hidroenergetski sistemi uvodno predavanjelab.fs.uni-lj.si/lvts/datoteke/hidroenergetski...

VODNI VIRIVODNI VIRI

Hidroenergetski Hidroenergetski SistemiSistemi

Uvodno predavanjeUvodno predavanje

UvodUvodNekoNekočč so energijo vode so energijo vode uporabljali v mlinih za uporabljali v mlinih za mletje mletje žžitaita

Danes energijo vode Danes energijo vode uporabljamo za proizvodnjo uporabljamo za proizvodnjo elektrike v hidroelektrarnahelektrike v hidroelektrarnah

Vse veVse večč se izkorise izkorišščča tudi a tudi energija oceanov energija oceanov (valovanja, plimovanja in (valovanja, plimovanja in notranje energije morja)notranje energije morja)

HidroloHidrološški cikelki cikel

Zaradi sončnega sevanja, ki dospe na površino Zemlje, voda neprestano kroži. Gibanje vode med oceani, ozračjem in kopnim jepovzročena z izhlapevanjem zračnimi tokovi in padavinami.Približno 23% sončnega sevanja se porabi za delovanje hidrološkega cikla

Energija potokov in rekEnergija potokov in rekVoda je najpomembnejVoda je najpomembnejšši obnovljivi vir energije in kar 21,6%i obnovljivi vir energije in kar 21,6%vse elektrivse električčne energije na svetu je proizvedeno zne energije na svetu je proizvedeno zizkoriizkoriššččanjem energije vode oziroma hidroenergije. anjem energije vode oziroma hidroenergije.

V Sloveniji proizvedejo vodne elektrarne pribliV Sloveniji proizvedejo vodne elektrarne približžno tretjinono tretjinoelektrielektriččne energije (drugo dobimo iz jedrskih in fosilnihne energije (drugo dobimo iz jedrskih in fosilnihelektrarn). elektrarn).

Tehnika gradnje vodnih elektrarn je dobro znana, niTehnika gradnje vodnih elektrarn je dobro znana, nineznanega in velikega tveganja, voda pri tem ne spremeni neznanega in velikega tveganja, voda pri tem ne spremeni svojih svojih fizikalnikfizikalnik lastnosti:gostota, temperatura, notranja lastnosti:gostota, temperatura, notranja energija itd. Vpliv na okolje je relativno majhen.energija itd. Vpliv na okolje je relativno majhen.

Energija potokov in rekEnergija potokov in rekVodne elektrarne imajo zelo dolgo trajnostno dobo, zeloVodne elektrarne imajo zelo dolgo trajnostno dobo, zelodober izkoristek, graditi je mogodober izkoristek, graditi je mogočče velike enote, njihovae velike enote, njihovavelikost je omejena samo z zemljepisno lego in ugotovljenimvelikost je omejena samo z zemljepisno lego in ugotovljenimvodnim pretokom. V zadnjem vodnim pretokom. V zadnjem ččasu se postavljajo tudi asu se postavljajo tudi

ekoloekološške omejitve, ki so povezane z vplivi HE na okolje.ke omejitve, ki so povezane z vplivi HE na okolje.

Postavitev vodne elektrarne zahteva izredno velika Postavitev vodne elektrarne zahteva izredno velika investicijska sredstva, toda (v nasprotju s termoelektrarnami) investicijska sredstva, toda (v nasprotju s termoelektrarnami) zelo majhna obratovalna.zelo majhna obratovalna.

Delovanje hidroelektrarneDelovanje hidroelektrarne

Pretok vodePretok vodeZa postavitev vodne elektrarne jeZa postavitev vodne elektrarne je

bistven pretok reke na mestu, kjer jebistven pretok reke na mestu, kjer jenanaččrtovana. Poznavanje rtovana. Poznavanje ččasovnega variiranjaasovnega variiranjaOdloOdloččujoujočče vpliva na zasnovo HE. e vpliva na zasnovo HE.

Podnebje se na daljPodnebje se na daljššo dobo rahloo dobo rahlospreminja (suspreminja (suššno, normalno, deno, normalno, dežževnoevnoleto). leto).

Za doloZa določčitev imenskega pretoka seitev imenskega pretoka sezato jemlje povprezato jemlje povpreččje zadnjih 10 do 30je zadnjih 10 do 30let.let.

Pretok reke je odvisen odPretok reke je odvisen odtopografskih, geolotopografskih, geološških in klimatskihkih in klimatskihrazmer opazovanega podrorazmer opazovanega področčja (lahko seja (lahko semomoččno spreminja). no spreminja).

Od vseh padavin (P) priteOd vseh padavin (P) pritečče nae napovrpovrššino zemlje kot tekoino zemlje kot tekočča voda (V) lea voda (V) ledel. Del padavin porabijo rastline ali padel. Del padavin porabijo rastline ali patakoj izhlapi (R), del padavin ponikne intakoj izhlapi (R), del padavin ponikne inostane pod povrostane pod površšino kot talna voda (T).ino kot talna voda (T).Del talne vode priteDel talne vode pritečče na plan se na plan sččasovnim zamikom kot izvir (I).asovnim zamikom kot izvir (I). P = V + R + T – I

Pretok vodePretok vodePrimernost rek za postavitev HEPrimernost rek za postavitev HE ––majhnamajhnasprememba pretoka med letom in velikasprememba pretoka med letom in velikazanesljivost predvidevanja pretoka vzanesljivost predvidevanja pretoka vposameznih dobah posameznih dobah

DravaDrava spada med visokogorske reke, imaspada med visokogorske reke, imanajvenajveččji pretok pozno spomladi in v zaji pretok pozno spomladi in v začčetkuetkupoletja, najmanjpoletja, najmanjššega pozimiega pozimi

SavaSava je je srednjegorskasrednjegorska reka, ki ima dvareka, ki ima dvamaksimuma: spomladi in jesenimaksimuma: spomladi in jeseni

SoSoččaa pa je primorska reka, saj ima najvepa je primorska reka, saj ima največčjijipretok v dobi zimskega depretok v dobi zimskega dežževja.evja.

Vrste hidroelektrarnVrste hidroelektrarn

Vodne elektrarne delimo na:Vodne elektrarne delimo na:pretopretoččne, ne, zajezne (ali akumulacijske) in zajezne (ali akumulacijske) in ččrpalnorpalno--zajezne elektrarne.zajezne elektrarne.

Pretočna elektrarna

Akumulacijska elektrarna

PretoPretoččne elektrarnene elektrarnenimajo monimajo možžnosti, zbiranja vode zanosti, zbiranja vode za

jezom, temvejezom, temvečč sproti izrabijo tistosproti izrabijo tistokolikoliččino vode, ki priteka po strugi reke.ino vode, ki priteka po strugi reke.

Voda teVoda tečče brez zadre brez zadržževanja skozievanja skoziturbine, morebitni preseturbine, morebitni presežžek paek paneizkorineizkoriššččen en ččez jez.ez jez.

ŠŠtevilo in velikost turbin statevilo in velikost turbin staprilagojena le nekemu srednjemuprilagojena le nekemu srednjemupretoku. pretoku.

primerne za osnovno preskrbo primerne za osnovno preskrbo omreomrežžja z elektrija z električčno energijono energijo

ččim bolj enakomeren pretok im bolj enakomeren pretok ččez vso ez vso letoleto

znaznaččilni veliki pretoki in majhni padciilni veliki pretoki in majhni padci

Dnevni diagram proizvodnje in zmogljivosti pretočne elektrarne.

razpoložljiva dnevna energija

izrabljena dnevna energija

neizrabljena dnevna energija

Zajezne (akumulacijske) elektrarneZajezne (akumulacijske) elektrarneVoda teVoda tečče v zbiralnik vodee v zbiralnik vode

(akumulacijsko jezero) in se nato vodi(akumulacijsko jezero) in se nato vodina turbine glede na potrebe elektrina turbine glede na potrebe električčneganegaomreomrežžja. ja.

Zbiralnike v glavnem tvorijoZbiralnike v glavnem tvorijoumetna jezera, ki nastanejo z zajezitvijo. umetna jezera, ki nastanejo z zajezitvijo.

Akumulacija se polni takrat, ko jeAkumulacija se polni takrat, ko jepritok reke pritok reke QrQr veveččji od odtoka skoziji od odtoka skoziTurbine Turbine QiQi, in sicer s koli, in sicer s količčino ino ΔΔQ' = Q' = QrQr –– QiQi, pri tem je , pri tem je QrQr > > QiQi. .

Ko pa je pretok reke manjKo pa je pretok reke manjšši od i od QiQi, se, seakumulacija prazni zaradi odtokaakumulacija prazni zaradi odtokakolikoliččine ine ΔΔQ' = Q' = QrQr –– QiQi, pri tem je , pri tem je QrQr < < QiQi..

znaznaččilni manjilni manjšši pretoki in vei pretoki in veččji padciji padci

Časovni potek rečnega pretoka Qr v profilu zajezitve za primer popolnega izravnavanja

Zajezne (akumulacijske) elektrarneZajezne (akumulacijske) elektrarneHE delimo glede na akumulacijoHE delimo glede na akumulacijona HE z:na HE z:

•• dnevno akumulacijo vode dnevno akumulacijo vode (manj(manjšši jezovi), na primer i jezovi), na primer vodne elektrarne na Dravi,vodne elektrarne na Dravi,

•• tedensko akumulacijo vode tedensko akumulacijo vode (ve(veččji jezovi in pregrade),ji jezovi in pregrade),

•• letno akumulacijo vode letno akumulacijo vode (dolinske pregrade)(dolinske pregrade)

•• sezonsko akumulacijo vode in sezonsko akumulacijo vode in nana

•• elektrarne s pretoelektrarne s pretoččno no akumulacijo vode.akumulacijo vode.

Elektrarna z dnevno akumulacijo:

• polnjenja bazena (+) v času majhne nočneobremenitve

• praznjenja bazena (-) v času povečanjaobremenitve

Celotni dnevni dotok se v prikazanem primeruv celoti izkoristi in s tem dosežemo možnostpovečanja instalirane moči na Pd = 1.3 do 1.6Pp, kjer je Pp instalirana moč pretočneelektrarne.

Qsr - srednji dnevni pretok a - pretočna elektrarnab - elektrarne z dnevno akumulacijo

Akumulacija energije pri polnjenju bazena

Oddaja akumulirane energije pri praznjenju bazena Dnevni dotok in njegova izraba v elektrarni

Zajezne (akumulacijske) elektrarneZajezne (akumulacijske) elektrarneElektrarna s tedensko akumulacijo:Elektrarna s tedensko akumulacijo:

• veliko večji akumulacijski bazen

• znatno večja množina izkoristljive vode

• akumulacija vode od petka zvečer do ponedeljka zjutraj, takrat elektrarna neobratuje

• Instalirani pretok se poveča in doseževrednosti v mejah 1.5 do 2.5 Qsr.let.

• v še večji meri pokrivajo, polegosnovne obremenitve, potrebe v času konic.

Elektrarna z letno akumulacijoElektrarna z letno akumulacijo::• izrablja celoten dotok reke, zatozahteva zelo velik akumulacijski prostor(izgradnjo visokih dolinskih pregrad)

• akumulacija shranjuje 60-70% letnegapritoka

• kritje primankljaja v času malih voda,pa tudi za pokrivanje dnevnih konic

• Ker pokriva sezonske primanjkljaje, jenjen instalirani pretok zelo visok (2 do 3.5Qsr.let.).

Prikaz letne bilance porabe vode pri elektrarni z letno akumulacijo:

Zajezne (akumulacijske) elektrarneZajezne (akumulacijske) elektrarneElektrarna s sezonsko akumulacijoElektrarna s sezonsko akumulacijo::

• velik akumulacijski prostor, akumuliranoenergijo iz ene sezone (mokre) prenese vdrugo (n.pr. pretvori letno energijo v zimsko)

• visoka instalirano moč,ki ji omogočaporabiti akumulirano vodo in takratni naravnidotok reke v 3 do največ 6 suhih mesecih.

Elektrarne s pretoElektrarne s pretoččno akumulacijono akumulacijo::• sklenjena veriga pretočnih HE,

• zgornja in spodnja HE v verigi morata imetiakumulacijo (vsaj dnevno)

• najnižja akumulacija izenačuje pretoke alida v času, ko veriga stoji pošilja v strugobiološki, dogovorjen minimum

• pokrivanje dnevnih koničnih obremenitev,manjvredno nočno energijo prenesejo v čas, ko energijo in moč najbolj potrebujemo

Primer elektrarn s pretočno akumulacijo

Prikaz dnevne akumulacije pri popolni izravnavi v zadnji elektrarni

ČČrpalnorpalno--zajezne (akumulacijske) zajezne (akumulacijske) elektrarneelektrarne

voda se zbira v dveh zbiralnikih, kivoda se zbira v dveh zbiralnikih, kista postavljena na razlista postavljena na različčnih geodetskihnih geodetskihviviššinah. inah.

ob veob veččji proizvodnji elektriji proizvodnji električčne ne energije, kot jo potrebujemo, energije, kot jo potrebujemo, ččrpamo rpamo vodo iz spodnjega bazena v zgornji vodo iz spodnjega bazena v zgornji bazen, ki lebazen, ki ležži mnogo vii mnogo viššjeje

Transformacija nočne, odvečne električne energije v dnevno energijo s pomočjo hidravlične akumulacije.

