Izbor Turbine i Generator A

Andrija T. Sari} i Miroljub Jevti}

Izbor turbine i generatora za mikro hidroelektrane

Stru~ni rad UDK: 621.313.12; 621.224; 621.311.21

Rezime: U radu su analizirani osnovni kriterijumi pri izboru turbine i generatora za primenu u mikro hidroelektranama. Prikazan je postupak izbora karakteristika turbine i radnog kola za razli~ite konstrukcije (Pelton sa jednim i vi{e mlaznika, Francis, Turgo, aksijalne i turbine sa povratnim protokom („crossflow” u an glosaksonskoj literaturi)) u zavisnosti od raspoloìvog pada, protoka i snage na izlazu. Posebno je analiziran stepen iskori{}enja pojedinih delova postrojenja (cevovod, turbina, pogonski mehanizam i generator) pri smanjenom protoku, kao i njihov uticaj na ukupan stepen iskori{}enja i godi{nje vreme rada mikro hidroelektrane. Dati su i odgovaraju}i ilustrativni primeri izbora**. Klju~ne re~i: mikro hidroelektrana, turbina sa povratnim protokom, induktivni generator

Abstract: APPLICATION OF TURBINE AND GENERATOR IN MICRO HYDRO POWER STATION The paper deals with basic criteria for application of turbine and generator in micro hydro power stations. The paper shows procedure for determining of technical characteristics of turbine and ellise for dif ferent constructions (Pelton with one and more injectors, Francis, Turgo, axial and crossflow), depending on available head, water discharge and output power. In more details are analyzed part-flow efficiency of differents parts of station (penstocke, turbine, drive system and generator) and their influence on overall ef ficiency and yearly-time operation of micro hydro power station. The theoretical analyses are illustrated with characteristic practical examples. Key words: micro hydropower plant, crossflow turbine, induction generator

1. UVOD Za razliku od „velikih” elektrana, mikro hidroelektrane (MHE) su ekolo{ki najmanje invazivan tip objekata, po{to se naj~e{}e maksimalno prilago|avaju postoje}im uslovima u prirodi [1, 2]. Definici-

ja MHE se razlikuju od zemlje do zemlje, ali u svakom slu~aju uklju~uju sisteme koji imaju maksimalno nekoliko MW instalisane snage [3, 4] . Po kriteri jumima koji vaè u na{oj zemlji, klasifikacija je slede}a: mikro do 500 kW, mini od 500 kW do 2 MW i male od 2 MW do 10 MW.

**Rad je nastao kao rezultat projekta „Razvoj modela mikro hidroelektrane na brani sistema za navodnjavanje sa ispitivanjem i analizom rada u distributivnom i izolovanom sistemu”, finansiranog od strane Ministarstva za nauku, tehnologiju i razvoj Republike Srbije.

Prof. dr Andrija T. Sari}, – Tehni~ki fakultet, 32 000 â~ak, Svetog Save 65, e-mail: asaric @ tfc.kg.ac.yu, prof. dr Miroljub Jevti}, – Fakultet tehni~kih nauka, 38 220 Kosovska Mitrovica, Kneza Milo{a 7 98

ELEKTROPRIVREDA, ELEKTROPRIVREDA, br. 3, 2005. 2 005.

