organ

Predturbinski zaporni organ je namenjen regulaciji pretoka med zagonom in zaustavitvijo

turbine.

Prenašati mora vse sile, ki bi lahko nastale med zapiranjem pod polnim pretokom in

brez prekomernih vibracij med normalnim obratovanjem.


- 81 -

9.4.2. Sesalna cev

Na izstopu vode iz gonilnika je vgrajena sesalna cev izdelana iz jeklene pločevine. Zagotavlja,

da se vodni pretok ne prekine in da se uporabi vsa razpoložljiva tlačna višina med spodnjo in

zgornjo vodo.

9.5 Dimenzije

V narisu so prikazani glavni gabariti in elementi opreme turbinskega agregata (slika 9.1), ki

so osnova za določitev velikosti strojnice.

Slika 9.1 – Prečni prerez cevno turbinskega agregata v mali HE Markovci

gonilnik vodilnik

ohišje

gred

sesalna cev

tesnilka ležaj sklopka

generator

predturbinski zaporni organ


- 82 -

9.6 Zaključek

Pridobivanje električne energije iz obnovljivih virov je danes najcenejši in okolju

najprijaznejši način reševanja vedno večjih potreb po tem energentu. Cilj moje diplomske

naloge je bil najti najustreznejšo rešitev v smislu optimalnega izkoriščanja vodne energije v

novi mali HE Markovci.

Za določen neto padec in pretok je zelo važno, da se izbere pravi turbinski agregat. Ta

mora predstavljati optimalno rešitev za geološke, hidrološke in geometrijske parametre.

Konstrukcija mora biti plod dosedanjega razvoja in obratovanja. Vse te parametre

upošteva statistična metoda obdelave podatkov že vgrajenih in delujočih turbin po letu 1970

[6]. Funkcionalnost turbine predstavlja specifična vrtilna hitrost v odvisnosti od hidravličnih

in geometrijskih parametrov pri optimalni točki obratovanja.

Izbrana turbinska agregata v mali HE Markovci vsebujeta neregulirano cevno turbino S

izvedbe. Predstavlja najugodnejšo izbiro, zaradi velikega pretoka in nizkega padca. Pretok

vode je skoraj vedno konstanten, 5 pozimi in 10 poleti, gladina ptujskega jezera

niha največ za 1m. Zaradi tega je zagotovljeno nemoteno obratovanje obeh agregatov skozi

obe obdobji in sama konstrukcija turbine je cenejša, ker ne vsebuje regulacije. Zaradi

zagotovljenega konstantnega pretoka izkoristek turbine redko kdaj pade pod teoretično

vrednostjo 87,7%. V primerjavi s Kaplanovo turbino je cevna turbina ugodnejša, ker ima bolj

preprosto konstrukcijo in zaradi tega je zanesljivejša, cenejša, lažje se namesti in vzdržuje.

Osnovni geometrijski podatek za konstrukcijo pretočnega trakta predstavlja premer

cevnega gonilnika Dr. Njegova velikost določa gabarite ostalih geometrijskih parametrov

turbine, ki veliko doprinese k odpravi nezaželene kavitacije.

Dobljeni rezultati so kvalitetni, saj prispevajo k pocenitvi izbranega turbinskega

agregata, zaradi manjših gabaritov opreme kot posledice visoke vrtilne hitrosti.

Dejstvo pa je, da so majhni gonilniki cevnih turbin podvrženi zamašitvi z naplavinami,

ki posledično zmanjšuje moč in povečuje debalans gonilnika. Navedeni problem je najbolj

pereč v času največje proizvodnje. V tem primeru je potrebno agregat zaustaviti in očistiti


- 83 -

pakete naplavin na lopaticah gonilnika. Nepredvideno zaustavitev elektrarne se bo deloma

odpravilo z vgradnjo čistilnega stroja na rešetkah vtoka v cevovod.

Glede na ugotovitve v diplomski nalogi, je najustreznejša rešitev vgradnja dveh

agregatov, ki pokrivata dva časovna obdobja z različnima pretokoma skozi celo leto.


- 84 -

SEZNAM UPORABLJENIH VIROV

[1] ANDINO - HYDROPOWER ENGINEERING Inženiring podjetje d.o.o. Ljubljana.

[2] Brzina strujanja u proračunu cijevnih vodova i razvoda [svetovni splet]. Varaždin :

MIV Varaždin. Dostopno na WWW:http://www.miv.hr/katalog/00-uvod/09-brzina-

strujanja/brzina-strujanja-str15.pdf [15.12.2011]

[3] Dravske elektrarne Maribor [svetovni splet]. Maribor : DEM. Dostopno na WWW:

http://www.dem.si/slo/ [10.12.2011]

[4] Erbisti Paulo. Design of hydraulic gates. Netherlands : A.A. Balkema publishers, 2004.

[5] Giesecke Jurgen, Mosonyi Emil. Wasserkraftanlagen, Planung, bau und betrieb: 4.

Aktualisierte erweiterte Auflage. Heidelberg : Springer-Verlag Berlin, 2005.

[6] Gregori Janez. Optimizacija energetskih in geometrijskih parametrov vodnih turbin:

magisterij. Ljubljana : Fakulteta za strojništvo, 1987.

[7] Guide on how to develope a small power plant. Belgium : European small hydropower

association - ESHA, 2004.

[8] Karta potresne nevarnosti (pospeški) [svetovni splet]. Ljubljana : Ministrstvo za okolje

in prostor, agencija republike Slovenije za okolje. Dostopno na WWW:

http://www.arso.gov.si/potresi/podatki/intenziteta_resevanje.jpg [10.12.2011]

[9] Kraut Bojan. Krautov strojniški priročnik, 14. slovenska izdaja / izdajo pripravila Jože

Puhar, Jože Stropnik. Ljubljana : Littera picta, 2003.

[10] MHE Markovci, Idejni projekt. Maribor : HSE Invest d.o.o., 2011.

[11] Mravljak Jakob. Hidroenergetski potencial. Maribor : Elektrogospodarstvo Slovenije

d.d., 2000.

[12] Nechleba Miroslav. Hydraulic turbines, their design and equipement. Prague : Artia

1957.

[13] Recommendations for the design, manufacture and erection of steel penstocks of welded

construction for hydroelectric instalations. European commitee for boilermaking and

kindred steel structures - C.E.C.T, 1979.

[14] Stropnik Jože. Hidromehanika : učbenik. Ljubljana : Tehniška založba Slovenije, 1999.

[15] Šolc Leopold. Hidroenergetski stroji in naprave. Ljubljana : Zveza energetikov

Slovenije, 1968.

http://www.miv.hr/katalog/00-uvod/09-brzina-strujanja/brzina-strujanja-str15.pdf

http://www.miv.hr/katalog/00-uvod/09-brzina-strujanja/brzina-strujanja-str15.pdf

http://www.dem.si/slo/

http://www.arso.gov.si/potresi/podatki/intenziteta_resevanje.jpg


- 85 -

[16] Šolc Leopold. Zgradimo majhno hidroelektrarno, 2. izdaja. Ljubljana : Zveza

organizacij za tehnično kulturo Slovenije, 1986.

[17] Tuma Matija, Sekavčnik Mihael. Energetski stroji in naprave: osnove in uporaba:

učbenik. Ljubljana : Fakulteta za strojništvo, 2005.

Documents

IZBOR TURBINSKEGA AGREGATA HE MARKOVCI