Pomembne v energetski sistemih z Pomembne v energetski sistemih z termoelktrarnamitermoelktrarnami, nuklearnimi elektrarnami , nuklearnimi elektrarnami in pretoin pretoččnimi elektrarnami, zaradi velikih nimi elektrarnami, zaradi velikih presepresežžkov nokov noččne energije.ne energije.

Primer kombinacije elektrarne s tedensko akumulacijo in elektrarne s črpalno akumulacijo v Mostah

ČČrpalnorpalno--zajezne (akumulacijske) zajezne (akumulacijske) elektrarneelektrarne

PredonstiPredonsti ččrpalnorpalno--zajeznih elektrarnzajeznih elektrarn::

pridobimo oplemeniteno energijo (pridobimo oplemeniteno energijo (ččrpanje v virpanje v viššje leje ležžeečče hranilnike vode z e hranilnike vode z nonoččnimi presenimi presežžki elektriki električčne energije in proizvodnja drage vrne energije in proizvodnja drage vrššne elektrine električčne ne energije podnevi),energije podnevi),

energijo v rezervi za primer nenavadne potrebe (okvara ene od elenergijo v rezervi za primer nenavadne potrebe (okvara ene od elektrarn, ektrarn, ki je v obratovanju, ki je v obratovanju, ……))

takojtakojššen vklop postroja,en vklop postroja,momožžnosti hitrih in velikih sprememb monosti hitrih in velikih sprememb močči ini invelike kolivelike količčine shranjene energijeine shranjene energije

HidroelektrarneHidroelektrarneDelitev vodnih elektrarn glede na velikost:Delitev vodnih elektrarn glede na velikost:•• velike (nekaj 100 MW),velike (nekaj 100 MW),•• srednje (nekaj 10 MW),srednje (nekaj 10 MW),•• male (manj kot 10 MW),male (manj kot 10 MW),

Vse imajo enak princip delovanja. Vse imajo enak princip delovanja.

Male hidroelektrarne so manjMale hidroelektrarne so manjšši objekti postavljeni na manji objekti postavljeni na manjšših vodotokih. ih vodotokih. Lahko so: Lahko so: •• povezane in oddajajo energijo v javno omrepovezane in oddajajo energijo v javno omrežžje alije ali•• samostojne in napajajo omejeno samostojne in napajajo omejeno šštevilo porabnikov.tevilo porabnikov.

Majhne hidroelektrarne delimo glede na moMajhne hidroelektrarne delimo glede na močč v tri skupine: v tri skupine: •• mikromikro elektrarne, ki imajo moelektrarne, ki imajo močč manj kot 100 manj kot 100 kWkW, , •• mini elektrarne, ki imajo momini elektrarne, ki imajo močč od 100 od 100 kWkW do 1 MW in do 1 MW in •• male elektrarne, katerih momale elektrarne, katerih močč znaznašša od 1 MW do 10 MW. a od 1 MW do 10 MW.

Turbinski strojiTurbinski stroji

Sestavljen iz lopatiSestavljen iz lopatiččnega kolesa z pritrjenimi zakrivljenimi lopaticami na obodunega kolesa z pritrjenimi zakrivljenimi lopaticami na obodu

Vrtenje v toku delovne snovi (plin ali tekoVrtenje v toku delovne snovi (plin ali tekoččina)ina)

To kolo imenujemo gonilnikTo kolo imenujemo gonilnik

Glede na vrsto delovne snovi loGlede na vrsto delovne snovi loččimo: plinske turbine, vetrnice, vodne turbine,imo: plinske turbine, vetrnice, vodne turbine,……

StarejStarejšše izvedbe : vodno kolo, vetrnicae izvedbe : vodno kolo, vetrnica

NovejNovejšši i turbostrojiturbostroji so sestavljeni iz dveh delovso sestavljeni iz dveh delov

Osnove delovanja turbinskih strojev:Osnove delovanja turbinskih strojev:Poleg gonilnika, ima skoraj vsakPoleg gonilnika, ima skoraj vsak

turbinski stroj turbinski stroj šše e vodilnikvodilnik--to so mirujoto so mirujoččeelopatice, pritrjene na obrolopatice, pritrjene na obročč vodilnikavodilnika. .

VodilnikVodilnik usmerja tok vode na lopatice usmerja tok vode na lopatice pod optimalnim pod optimalnim natonatoččnimnim kotom. kotom.

Bistvena je sprememba hitrosti Bistvena je sprememba hitrosti ––kinetikinetiččne energije delovne snovi v ne energije delovne snovi v gonilnikugonilniku

Gonilnik in Gonilnik in vodilnikvodilnik skupaj tvoritaskupaj tvoritaturbinsko stopnjo.turbinsko stopnjo.

Delovna snov lahko doteka v aksialni,Delovna snov lahko doteka v aksialni,radialni, diagonalni, tangencialniradialni, diagonalni, tangencialni(obodni) in pre(obodni) in preččni smeri.ni smeri.

Smer toka delovne snovi Smer toka delovne snovi skozi gonilnik skozi gonilnik turbinskega stroja; A turbinskega stroja; A ––radialno, B radialno, B –– diagonalno, diagonalno, C C –– aksialno, aksialno, ČČ ––tangencialno, D tangencialno, D –– prepreččnono

Smer toka delovne snovi skozi gonilnik turbinskega stroja; A Smer toka delovne snovi skozi gonilnik turbinskega stroja; A –– radialno, B radialno, B –– diagonalno, C diagonalno, C –– aksialno, aksialno, ČČ –– tangencialno, D tangencialno, D –– prepreččnono

Osnove delovanja turbinskih strojev:Osnove delovanja turbinskih strojev:v hidravliv hidravliččni turbinski stroj vstopa ni turbinski stroj vstopa energija venergija vobliki tlaobliki tlaččne in kinetine in kinetiččne energije ne energije delovne snovi. delovne snovi.

V V vodilnikuvodilniku se dogaja prvase dogaja prvapreobrazba: zaradi zmanjpreobrazba: zaradi zmanjššanjaanjapretopretoččnega prereza (nega prereza (ššoba) se oba) se zmanjzmanjššanja tlaanja tlaččne energije, ki se ne energije, ki se delno spremeni v kinetidelno spremeni v kinetiččno energijo. no energijo.

Druga preobrazba se dogaja vDruga preobrazba se dogaja vgonilniku:gonilniku:masnemu toku vode se zaradi masnemu toku vode se zaradi spremembe vektorskega hitrostnega spremembe vektorskega hitrostnega polja spremeni gibalna kolipolja spremeni gibalna količčina, kar ina, kar ima za posledico generacijo vrtilnega ima za posledico generacijo vrtilnega momenta na gred rotorja gonilnika.momenta na gred rotorja gonilnika.

Delitev turbinskih strojev:Delitev turbinskih strojev:1.1. enakotlaenakotlaččnini2.2. nadtlanadtlaččnini

1.1. tlak delovne snovi enak na vstopu intlak delovne snovi enak na vstopu inizstopu iz gonilnika izstopu iz gonilnika

2.2. zmanjzmanjšševanje tlaka v gonilniku naevanje tlaka v gonilniku nararaččun poveun poveččevanja kinetievanja kinetiččne energije. ne energije.

Vodne turbineVodne turbineturbinski stroji, pri katerih seturbinski stroji, pri katerih se

potencialna oz. kinetipotencialna oz. kinetiččna energija vodena energija vodespreminja v mehansko delospreminja v mehansko delo

pretvarjajo v koristno energijo izpretvarjajo v koristno energijo izobnovljivih energijskih virovobnovljivih energijskih virov

vevečč vrst vodnih turbin, vsaka jevrst vodnih turbin, vsaka jeprimerna samo v doloprimerna samo v določčenem obmoenem območčju, kiju, kiga opredeljuje specifiga opredeljuje specifiččna vrtilnana vrtilnafrekvenca, ki je funkcija pretoka infrekvenca, ki je funkcija pretoka invodnega padcavodnega padca

za velike padce so primerneza velike padce so primernePeltonovePeltonove turbine, za srednje in manjturbine, za srednje in manjššeepa Francisove in Kaplanove turbinepa Francisove in Kaplanove turbine

glede na prenos energije vodotokaglede na prenos energije vodotokana turbino lona turbino loččimo imo reakcijske in impulznereakcijske in impulzneturbineturbine

•• Reakcijske turbine:Reakcijske turbine:gonilnik v celoti napolnjen z vodogonilnik v celoti napolnjen z vodoglede na smer toka vode v gonilnikuglede na smer toka vode v gonilniku

razlikujemo razlikujemo radialne reakcijske turbineradialne reakcijske turbineFrancisova turbina), pri katerih je tokFrancisova turbina), pri katerih je tokvode pravokoten na os vrtenja gonilnika invode pravokoten na os vrtenja gonilnika inna na aksialne reakcijske turbine aksialne reakcijske turbine (Kaplanova(Kaplanovaturbina), v katerih je tok vzporeden z osjoturbina), v katerih je tok vzporeden z osjovrtenja gonilnikavrtenja gonilnika

•• Impulzna turbina:Impulzna turbina:curek vode z visoko hitrostjo izstopa izcurek vode z visoko hitrostjo izstopa iz

ššobe in udarja v posamezno lopaticoobe in udarja v posamezno lopaticoPeltonovePeltonove in in MitchellMitchell –– BankijeveBankijeve

turbine turbine

Turbina Turbina PeltonPeltonprimerna za majhne specifiprimerna za majhne specifiččnene

vrtilne hitrosti, majhne pretoke invrtilne hitrosti, majhne pretoke invelike padce. velike padce.

PELTONOVA TURBINA – majhni pretoki, veliki padci

Turbina KaplanTurbina Kaplan

KAPLANOVA TURBINA – majhni padci, veliki pretoki

Turbina FrancisTurbina Francis

FRANCISOVA TURBINA – srednje veliki padci, srednje močni pretoki

Gonilniki Francisove turbine

( ) 43

H

Qnn Q

Δ

⋅=

MoMočč in izkoristek HEin izkoristek HE

Izkoristek HE:Izkoristek HE:Upoštevamo, da se vsa potencialna energijavode spremeni v kinetično

Izkoristek je enak

Za hidroelekrarno Fala je:

ΦV= 550 m3/sPdej=58MWρ=1000kg/m3

g=9,81m/s2

Δh=14,6mηe=?

Torej, izkoristek hidroelektrarne Fala je74%!

hgv Δ= 2

maxPPdej

e =η

MWhghgvvSvP VVV 8,78221

21)(

21 22

max =ΔΦ=ΔΦ=Φ== ρρρρ

74,0736,08,78

58

max

≈===MW

MWPPdej

eη

MoMočč in izkoristek HEin izkoristek HE

Dejanski izkoristek vodne elektrarne je zmnožek več izkoristkov:

pri tem je ηC izkoristek cevovoda, ηi notranji izkoristek turbinskega stroja, ηm mehanski izkoristek in ηG izkoristek generatorja.

GmiCe ηηηηη ⋅⋅⋅=

Vodne elektrarne in okoljeVodne elektrarne in okoljePrednosti izkoriPrednosti izkoriššččanja hidroenergije:anja hidroenergije:

• ne onesnažuje okolja (HE emitirajomajhno količino toplogrednega CO2 inostalih onesnaževalcev zraka) ,• dolga življenjska doba in relativnonizki obratovalni stroški. • nadzorovanje pretoka reke v časuvisokih voda (zajezne HE)• možnost namakanja v sušni dobi vbližini akumulacijskega jezera

Slabosti izkoriSlabosti izkoriššččanja hidroenergije:anja hidroenergije:• izgradnja hidrocentral predstavljavelik poseg v okolje,• nihanje proizvodnje glede narazpoložljivost vode po različnihmesecih leta,• visoka investicijska vrednost. .

vodne elektrarne vodne elektrarne šše desetletja ne bodo izgubile svoje pomembnosti. e desetletja ne bodo izgubile svoje pomembnosti.

idealno gorivo za proizvodnjo elektrike, saj je v nasprotju idealno gorivo za proizvodnjo elektrike, saj je v nasprotju z neobnovljivimi viri z neobnovljivimi viri energije, ki se uporabljajo za proizvodnjo elektrike, skoraj zasenergije, ki se uporabljajo za proizvodnjo elektrike, skoraj zastonj, ni stranskih tonj, ni stranskih produktov in ni onesnaproduktov in ni onesnažževanja vode ter zrakaevanja vode ter zraka

ENERGIJA MORJAENERGIJA MORJA

Energijo morja je mogoEnergijo morja je mogočče deliti na:e deliti na:

notranjo energijo morja,notranjo energijo morja,kinetikinetiččno energijo morskih tokov inno energijo morskih tokov inpotencialno energijo valov in potencialno energijo valov in plimovanjaplimovanja

IzkoriIzkoriššččanje energije morja jeanje energije morja jepovezano z velikimi investicijskimipovezano z velikimi investicijskimistrostrošški in je le v redkih primerihki in je le v redkih primerihgospodarsko upravigospodarsko upraviččeno.eno.