U principu, MHE mogu raditi kao izolovane (za napajanje malih udaljenih seoskih podru~ja, farmi, manjih turisti~kih naselja i sl.), ili priklju~ene na javnu distributivnu mreù (u slu~aju da se nalaze blizu postoje}e distributivne infrastrukture). Naj~e{}e snage izolovanih MHE ne prelaze 300 kW, kada se one prilago|avaju prirodnim uslovima vodotoka, bez izgradnje velikih ve{ta~kih jezera. Istorijski, izolovane MHE nastale su na princi pu vodenica, ~iji se mlinski kamen pokre}e preko lopatica u koje udara vodeni mlaz. U ranim fazama razvoja u svetu su MHE naj~e{}e bile na bazi jednosmerne struje, zbog zna~ajno jednostavnije regulaci je brzine sistema turbina-generator, u odnosu na moderniji na~in kod sistema naizmeni~ne struje. Me|utim, u kasnijoj fazi razvoja, zbog mogu}nosti kori{}enja razli~itih savremenijih ure|aja, MHE se standardizuju na postoje}e naizmeni~ne sisteme 50 Hz, sa malim varijacijama napona i u~estanosti na izlazu. To zahteva ugradnju brzog i efikasnog sistema za kontrolu brzine (obi~no zasnovan na mehani~kim regulatorima, osetljivim na promenu brzine i hidrauli~kim zatvara~ima za zatvaranje/otvaranje ventila za dotok vode) [5−9] . U svetu se u poslednje vreme puno radilo na definisanju standardnih modula MHE malog pada, ko ji se proizvode tako da se smanji njihova sloènost i cena. Problem skupih regulacionih sistema u savremenim uslovima re{ava se primenom modernih poluprovodni~kih elektronskih regulacionih sistema, koji obezbe|uju bolje i jeftinije tehni~ko re{enje problema regulacije MHE [5, 7] . Mnoge dràve u svetu danas podsti~u razvoj MHE, tako da se broj proizvo|a~a opreme za njih zna~ajno pove}ava. Kod nas je tako|e u upotrebi veliki broj priru~no napravljenih MHE. Odsustvo ekolo{kih problema kod MHE (kao {to su efekat staklene ba{te i kisele ki{e) uti~e na ovaj razvoj, pogotovo {to manje zemlje (u koje spada Srbija i Crna Gora) imaju relativno zna~ajne raspoloìve vodne resurse. Potrebne investicije u ovaj vid izvora elektri~ne energije zna~ajno su manje od drugih komparativnih obnovljivih izvora energije (vetrogeneratori, fotona ponski izvori i drugi). Izbor najboljeg tipa turbine i generatora prvenstveno zavisi od karakteristika lokacije MHE, veli~ine pada, èljene (potrebne) snage na izlazu i brzine generatora (eventualno i drugih ure|aja priklju~enih na turbinu). Tako|e, u ovom radu posebno se razmatra da li }e turbina biti kori{}ena za proizvodnju elektri~ne energije u uslovima smanjenog protoka, kao i posledice takve eksploatacije. Svaku turbinu MHE opisuju dve osnovne karakteristike: snaga-brzina i stepen iskori{}enja-brzina. Za definisani pad, turbine rade najefikasnije (opELEKTROPRIVREDA, br. 3, 2005.

timalno) pri ta~no odre|enoj brzini i protoku, ali je njihova eksploatacija mogu}a i u drugim uslovima, ali uz smanjeni stepen iskori{}enja. êsto ma{ine pokretane turbinom (kao {to su elektri~ni generatori) imaju ve}u brzinu obrtanja od optimalne brzine same turbine. Zato se koriste multiplikatori i drugi tipovi ure|aja za pove}anje brzine, kako bi se smanjili gubici i izbegli drugi eksploatacioni problemi. Po pravilu, odnose brzine turbine i generatora koji su ve}i od 3:1 treba izbegavati, dok se teì da se ima odnos brzina manji od 2,5:1. U drugom poglavlju ovog rada dati su osnovni kriterijumi i njihov uticaj na izbor najboljih karakteristika turbine i radnog kola za primenu u MHE. Tre}e poglavlje pokazuje kako se izra~unava stepen iskori{}enja MHE pri smanjenom protoku, dok je u ~etvrtom pokazan na~in prora~una „specifi~ne brzine” turbine. U petom poglavlju izloèn je na~in iz bora optimalnih snaga turbine i generatora. Na kra ju, u {estom poglavlju daju se osnovni zaklju~ci rada.

2. OSNOVNI KRITERIJUMI IZBORA TURBINE MHE U opsegu snaga za koje se primenjuju MHE, turbine se dele na ma{ine visokog, srednjeg i niskog pada, a po principu rada na akcijske i reakcijske [3, 5−7]. Tip turbine odre|uje i {iru oblast primene u zavisnosti od raspoloìvog pada (tabela 1) [7] . Izbor vrste turbine u bilo kom tipu hidro-elektrane daje se u formi jedinstvenog dijagrama zavisnosti neto pada ( H n), protoka kroz turbinu (Qt ) i èljene snage ( P t ) [10] . Svakako da ovaj dijagram nije isti kod velikih, malih i mikro hidro-elektrana. Mogu}nost izbora ti pa turbine kod MHE za razli~ite padove i protoke data je na slici 1 [5]. Primer izbora turbine za odre|enu lokaciju (ko ju prvenstveno defini{u raspoloìvi pad i protok) prikazan je nomogramom na slici 2a. Nomogram se koristi na slede}i na~in: 1. Na osnovu ulaznih podataka ozna~iti na nomogramu raspoloìvi neto pad H n (ta~ka A na slici 2a), a zatim znaju}i raspoloìvi protok kroz turbinu Qt izra~unati izlaznu snagu na osovini turbine iz slede}eg izraza (ta~ka B na slici 2a):

P t = ηt 10 Qt H n (protok kroz turbinu Q t u [m3 /s], a neto pad H n u [m]).

(1)

U izrazu (1) za stepen iskori{}enja turbine pret postaviti ηt = 65-80 % za priru~no gra|ene turbine sa povratnim protokom, 75 % za Peltonove i Turgo turbine i 80 % za reakcijski tip turbina. 99

Tabela 1.

