Racjonalne wykorzystanie małych zasobów wody w Polsce wymaga modernizacji istniejących elektrowni wodnych oraz odbudowy i budowy nowych, zwłaszcza małych elektrowni wodnych. Z uwagi na warunki hydrologiczne w kraju będą to głównie mikroelektrownie o spadach poniżej 10 m, a często poniżej 2 m.
Mikroelektrownie wodne (moc instalowana do 100 kW) to głównie elektrownie przepływowe. Niewielki zbiornik, który powstaje w wyniku piętrzenia rzeki, nie może być wykorzystywany do regulacji przepływu i mocy elektrowni. Zatem jej moc zależy od naturalnego chwilowego dopływu wody do elektrowni i jest ograniczona maksymalnym i minimalnym przełykiem zainstalowanej turbiny (lub rzadziej kilku turbin).
Jeżeli przepływ naturalny jest mniejszy od minimalnego przełyku turbiny, to elektrownia nie wykorzysta tej ilości wody do produkcji energii elektrycznej, a kiedy przepływ naturalny jest większy od przełyku maksymalnego, to różnica przepływu naturalnego i przełyku turbiny nie będzie wykorzystana.
Oznaczenia: a – wysoki standard wykonania, b – średni standard wykonania.
Dobór turbiny
W małej energetyce wodnej są stosowane wszystkie rodzaje turbin wodnych. W Polsce w mikroelektrowniach wodnych, ze względu na niskie spady, wykorzystywane są turbiny reakcyjne (Francisa, Kaplana, Semi-Kaplana i śmigłowe) i rzadko akcyjno-reakcyjne (Michella-Banki) bądź w szczególnych przypadkach pompy w ruchu turbinowym.
Dobór turbin dla tego rodzaju elektrowni wodnych powinien być szczególnie staranny i uwzględniać zmienności przepływu wody tak, żeby była wykorzystana cała energia rzeki, a inwestor osiągnął maksymalny efekt ekonomiczny.
Turbina w układzie pionowym, w komorze otwartej
Turbina w układzie poziomym, z regulacją wewnętrzną, w komorze otwartej
Jednym z etapów procedury doboru turbin do projektowanej elektrowni jest wybór rodzaju turbiny.
Wybierając turbinę, należy uwzględnić następujące kryteria:
Koszty
Specyfiką inwestowania w mikroenergetyce wodnej jest obniżanie kosztów inwestycyjnych (koszty zakupu hydrogeneratora, zainstalowania i uruchomienia). Takie podejście jest uzasadnione tylko na wstępnym etapie projektowania elektrowni i można je sprowadzić do analizy porównawczej kosztu zakupu turbiny określonego rodzaju. Biorąc pod uwagę konstrukcję turbiny, najdroższe są te Kaplana, tańsze Francisa i śmigłowe, a najtańsze – o przepływie poprzecznym (Michella-Banki). W związku z powyższym (oraz w zakresie niskich spadów) do stosowania w mikroelektrowniach polecane są turbiny śmigłowe i o przepływie poprzecznym. Bezwzględne różnice w cenach, zwłaszcza mikroturbin, nie są jednak wyraźne, co może wynikać z faktu, że ok. połowę ceny turbiny stanowią koszty urządzeń regulacyjnych.
Spad turbiny H
Podstawowymi technicznymi kryteriami ilościowymi wyboru rodzaju turbiny są: spad turbiny H oraz wyróżnik szybkobieżności ns.
Poniżej podano wartości wyróżnika szybkobieżności, określonego jako prędkość obrotowa zredukowana na spad H=1 m i moc N=1 KM).
Dla spadów H=1 do 500 m i dynamicznych wyróżników szybkobieżności ns=50 do 450 stosowane są turbiny Francisa, dla H=1 do 70 m i ns=250 do 1200 – Kaplana lub śmigłowe i dla H=1 do 250 m i ns=50 do 120 – turbiny o przepływie poprzecznym.
Spad turbiny H wynika z wysokości piętrzenia na jazie Hz, zmniejszonej o straty hydrauliczne w urządzeniach doprowadzających wodę do turbiny oraz ze sposobu posadowienia turbiny (dotyczy wyłącznie turbin o przepływie poprzecznym). Do wyznaczenia wyróżnika szybkobieżności przyjmowany jest spad określony dla przełyku (przepływu) znamionowego (nominalnego) turbiny.