Notranja energija morjaNotranja energija morja

Celotna količina sončne energije,shranjene v oceanih, znaša okoli2,23*1020kWh ali kar 146 krat več, kotje celotna energija, ki jo zemlja odSonca sprejme v enem letu.

Večina svetlobe se absorbira v zgornjih plasteh

V celotnem ekvatorialnem pasu je narazpolago med površino morja in globino1000m povprečna letna temperaturnarazlika od 20K do 24K. Temperaturne razlike

Notranja energija morjaNotranja energija morja

Toplotni stroj, ponavljanje Toplotni stroj, ponavljanje CarnotoveCarnotovekrokrožžne spremembene spremembe

Izkoristek Izkoristek

delovna snov: amoniak, freon, delovna snov: amoniak, freon, propan in ostala sredstva z nizkimpropan in ostala sredstva z nizkimvrelivreliššččem.em.

Izkoristek toplotne energije morja jeIzkoristek toplotne energije morja je3%. 3%.

Princip delovanja OTEC sistema

vTTΔ

=η

Energija morskih valovEnergija morskih valov

Valove povzroValove povzročča veter (posredno energija sonca). Njihova udarna moa veter (posredno energija sonca). Njihova udarna močč lahkolahkodosega vrednost do nekaj sto ton na kvadratni meter.dosega vrednost do nekaj sto ton na kvadratni meter.

S seboj nosijo potencialno in kinetiS seboj nosijo potencialno in kinetiččno energijo. Najugodnejno energijo. Najugodnejšši pogoji nai pogoji nazemljepisnih zemljepisnih šširinah od 40irinah od 40--60 (najmo60 (najmoččnejnejšši vetrovi)i vetrovi)

Energija valov v kW/m


Vse naprave izkoriVse naprave izkoriššččajo eno ali veajo eno ali veččlastnosti valov:lastnosti valov:

•• nihajonihajočče navpie navpiččno gibanje valov,no gibanje valov,•• krokrožžno gibanje vodnih delno gibanje vodnih delččkov kov

znotraj vala,znotraj vala,•• spreminjanje razdalje med vodno spreminjanje razdalje med vodno

gladino in morskim dnom in s tem gladino in morskim dnom in s tem povezane spremembe tlaka,povezane spremembe tlaka,

•• butanje valov v obalo.butanje valov v obalo.

1.1. OSNOVNI PRINCIP OSNOVNI PRINCIP Na obali so na poNa obali so na pošševni betonski evni betonski

konstrukciji namekonstrukciji nameššččene posebne ene posebne zapore, ki odvajajo vodo skozi dotozapore, ki odvajajo vodo skozi dotoččne ne kanale prek zbiralnika na turbino in spet kanale prek zbiralnika na turbino in spet nazaj v morje. Zapore so vinazaj v morje. Zapore so viššinsko insko porazdeljene, kot je lepo vidno na porazdeljene, kot je lepo vidno na spodnji sliki, tako da zajemajo visoke in spodnji sliki, tako da zajemajo visoke in nizke valove.nizke valove.

Osnovni princip izkoriščanja energije valov pri obali


2. 2. PLAVAJOPLAVAJOČČE RAE RAČČKEKEValovanje povzroValovanje povzročča nihanje ina nihanje in

rotacijo plovcev, ki so pritrjeni narotacijo plovcev, ki so pritrjeni naplavajoplavajoččo betonsko platformo.o betonsko platformo.Rotacijsko gibanje se uporablja zaRotacijsko gibanje se uporablja zapogon pogon ččrpalke, ki tlarpalke, ki tlačči olje na tlaki olje na tlak150150--200 barov. Ta energija se200 barov. Ta energija seuporablja za pogon hidravliuporablja za pogon hidravliččneganegamotorja, ki poganja generatormotorja, ki poganja generator

Princip delovanja plavajočih račk za izkoriščanje energije morja


4. 4. TAPCHANTAPCHAN

Sistem je zgrajen iz bazena, kije nekaj metrov dvignjen od gladine inima v bazen napeljan konusni kanal.

• Pretvarjanje kinetične energijev potencialno

Vodna turbina (hidroelektrarna)

Enostaven koncept

Zgradba TAPCHAN

Energija plimovanjaEnergija plimovanja

Gravitacijski sili Lune inGravitacijski sili Lune inSoncaSonca

Vpliv Lune pribliVpliv Lune približžno 2 krat no 2 krat veveččji od Sonji od Sonččevegaevega

12,5 urni cikel12,5 urni cikel

Razlika med plimo in osekoRazlika med plimo in osekona odprtem morju nekaj manjna odprtem morju nekaj manjkot 1mkot 1m

zaradi resonanzaradi resonanččnih pojavovnih pojavovse ta razlika na nekaterih se ta razlika na nekaterih morskih obalah (vzhodna obalamorskih obalah (vzhodna obalaKanade) poveKanade) povečča do 20ma do 20m

Vpliv lune in Sonca na plimovanje

Gospodarno je mogoGospodarno je mogočče izkorie izkoriššččati bibavico, ati bibavico, čče je na razpolago primeren e je na razpolago primeren zaliv, ki ga je mogozaliv, ki ga je mogočče pregraditi, in e pregraditi, in čče je razlika med plimo in oseko od 3m do e je razlika med plimo in oseko od 3m do 5m. Takih zalivov je na zemlji okrog 30.5m. Takih zalivov je na zemlji okrog 30.

Energija plimovanjaEnergija plimovanjaObratovanje poteka v Obratovanje poteka v šštirihtirihfazah:fazah:

•• 1. faza 1. faza –– bazen se polni vbazen se polni vččasu plimeasu plime

•• 2. faza 2. faza –– najvinajviššji moji možžni nivoni nivov bazenu ostaja ob zaprtihv bazenu ostaja ob zaprtihzapornicah.zapornicah.

3. faza 3. faza –– obratujejo turbine, vodaobratujejo turbine, vodaodteka skoznje v morje, dokler niodteka skoznje v morje, dokler nidosedosežžen najmanjen najmanjšši padec, ob kateremi padec, ob kateremšše lahko turbina delujee lahko turbina deluje

•• 4. faza 4. faza –– zapornice ostanejo zaprte, zapornice ostanejo zaprte, dokler se gladina v bazenu ne izenadokler se gladina v bazenu ne izenačči z i z gladino morja, nakar sledi polnjenje.gladino morja, nakar sledi polnjenje.

Primer enosmerne izvedbe

Energija morskih tokovEnergija morskih tokovMorski tokovi so posledica vrtenja Zemlje,Morski tokovi so posledica vrtenja Zemlje,

temperaturnih razlik in razlitemperaturnih razlik in različčnih gostot morja. nih gostot morja.

Celotni energijski potencial je velik, vendarCelotni energijski potencial je velik, vendarje gostota energije majhna. Za izkorije gostota energije majhna. Za izkoriššččanje jeanje jetrenutno raziskanih 12 primernih tokov.trenutno raziskanih 12 primernih tokov.

Z danaZ današšnjo tehnologijo bi lahko iz njihnjo tehnologijo bi lahko iz njihpridobili 1.75PWh. pridobili 1.75PWh.

Nizke hitrosti tokov: 4Nizke hitrosti tokov: 4--5 vozlov5 vozlov

Premer Premer veternicveternic 1515--20 metrov20 metrov

Gradnja prizadene obseGradnja prizadene obsežžno obmono območčjeje

Idejna zasnova za izkoriščanje morskih tokov na severni obali Daveon-a.

Hidroenergetski sistemi

Hidroenergetska postrojenja

Hidroenergetska postrojenja predstavljajo sklop opreme, ki omogoča:-dovod in odvod vode ,-stroje za pretvorbo vodne energije v električno energije in-sistemov za regulacijo in razvod električne energije.

Pretvorba potencialne energije vodnega toka se izvrši v vodni turbini, ki poganja električni generator.

Potreba po el. energiji se menja s časom odvisno od potreb potrošnikov. Tem zahtevam morajo hidroenergetski sistemi v popolnosti zadostiti.


1. Vodna energija in načini njenega koriščenja1.1 Časovno variiranje vodotokov

Dve tretjini zemeljske površine prekriva vodna gladina, kjer se zaradi sončne energije voda uparja in se s padavinami vrača nazaj.V odvisnosti od klimatskih pogojev se delež padavin spreminja. Količina vode, ki se ob padavinah zliva v vodotoke rek je odvisna od geoloških in vegetacijskih lastnosti.

pretok

letni čas

srednjiletinpretok


Srednjo vrednost volumskega pretoka lahko na osnovi takih diagramov določimo z integracijo po delnih pretokih v časovnem intervalu To

∫=0

0

1 T

osr QdT

TQ

Največjo in najmanjšo vrednost pretoka na krivulji diagrama se imenujeta: poplavna količina in količina najmanjšega vodostaja.

To

Qsr

Poplavna količina

Najmanjši vodostan


Krivulja trajanja volumskih pretokov vodotoka

trimesečnakoličina šestmesečna

količina devetmesečnakoličina

Število dni v letu

Pretok vodotokaQ(m3/s)

Poplavna količina


Poznavanje časovne odvisnosti volumskega pretoka in razpoložljivega vodnega padca omogoča napoved razpoložljive vodne moči P, ki je določena z izrazom:

gQHP ρ=

∫=oT

PdTE0

Q P

H

čas

P

Qrazpoložljiva

Qreke

To energijo je potrebno zmanjšati za količino določeno z zakonskim minimumom, ki se mora spuščati na jezu ------------

1.2 Oblike energij v vodnih turbinah


V naravi se specifična energija vodnega toka, ki je določena z geodetsko višino pretvarja v notranjo energijo preko mehanizmov trenja, prenašanjem trdnih suspenzij vzdolžtoka do ustja - izliva reke v morje. Ta mehanizem izčrpa celotno razpoložljivo potencialno energijo vodotoka.

Oblike nravnih vodnih tokov


Enačba ohranitve energije: med izbranima ravninama 1 in 2 vodnega toka, ob predpostavki da se pretok vode Q ne spreminja in da so hidrodinamske izgube zanemarljive, podamo z:

( ) ( ) ρααρ ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡ −+−+−=

222

211

21211 vvppgzzE

kjer je E specifična mehanska energija vode na enoto mase, z1 in z2

geodetske višine nad morsko gladino v izbranih presekih 1 in 2, p1 in p2

atmosferski tlak na teh višinah, v1 in v2 srednja hitrost strujanja vode v presečnih ravninah 1 in 2. Koeficienta α1 in α2 sta koeficijenta kinetične energije, ki sta odvisna od hitrostne porazdelitve v izbranih presečnih ravninah, ρ je gostota vode, g pa gravitacijski pospešek, ki je neznačilno odvisen od geodetskih karakteristik.

Ob predpostavki, da razlika med hitrostmi strujanja v1 in v2 ni velika, ter da sta atmosferska tlaka p1 in p2 na prosti gladini vode približno enaka , lahko enačbo zapišemo kot odvisnost specifične energije od razlike geodetskih višin Hg:


( ) ggHhhgE ρρ =−= 21

moč vodnega toka pa je podana z izrazom:

QgHP gρ=

1.3 Sistemi dovoda vode na hidroelektrarne

Najučinkovitejša izraba vodne energije je z doseganjem nazivne geodetske višine Hg na čim krajši razdalji med zgornjo in spodnjo gladino vode, kar je v naravi redek pojav, še posebno v primerih rek v nižinskih področjih.

Zaradi navedenega se z umetnimi - gradbenimi posegi premoščajo velike razdalje, da bi dosegli ustrezno geodetsko višino ob čim manjši razdalji med zgornjo in spodnjo gladino.