Oblast primene pojedinih tipova turbina u MHE Tip turbine

Akcijske

Reakcijske

Raspoloìvi pad Visok Srednji Mali Sa povratnim protokom (ili Sa povratnim Pelton njihove modifi- protokom (ili Turgo kacije Mitchell i njihove modifiPelton sa vi{e Banki turbine) kacije Mitchell mlaznika Turgo Pelton sa i Banki turbine) vi{e mlaznika Francis pumpne turbine

Propelerne Kaplan

2. Izabrati odgovaraju}u (èljenu) brzinu obrtanja turbine N t (400 ob/min je najnià izabrana brzina, za brzinu pokretanog generatora N g =1 500 ob/min (~etvoropolni sistem 50 Hz)) i nacrtati liniju iz izabrane ta~ke, odnosno brzine turbine (za N t = 1 500 ob/min ta~ka C na slici 2a), koja je normalna na pravu snaga-pad (funkcija P t ( H n) izme|u ta~aka A i B na slici 2a). Ova prava ujedno odre-

Pelton sa vi{e mlaznika Turgo

Hn (m) 500

500 kW

200 100

Pelton i Turgo turbine Francis turbine

100 kW

Turbine sa povratnim protokom Propelerne i Kaplan turbine

50 kW 20 kW

20 10 3

10 kW

0,5

5

10 20 Qt (m3/s)

Slika 1. Oblast primene pojedinih tipova turbina u MHE u zavisnosti od neto pada i protoka

Turgo Aksijalne

1

Ns

N t Pt 1,25

Hn Pelton sa vi{e mlaznika Aksijalne Francis Pelton sa Francis jednim Pelton sa Turbine sa Nt Pt mlaznikom povratnim jednim Ns Turbine sa povrat P t mlaznikom H n 1,25 protokom Q t Hn nim protokom 100 400 (kW ) (m) (λ/s) 10 20 40 100 200 400 1 000 10 20 30 40 60 80 200 1 000 1 000 1 000 C D 100 A 80 H n 400 400 (m) 60 200 200 40 100 100 30 A 100 60 40 40 Primer 20 Primer 20 20 10 20 10 B 10 6 15 2 4 4 B 1 2 2 10 1 8 1 0,1 6 0,4 0,4 4 0,2 0,2 D C 3 0,01 0,1 0,1 100 200 400 1 000 2 000 4 000 N t ob 2,0 1,5 1,0 0,8 0,6 0,4 0,3 0,2 0,1 De (m ) min Preporu~en opseg N t za N g = 1 500 ob/min

( )

a) Turbina

b) Radno kolo

Slika 2. Nomogram za izbor osnovnih karakteristika turbine i radnog kola 100

ELEKTROPRIVREDA, br. 3, 2005.

|uje „specifi~nu brzinu” turbine N s (poglavlje 4), koja je na slici 2a ozna~ena sa D. Nomogram sa slike 2a omogu}ava izbor brzine obrtanja osovine MHE, kao i potrebno pove}anje brzine primenom multiplikatora. Na slici 2b dat je dijagram za odre|ivanje pre~nika radnog kola (De) MHE. Generalno, manja radna kola zahtevaju manje materijala i ve}e brzine obrtanja, manji stepen pove}anja brzine i kona~no niù cenu. Me|utim, u praksi postoje ograni~enja za veli~inu radnog kola, kroz koje mora da pro|e odre|ena koli~ina vode, tako da se izbor mora izvr{iti unutar tih granica. Tako|e, proizvodni tro{kovi mogu porasti za previ{e mala radna kola. Akcijske tur bine obi~no su jeftinije od reakcijskih, kod kojih su radna kola ve}a. Nomogram na slici 2b se koristi na sli~an na~in kao ranije opisani nomogram za izbor brzine obrtanja (redosled prora~una ta~aka na slici 2b je A →B→C→D). Razli~iti tipovi turbina imaju razli~ite karakteristike pri promeni protoka kroz turbinu (Qt ), a za konstantan pad. Stepen iskori{}enja razli~itih tipova turbina (ηt ) pri smanjenom protoku (Qt ), datom u odnosu na projektovani (maksimalan) protok ( QtM ), dat je na slici 3. Sa slike 3 se zaklju~uje da pretpostavljaju}i da su ure|aji za upravljanje protokom dobro pode{eni, Pelton, Turgo i dobro projektovane turbine sa povratnim protokom (delimi~no) zadràvaju svoj visok stepen iskori{}enja i pri smanjenom protoku, dok kod Francis i propeler turbina stepen iskori{}enja drasti~no opada ako je protok ispod polovine od projektovanog (kod njih se najbolji stepen iskori{}enja ima ako je protok izme|u 80 i 100 % u odnosu na projektovani), dok je za 20 %, odnosno 40 % protoka stepen iskori{}enja nula. Francis turbine su popularne u prakti~nim realizacijama, iako su njihove konstrukcije relativno sloène i skupe i imaju lo{ stepen iskori{}enja pri smanjenom protoku. Slika 1 pokazuje da Francis turbine imaju vrlo prihvatljive brzine za {irok opseg

