centrale hidroelectrice

,

EV

==

Generarea durabil a energiei

2. Centrale hidroelectrice

2.1.Curenii de ap. Energia curenilor de ap

Deosebesc trei tipuri de cureni de ap (deplasarea apei pe suprafaa pmntului): -ruri,

-maree,

-cureni maritimi.

Energia primelor dou tipuri poate fi analizat ca energia potenial a masei de ap m aflat la o nlime H de la suprafaa de referin (vezi fig.2.1):

p

Ec.a. = mgH , J.(2.1)

Puterea curentului va fi:

p

p

c

&

P.a. = Ec.a. = gVH , W.(2.2)

n aceste formule:

&

g este acceleraia cderii libere, n m/s2; densitatea apei, n kg/m3;

V - debitul volumic al curentului, n m3/s.

Energia cinetic pentru toi curenii

relatai se va determina cu formula:

Figura 2.1.Schema unui curent de ap pe suprafaa pmntului

cmw2w2 c.a. 2 2

J(2.3)

n care w este viteza curentului, n m/s.

Puterea curentului:

w

c

&

2

P

c.a. = V 2 , W.

Avnd n vedere c pentru o seciune f

&

V = fw,

pentru puterea cinetic a unui curent de ap cu seciunea transversal f obinem formula:

w

c

3

P

c.a. = f 2 , W(2.4)

- 20 -

Centrale hidroelectrice

Pentru a valorifica energia potenial a unui curent de ap este necesar de a concentra presiunea format de nlimea H i dispersat pe o lungime L ntr-un loc, pe o vertical (punctul B pe fig 2.1.). Concentrarea presiunii curenilor pentru a organiza cderile de ap se efectueaz prin intermediul construciilor hidrotehnice: baraje sau canale de derivaie. Pentru utilizarea mai complet a potenialului unui ru pe el se organizeaz cascade de baraje cu lacuri de acumulare.

Energia cinetic se utilizeaz fr amenajri hidrotehnice speciale. Gradul de utilizare este cu mult inferior celui pentru energia potenial. Se valorific astfel energia mareelor i se ntreprind ncercri de a utiliza energia curenilor maritimi.

2.2.Amenajrile hidrocentralelor

La amenajrile hidrocentralelor se refer barajele, canalele de derivare, cldirile CHE precum i un ir de construcii auxiliare cum ar fi aduciuni, canale de fug, dispozitive de deversare, ecluze de navigaie, canale pentru trecerea petilor etc.

Barajele pot fi construite din sol, piatr sau beton. Barajele din sol, pentru a fi protejate de afectarea de ctre valuri i ghea, n limitele variaiei nivelului apei, se ntresc cu dale de beton sau nzidiri din piatr nzidite sau de anrocament (vezi fig. 2.2). Dac solul este permeabil, pentru reducerea infiltrrii apei, n corpul barajului se fac ecrane (fig.2.2 b) sau nuclee (fig.2.2 c) din sol ne permeabil lut. Barajele din sol de regul sunt fixe, ne deversoare. nlimea lor poate ajunge la 300m. Impermeabilitatea barajelor de anrocament

a.b.

c.d.

Figura 2.2. Baraje din sol:

a. - din sol impermeabil; b. din sol permeabil cu ecran; c. - din sol permeabil cu nucleu; d. de anrocament; 1 dale de protecie; 2 berm; 3 ecran; 4 nzidire din piatr; 5 nucleu din beton; 6 prism de drenare.

- 21 -


se asigur din amonte cu un ecran din beton pe o nzidire din piatr (fig.2.2.d).

Barajele din beton (beton armat) de regul sunt deversoare. n funcie de construcie ele pot fi gravitaionale, cu contraforturi i n arc. Barajele

gravitaionale (vezi fig. 2.3)se construiesc, n cele mai frecvente cazuri, pe soluri slabe, cum ar fi nisipul, lutul. Pe soluri slabe ele pot avea nlimea de 20..30 m, pe fundament de roc pn la 300 m.

Dezavantajul lor const n consumul mare de beton armat.

Figura 2.3.Baraj de gravitaie.