Dvig gornje vodne gladine se dosega z jezovi

Jezovi omogočajo povečano akumulacijo vode

Dovodni sistemi z cevovodom omogočajo regulacijo tlaka preko tlačnega kompenzatorjain dovajajo vodo na turbino

Hidroenergetski sistemi1.4 Energijski parametri hidroelektraren

Razlika geodetskih višin zgornje in spodnje gladine vode na hidroelektrarnah se imenuje statična višinska razlika Hst

Skupna tlačna razlika hidroelektrarne Hb - bruto padec, pa sledi iz Hst in razlike kinetičnih energij.

gv

gvHH stb 22

222

211 αα−+=

Neto padec Hn hidroelektrarne dobimo, če bruto padcu Hbodštejemo hidro dinamske izgube v dovodnem delu do turbine:


∑−−+= wstn hgv

gvHH

22

222

211 αα

Če zanemarimo še razliko kinetičnih energij se zapis poenostavi:

∑−= wstn hHH

Hidroenergetski sistemi1.5 Energija in moč turbine

Specifična energija, ki jo HE proizvede iz potencialne in kinetične energije na enoto mase vodnega toka v turbin in generatorju v električno energijo lahko zapišemo z izrazom:

AnHE gHE η=

Moč na sponkah generatorja pa je določena z izrazom:

kjer Q predstavlja volumski pretok vode skozi turbino, ηA pa je stopnja učinkovitosti agregata, ki je enaka produktu izkoristka turbine in generatorja.

AnHE gHQP ηρ=

GTA ηηη = ηT=0,85 do 0,96 in ηG=0,96 do 0,98

Hidroenergetski sistemi1.5.1 Nazivna moč hidroelektrarne

Vsota vseh nominalnih moči agregata HE daje nazivno moč PN hidroelektrarne, kar običajno odgovarja maksimalni moči HE.

rdgN PPPP ++=-Pg garantirana moč ,-Pd dodatna moč in-Pr rezervna moč.

Pg se dobi z analizo obremenitvenih diagramov potrošnikov el.energije.Največja energija ki jo je mogoče dobiti pri času T iz HE je:

TPE N=max

V poljubnem časovnem intervalu T pri spreminjajoči obremenitvi PHE(t) ob spreminjajoči potrošnji el. energije in spreminjajočem pretoku vode, je proizvedena energija v tem intervalu podana z:


∫=T

HEHE dTPE0

Razmerje , ki je oblikovano z kvocientom proizvedene energije EHE in maksimalne energije Emax se imenuje koeficient nazivne moči in nam pove o trenutni obremenitvi hidroelektrarne:

maxEEK HE= K= 0,29 do 0,45.

Hidroenergetski sistemi2. Vodno energijski izračun2.1 Vodno energijski parametri

Nazivna moč HE, potrebna moč za potrošnjo in potrebna potrošnja vode na HE so temeljne spremenljivke preračuna.

Določanje potrebne potrošnje vode za delo HE je povezano z nizom podatkov, ki so določeni z meritvami ali računskimi postopki: -minimalni in maksimalni pretok vode,- odvisnost volumskega pretoka vode od višine vodne gladine,- topološki podatki o višini vode v akumulacijskih jezerih, kar omogoča izračun vode v akumulacijah in- letna potreba po vodi s podatki o deležu izhlapele vode.

Hidroenergetski sistemi2.2 Relacije vodnega toka

Koeficijent kapacitete akumulacije se izračuna z:Va - koristni volumen akumulacije,

a

a

WV

=βWa- srednja vrednost volumna večletnega povprečja

Koristna kapaciteta akumulacije je podana z izrazom:

ggk VVV +∑= ∑ gV

gV

večletni volumen akumulacije

enoletni volumen akumulacije

Koeficijent kapacitete akumulacije

gg βββ +∑=


Vrste hidroelektrarnPretočne elektrarne koristijo energijo vode brez zadrževanja in so glede na količino vode neposredno odvisne od trenutnih hidroloških razmer. V pretočnih HE je lahko energija vode v danem trenutku večja ali pa manjša od potrebne odnosno nominalne količine HE. V primeru, da je pretok vode večji se del dospele vode preliva neizkoriščena preko jezu HE. V primeru, da je pretok vode premajhen pa se mora kljub temu vedno upoštevati zakonske zahteve o biološkem minimumu.

Akumulacijske hidroelektrarne lahko zadržano vodo izkoriščajo glede na potrebe elektro-energetskega sistema. Med akumulacijske HE se uvrščajo tudi elektrarne na plimo in oseko. Izkoriščanje plime in oseke je pojav povezan z lego Meseca in ima 24-urno periodo. Amplituda plime je močno odvisna od geografskega položaja in mnogoterih vremenskih in hidroloških karakteristik.


morje morje


Prečrpovalne hidroelektrarne se največkrat imenujejo reverzibilne RHE včasih pa tudi akumulacijske HE. Osnovni namen te vrste HE je kot pomočhidroenergetskim sistemom na področjih z relativno majhnim vodnim potencialom, kjer ni na razpolago dovolj hidroenergije. Izrednega pomena so za pokrivanje koničnih obremenitev. Običajno v nočnih urah obratuje sistem kot črpalni, kjer se voda iz nižjega akumulacijskega bazena prečrpava v višji bazen, v dnevnem obdobju pa je sistem v turbinskem režimu obratovanja in proizvaja el.energijo. Poznamo sisteme z ločenim agrgatom (črpalka in turbina), ter sistem z hidravličnim strojem, ki lahko obratuje kot črpalka ali pa kot turbina.

Hidroenergetski sistemiPrečrpovalna hidroelektrarna Avče na SočiMaksimalni bruto padec: Hb = 521 mKoristni volumen vode: Vk = 2.170.000 m³Instalirani pretok (turbinski režim): Qi = 40 m³/sInstalirani pretok (črpalni režim): Qč = 34 m³/sInstalirana moč turbine: Pi = 185 MWInstalirana moč črpanja: Pč = 180 MWLetna proizvodnja električne energije: El = 426 GWhLetna poraba energije za črpanje: Eč = 553 GWh


Diagram dnevne proizvodnje skozi tedenski cikelj za RHEa) turbinsko delovanje (1) črpalčno delovanje (2)

b) sprememba gladine zgornjega bazena

Lokalni ekstremi - konice v obremenitvenem diagramu dnevnega ali sezonskega značaja, lahko pokrijemo z zalogami energije. Med te spadajo tudi reverzibilne HE.Dispečerske službe upravljajo z oskrbo ES tako, da izbirajo najugodnejše obremenitve elektrarn v skladu z potrebami tržišča - uporabniki.

Dinamika potrebe po el.energiji


V dnevnih obremenitvenih ciklih so prisotne razlike, ki so tipične za posamezne regije in mesta, kar je odvisno od vrste industrije, dejavnosti in naseljenosti območji. Pri analizi dnevnih obremenitev se vidi značilna povečana obremenitev v jutranjih in popoldanskih urah, kot je prikazano na sliki a. Če analiziramo sezonske vplive, je opazna očitna prisotnost obremenitve sistema za potrebe ogrevanja, kar je razvidno iz slike b.


Diagrami dnevne obremenitve energetskega sistema zimski dan _______letni dan -----------


Sprememba obremenitve elektro energetskega sistema A-tedenski

B- letniC- večletni

Ko primerjamo dnevne, mesečne in večletne oscilacije el. obremenitve (a,b in c), vidimo, da je dinamika različna, da ima kvaziperiodičen značaj, z dvojnim dnevnim ekstremom, letnim minimumom in maksimumom, tervečletnim monotonim naraščanjem obremenitve EE sistema


Hidroenergetski sistemiVrsta vodnih turbin in izbor agregatov

Relacije podobnega obratovanja agregatov

Izbor turbin se opravi na osnovi modelnih preizkusov v laboratorijih za modelna testiranja. Modelna turbina mora za izbrane delovne pogoje HE zadostiti podobnostim kriterijem : geometrijska podobnost, kinematičnapodobnost in dinamična podobnost.

1- model, 2- generator, 3- pogonske črpalke, 4- tlačni kotel, 5- sesalni kotel,6- merilnik pretoka


Relacije podobnega obratovanja agregatov

Na osnovi π - teoremu in dimenzijske analize, ki vključuje geometrijo turbine, in spremenljivke, ki vsebujejo obratovalne karakteristike turbine: pretok vode, gravitacijski pospešek, diferenco geodetskih višin - padec na turbini, vrtilno ferekvenco rotorja turbine, gostoto vode in kinematično viskozt, so prisotna v brezdimenzijskih številih π1,π2,π3 in π4, ki morajo biti enaka tako za model turbine, kot tudi za izvedbo turbine.

( ) 2211

DgH

Q=π

( )212

gH

nD=π

( ) ρ

μπDgH 2

13 =( )4

34

gH

nQ=π

pretočno hitrostnoRe število tlačno


Iz pogoja enakosti brezdimenzijskih števil π1 in π2 za model in izvedbo turbine sledi:

2/1

2/1

2

2

m

i

m

i

m

i

HH

DD

QQ

= 2/1

2/1

m

i

mm

ii

HH

DnDn

=

Če se v brez dimenzijskem številu π4 izrazi volumski pretok z močjo in tlačno višino:

ηρgHPQ = dobimo novo obliko za π4. 2/14/54/52/1

2/1

ηρ HgnPnq =

Tako izraženo brezdimenzijsko število π4 odnosno nq se imenuje specifična brezdimenzijska vrtilna hitrost. Poleg te se pojavlja zelo pogosto tudi dimenzijska vrtilna hitrost ns ki ima fizikalno enak pomen in je neposredno uporabljena pri klasifikaciji tipov turbin.

4/3

2/165,3H

nQns =

Hidroenergetski sistemiKriteriji razvrstitve vodnih turbin

S pomočjo spremenljivk nq ali ns ,lahko turbine v grobem razvrstimo v tri tipične skupine: Peltonove, Francisove in Kaplanove. Zaporedje -razvrstitev je podan s proporcionalnim povečevanjem specifične vrtilne hitrosti. Peltonove turbine pokrivajo področje velikih padcev in malih volumskih pretokov, Francisove turbine pokrivajo področje srednjih vrednosti pretokov in tlačnih višin, Kaplanove turbine pa so prisotne pri velikih pretokih in malih tlačnih višinah

12

( ) 43

H

Qnn Q

Δ

⋅=



( ) 43

H

Qnn Q

Δ

⋅=

Vrtilna frekvenca turbine n, volumski pretok Q in razpoložljiva tlačna višina H so projektni parametri, ki omogočajo izbor tipa turbine. V tabeli so podane vrednosti za nq ki pripadajo posameznim tipom turbine. Pri tem je potrebno poudariti, da je v primeru mejnih vrednosti potrebno slučaje kritično oceniti.

počasne normalna hitre Pelton Francis Kaplan

2 - 10 40 - 80

10 - 20 130 - 250

20 - 50 250 - 550 400 - 1200

Kriteriji razvrstitve vodnih turbin

Hidroenergetski sistemiNavedene turbine se razlikujejo po obliki lopatične kaskade statorskega in rotorskega dela stroja. Prav tako obstajajo značilne razlike celotnega sestava postrojenja Peltonove in ostalih dveh tipov turbin. V posameznih pod področjih obstajajo tudi algoritmi izbora turbine, ki temeljijo na relacijah med razpoložljivo tlačno višino in ns.

Kriteriji razvrstitve vodnih turbin

Hidroenergetski sistemiOsnovne značilnosti turbin

Pelton-ova turbina je enakotlačna tangencialna turbina. Turbina je primerna za manjše pretoke Q ter temu ustrezne velike padce H. Turbina je vedno priklopljena na dovodni cevovod, ki se konča s šobo (lahko sta dve ali več), katera usmerja vodni curek okroglega preseka v simetralni ravnini gonilnika k lopatam (pravokotno na lopato).

Hidroenergetski sistemiOsnovne značilnosti turbin

Poznamo jo kot radialno in kot radialno-aksialno turbino. Zaradi velikega pokrivanja pretokov Q ter padcev H je Francis-ova turbina prva prišla v uporabo. V osnovi je namenjena velikim pretokom ter majhnim padcem. Je nadtlačna turbina, saj del potencialne energije vode spremeni v hitrostno energijo v vodilniku, ostanek pa v rotorju. Njen razvoj je usmerjen k večjim padcem H, ker ima pri zmanjšani obremenitvi razmeroma dober izkoristek.

Francisova turbina


Potrebno je podariti, da so Kaplanove turbine postavljene vertikalno, kar zahteva več prostora in večje gradbene stroške pri investiciji

Osnovne značilnosti turbin

Kaplanova turbina

Primerna je za male padce ter velike pretoke. Nastala je z razvojem in izpopolnjevanjem hitrega Francis-ovega rotorja. Gonilnik turbine je podoben ladijskemu vijaku in je v celoti potopljen v vodi. Voda vstopa in izstopa iz gonilnika aksialno. Turbina je sestavljena iz venca vodilnih ter gonilnih lopat.