ηt

(%)

100 Pelton 90 i Turgo 80 70 60 Priru~ne Industrijske turbine sa turbine sa povratnim povratnim protokom protokom

50 40 30 Francis

20

Propeler

10 0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

Qt QtM

Slika 3. Stepen iskori{}enja razli~itih tipova turbina pri smanjenom protoku (krive pretpostavljaju da turbine imaju ure|aje za promenu protoka pri konstantnom padu; na primer, propusni ventil ili vi{estruke mlaznice kod Peltonovih turbina, ure|aj za deljenje mlaza ili krilca za upravljanje mlazom kod turbina sa povratnim protokom)

kombinacija izlaznih snaga i neto pada. Za iste uslove akcijske turbine su znatno ve}ih dimenzija (samim tim i skuplje) i zahtevaju zna~ajno pove}anje prenosne brzine. Za velike brzine i male odnose pad/snaga optimalna je primena reakcijskih turbina. Primena usisne cevi (difuzora) kod reakcijskih tur bina omogu}ava da se radno kolo turbine moè postaviti iznad nivoa donje vode, a da se pri tome ne izgubi na padu i pri tome iskoristi znatan deo kineti~ke energije vode na izlazu iz radnog kola (efekat poznat kao usisni pad („suction head”)). Kod akcijskih turbina to nije mogu}e. Me|utim, usisni pad i konusno {irenje difuzora (stvaranje usisnog vakuma) imaju odre|ene granice, koje su uslovljene po javom kavitacije (vrtloènja vode), koja moè o{te-

Cena razli~itih tipova turbina u 1 000 $ (isklju~uju}i cenu generatora i pogona) [5] Snaga na osovini ( kW) 2 5 10 20 50 100 150

Turbine sa povratnim protokom 1- 2 2- 6 2-10 3-14 5-30 30-50 50-80


Francis 4- 6 8- 10 15- 20 20- 30 25- 70 40-100 60-120

1,0

Pelton sa jednim mlaznikom 1- 4 2- 8 2- 15 3- 20 5- 50 40- 80 60-100

Tabela 2.

Pelton sa vi{e mlaznika

Turgo

Propeler

1- 3 2- 6 2- 10 3- 15 5- 30 15- 60 30- 80

2- 4 5- 8 8- 14 12- 20 35- 50 55- 80 80-100

4- 6 8- 10 15- 20 20- 30 25- 70 40-100 60-120 101

titi i izlomiti lopatice. Zato se u praksi mora posvetiti velika pa`nja pravilnom postavljanju radnog kola, a da se pri tome ne pove}aju tro{kovi izgradnje zbog prevelikog spu{tanja difuzora radi obezbe|enja neophodnog usisnog pada. Red veli~ina, odnosno opseg cena pojedinih ti pova turbina u zavisnosti od snage dat je u tabeli 2 [5]. Dalja analiza ukupne cene MHE moè se izvr{iti procenom cene ostale elektro-mehani~ke opreme. Ukupna cena MHE dominantno zavisi od njene snage i projektovanog pada. Njenu dobru procenu daje iskustveni izraz:

ru~je. Poznato je da pri projektovanom (maksimalnom) protoku turbina ima stepen iskori{}enja (tipi~na vrednost) ηt = 70 %, generator η g = 80 % (za opseg izme|u polovine i nominalne snage), cevovod ηc = 90 % i pogonski mehanizam η p = 95 % (nezavisno od snage na izlazu). Za maksimalan protok potrebna ulazna snaga u cevovod je: Pcu

Pg u

Pg

10

c t p g

0,4788

20,88 kW .