Instalowany przełyk Qi oraz zakres regulacji przełyku (przełyk minimalny Qmin i przełyk maksymalny Qmax)
Oznaczenia: F – turbina Francisa, K – turbina Kaplana, M – turbina o przepływie poprzecznym (Michell-Banki), S – turbina śmigłowa
Przełyk instalowany Qi wynika z warunków hydrologicznych rzeki i jest tak dobierany, aby uzyskać maksymalną produkcję energii elektrycznej przy możliwie niskich nakładach inwestycyjnych. Pełne wykorzystanie zmiennego przepływu rzeki jest możliwe wtedy, gdy turbina może być eksploatowana w szerokim zakresie regulacji przełyku.
Największy zakres regulacji (przy stałej prędkości obrotowej) mają turbiny Kaplana i o przepływie poprzecznym (z regulacją przełyku za pomocą dzielonej po szerokości, jednołopatkowej kierownicy lub przysłony obrotowej) Q t= 0,2 Qtmax do Qtmax. Natomiast mniejszy zakres maja turbiny Francisa – Q t = 0,3 Qtmax do Qtmax, a najmniejszy turbiny śmigłowe – Qt = 0,4 Qtmax do Qtmax.
W praktyce zakres regulacji jest na ogół węższy. Wynika to z konkretnej konstrukcji turbiny, jej posadowienia, własności regulatorów oraz generatora.
Prędkość obrotowa n i prędkość rozbiegu nr
Najlepiej jest, gdy turbina napędza generator bezpośrednio. W tych warunkach prędkość obrotowa turbiny będzie równa prędkości synchronicznej (dla generatorów synchronicznych) lub nieco wyższa (dla generatorów asynchronicznych). Ze wzrostem prędkości obrotowej rośnie wyróżnik szybkobieżności, maleją gabaryty turbiny, a tym samym mniejsze koszty inwestycyjne, ale zwiększa się wrażliwość na zatykanie turbiny.
Dla standardowych wykonań turbin prędkości znamionowe nz wynoszą: turbina śmigłowa nz = 75-100 1/min, turbina Kaplana nz = 75-150 1/min, turbina Francisa nz = 100-500 1/min, a turbina o przepływie poprzecznym nz = 50-1000 1/min.
Wyższe prędkości obrotowe dotyczą na ogół wysokich i bardzo wysokich spadów. Ponieważ w mikroelektrowniach wodnych są najczęściej stosowane generatory asynchroniczne (silniki klatkowe w ruchu generatorowym), konieczne jest użycie multiplikatorów.
Każdy rodzaj turbiny charakteryzuje się określoną prędkością rozbiegu nr. Jest ona krotnością prędkości obrotowej znamionowej nz i wynosi odpowiednio dla turbin: śmigłowych nr = (2-2.4)nz, Kaplana nr = (2,8-3,2)nz, Francisa nr = (1,8-2,2)nz, a dla turbin o przepływie poprzecznym nr = (1,8-2)nz.
Wyższe prędkości obrotowe (znamionowe i rozbiegu) podnoszą koszty hydrogeneratora ze względu na konieczne wzmocnienia konstrukcyjne (turbiny, przekładni i generatora) oraz zainstalowanie odpowiednich regulatorów do zabezpieczenia układu.
Sprawność ηt
Sprawności turbin stosowanych w małej energetyce wodnej wynoszą odpowiednio1: turbina Francisa ηt = 84 do 90%, turbina Kaplana i śmigłowa ηt = 84 do 90%, turbina o przepływie poprzecznym ηt = 78 do 84%. Sprawność turbiny zależy od jej wielkości (przełyku znamionowego). Na rysunku przedstawiono zmianę sprawności w zakresie małych przełyków dla turbin o wysokim standardzie wykonania (krzywa a) i średnim standardzie wykonania (krzywa b).
W warunkach zmiennych przepływów ważna jest nie tylko wartość sprawności w znamionowym punkcie pracy, ale również zależność sprawności od przełyku (rys. 2). Wykresy opracowano na podstawie danych literaturowych3, 4 oraz badań własnych3. Płaskie charakterystyki są korzystniejsze – umożliwiają eksploatację turbiny z wysoką sprawnością w szerokim zakresie przepływów.