Neugodni rezultati ekonomskih analiz so privedli do razvoja cevnih izvedb turbin z horizontalno osjo. Te izvedbe so primerne za manjše višine - manjše vodne padce. Enake rešitve so tudi pri HE na plimo.


Cevna - propelerske turbina

Hidroenergetski sistemiReverzibilne turbine - črpalke so hidravlični stroj, ki lahko delajo kot turbinski ali pa kot črpalni agregat. To pomeni, da lahko kot turbina pretvarjajo hidrodinamskoenergijo v mehansko energijo na gredi turbine, ali pa obratno, da mehansko energijo na gredi pretvarjajo v hidrodinamsko energijo toka fluida. Po specifični vrtilni hitrosti ns so to lahko Francisovega ali pa tudi propelerskega tipa. Ker je izkoristek črpalke vedno za spoznanje manjši od izkoristka turbine, je reverzibilna črpalna turbina zasnovana kot črpalka.


enostopenska indvostopenskareverzibilna turbina –črpalka

Hidroenergetski sistemiEnergijske karakteristike turbinKarakteristike - zmožnosti turbine kot hidravličnega motorja za pogon generatorja se dobijo z modelnimi meritvami na testnih postajah.Najprej se merijo osnovne karakteristike, ki so podane z funkcijskimi odvisnostmi: Q=f(n), MT=f(n), η=f(n) in P=f(n) pri konstantnem odprtju vodilnika turbine. Iz teh diagramov se oblikujejo kompleksne karakteristike turbine, ki so dobljene iz osnovnih karakteristik za konstantna odprtja vodilnika α=kons na diagramu Q=f(n) vrisuje zaprta krivulja konstantnih izkoristkov η=konst.


Karakteristike se merijo v tokovnih režimih brez kavitacije. Na osnovi teh karakteristik se oblikujejo delovna področja konkretne turbine z največjo učinkovitostjo. Določena je maksimalna moč in maksimalni izkoristek turbine Pmax in ηmax. Za turbine, ki delijejo v regulacijskih režimih so zaželjena področja z širokim področjem delovanja z visokimi izkoristki.

kompleksna karakteristika propelerske turbinea-odprtje vodilnika, η-izkoristek turbine, σ-kavitacijsko število

Energijske karakteristike turbin

Hidroenergetski sistemiEnergijske pretvorbe v vodnih turbinah

V tem razdelku bomo spoznali parametre, ki popisujejo razmere v turbini in vplivajo na moč HE.

Energijska razlika je definirana z enačbo: HgY ⋅=

Bruto energijska razlika: 22

22b

ga

bcHgcY −⋅+=


V definiciji neto energijske razlike pa je upoštevana še izguba energije zaradi pretakanja vode v samem dovodnem tlačnem cevovodu Zc

cgba

cbn ZHgccZYY −⋅+−

=−=2

22

Energijske pretvorbe v vodnih turbinah

Pretok ∫=A

wdAQ


Vrtilna frekvenca turbine Hzpnf 502

=′⋅

=

Znano je, da imajo velike turbine majhne obrate, ki lahko segajo tudi pod n = 100 min-1. Posledica tega je izbira generatorja z velikim številom polov, kar ima za posledico veliko maso rotorja generatorja z velikim zunanjim premerom in velikim vstrajnostnim momentom, kar vpliva tudi na ceno.

Moč turbine ηρη ⋅⋅⋅=⋅⋅= nng YQYmP

Ob dobro poznanih delovnih pogojih, ki so podani z pretokom in razpoložljivo specifično energijo, je moč generatorja določena do ravni poznavanja izkoristka agregata

Hidroenergetski sistemiHitrostne razmere v gonilniku S trikotniki hitrosti popišemo osnovno kinematiko toka v samem gonilniku, kar omogoča določitev osnovne oblike pretočnega trakta turbine. Za popis spremembe kinetične energije moramo poznati hitrostne razmere v vodilniku ter gonilniku. V gonilnik doteka voda pod želenim konstantnim natočnim kotom, kar omogoča vodilnik, s poševno razporejenimi lopaticami.


V rotor doteka voda z določeno hitrostjo, ki jo imenujemo absolutna hitrost c in je definirana z enačbo:

nYKc ⋅⋅⋅= 2ϕ

Konstanta K je odvisna od geometrijskih lastnosti pretočnega trakta, spremenljivka φ pa je odvisna od položaja vodilnika in variabilnih elementov v pretočnem traktu turbine. Produkt obeh predstavlja uporovno karakteristiko turbine v izbrani obratovalni točki.

•Absolutna hitrost c

•Obodna hitrost u nDu ⋅⋅= π

Hidroenergetski sistemi•Relativna hitrost w

To je tista hitrost s katero se voda premika po kanalu rotorja. Odvisna je od oblike ter dimenzij rotorskega kanala. Turbino, v kateri je relativna hitrost wkonstantna imenujemo enakotlačna, v nasprotnem primeru jo imenujemo nadtlačna, saj se del kinetične energije pretvori v tlačno, kar se odraža z povečanim momentom na rotorju turbine.

•Meridianska hitrost cm rm AcQ ⋅=

Predstavlja dejansko hitrost pretoka vode skozi gonilnik ne glede na njegovo obliko in velikost kanalov. Je radialna komponenta absolutne hitrosti c in je zajeta v kontinuiteti enačbi


Hidrodinamična teorija turbinskega rotorja uporablja vstopni trikotnik ∆1 ter izstopni trikotnik ∆2. Vstopni trikotnik prikazuje hitrostne razmere pri vstopu fluida v turbino in je funkcija ∆1 (c1, u1, w1, α1, β1, cm1), ki predvsem določa velikost ter smer relativne hitrost w1 na vstopu v turbino. Smer relativne hitrosti β1 mora biti identičen kotu lopatice turbine.

Izstopni trikotnik pa ∆2 (c2, u2, w2, α2, β2, cm2) določa smer iztočne absolutne hitrosti c2 pri znanih podatkih turbine (u2, β2). Ker velikost iztočne absolutne hitrosti predstavlja velikost energetskih izgub poizkušamo zasnovati turbino tako, da bo le ta čim manjša.

Hidroenergetski sistemiNastanek gonilne sile v rotorju

Nastanek gonilne sile v rotorju popišemo z impulznim stavkom -zakonom o spremembi gibalne količine. Sila nastane pri interakciji vodnega toka z zunanjo steno zakrivljenega kanala gonilnika. Glede na obliko kanala poznamo enakotlačne ter nadtlačne izvedbe

Enakotlačni kanal (levo), nadtlačni kanal (desno)


Enakotlačni kanal

Enakotlačni kanal ima konstanten prerez, kar pomeni, da se skozi celotno dolžino ne spreminjata tlak p ter hitrost vode c.

dvmdtF ⋅=⋅ dvmF ⋅= ( )2211 coscos αα ⋅+⋅⋅= ccmFx

Turbine, ki imajo gonilnike z enakotlačnimi kanali se imenujejo enakotlačne turbine. Gonilno silo pa lahko izračunamo po enačbi:

11 cos2 α⋅⋅⋅= cmFx

Hidroenergetski sistemiNadtlačni kanal

Nadtlačni kanal je proti koncu zožen, kar pomeni, da se pretočni prerez proti koncu zmanjšuje. Z zmanjševanjem pretočnega prereza se povečuje hitrost fluida s tem pa na podlagi Bernoullijeve enačbe zmanjšuje tlak. Turbini z nadtlačnimi rotorskimi kanali pravimo nadtlačna turbina. Razlog uporabe nadtlačnih kanalov je izboljšanje izkoristka, pri nekaterih kombinacijah parametrov Q, Y ter n. Iz slike 5 je razvidno, da se tu pojavlja zaradi povečanja izstopne hitrosti c2 tudi komponenta Fy(imenujemo jo aksialna sila). Aksialna sila je nekoristna, za njeno kompenzacijo je nujen aksialen ležaj.

( )2211 coscos αα ⋅+⋅⋅= ccmFx

( )1122 coscos αα ⋅−⋅⋅= ccmFyAksialna sila

Obodna sila

Hidroenergetski sistemiHitrost odtekajoče vode iz turbine

Za maksimalen izkoristek turbine moramo zmanjšati hitrost odtekajoče vode. To pomeni, da je potrebno zmanjšati vse hitrostne komponente razen tistih, ki so povezani s propustnostjo vodnega toka skozi turbinski trakt.

)(

22

22 tcbbb

aaa Zh

gc

gph

gc

gp

+++⋅

+⋅

=+⋅

+⋅ ρρ

Če upoštevamo enakost atmosferskih tlakov na zgornji ter spodnji gladini vode pa = pb lahko izrazimo odvodno hitrost vode

( )( ) 22 atcgb cZHgc +−⋅⋅= +

Hidroenergetski sistemiTlačne izgube v turbini

•Izgube v vodilniku Zv20

2v vcZ ξ= ⋅

•Izgube v rotorju Zr22

2r rwZ ξ= ⋅

•Izgube v difuzorju Zd22

2d dcZ ξ= ⋅

Volumetrične izgube

Volumetrične izgube nastanejo zaradi uhajanja vode skozi rege med vodilnikom in rotorjem pri čemer se masni tok vode izogne procesu pretvorbe lastne energije v mehansko energijo rotorja. Odvisne so od splošnega konstrukcijskega koncepta, uporabljenih tesnil, od kvalitete le teh in od velikosti in izvedbe tesnilnih reg.

Hidroenergetski sistemiIztočna izguba

To je hitrostna izguba, ki nastane na izstopu vode iz difuzorja -izstočnega kanala iz turbine na nivoju spodnje vode elektrarne. Zmanjšujemo jo lahko na ekonomski minimum z pravilno izbiro difuzorja. Lahko jo točno določimo, saj jo izrazimo s kinetično energijo vode na izstopu iz difuzorja:

2

23cZiz =

Mehanske izgube

Nastajajo zaradi trenja v ležajih ter drugih drsnih površin v turbini in njenih pomožnih strojev. Mehanske izgube niso odvisne od velikosti obremenitve, kot to lahko trdimo za hidravlične izgube. Med mehanske izgube prištevamo še porabljeno energijo pomožnih strojev turbine.

Hidroenergetski sistemiIzkoristek turbine

Izkoristek turbine je definiran kot del razpoložljive vodne energije, ki jo turbina pretvori v mehansko energijo in jo odda preko sklopke na generator. Zaradi podrobnejše analize razlikujemo več izkoristkov.

Hidravlični izkoristek ηh

Hidravlični izkoristki se gibljejo vse do ηh = 0,95 in je izražen preko hidravličnih izgub v vodilniku Zv, rotorju Zr, difuzorju Zd ter izgub na izstopu it turbine Ziz z enačbo

n

izdrvh Y

ZZZZ +++−=1η

Hidroenergetski sistemiVolumetrični izkoristek ηv

Volumetrične izgube so posledica netesnosti pretočnega trakta turbine. Največkrat so to netesnosti na tesnilih gredi ali tesnilih krmilnih – servo sistemov. Izračun volumetričnega izkoristka lahko izvedemo na podlagi definicije

QZ q

h −= 1η

v kateri se pojavlja volumetrična izguba Zq ter volumski pretok Q. Izkoristek se lahko giblje vse do ηv = 0,97. Izjema so le Pelton turbine pri katerih volumetričnih izgub ni.

Hidroenergetski sistemiMehanski izkoristek ηm

Vsebuje mehanske izgube v turbini in je izražen z močjo na gredi Pgter notranjo hidravljično močjo Ph brez mehanskih izgub. Mehanski izkoristek se giblje do ηm = 0,98 in se ga izračuna po enačbi:

h

gm P

P=η

Skupni izkoristek ηmvh

g

PP

ηηηη ⋅⋅==

Kot nam že ime pove, s skupnim izkoristkom zajamemo celotne izgube, ki nastanejo v turbini. Lahko ga izrazimo z razmerjem moči na gredi Pg in idealno močjo brez izgub P, lahko pa kot zmnožek vseh do sedaj obravnavanih izkoristkov

Hidroenergetski sistemiSkupni izkoristek η

Najbolj sodobne turbine dosežejo izkoristek vse do η = 0, 96. Če imamo tipizirane turbine, imamo za določen tip turbine že v naprej znan izkoristek. Spreminjanje izkoristka posameznih vrst turbin je odvisen od pretoka.

Notranji izkoristek vodnih turbin; A-Pelton, B-Kaplan, C-Francis, Č-Francis (hitre), D-Kaplan z enojno

regulacijo, E-propelerske

Hidroenergetski sistemiGlavne turbinske enačbeEnačbe nam povedo, kaj se dogaja v turbini na energijskem nivoju in s tem kaj narediti kot konstrukter, da bo turbina delovala z maksimalnim izkoristkom. Predstavili bomo dve obliki glavne enačbe.