Da bi se odredio stepen iskori{}enja pri smanjenom protoku, pretpostavlja se da je stepen iskori{}enja turbine pri polovini protoka ηt 0,5 = 60 %, a pri ~etvrtini ηt 0,25 = 25 %. Tako|e, pretpostavlja se da je [$] 3500 4500 (2) stepen iskori{}enja generatora pri polovini maksi0,3 0,15 [kW] Pt H n malne snage η g 0,5 = 80 %, a pri ~etvrtini maksimalne snage η g 0,25 = 60 %. Pretpostavlja se da su stepeni iskori{}enja cevovoda i pogonskog mehanizma 3. STEPEN ISKORI[]ENJA TURBINE MHE konstantni, odnosno nezavisni od protoka. PRI SMANJENOM PROTOKU Potrebna ulazna snaga u cevovod pri polovini Pod pojmom stepen iskori{}enja neke kompo- protoka je: nente podrazumeva se odnos izlazne i ulazne snage 0,5 ( P / P u). Svakako da turbine osim na projektovanom Pcu 0,5Pcu 10,44 kW . protoku mogu da se eksploati{u i pri smanjenim protocima (na primer, u su{nim periodima godine), ali Gubici u cevovodu i pogonskom sistemu za pusa o~ekivanim niìm stepenom iskori{}enja. Ovo se no/smanjeno optere}enje respektivno su: odnosi na sve delove MHE (sistem za dovod vode sa cevovodom, turbina, pogonski mehanizam i generaPc Pcu (1 c ) 2,088 kW ; tor), pa ukupni stepen iskori{}enja MHE pri malim protocima moè biti znatno niì (ponekad ~ak toliko nizak da MHE ne proizvodi neku zna~ajnu koli~inu Pp (Pcu Pc ) t (1 p ) 0,658 kW. elektri~ne energije, {to }e se videti iz primera koji sledi). Ova situacija je naro~ito izraèna kod postroUlazna i izlazna snaga generatora za polovinu jenja malih snaga (na primer, reda 5 kW), dok kod projektovanog protoka su: ve}ih postrojenja stepen iskori{}enja zavisi od kon0,5 0,5 0,5 strukcije turbine. Generalno, u slu~aju smanjenog Pgu (Pcu Pc ) t Pp 4,353 kW ; protoka cevovod pod pritiskom pove}ava stepen iskori{}enja MHE. U konstrukcijama snage iznad 5 0,5 0,5 0,5 kW obi~no je ekonomi~no graditi cevovod, koji najPg Pgu g 3,48 kW. ~e{}e ima stepen iskori{}enja oko 90 %, nezavisno od protoka (10 % su gubici na trenje). Konstrukcije Zaklju~uje se da se ukupan stepen iskori{}enja manjih snaga sa standardnim cevima imaju niì ste- postrojenja MHE pri polovini protoka smanjuje sa pen iskori{}enja cevovoda (obi~no 70-80 %). Pri 47,88 % na 33,3 % (3,48/10,44) (vrednost koja se smanjenju protoka stepen iskori{}enja cevovoda se ima pri ukupnom protoku). pove}ava. Primera radi, ako je stepen iskori{}enja Po analogiji, prora~un stepena iskori{}enja cevovoda pri projektovanom protoku 90 %, onda MHE pri ~etvrtini protoka daje: stepen iskori{}enja pri polovini protoka moè biti 0,25 Pcu 0,25Pcu 5,22 kW; 95 %. Ovaj efekat je ekvivalentan fiktivnom pove}anju ulazne snage, odnosno neto pada. Sli~ni zaklju~ci u pogledu stepena iskori{}enja 0,25 0,25 0,25 0,25 vaè i za pogonski mehanizam. [(P cu Pg Pc ) t Pp ] g 0,31 kW. Analiza stepena iskori{}enja pri smanjenom protoku izvr{i}e se na primeru MHE projektovane U ovom slu~aju, ukupan stepen iskori{}enja posnage na izlazu (snaga na generatoru) od P g = 10 strojenja MHE je svega 1,11 % (0,058/5,22). U kW, koja treba da napaja izolovano potro{a~ko pod- praksi, stepen iskori{}enja je jo{ i niì, ako se uvaè 102


gubici u prenosnim vodovima, {to zna~i da pri vrlo malim protocima MHE prakti~no nije u stanju da proizvodi neku zna~ajniju koli~inu energije. Izloèni primer potvr|uje slede}e pravilo: Nije dobro vr{iti grube procene ukupnog stepena iskori{}enja MHE pri smanjenom protoku (na primer, pretpostaviti da je on 50 % za polovinu protoka). Kada se koristi jedna~ina snage , za ukupan stepen P g = ηu 10 Q H t n iskori{}enja treba koristiti vrednost dobijenu prethodnim prora~unom.