Własności kawitacyjne
Własności kawitacyjne turbiny charakteryzowane są za pomocą współczynnika kawitacji δk. Dla turbin reakcyjnych w standardowych wykonaniach współczynnik ten można oszacować w zależności od wyróżnika szybkobieżności (rys. 3). Turbiny o wyższych wyróżnikach szybkobieżności (Kaplana, śmigłowe) mają wyższe współczynniki kawitacji i w wielu przypadkach konieczne jest posadowienie turbiny poniżej zwierciadła wody, co znacząco podnosi koszty inwestycji i utrudnia eksploatację.
Współczynnik kawitacji turbin reakcyjnych
Poza wymienionymi powyżej kryteriami dobór turbiny może zależeć od realizowanej inwestycji. W przypadku odbudowy lub modernizacji istniejącej elektrowni ograniczenia będą dotyczyły gabarytów, konfiguracji (układu turbiny – pionowa, pozioma), zabudowy (komora otwarta, rurociąg, układ lewarowy itp.). Poniżej kilka wybranych przykładów konfiguracji i zabudowy turbin i ich cechy.
Turbina w układzie pionowym, w komorze otwartej (rys. 4) ma zwartą konstrukcję i zajmuje małą powierzchnię, co utrudnia przeglądy i naprawy. Turbina w układzie poziomym, z regulacją wewnętrzną, w komorze otwartej (rys. 5) ma większą powierzchnię zabudowy, co również sprawia, że trudne są przeglądy i naprawy. Natomiast turbina w układzie poziomym, w kadłubie spiralnym (rys. 6), pomimo większej powierzchni zabudowy zapewnia łatwość w dokonywaniu przeglądów i napraw.
Grunt to ekonomia
Właściwy wybór (w przestrzeni dobrze zdefiniowanych kryteriów) rodzaju turbiny zmniejsza zakres i koszty dalszych prac projektowo-konstrukcyjnych. Kolejnym etapem projektowania elektrowni jest ustalenie wielkości turbiny – dobór przełyku instalowanego. Zagadnienie to oraz procedury obliczeniowe zostały przedstawione w pracach6, 7. Ostatecznie optymalne rozwiązanie należy wybrać, obliczając roczną produkcję energii oraz odpowiednie wskaźniki ekonomiczne.
Prawidłowy dobór rodzaju i wielkości turbiny jest podstawowym warunkiem efektywności inwestycji, a w konsekwencji stymulatorem rozwoju dziedziny, ponieważ nietrafione inwestycje zmniejszają zainteresowanie potencjalnych inwestorów.
Źródła:
1. Chapallaz J. M.: Kleinwasserkraftwerke. Wasserturbinen. Impuls – programm PACER. Budesamt für Konjunkturfragen. 1995.
2. Anderson H.H.: Centrifugal pumps and allied machinery. 4th Edition Elsevier Advanced Technology. Oxford 1994.
3. Kovalev N.N.I.: Hydro turbiny. Budowa maszyn. Leningrad 1971
4. Meerwarth K.: Wasserkrafmachinen. Springer-Verlag. Berlin/Gottingen/Heidelberg 1963.
5. Dębiec J., Rduch J.: Badania laboratoryjne turbin modelowych. Zadanie 5.2. Projekt badawczy nr 7 T07C 032 17 pt. Analiza wybranych własności eksploatacyjnych turbin wodnych o przepływie poprzecznym. Kierownik Projektu Zarzycki M. Gliwice 2001.
6. Rduch J.: Dobór turbin do małej elektrowni wodnej. IX Forum Odnawialnych Źródeł Energii. Zakopane 2003.
7. Rduch J.: Zagadnienie doboru turbin dla mikroelektrowni wodnych. „Cieplne Maszyny Przepływowe” 132/2007.
8. Kwiatkowski V.S.: Małe hydro turbiny. MASZGIZ. Moskwa 1950.
(źródło: Czysta Energia 02/2008; Turbiny wodne – mikro elektrownie; dr inż. Jan Rduch)