I. turbinska enačbaEnačbo zapišemo s pomočjo energijske bilance na mestu pred vstopom v turbinski rotor (točka 1)

1

211

1 2hgcpE ⋅++=

ρter po izstopu iz rotorja (točka 2)

2

222

2 2hgcpE ⋅++=

ρ

Hidroenergetski sistemiI. turbinska enačba

Energijsko bilanco naredimo s pomočjo Bernoullijeve enačbe. Dejansko energija v točki 2 predstavlja iztočno izgubo rotorja. Kot konstrukterjibomo le to želeli zminimalizirati. Če upoštevano zakon o ohranitvi energije, celotna izgube v turbini Z ter oddano delo W, lahko energijsko bilanco zapišemo z enačbo:

ZWhgcphgcp−+⋅++=⋅++ 2

222

1

211

22 ρρ

( ) ZhhgccppW −−⋅+−

+−

= 21

22

2121

2ρBernoullijevo enačbo za energijsko bilanco v rotirajočem koordinatnem sistemu:

Zhguwphguwp+⋅+−+=⋅+−+ 2

22

222

1

21

211

2222 ρρ

Če iz enačbe (*) izrazimo tlačno razliko in jo vstavimo v enačbo (**), ki predstavlja delo

*

**

Hidroenergetski sistemiI. turbinska enačba

222

21

22

22

21

22

21 wwuuccW −

+−

+−

=

222

21

22

22

21

22

21 wwuuccYnh

−+

−+

−=⋅η

Na podlagi prve glavne enačbe lahko sklepamo:Oddano delo oz. moč turbine je tem večja tem večje so razlike posameznih členov. Vsi trije členi naj bi bili pozitivni.Da bi bili vsi členi pozitivni mora biti vstopni premer gonilnika večji od izstopnega (v tem primeru je u1 > u2), ter kanali gonilnika morajo biti nadtlačni, saj s tem zagotavljajo, da relativna hitrost narašča in s tem velja w2 > w1.Za doseganje maksimalne pozitivne razlike prvega člena enačbe uporabimo primeren difuzor, saj z njem lahko zmanjšamo hitrost odtekajoče vode c2 na minimum.

Hidroenergetski sistemiII. Glavna enačbaDo druge glavne enačbe turbine pridemo, če s pomočjo kosinusnegaizreka izrazimo iz trikotnikov hitrosti ∆1 ter ∆2 relativni hitrosti

11121

21

21 cos2 α⋅⋅⋅−+= ucucw

22222

22

22 cos2 α⋅⋅⋅−+= ucucw

ter jih vstavimo v prvo glavno enačbo turbine

222111 coscos ααη ⋅⋅−⋅⋅=⋅ cucuYnh

Kot vidimo ima enačbe negativni člen. Iz slednjega je razvidno, da turbina doseže maksimalno moč, če je drugi člen enačbe enak nič. To zagotovimo z enakostjo α2 = 90°. Iz drugimi besedami povedano, iztočni trikotnik mora biti pravokoten. Tako dobimo drugo glavno enačbo turbine za pravokotni iztok ter maksimalno moč


111 cosαη ⋅⋅=⋅ cuYnh

Iz enačbe je razvidno: • Da turbina proizvaja mehansko delo se mora rotor turbine vrteti. • Da turbina daje kako delo mora obstajati obodna komponenta absolutne hitrosti

11 cos α⋅c > 0 iz tega sledi, da mora veljati α1 < 90°, kar dosežemo s poševnim dotokom vode v sam rotor. To nam omogočajo lopate vodilnika, ki določajo kotdotoka vode.

• Enačba velja le v proračunski točki. Pri zmanjšanju pretoka in posledično močiturbine pravokotni trikotnik ni zagotovljen. Pri tem se pojavi negativni člen inturbina deluje z manjšim izkoristkom, kar je tudi velika pomanjkljivost turbinskihstrojev.

II. Glavna enačba

Hidroenergetski sistemiOpis najbolj uporabljenih turbin

Pelton-ova turbina

Pelton-ova turbina je enakotlačnatangencialna turbina. Turbina je primerna za manjše pretoke Q tertemu ustrezne velike padce H. Turbina je vedno priklopljena na dovodni cevovod, ki se konča s šobo (lahko sta dve), katera usmerja vodni curek okroglega preseka v simetralni ravnini gonilnika k lopatam (pravokotno na lopato).


Pelton-ova turbinaLopata gonilnika je oblikovana tako, da ima na sredini nož, ki deli lopato na dve simetrični polovici. Nož razpolovi curek na dva dela ter skrbi, da je natok vode brez “udarcev”. Curka zdrsneta vsak po svoji vdolbini lopate, pri tem pa spremenita smer za skoraj 180°, poženeta lopato naprej po obodu in izgubita hitrost. Konstrukcijsko gledano je Pelton-ova turbina zahtevna, saj se celotni prenos energije vode vrši na eni sami lopati (ali na dveh, če imamo vgrajeni dve šobi).


Moč turbine uravnavamo s pomočjo pomikanja igle v sami šobi. S pomikanjem igle, ki je lahko avtomatsko ali ročno spreminjamo debelino in s tem količino vodnega curka. Bolj ko iglo porinemo v šobo, tem tanjši je vodni curek in s tem energija dotekajoče vode. Posledično pade moč turbine. Poleg opisane regulacije moči, pa moramo omeniti tudi regulacijo s pomočjo odklonila (noža). Z njim lahko moč reguliramo mnogo hitreje.

Pelton-ove turbine imajo dober izkoristek vse do 25% lastne nazivne moči, zato so primerne za rečne struge, kjer vodne razmere niso konstantne. Lopatice se izdelujejo iz sive litine ali brona.

Hidroenergetski sistemiOpis najbolj uporabljenih turbinFrancis-ova turbina

Poznamo jo kot radialno in kot radialno-aksialno turbino. To je turbina z radialnim vstopom vodnega toka v rotor turbine in aksialno - diagonalnim izstopom iz rotorja turbine. Zaradi velikega pokrivanja pretokov Q ter padcev H je Francis-ova turbina prva prišla v uporabo in je najbolj razširjen tip turbine. V osnovi je namenjena velikim pretokom ter majhnim padcem. Je nadtlačna turbina, saj del potencialne energije vode spremeni v hitrostno v vodilniku, ostanek pa v rotorju.


V smeri vrtenja turbine se prerez spiralnega vodilnika zmanjšuje (ker del vode postopoma odteka), kar zagotavlja enakomeren dotok vode v vodilnikz lopaticami. Lopatice vodilnika so lahko regulirane ali fiksne. Regulirane lopatice omogočajo regulacijo moči turbine, saj s premikanjem lopatic vodilnika spreminjano količino vode skozi turbino.

Poleg regulacije količine vodnega toka pa lopatice vodilnika služijo tudi za ustvarjanje vrtinčastega toka skozi gonilnik (vrtinčni tok je rotacijski tok, ki je dosežen z obliko špirale, tangencialnim utokom vode in postavitvijo vodilniških lopatic). Ko se ta zadene ob lopatico gonilnika se upira spremembi svoje poti in zaradi tega potiska gonilnik naprej. Glede na pozicijo lopatic vodilnika je odvisno pod kakšnim kotom voda nateka na lopatice rotorja in od tega je odvisna pretvorba energije in hidrodinamskiizkoristek.

Francis-ova turbina


Pretvorba energije je neugodna predvsem pri znatno zaprtem vodilniku, kjer je obremenitev odnosno pretok vode zelo majhna in s tem tudi izkoristek. Prenos energije vode na turbino se vrši enakomerno po celotni površini lopatic. Turbino in spodnjo vodno gladino povezuje sesalna cev in odpravlja izgubo njune medsebojne višinske razlike. Največkrat je sesalna cev proti iztoku razširjena in jo imenujemo tudi difuzor.Difuzor dodatno izboljša izkoristek, ker se kinetična energija zmanjšuje na račun potencialne energije. Ker vodni stolp med rotorjem turbine in gladino spodnje vode ni prekinjen se izkoristi vsa višinska razlika.

Počasne izvedbe rotorjev imajo velike vstopne premere D1 ter so med vsemi izvedbami najstanjše. Vstopni premer D1 je večji od izstopnega premera D2. Oblika turbine omogoča pretok fluida skozi njo v smeri radia, zato ji pravimo radialna. Turbina nima brezlopatičnega prostora med vodilnikom ter rotorjem. Normalna različica omogoča radialno aksialen pretok, vstopni premer D1 je le nekoliko večji kot izstopni D2, ter ni brezlopatičnega območja. Hitri rotorji so namenjeni majhnim padcem Hter velikim pretokom Q.

Francis-ova turbina


Hitre turbine Normalne turbine Počasne turbine

Površina lopatic je zmanjšana, zato nastane brezlopatični prostor, s tem pa pride do manjših tornih izgub ter boljšega izkoristka. Z večjimi specifičnimi vrtljaji je pretočna hitrost skozi turbino vedno večja in zato je bolj ugodno če je torna površina čim manjša. Turbina ima vstopni premer D1 manjši od izstopnega premera D2. Gonilnik s spiralnim vodilnikom prosto stoji v prostoru elektrarne.

D1

D2

Francis-ova turbina

Hidroenergetski sistemiOpis najbolj uporabljenih turbinKaplan-ova turbina

Primerna je za male padce ter velike pretoke. Nastala je z razvojem in izpopolnjevanjem hitrega Francis-ovega rotorja. Gonilnik turbine je podoben ladijskemu vijaku in je v celoti potopljen v vodi. Voda vstopa in izstopa iz gonilnika aksialno (aksialna turbina). Turbina je sestavljena iz venca vodilnih ter gonilnih lopat.


Lopate gonilnika imajo obliko letalskega krila, ki se jim vzdolžno spreminja upognjenost. Oboje lopate se lahko med samim obratovanjem prilagajajo glede na specifične vodne razmere in regulirajo moč turbine. Pri prilagajanju lopat se spremeni smer absolutne hitrosti, njena velikost ostane ista. Nespremenjena mora ostati tudi obodna hitrost, zato se po smeri in velikosti prilagaja relativna hitrost. Novi prilagojeni relativni hitrosti se prilagodijo gonilne lopate, kar omogoča nespremenjen izkoristek v širokem območju obratovanja.


Tlak se spreminja v gonilniku ter vodilniku, zato je turbina nadtlačna. Število lopatic gonilnika je malo od 2 do 8. Kaplan-ova turbina je zelo podvržena kavitaciji, zato je omejena na majhne padce. Za turbino je značilno, da je skozni tok fluida turbulenten.

Propelerske turbine imenujemo Kaplan-ovim turbinam podobne turbine, le da imajo lopate trdno pritrjene na gred gonilnika. Število lopat se giblje kot pri Kaplan-ovi turbini med 3 in 5. Zaradi fiksnih lopat gonilnika niso primerne za različne pretoke, saj jim zaradi neoptimalnega natoka vode izven optimalnega delovnega področja hidravlični izkoristek zelo pada.


Cevne turbine

Ker je cevna turbina aksialna različica Kaplan-ove turbine, je tudi za njo značilno, da je primerna za nizke padce ter velike pretoke. Kot smo že omenili imajo rotorji med 3 in 5 lopat. Cevna turbine imajo večjo požiralnost kot Kaplan-ove turbine (od 6 do 8% pri enakem odprtju), saj v predrotorskem delu nimajo spirale. Pri zmanjšanju pretočnih izgub ima veliko vlogo tudi aksialna postavitev vodilnika. Tok skozi cevno turbino ostaja aksialen.


Cevne turbine

Če primerjamo cevno ter Kaplan-ovo turbino lahko ugotovimo, da ima cevna turbina pri enakih delovnih pogojih približno 15% manjši premer, s tem se ji poveča vrtilna hitrost med 15 do 20%. Zaradi večje vrtilne hitrosti lahko uporabimo agregate, ki so manjši ter cenejši. V primerjavi z Kaplan-ovo turbino ima cevna turbina manjše pretočne preseke, s tem pa manjše mere celotne turbine. To prinaša od 20 do 25% manjše tlorisne površine strojnice in posledično manjše stroške izgradnje.

Sesalna cev ima pri cevnih turbinah pomembno vlogo. Ker voda iz gonilnika odteka zelo hitro, je njena naloga le to upočasniti ter s tem izboljšati izkoristek. Moč turbino reguliramo z naklonom lopat vodilnika, gonilnika ali z obema hkrati.