4. PRORAÛN „SPECIFI^NE BRZINE” TURBINE Veza izme|u raspoloìvog neto pada ( H n), snage na izlazu iz turbine ( P t ) i aktuelne brzine obrtan ja turbine N ( t) primenom slede}eg postupka, moè se generalizovati na jedinstvenu vrednost brzine kod svih tipova turbina. Neka je N s konstanta koja opisu je konkretnu ma{inu, koja se obr}e tako da ima pro jektovani (maksimalan) stepen iskori{}enja, a koja se dobija od proizvo|a~a. Ova brzina se u literaturi obi~no naziva „specifi~na brzina” („Specific speed”) i izra~unava se kao [5, 7] : Ns ,

N t Pt 1,25 Hn

(3)

gde je N t izraèno u [ob/min], P t u [kW] i H n u [m]. Prethodna jedna~ina moè se bolje razumeti na slede}i na~in: ako se izvr{i skaliranje, tako da turbina proizvodi 1 kW pri padu od 1 m, onda }e se radno kolo turbine obrtati specifi~nom brzinom ( N s = N t). Prethodna jedna~ina omogu}ava da se izabere turbina ta~no odre|ene specifi~ne brzine. Veza izme|u brzine generatora i turbine daje stepen prenosa (pove}anje) brzine multiplikatora: G

Ng

.

N t

(4)

Primera radi, analizira se turbina za pad H n = 25 m, projektovani protok Qt = 200 l/s i izlaznu snagu P t = 35 kW (za stepen iskori{}enja turbine ηt = 0,7, ulazna snaga u turbinu je P tu = P t /ηt = 50 kW). Brzina obrtanja generatora je N g = 1 500 ob/min (4 polni sistem, 50 Hz). Sa direktnim pogonom (bez primene multiplikatora za pove}anje brzine) specifi~na brzina dobijena primenom izraza (3) je N s = 158,7 ob/min. Sa multiplikatorom brzine odnosa 3:1 dobija se N s = 52,9 ob/min. Uvidom u sliku 2a zaklju~uje se da je pri direktnom pogonu pogodna za izbor Francis turbina, dok je kod primene multiplikatora sa prenosnim odnosom brzina 3:1 jeftinija varijanta primena turbine sa povratnim protokom ili Pelton turbine sa vi{e mlaznika. ELEKTROPRIVREDA, br. 3, 2005.

U tabeli 3 date su specifi~ne brzine karakteristi~nih tipova turbina u MHE [7]. Tabela 3. Specifi~ne brzine turbina u MHE [7] Akcijske Tip Pelton sa jednim mlaznikom Pelton sa dva mlaznika Pelton sa tri mlaznika Pelton sa ~etiri mlaznika Pelton sa {est mlaznika Turgo Turbine sa povratnim protokom

Reakcijske N s N s Tip 10-35 Francis 70- 500 10-45* Kaplan 350-1100 10-55 Propeler 600- 900 10-70 10-80 20-80 20-90

* Kod Pelton turbina sa vi{e mlaznika pove}anje Ns je srazmerno sa korenom broja mlaznika

5. IZBOR OPTIMALNIH SNAGA TURBINE I GENERATORA Kao {to je pokazano u poglavlju 3, pretpostavka o konstantnom stepenu iskori{}enja MHE pri smanjenom protoku ~esto je vrlo nerealna. Umesto toga, neophodno je koristiti postupak sa vi{e krivih koje pokazuju stepen iskori{}enja svake komponente posebno u postrojenju MHE. Stepen iskori{}enja cevovoda naro~ito dolazi do izraàja pri smanjenom protoku, po{to je gubitak pada usled trenja funkcija od kvadrata protoka kroz turbinu. Dakle, pri smanjenom protoku gubitak pada je manji u odnosu na pro jektovani (maksimalan), po{to je srazmeran sa kvadratom odnosa protoka Qt / QtM . Ako se maksimalna vrednost gubitaka u cevovodu ozna~i sa ∆ P c, onda je snaga na ulazu u turbinu iz izraza (1): Ptu

10Qt Hn [1

2

Pc ( Qt QtM ) ].

(5)

Postupak analize stepena iskori{}enja pojedinih komponenata MHE od ulaza do izlaza prikazan je na slici 4. Na slici 4a prikazana je kriva trajanja protoka, dobijena na osnovu hidrolo{ke studije. Na osnovu nje, na slici 4b nacrtana je snaga na izlazu u funkci ji snage na ulazu u cevovod (kriva stepena iskori{}enja cevovoda) pri karakteristi~nim protocima. Pretpostavljeno je da su gubici u cevovodu ∆ P C = 0,1, kao i da se vrednost gubitaka ne menja sa promenom protoka. U slede}em koraku crta se izlazna snaga u funkciji ulazne snage turbine (kriva stepena iskori{}enja turbine), koja je prikazana na slici 4c. Na kraju, crta se izlazna snaga u funkciji ulazne snage generatora (kriva stepena iskori{}enja generatora), koja je prikazana na slici 4d. 103

a) Kriva trajanja protoka

b) Snaga na ulazu u turbinu (izlazu iz cevovoda) u zavisnosti od ulazne snage cevovoda P c = 0,1 Qt = 20 l/s