Barajul cu contraforturi (fig.2.4) reprezint o platform nclinat n aval i sprijinit de perei perpendiculari ei (contraforturi) unii ntre ei cu grinzi de rigidizare. nlimea lor poate fi pn peste 100 m.

Figura 2.4. Baraj cu contraforturi:

1 platform; 2 contraforturi; 3 - grinzi de rigidizare.

B

arajele cu arc (fig.2.5) se construiesc peFigura 2.5. Baraj cu arc.ruricu maluri stncoase, n care ele sprijin i crora le transmit presiunea apei di amonte. Ele pot fi cu unul sau mai multe arcuri. Pe ruri de munte pot avea nlimi pn la 300 m.

- 22 -


La amenajrile n derivaie cursul de ap al rului este derivat (vezi fig.2.6) prin canale deschise i/sau nchise (sub presiune). Canalele pot fi sub form de calerii n sol (muni) sau instalate la suprafa. Ele pot fi cilindrice sau de seciune dreptunghiular confecionate din metal sau din beton armat.

Figura 2.6. Schema CHE cu amenajare n derivaie.

Cldirile CHE ncorporeaz utilajul de for i pot fi amplasate n corpul barajului, la piciorul lui sau separat (la CHE cu derivaie). CHE de putere mic i chiar medie pot fi i fr cldirea seciei de maini, generatoarele fiind acoperite cu un capac de protecie detaabil.

2.3.Lacuri de acumulare: reglarea sarcinii

namontelebarajelorse formeaz lacul de acumulare n care apa se acumuleaz n funcie de regimul hidrologic al rului pentru a fi folosit n funcie de curbele de sarcin a sistemului electroenergetic la care centrala este conectat. Lacul de acumulare (vezi fig.2.7) este compus

din trei volume: mort situat mai jos de priza de ap a aduciunii ctre turbine, util (de lucru) i de rezerv,

care poate fi utilizat temporar n caz de

Figura 2.7. Schema unui lac de acumulare: 1 albia rului, 2 curba nivelului liber, 3 barajul,

4 aduciunea, 5 galerie, 6 volumul de rezerv, 7 volumul util, 8 - volumul mort.

- 23 -


viituri mari pe ru. Utilajul CHE fiind foarte manevrabil schimbarea sarcinii n limite mari, pornirea i oprirea lui poate fi efectuat n timp de cteva minute fr a suporta pierderi eseniale, acestea se folosesc pentru reglarea curbei de sarcin.

n funcie de capacitatea lacului de acumulare deosebesc urmtoarele tipuri de reglri:

diurn se regleaz curba de sarcin diurn; se folosesc de obicei lacurile mici cu amenajrile pe fir de ap;

sptmnal n afar de reglarea curbele diurne se acumuleaz apa n zilele de weekend pentru a fi utilizat n cele lucrtoare, se folosesc lacurile de mrime medie;

anual se folosesc lacurile mari, volumele de rezerv ale celor medii, att pentru a regla curba anual de sarcin ct i pentru a acumula debitele rului din perioadele anului cu depuneri eseniale pentru a le folosi dup necesitate.

de perioad lung (multianual) lacurile de capacitate foarte mare acumuleaz apa n anii cu depuneri abundente pentru a o folosi n anii secetoi.

2.4.Turbine hidraulice

2.4.1.Noiuni generale

Conform legii lui Bernoulli energia curentului de ap n punctele A i B din fig. 2.1. va fi respectiv:

2

2

eA = gzA + pA + wA , J/kg(2.5)

2

2

ieB = gzB + pB + wB , J/kg.(2.6)

n aceste ecuaii zA i zB reprezint nlimile geodezice respective, n m; pA i pB presiunile n punctele respective, n Pa;

- densitatea apei, n kg/m3;

wA i wB vitezele curentului de ap, n m/s.

Energia care poate fi cedat de curent turbinei hidraulice n punctul B va fi egal cu diferena acestor dou cantiti:

2

22

eAB = g(zA zB )+ pA pB + wA wB , J/kg.(2.7)

- 24 -


Din (2.7) rezult c energia curentului este compus din energia potenial de poziie

g(zA zB ), energia potenial de presiune

pA pB

2

22

i energia cinetic wA wB .