Hidroenergetski sistemiLastnosti aksialnega tokovnega poljaZaradi aksialnega pretoka vode preko gonilnika lahko ugotovimo, da je obodna hitrost na posameznih cilindričnih prerezih konstantna

.21 konstuuu ===

Trikotnika ponavadi narišemo skupaj, katerih skupna značilnost je u1 = u2= u. Iz slednjega sledi enakost ∆wu = ∆cu, kar nam omogoča lažje risanje trikotnikov. Zaradi upoštevanja nasveta o minimalni iztočni izgubi je iztočni trikotnik ∆3 pravokoten. Hitrost w∞ je enak polovici vektorskega seštevka w0 in w3.

Hidroenergetski sistemiLastnosti aksialnega tokovnega polja

Zaradi aksialnega pretoka vode preko gonilnika lahko ugotovimo, da je obodna hitrost na posameznih cilindričnih prerezih konstantna

.21 konstuuu ===

Ker ima Kaplan-ova turbina majhno število lopatic in je . korak rotorske lopate t' je navadno večji od dolžine profila L, lahkolopato obravnavamo posamezno v enakomernem tekočinskem toku in lahko nastanek obodne sile obravnavo z uporabo teorije letalskega krila.


Trikotniki hitrostiZaradi obravnavanja turbinske lopate kot osamljenega krila, postavimo trikotnika hitrosti malo pred lopato ∆0 in tik za njo ∆3. Trikotnika ponavadi narišemo skupaj, katerih skupna značilnost je u1 = u2 = u. Iz slednjega sledi enakost ∆wu = ∆cu, kar nam omogoča lažje risanje trikotnikov. Zaradi upoštevanja nasveta o minimalni iztočni izgubi je iztočni trikotnik ∆3pravokoten. Hitrost w∞ je enak polovici vektorskega seštevka w0 in w3.


Vsak cilindrični prerez ima svoja trikotnika hitrosti, ki obdržita višino (meridijanska hitrost je cm = konst.), imata pa proti zunanjemu premeru zmerom večjo hipotenuzo, saj se obodna hitrost u z premerom povečuje. Z povečevanjem obodne hitrosti pa se povečuje velikost w∞, njena smer pa je vodno bolj položna. Zaradi neprestanega spreminjanja velikosti in smeri hitrosti natoka w∞ pa moramo izračunati hitrostne razmere v vsakem cilindričnem prerezu, da lahko določimo optimalen kot natoka δ in s tem optimalen izkoristek. Ker se proti zunanjosti polmera zmanjšuje kot natoka δ, se z njim zmanjšuje tudi kot βp, ki določa lego profila rotorskega krila. Posledično postane lopata prostorsko dvakrat zakrivljena.


Fizikalno pojasnilo nastanka sile na lopati

Ker je zunanji premer profila lopate večji od notranjega, je posledično tudi pot, ki jo opravi voda ob profilu lopatice daljša na zunanji strani profila. Da bi voda opravila obe poti v istem času, se mora po zunanjem delu lopate pomikati hitreje. Temu ustrezno je po Bernoullijevi enačbi zunanji tlak manjši od notranjega. Zaradi tlačne razlike se ustvari hidrodinamična sila A, ki s svojo obodno komponento T vrti turbinski rotor.


Obodna sila T

dvdmdtdF ⋅=⋅

drtcdQdm m ⋅⋅⋅=⋅= ρρ

dv = ∆wu

drwtcdT um ⋅Δ⋅⋅⋅= ρ


Aksialna silaAksialna sila se ustvari zaradi razlike tlakov med ravninama 0 in 3 (še vedno izhajamo iz impulznega stavka)

drtpdS ⋅⋅Δ= −30

gw

gp

gw

gp

⋅+

⋅=

⋅+

⋅ 22

233

200

ρρ( ) ( )2

02330 2

1 wwpp −⋅⋅=− ρ

( ) drwwtdS ⋅−⋅⋅⋅= 20

232

1 ρ

drwwtdS uu ⋅⋅Δ⋅⋅= ∞ρ


Sila vzgona Dobimo jo s seštevkom obodne ter aksialne komponente po enačbi

drwwtdTdSdA u ⋅⋅Δ⋅⋅=+= ∞ρ22


Glavna enačba aksialnega rotorja

Če upoštevamo enakost u1 = u2 potem nam iz I. enačbe odpade srednji člen in jo lahko zapišemo:

22

21

22

22

21 wwccYnh

−+

−=⋅η

II. enačbo pa lahko le preuredimo

( )2211 coscos ααη ⋅−⋅⋅=⋅ ccuYnh

( ) uuuunh wucuccuY Δ⋅=Δ⋅=−⋅=⋅ 21η

mm


huunh PwumcumYm =Δ⋅⋅=Δ⋅⋅=⋅⋅η

Enačba predstavlja glavno enačbo aksialnega rotorja. Turbina je primerna za majhne padce ter velike pretoke, zaradi česar ne potrebuje velikih kotov natočne hitrosti. Lopata posledično potrebuje majhno zakrivljenost to pa dovoljuje dovolj natančne preračune hidrodinamične rešetke s teorijo krila.

z uvedbo masnega toka vode

lahko enačbo zapišemo v novi končni obliki

Hidtoenergetski sistemiNe stacionarno obratovanje hidro-elektrarnPrehodni pojaviDelovna področja, kjer pride do povečanega časovnega spreminjanja spremenljivk procesa kot so pretok vode, tlak v pretočnem sistemu in hitrost vodnega toka, se imenuje prehodni pojav -prehodni delovni režim. V to skupino pojavov se uvršča tudi zagon in ustavitev HE sistema.

Na sliki so predstavljeni prehodni procesi, ki so doseženi z spreminjanjem: odprtja vodilnika- statorja , vrtilni momenta (M), vrtilne frekvence (n) in tlaka, odnosno razlike geodetskih višin (H) turbine.

Hidtoenergetski sistemi

Smeri prehodnih procesov 1-režim zaviranja, 2-izpad

sistema, 3-odpiranje vodilnika, 4-turbinski režim, 5-zaustavljanje,

6-spuščanje v pogon

Na diagramu karakteristik so prikazani režimi delovanja turbine iz katerih se vidi, da šrafirano področje zaviranja (-M), ki pripada ustavljanju in režimu izpada (naglo zaviranje).

Hitro zmanjšanje obremenitve se imenuje izpad sistema. Ta se lahko pojavi zaradi okvar ali izpada el.omrežja. Ta pojav ima za posledico hitro povečanje vrtilne frekvence rotorja generatorja n>> nnom. Reakcija regulatorja je zapiranje vodilnika turbine, kar ima za posledico značilen hidravlični udar.V točki, ko je doseženo stanje M=0 je dosežena maksimalna vrtilna frekvenca n=nmax.

Prehodni pojavi

Hidtoenergetski sistemiHidravlični udar v tlačnih cevovodih

Za hidravlični udar je značilen nagel porast tlaka v hidro dinamskem sistemu. To se lahko dogodi v prehodnih režimih turbine. Zaradi tega je potrebno pri projektiranju elementov pretočnega trakta turbine te pojave upoštevati, saj se lahko zaradi povečanih tlačnih obremenitev lahko pojavijo mehanske preobremenitve in porušitve.

Hidravlični udar v tlačnem cevovodu, shema povečanja tlakaa-tlačna cev konstantnega premera, b-časovna sprememba Q in H, c-tlačna cev spremenljivega preseka


V ceveh, kjer voda teče pod določenim tlakom, vsaka sprememba pretoka na začetku ali koncu cevovoda povzroča elastične nadtlačne ali podtlačne valove, ki se širijo po cevi v obe smeri. Ta pojav se imenuje vodni udar. Pojavi se lahko v hidroenergetskih cevovodnih sistemih, kot tudi na vodovodnih omrežjih. Največkrat je povezan z zapiranjem ventilov in zasunov, lahko pa je povzročen tudi z naglimi spremembami obratovalnih točk hidravličnih strojev.Kadar se zasun zapre “trenutno”, takrat se tako pri zasunu, kot vzdolžpotovanja vala pojavijo maksimalne tlačne amplitude. Ta je poleg časa zapiranja značilno odvisna od elastičnih karakteristik cevovoda.

Dinamična enačba

∑ −=dxdpF

dtdv

x ρ1


∑ += trgx FFF Fg – gravitacijska silaFtr – sila trenja

DvF

gF

tr

g

2

)sin(2

λ

θ

−=

=

Predznak – je zaradinasprotno usmerjene sile

Z vključevanjem izrazov v osnovno enačbo in razčlenitvijototalnega diferenciala sledi:

02

=+∂∂

+∂∂

+∂∂

Dvv

xHg

xvv

tv λ

)sin(θ


Pripadajočo kontinuitetno enačbo, ki popisuje propagacijodinamičnega vala pa zapišemo z enačbo:

( ) 0sin2

=+∂∂

+∂∂

+∂∂ θv

tH

xHv

xv

ga

kjer je hitrost tlačnega vala podana z:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=

eEKD

Ka1

2

ρ

K- stisljivost tekočineD – premer cevovodae – debelina stene ceviE- elastični modul stene cevi


Hitrost širjenja dinamičnega vala


Hitrost širjenja dinamičnega vala D – premer cevovodae – debelina stene ceviΑ – korekcijski faktor vpetja


Blaženje vodnega udara:Ekstremne tlačne obremenitve je mogoče zmanjšati zrazmeroma enostavnimi konstrukcijskimi ukrepi.Rešitve temeljijo na osnovni enačbi , ki povezuje Maksimalno tlačno amplitudo z dinamičnimi in geometrijskimiparametri.

τgLvP o2

max =

L – dolžina cevovodavo- hitrost tekočine- čas prehodnega pojavaτ


Ukrepi:-pri elektrarnah so zaporni organi konstruirani tako, danaglo zapiranje ni mogoče-Vodni udar se zmanjša, če povečamo premer cevovoda , saj se s tem zmanjša hitrost tekočine v cevovodu-v področjih, kjer se pojavi podtlačni val, se lahko izvedekonstrukcijska rešitev, ki omogoča sesanje zraka, kar zaradikompresibilnosti zmanjša amplitudo tlačnega vala-uvajanje zračnih kotlov (ekspanzijskih posod) z zračnimi žepi, ki povečujejo elastičnost hidravličnega sistema,-vgradnja deformabilnih open-cevi ovalnega preseka, ki se lažje deformira v okrogli presek-vgradnja vodostanov

Hidtoenergetski sistemiTlačni udar v cevovodu

Če zapiranje cevovoda v preseku A-A povzroči zmanjšanje hitrosti gibanja tekočine vo za Δv, pride zaradi tega do povečanje tlaka (tlačni val) z intenziteto ΔH, ki ima za posledico komprimiranje tekočine in povečan presek cevovoda. Za čas te deformacije se upočasni se hitrost gibanja udarnega vala in hitrost gibanja vo, kar je bistvena razlika glede na primer ko je sistem tog in nestisljiv.

V enačbi spremembe gibalne količine z uvajanjem teh sil dobimo

HAgdt

vAcdt Δ=Δ ρρ

gvcH Δ

=Δ

A

tek

kap

KK

cc

+=

1 kap

kapkap

kc

ρ=

Hidtoenergetski sistemiHidravlični udar v kratkih cevovodnih sistemih

Ob predpostavki, da je voda nestisljiva in stena cevovoda toga - ne deformabilna , lahko uporabimo enačbo spremembe gibalne količine

∑= Xdtmvd x)( vsoto sil X v enačbi zapišemo:

( ) ABAA HgAHHHgAX Δ=−Δ+=∑ ρρ

AHgAdtdvAL Δ=− ρρ

dtdQ

gAL

dtdv

gLH A =−=Δ

Iz slike je viden vpliv spremembe pretoka Q=f(t) in vpliv tega na spremembo tlačne višine ΔH v času odpiranja vodilnika Ts.


V primeru linearne spremembe volumskega pretoka Q=f(t) zapišemo:

konstT

QQgALH

s

koA =−

=Δ

V primeru da je koeficient naklona premice po kateri se spreminja pretok podan z znano konstanto, k=1,3 do 1,5, lahko zapišemo izraz za časovni potek tlaka:

s

koA

TQQ

gALkH −

=Δ

Z upoštevanjem enačb in slike lahko za cev cilindričnega -konstantnega preseka zaključimo, da se udarni val linearno in progresivno-naraščajoče širi vzdolž cevovoda.


V primeru, da se uporablja cevovod z različnimi preseki (teleskopska cev) sledi sprememba tlaka ΔHA po dolžini li s preseki Ai :

dtdQ

Al

gH

n

i i

iA ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=Δ ∑

=1

1

∑=

=n

i i

i

ow A

lgHQT

1

max

Vrednost Tw predstavlja inertnost hidrodinamskega sistema

Sistemi z veliko vrednost Tw pri enakih časovnih intervalih zmanševanja pretoka povzročajo velike tlačne obremenitve nacevovovodnih sistemih

Hidtoenergetski sistemiTlačni vodohrami

Tlačni vodohrami se vgrajujejo v HE sisteme v delih dovodnih in odvodnih cevovodov z namenom preprečevanja hidravličnih udarov v prehodnih obratovalnih režimih. Na sliki je predstavljena shema vgradnje vodohramov.