Qt 50 (l/s) 40

12

30

9

20

6

10

3

0

a 0

b

c) 0

1

P c =

c)

a

2

1

3

4

5

6

3

4

5

6

7

0

10 11

8 kW Turbina sa povratnim protokom

5 kW Turbina sa povratnim protokom (granièna)

3

1

9

b)

4

4 kW Generato

8

a)

5 b)

7

P c = P tu (kW)

8 P t = P gu 7 (kW) 6

2

2

b)

0

c

d)

a

P cu (kW)

10 12

4 kW Generator (granièna) 7 kW Generator

P c = 0,1 Qt = 40 l /s

c

4 6 8 Meseci

2

P c = 0,1 Qt = 30 l/s

c

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11

P g (kW)

c) Izlazna snaga generatora

d) Snaga na ulazu u generator (izlazu iz turbine) u zavisnosti od ulazne snage turbine

Slika 4. Izbor optimalnih snaga turbine i generatora MHE

Prvi analizirani primer je izbor turbine sa poDrugi analizirani primer je izbor turbine sa povratnim protokom snage 8 kW u kombinaciji sa ge- vratnim protokom snage 5 kW u kombinaciji sa generatorom snage 7 kW. Prate}i strelice na isprekida- neratorom snage 4 kW. Prate}i strelice na isprekidanim linijama ozna~enim sa ’a’ na slici 4 vidi se da nim linijama ozna~enim sa ’b’ na slici 4 koje odgo protok Qt = 4 l/s (minimalan protok koji se ima to- varaju protoku Qt = 26,7 l/s vidi se da je snaga na izkom 6 meseci sa vi{e padavina) obezbe|uje snagu lazu generatora P g = 4 kW (slika 4d). Ova izlazna na izlazu generatora P g = 6 kW (slika 4d). Me|utim, snaga moè se obezbediti za oko osam meseci godiako se zahteva da se sa ovom kombinacijom snaga {nje. Ona tako|e obezbe|uje i minimalno zahtevanu snagu od 1 kW tokom ~itave godine (ta~kasta linija turbina-generator (8 kW-7 kW) mora obezbediti mi- ozna~ena sa ’d’ na slici 4d). nimalna snaga od 1 kW tokom ~itave godine (na primer, za zadovoljavanje potreba osvetljenja izolova- 6. ZAKLJUÂK nog potro{a~kog podru~ja), vidi se da se to ne moè posti}i (videti krivu ’c’ na slici 4d). Ovaj zahtev mo Izloèna teorijska razmatranja i prikazani iluè se posti}i deset meseci tokom godine, dok u dva strativni primeri pokazuju da izbor najboljeg tipa i su{na meseca to nije mogu}e. karakteristika turbine, kao i optimalnih snaga turbi104


ne i generatora, za primenu u mikro hidroelektranama nije jednostavan. On je prvenstveno odre|en karakteristikama lokacije (raspoloìvi pad i kriva tra janja protoka tokom godine), ali i zahtevima za godi{njim vremenom rada elektrane. Sa izborom ve}ih snaga turbine i generatora ima se bolje iskori{}enje vodnog potencijala u ki{nom delu godine, ali se imaju veliki problemi sa stepenom iskori{}enja elektrane u su{nim periodima. Ovo naro~ito dolazi do izraàja ako je elektrana namenjena napajanju izolovanog potro{a~kog podru~ja, kada se u su{nim mesecima ne mogu zadovoljiti ni minimalne potrebe potro{a~a (na primer, za osvetljenje). U takvim situacijama re{enje moè biti primena turbina sa povratnim protokom kod kojih se moè izvr{iti podela protoka (naj~e{}e na tri dela) [11] , ili ugradnja dve manje jedinice (jednakih ili razli~itih snaga).