Turbinele n care se utilizeaz, chiar i parial, energia potenial se numesc cu reaciune (reactive), cele care utilizeaz energia cinetic a curentului de ap cu aciune (active).

2.4.2.Tipuri de turbine

Cele mai rspndite tipuri sunt turbinele reactive Kaplan i Francis i turbinele active Pelton.

Turbinele Kaplan (vezi fig. 2.8) sunt turbine cu admisie radial a apei prin paletele directoare 5 i scurgerea axial prin camera rotorului 4. Energia curentului de ap se transmite axului 1 prin

intermediul paletelor 3. Numrul paletelor poate fi de la 3 pn la 8 (numrul crete cu mrirea diametrului rotorului). La turbinele mari, pentru a

reduce pierderile de presiune la cderea apei pe

Figura 2.8. Schema turbinei Kaplan: 1 rotor; 2 conul elicei; 3 paletele rotorului; 4 camera rotorului; 5 palete directoare de reglaj.

palete n regimuri variabile, paletele se construiesc reglabile (turnante). Turbinele Kaplan se utilizeaz la cderi de ap relativ mici: turbinele cu elice pn la 25 m, cele cu palete reglabile pn la 70 m. Axul turbinei n majoritatea cazurilor se amplaseaz vertical, generatorul electric conectndu-se n partea de sus a acestuia. Unele turbine mici i turbinele bulb se confecioneaz cu axul orizontal. n agregatele tip bulb generatorul cu turbina formeaz corp comun, fiind introduse ntr-o carcas metalic de forma unui bulb hidrodinamic plasat pe traseul canalului orizontal prin care are loc scurgerea apei.

123

3

4

Figura 2.9. Schema turbinei Francis:

1 camera spiral de distribuie; 2 rotor; 3 paletele rotorului; 4 palete directoare de reglaj.

- 25 -


Turbinele Francis (vezi fig. 2.9) au admisia radial: din camera spiral de distribuie prin paletele directoare, iar scurgerea prin rotor la intrare - radial i la ieire axial. Rotorul lor este compus din 9...21 palete cu o geometrie complicat. Axul se amplaseaz vertical. Turbinele radial-axiale se utilizeaz la cderi de ap mari: de la 20...30 m pn la 700 m i mai mult.

Turbinele reactive, att axiale ct i radial-axiale, se utilizeaz ntr-un diapazon foarte vast de debite de la

0,3m3/s pn aproape de 1000 m3/s.

Turbinele Pelton (vezi fig. 2.10) sunt turbine cu aciune n admisie parial i tangenial n care scurgerea apeiserealizeazaxial datorit cupelorcu dubl ieire. Apa din lacul de

acumulare, prin aduciune se

ndreapt sub form de jet

Figura 2.10.Turbina tip Pelton:

1 rotor, 2 palete, 3 injector, 4 ac de reglare.

format de injectorul 3 ctre

rotorul 1, care reprezint un disc cu cupe 2. Rotorul i injectorul sunt amplasate n interiorul mantalei. Sarcina turbinei se regleaz cu acul 4 din interiorul injectorului, care permite funcionarea fr ocuri i cu un randament mare n limite mari de sarcin. Numrul cupelor depinde de diametrul rotorului. La debite mari, de peste 20 m3/s, numrul injectoarelor poate fi pn la 4...6. Turbinele Pelton se utilizeaz la debite relativ mici 0,06...60 m3/s i cderi de ap mari 50..1700 m. Turbinele se realizeaz cu axul vertical sau orizontal.

n

Caracteristica tehnic de baz a diferitor tipuri de turbine care determin domeniile lor de utilizare este rapiditatea sau turaia specific:

ns = H 1,166

P

H

=1,166nP12 H 54 , rot/min.(2.8)

n aceast formul: n este turaia turbinei, n rot/min.; H cderea apei, n m;

P puterea turbinei, n kW.

Turaia specific reprezint turaia cu care s-ar roti turbina respectiv dac ar funciona cu o cdere de 1 m i ar dezvolta o putere de 0,736 W. Fiecare serie de turbine este caracterizat de o valoare a turaiei specifice.

- 26 -


Din (2.8) obinem expresia pentru calculul turaiei turbinei concrete pentru parametrii dai:

n = 0,858ns H 54 P12 , rot/min.(2.9)

Pentru a obine frecvena curentului produs de generator la valoarea de 50 Hz, turaia trebuie rotunjit astfel ca (50.60)/n (care reprezint numrul de perechi de poli ai generatorului electric) s fie un numr ntreg.

De oarece cu ct turaia este mai mic turbina i generatorul sunt mai masive, tipurile de turbine cu ns mici se utilizeaz la cderi mari i invers. Turbinele Pelton au rapiditatea ntre 10...50 rot/min, turbinele Francis 70...400 rot/min, turbinele Kaplan 300...1000 rot/min.

2.5.Eficiena CHE

Puterea Centralei Hidroelectrice au la baz puterea curentului de ap:

PCHE = Pc.a.CHE,

sau, cu consideraia (2.2),

PCHE = gVHCHE,(2.10)

n care CHE este randamentul global al centralei.

CHE=VH t g .(2.11)

V este randamentul volumetric al centralei. Caracterizeaz pierderile de debit prin: evaporare de pe suprafaa lacului de acumulare,

infiltrare n sol,

scurgeri prin spaiul dintre rotor i camer, ne etaneiti, ecluze, canale pentru peti etc.,

evacurile tehnologice, de avarie .a.

Valorile V sunt n limitele 0,92...0,98.

H este randamentul hidraulic care caracterizeaz pierderile de presiune: la curba nivelului liber,

locale i liniare pe traseul de la lacul de acumulare pn la ieire din conducta de evacuare a turbinei.

- 27 -


H= 0,90...0,98; valorile mici se refer la centralele n derivaie lungimea canalelor n unele din ele avnd sute de metri, valorile mari la centralele cu turbine tip bulb.

t este randamentul turbinei; el include pierderile (volumetrice, hidraulice, mecanice) care au loc n toate elementele turbinei; valorile lui pentru turbinele cu reaciune sunt de 0,90...0,93, pentru cele cu aciune 0,88...0,91.

g este randamentul generatorului electric, valorile lui sunt de 0,90...0,95.

Randamentul integral al centralei - CHE = 0,7...0,8.

2.6.Instalaii pentru utilizarea energiei cinetice a curenilor de ap

Turbinele hidraulice pentru utilizarea energiei cinetice a curenilor de ap au construcia analogic motoarelor eoliene cu palete. Numrul paletelor este 2...4.

La trecerea curentului de ap prin rotorul turbinei el cedeaz o parte din energia sa Cp, numit factor de putere. Valoarea maxim a factorului de putere este Cp= 16/27 = 0,593. Randamentul instalaiei va fi:

CHE = Cpt g(2.12)

Astfel, puterea unei centrale hidraulice care utilizeaz energia cinetic a curentului de ap va fi:

w

c

3

P

CHE =CHE f 2 , W.(2.13)

d

Aici f este suprafaa curentului baleiat de rotorul turbinei, n m2. Pentru rotorul cu diametrul d - f = 42 .

Aceste turbine nu-s exploatate i studiate suficient pentru a se determina strict eficiena lor. Orientativ CHE = 0,4...0,5. La viteza apei de 2 m/s puterea generat este de cca. 2 kW/m2.