A. Harvey, A. Brown, P. Hettiarachi and A. Inversin, MICRO-HYDRO DESIGN MANUAL: A GUIDE TO SMALL-SCALE WATER POWER SCHEMES, Intermediate Technology Publications, London, UK, 1993. [6] L. Monition, M. Le Nir and J. Roux, MICRO HYDROELECTRIC POWER STATIONS, John Wiley & Sons, 1984. [7] P. Fraenkel, O. Paish, V. Bokalders, A. Harvey, A. Brown and R. Edwards, Micro-Hydro Power: A GUIDE FOR DEVELOPMENT WORKERS, The Stockholm Environment Institute, Swedish Missionary Council and IT Power, 1991. [8] J. Thake, THE MICRO-HYDRO PELTON TURBI NE MANUAL: DESIGN, MANUFACTURE AND INSTALLATION FOR SMALL-SCALE HYDROPOWER, ITDG Publishing, 2001. 7. LITERATURA [9] N. Smith, MOTORS AS GENERATORS FOR MICRO-HYDRO POWER, Intermediate Techno[1] M. G. Simoes and F. A. Farret, RENEWABLE logy Publications, 1997. ENERGY SYSTEMS, CRC Press, 2004. [10] M. S. ]alovi}, A. T. Sari} i P. ^. Stefanov, EKS[2] A. M. Borbely, J. F. Kreider, DISTRIBUTION GEPLOATACIJA ELEKTROENERGETSKIH SISTE NERATION: THE POWER PARADIGM FOR MA U USLOVIMA SLOBODNOG TR@I[TA, THE NEW MILLENNIUM, CRC Press, 2001. Tehni~ki fakultet, â~ak, 2005. [3] J. J. Fritz, SMALL AND MINI HYDROPOWER [11] A. T. Sari} i A. Rankovi}, PRIMENA TURBINE SYSTEMS, McGraw-Hill Book Company, 1984. SA POVRATNIM PROTOKOM U MIKRO HI[4] T. Jiandong, Z. Naibo, W. Xianhuan, H. Jing and D. DROELEKTRANAMA, Zbornik XXVII SavetoHuishen, MINI HYDROPOWER, John Wiley&Sons, 1996. vanja JUKO CIGRE, Zlatibor, Maj 2005. [5]

Rad je primljen u uredni{tvo 15. 06. 2005. godine

Andrija T. Sari} (1962) diplomirao je 1988, magistrirao 1992. i doktorirao 1997. godine na Elektrotehni~kom fakultetu u Beogradu, iz oblasti primene klasi~nih i metoda ve{ta~ke inteligencije u elektroenergetskim sistemima. Trenutno je vanredni profesor na Katedri za elektroenergetiku Tehni~kog fakulteta u â~ku, za predmete iz oblasti elektroenergetskih si stema. Koautor je vi{e od 20 nau~nih i stru~nih radova u vode}im me|unarodnim ~asopisima (IEEE Transasctions on Power Systems, IEEE Transasctions on Power Delivery, IEE Proceedings - Generation, Transmission and Distribution, Electrical Power & Energy Systems, Electric Power Systems Research, European Transasctions on Electrical Power, Archive of Electrical Engineering i Electric Power Components and Systems) i konferencijama (IEEE PowerTECH, DistribuTECH, Power System Computation Conference, Power System and Automation Conference i Power Systems Conference and Ex position). Koautor je {est knjiga iz oblasti analize, planiranja i eksploatacije elektroenergetskih sistema. Recenzent je u nekoliko me|unarodnih ~asopisa (IEEE Transasctions on Power Systems, IEEE Transasctions on Power Delivery, IEEE Transasctions on Neural Networks i Electrical Power & Energy Systems). Dva puta je bio na posledoktorskom usavr{avanju na Northeastern university, Boston, USA, u trajanju od godinu dana (2001/2002. godine), odnosno {est meseci (2004. godine), gde je radio na projektima finansiranim od strane National Science Foundation (NSF), USA, na problemima identifikacije dinami~kih ekvivalenata delova elektroenergetskih sistema primenom neuralnih mreà (prvi put), odnosno uticaju neizvesnosti parametara mreè na eksploatacione probleme u deregulisanim elektroenergetskim sistemima (drugi put). U~estvovao je na vi{e projekata finansiranih od strane Ministarstva nauke i za{tite ìvotne sredine Re publike Srbije. ELEKTROPRIVREDA, br. 3, 2005.

105

Miroljub Jevti} (1950) je diplomirao 1980. godine, magistrirao 1987. godine, a doktorirao 1991. godine na Elektrotehni~kom fakultetu u Skoplju na smeru za elektroenerget ske sisteme. Doktorirao je, tako|e, na Sankt Peterburskom tehni~kom univerzitetu 1989. godine na katedri za elektri~nu izolaciju, kablove i kondenzatore. Bio je zaposlen u Fabrici kablova Zaje~ar (1981-1991) kao rukovodilac razvoja i kao organizator kontrole kablova, na Tehni~kom fakultetu u Boru (1991-1997) kao docent i vanredni profesor i na Elektrotehni~kom fakultetu u Pri{tini (sada Fakultet tehni~kih nauka Kosovska Mitrovica) kao vanredni i redovni profesor na smeru za elektroenergetske sisteme. Objavio je 70 nau~nih i stru~nih radova, me|u ko jima i ve}i broj u vode}im me|unarodnim i doma}im ~asopisima.

106


Izbor Turbine i Generator A

Recommend Documents