2.7.Tipuri de hidrocentrale

Dup particularitile funciunilor deosebesc urmtoarele tipuri de centrale:

- CHE normale fluviale, folosite exclusiv pentru producerea energiei electrice;

- 28 -


-CHEAP centrale hidroelectrice de acumulare prin pompare; -CHEMM - centrale hidroelectrice maree motoare

CHE normale (vezi fig.2.11, 2.12) aparin celui mai rspndit tip de centrale. n ele se

Figura 2.11. CHE cu turbin Kaplan.

folosesc toate tipurile de turbine hidraulice. Puterea lor variaz de la civa kW pn la cteva mii de MW, numrul de agregate de la 1 pn la 20 i mai multe. CHEAP servesc la reglarea curbei diurne de sarcin. Sunt construite n rile cu sistemul electroenergetic bazat pe Centrale nucleare sau Centrale termoelectrice mari cu turbine cu abur. Centrala se afl ntre dou lacuri de acumulare. n orele cu sarcina minim n sistem CHEAP lucreaz n regim de pompare, consumnd energie electric i meninnd sarcina Centralelor termoelectrice i nucleare n regim stabil. n orele de vrf centrala lucreaz n regim de generare a energiei electrice, consumnd apa acumulat n lacul amonte. Acestea sunt de obicei centrale de putere medie cteva sute de MW cu o cdere de ap de 15...20 m. Randamentul transferului de energie din orele de groap a curbei de sarcin n cele de vrf

- 29 -


este de cca. 0,7. Se folosesc turbine clasice tip Kaplan, dar n cele mai frecvente cazuri agregate tip bulb (vezi fig.2.12) cu aciune dubl: turbin-pomp.

Figura 2.12. Central cu turbine tip bulb.

CHEMM utilizeaz energia mareelor fluxului i refluxului. nlimea maxim a fluxului ajunge n nordul Franei la 14,7 m, n Anglia 16,3 m, pe malul Atlantic al Canadei 19,6 m. Acest maxim se repet peste fiecare 12 h i 25 min. CHEMM se ntlnesc de dou tipuri: cu amenajri clasice baraje construite n gura rului sau fiorduri i cu instalaii de utilizare a energiei cinetice. Barajele formeaz cderi de ap att n timpul fluxului ct i a refluxului. nlimea barajului fiind relativ mic, centralele clasice folosesc de obicei turbine tip bulb cu aciune n dou direcii. Centralele utiliznd

energia cinetic (Tidel Power) reprezint ferme

de turbine instalate de-a lungul malului pe pilon

Figura 2.13. CHE cu utilizarea energiei cinetice a apei.

- 30 -


ncastrai n fundul mrii (vezi fig.2.13), sau pe platforme ancorate. Investiiile n aceste instalaii sunt incomparabil mai mici dect n cele cu baraje. De asemenea incomparabil este i impactul asupra mediului. Dezavantajul const n eficiena mai mic (de cca. 2 ori) a utilizrii energiei curenilor de ap.

Dup puterea integral CHE se mpart n 3 grupe:

- centrale mari (cu puterea peste 20...30 MW n SUA i Rusia, n Romnia, Frana, Canada .a. 2...5 MW), construite pe ruri cu debitul de 20 m3/s i mai mulr;

-centrale mici, cu debitul ntre 5 m3/s i 20 m3/s;

- micro-CHE, cu puterea sub 100 kW, situate pe cursuri de ape cu debite mai mici de 5 m3/s i cderea de ap sub 5 m.

Centralele mari intr n clasa energeticii convenionale, cele mici i micro n energetica neconvenional, n baza surselor regenerabile de energie. Centralele mici i micro au primit o dezvoltare deosebit n ultimele decenii datorit apariiei sistemelor eficiente i ieftine de automatizare.

Centralele mici se construiesc fr cldiri costisitoare, funcioneaz fr personal de deservire. Pot fi conectate la sistemul energetic sau pot funciona autonom.

Figura 2.14. Micro-CHE demontabil:

1 baraj, 2 priz de ap, 3 conduct forat de aduciune, 4 turbin, 5 generator electric, 6 - deversor.

Figura 2.15. Micro-CHE cu man: 1 albia rului, 2 priz de ap, 3 man, 4 turbin cu hidrogenerator, 5 - deversare.

Centralele micro n majoritatea lor sunt mobile. Ele pot fi instalate cu un baraj mic (vezi fig. 2.13 ) sau i fr acesta aa numitele CHE de buzunar (vezi fig. 2.13 ). Centralele micro funcioneaz n regim autonom.

- 31 -


2.8.Aspectul ecologic al hidroenergeticii

Hidrocentralele au un ir de influene pozitive asupra mediului, cum ar fi: -lipsa de degajri cu impact negativ asupra mediului;

-reglarea debitului rului;

-excluderea inundaiei localitilor situate n avalul centralei; -dezvoltarea irigaiei;

-organizarea zonelor de odihn pe malul lacurilor etc.

Dezavantajele ns sunt mai nsemnate:

- excluderea din asolament a suprafeelor vaste de soluri roditoare alctuite din aluviuni de pe malurile rurilor;

- schimbarea regimului hidrologic al rului din cauza pierderilor sporite de ap n lacurile de acumulare i reducerea prin urmare a debitului n aval;

- schimbarea florei i faunei n ru cauzate de un ir de factori, cum ar fi: schimbarea temperaturii n legtur cu ineria termic i evaporarea sporit n lac, mpiedicarea prin baraj a migrrii petilor, schimbarea regimului hidrologic .a.;

- creterea activitii seismice n zona lacurilor mari; - complicarea sau excluderea navigaiei fluviale etc.

2.9.Aspectul economic al hidroenergeticii

Costul energiei electrice produse la CHE se compune din cota investiiilor revenite la o unitate de producie i cheltuielile de exploatare respective. Att valorile acestor cheltuieli ct i raportul lor difer foarte mult pentru centralele mari i cele mici, de i partea leului i la unele i la altele revine investiiilor.

La centralele mari ponderea cheltuielilor de exploatare nu ntrece de, obicei 15 %.

Investiiile sunt nu numai voluminoase dar i complexe. Investiiile iniiale n procurarea pmntului, pregtirea infrastructurii etc. constituie 10...17 %; construciile hidrotehnice 50...60 %, utilajul energetic 20...40 %. Difer i durata de folosire a elementelor respective: unele elemente sunt cvasinelimitate, altele au o durat relativ scurt 15...20 de ani. Caracteristic pentru cheltuielile anuale ale CHE este independena lor aproape total de cantitatea de energie produs anual. De aceea costul produciei depinde de cantitatea ei anual ntr-o msur foarte mare.

- 32 -


Probleme

1.

S se determine turaia turbinei hidraulice din seria cu ns = 125 rot/min pentru un curent de ap de 25 m3/s la cderea de 70 m, avnd n vedere c frecvena curentului n reea este de

50 Hz.

Rezolvare:

1. Considernd randamentul turbinei 0,85, determinm puterea ei.

Pt = 9,81VH = 9,8110000,852570= 14,592106 W =14592 kW.

2. Calculm valoarea preventiv a turaiei turbinei.

n = 0,858 ns H5/4Pt-1/2 = 0,858125701,25/145920,5= 180 rot/min.

3. Calculm numrul perechilor de poli ai hidrogeneratorului.

Zp= 60/n =6050/180 = 16,7.

4. Considernd numrul perechilor de poli ai hidrogeneratorului Zp= 15, determinm valoarea real a turaiei.

n = 60/Zn =6050/15 = 200 rot/min.

5. Precizm puterea real a turbinei din soluia expresiei (2.6) pentru Pt.

Pt = 0,735 (ns/n)2 H5/2 =0,735(125/200)2702,5 =11770 kW.

Rspuns: Turaia turbinei va fi 200 rot/min.

2.

Determinai producia anual posibil a unei micro-CHE care este montat pe un pru cu limea 1 m, adncimea medie 0,4 m, viteza medie 0,5 m/s, dac nlimea posibil a barajului este de 1,5 m.

3.

Cum se va schimba puterea unei hidroturbine cu presiunea de 20 m H2O dac nivelul apei n lacul de acumulare o s scad cu 5 m?

Literatura recomandat

1. I. Preda. Centrale hidroelectrice i staii de pompare. Vol.I. Timioara, 1990, -p.305.

- 33 -


2. .., .., .. . . , , 1987, -.464.

3. .., ... . , . 1982, -.304.

4. D.Cristescu, L.Pantelimon, S.Darie. Centrale i reele electrice. Ed.did.i ped. Bucureti. 1982, -p.352.

- 34 -

centrale hidroelectrice

Documents