1- nivo vode pri razbremenitvi turbine,2- nivo vode pri porastu obremenitve,

3- vodohram tlačnega cevovoda4- vodohram sesalnega cevovoda

Hidtoenergetski sistemiDinamika rotorja agregata

Poznane so relacije dinamičnega ravnotežja rotirajočih mas

ot MMdtdI −=ω I- vstrajnostni moment rotirajočih mas

ω- kotna hitrost ω=2πn/60Mt- vrtilni momentMo- moment upora

ot MMdtdnI −=

602π

Da bi izpolnili pogoj stacionarnega obratovanja mora biti izpolnjena relacija (dn/dt=0), kar vodi v enakost Mt=Mo

on nn

MMm == α

Zapis dinamičnega ravnotežja v normirani obliki:

ot mmdtdT −=α

α

kjer je Tα konstanta inercijen

n

MIT ω

α =

Hidtoenergetski sistemi

Nominalni moment lahko določimo na osnovi moči in vrtilne hitrosti turbinskega agregata:

GTa PP

Dinamika rotorja agregata

η=

nG

an

PMωη

=

Tako lahko inercijsko konstanto zapišemo tudi z izrazom

Ga

n

PIT ηω

α

2

=

Za turbinske agregate z vertikalno gredjo Tα =7 do 12, za turbinske agregate z horizontalno osjo pa je 1,5 do 2,5. Z zmanjševanjem Tα se zmanjšujejo pogoji dinamične stabilnosti hidravličnega agregata. Povečuje se nevarnost izpada iz sinhronega št. vrtljajev pri naglem zapiranju dovodnega toka vode.

okoljsko inženirstvo voda 1

Primarno čiščenje (mehansko čiščenje)

S primarnim čiščenjem odstranjujemo trdne odpadke. Elementi primarnega čiščenja so :

grabljesitopeskolovusedalnik

Zgoraj naštete metode se uporabljajo v skoraj vsaki komunalni čistilni napravi. Glede na potrebe čiščenja industrijskoh odpadnih vod, se uporabljajo tudi metode kot so flotacija (naplavljanje), filtracija in obarjanje.


Primarno čiščenje – grablje, sita

Grtablje uporabljamo za odstranjevanje plavajočega kosovnega materiala večjih dimenzij. Za grabljami so običajno montirana sita za odstranjevanje manjših trdnih odpadkov. Sita imajo dodane sisteme za kontinuirno odstranjevanje trdnih odpadkov s površine. Trdni odpadki lahko poškodujejo naprave, ki se uporabljajo v nadaljevanju postopka čiščenja, hkrati pa odpadki poslabšujejo učinek čiščenja.


Primarno čiščenje – peskolovi

Peskolov je razširjen kanal, v katerem se hitrost toka močno upočasni. Zaradi upočasnjenega toka odpdne vode se pesek in druge bistveno težje snovi od vode usedejo. Peskolov je narejen tako, da se organske snovi, ki so malo težje od vode ne usedejo. Organske snovi se čistijo v nadaljnjih stopnjah, pesek pa je mogoče odlagati brez problemov v okolje.Eden od načinov, kako preprečiti usedanje organskih snovi, je aeriranje peskolova.


Primarno čiščenje – usedanje

Po peskolovu je naslednja stopnja čiščenja usedanje. Usedalnike v primarnem čiščenjuobičajno imenujemo primarni usedalniki. Snovi, ki se usedejo, vsebujejo patogene mikroorganizme, visok BPK,smrdijo itd, zato je njihovo odlaganje v naravi nemogoče. Kot nadaljnja obdelava se uporablja večinoma anaerobno gnitje. Usedanje sledi tudi po sekundarnem čiščenju za odstranjevanje biomase iz efluenta.S primarnim čiščenjem pri komunalni odpadni vodi odstranimo 60% trdnih snovi, 30% BPK. Če to ne zadošča, je potrebno uporabiti sekundarno čiščenje.


Primarno čiščenje:Aeracija

Iščemo najučinkovitejši način vpihovanja zraka v bazene čistilne naprave. Če je višina vode v bazenu višja, mehurček zraka dalj časa potuje do površine in odda več kisika. Če je višina vode v bazenu nižja, je potreben manjši tlak vpihavanja.V čisti vodi pride do močne koalescence - zlepljanja mehurčkov, s čimer se poslabša prestopnost. V odpadni vodi čistilnih naprav koalescenca zaradi praškov in detegentov, ki zmanjšujejo površinsko napetost, ni velika.


Primarno čiščenje – flotacija

Flotacija je postopek čiščenja odpadnih voda z ločevanjem kapljevite in trdne faze z naplavljanjem trdne faze na gladino vode.Ta postopek se izvajaz s spajanjem mehurčkov zraka in trdne substance. Tako nastali kosmi so lažji in se dvigajo na površje.

-hitrost flotacije v sodobnih sistemih je 300 mm/min-hitrost sedimentacije v klasičnih usedalnikih je cca30mm/min

Ta razlika omogoča doseganje enakih efektov izločanja v manjših volumnih bazenov !!!Za doseganje optimalnih flotaciskih pogojev, je potrebno v sistem dovajati optimalne količine zraka v obliki homogenega dispergiranega mehurčkastega toka.


Primarno čiščenje – obarjanje (koagulacija, flokulacija)

V primeru, da je sedimentacijska hitrost delcev premajhna, si pomaghamo s postopki koagulacije. To je postopek združevanja, tako da se lahko hitreje izločajo s sedimentacijo ali flotacijo.

Proces koagulacije je odvisen od od izbire koagulanta, to je snovi, ki pospešuje združevanje delcev. Koagulacija je v delu, ko se dodaja koagulantkemično čiščenje :

- aluminijev sulfat (Al2(SO4)3)-železov klorid (FeCl3)-sintetični polimeri

Proces bi v splošnem razdelili na:-mešanje suspenzije,-flokulacijo (kosmičenje) in-posedanje odnosno dviganje

Pri tem je mešanje primarnega pomena.


Primarno čiščenje – filtracija

V postopku filtracije se izločajo delci, ki jih ni bilo mogoče izločiti v predhodnjihpostopkih.Najpogostejši način je usmerjanje vode skozi porozne materiale različnih granulacij, sam postopek pa je najpogosteje gravitacijski.Prenosni mehanizem filtracije zajema:

-sedimentacijo v porah filtra,-vztrajnostne vplive,-difuzijo koloidov,-hidravlični upor in-molekularne sile (Brownovo gibanje,Van der Wallsove sile)

Granulacija filtrskega materiala se zmanjšuje v smeri pretoka. Sčasoma pride do zamašitve mikrostrukture filtra, kar ima za posledico zmanjšanje propustnosti filtra in povečanje pretočnih uporov. Obstajajo postopki čiščenja filtrov s povratnim tokom čiste vode. V skrajnem primeru prihaja do zamenjave filterskih vložkov. Izbira filterskega granulata in debelina plasti sta odvisna od zahtevane stopnje izločanja trdnih delcev iz odpadne vode.


Sekundarno čiščenje

Voda po primarnem čiščenju ne vsebuje suspendiranih organskih snovi, vsebuje pa veliko potrebo po kisiku BPK. Večinoma pri sekundarnem čiščenju uporabljamo biološke metode. V nadaljevanju si bomo ogledali (1) reaktorje in (2) sisteme reaktorjev za sekundarno čiščenje odpadnih vod. S sistemom reaktorjev razumemo več posameznih reaktorjev, povezanih zaporedno ali vzporedno v sistem.


Biološki parametri kvalitete voda

Biološki parameter kvalitete voda je indeks biološke pestrosti vodotokov in jezer, pri čemer sta množina organizmov posamezne vrste in število različnih vrst pokazatelja onesnaženja vodnega ekosistema.

Vsaka naravna voda vsebuje ogromno število bioloških sestavin, med katerimi so najpogostejše bakterije, protozoa in virusi. Še posebej neprimerni so patogeni mikroorganizmi, čeprav so lahko v določenih pogojih okolja tudi sicer nenevarni mikroorganizmi patogeni.

Prevelika količina bakterij v vodi (pitni, odpadni pred izlivom v vodotok) zahteva njihovo zmanjšanje. Pir čiščenju pitne vode se uportabljajo razni filtri in dezinfekcijska sredstva.Pri sistemih za čiščenje odpadnih vod kot končna stopnja v vsakem primeru nastopa sistem za odstranjevanje biomase (mikroorganizmi, ki sodelujejo v procesu čiščenja, neraztopljene suspendirane snovi ...).


Biološki parametri kvalitete voda

primer odpadne voda pred centrifugiranjem -združbe bakterij, flokule, trdni delci, ...

primer odpadne vode po centrifugiranju

nitrifikacijski reaktor elektronski mikroskop - bakterije


Sekundarno čiščenje – tipi reaktorjev

Poznamo veliko število različnih reaktorskih sistemov, ki jih lahko delimo na več načinov. Razširjena je delitev na reaktorje za aerobne in anerobne procese. Pogosto jih delimo tudi glede na to, ali je biomasa pritrjena ali ne. V tem primeru ločimo reaktorje s pritrjeno biomaso in reaktorje s suspendirano biomaso ali s kombinacijo obeh.

HRT – hidravlični zadrževalni čashydraulic retention time

SRT – zadrževalni čas blatasolids retention time

Biomasa je izraz, ki označuje mikroorganizme v odpadni vodi.

pilotna čistilna naprava CSTRs suspendirano biomaso


Reaktorji s suspendirano biomasoReaktor s popolnim premešanjem (Continuous stirred tank reaktor, CSTR )CSTR reaktor je poznan tudi pod imeni continuous flow stirred tank reaktor (CFSTR), backmix reaktor in completely mixed reaktor. Količina dotoka je enaka količini iztoka. Običajno ima vgrajena mešala, ki mešajo vsebino tako, da lahko trdimo, da je mešanje popolno, to je homogeno in trenutno. Vsak reaktant, ki vstopa v reaktor, je v trenutku porazdeljen enakomerno po vsej prostornini reaktorja. Zato

dotok

iztok

imajo vzorci iz vseh delov reaktorja enako sestavo, iztok pa je enak vsebini reaktorja. Za učinkovito čiščenje ta tip reaktorja zahteva dolg hidravlični zadrževalni čas, HRT (hidraulic retentiontime), saj nima posebnih sredstev za zadrževanje biomase. Zadrževanje blata, SRT (sludge retention time), ki je v tem primeru enak HRT, mora biti dovolj dolg, da pride do bioloških pretvorb. Lahko je aeroben ali anaeroben.


Reaktorji s suspendirano biomasoCevni reaktor (Plug-flow reaktor, PFR)

Cevni reaktor je preprosta cev, ki je lahko napolnjena s katalizatorjem ali s kakšnim drugim polnilom. Reaktanti (dotok) vstopajo kontinuirno na eni in izstopajo na drugi strani. Ime je reaktor dobil po predpostavki, da je profil hitrosti in koncentracije znotraj cevi po preseku v radialni smeri konstanten. Predpostavimo tudi, da ni mešanja v vzdolžni smeri in da se vsak del tekočine pretaka skozi reaktor v enakem redu glede na sosednje dele po celotnem reaktorju. Reaktor imenujemo tudi tubularali piston flow reaktor.

cevni reaktor – laguna z vodno lečo

presek


Reaktorji s suspendirano biomaso Šaržni reaktor (Batch reaktor)

CSTR in PFR sta oba kontinuirna reaktorja, kjer sta HRT in SRT enaka. Šaržnireaktorji pa nimajo stalnega dotoka čez cel cikel. Običajno jih v trenutku napolnemo, počakamo, da pride do reakcije, nato pa izpraznimo. Tudi pri šaržnem reaktorju predpostavimo idealno mešanje. Zato je hitrost pretvorbe neodvisna od mesta v reaktorju in se koncentracija spreminja samo s časom.

polnjenje reakcija usedanje praznjenje

dotokiztok


Reaktorji s suspendirano biomaso Reaktor z muljno posteljico (Upflow anaerobic sludge blanket, UASB)

Je anaeroben reaktor, ki uporablja suspendirano rast biomase. Najpomembneje je, da so pogoji v reaktorju taki, da nastajajo velike, lahko usedljive granule, ki dovoljujejo izredno visoke koncentracije suspendirane trdne snovi (20-30 g/l kot VSS). To omogoča znatno razliko med SRT in HRT in delovanje pri HRT en do dva dni.Dotok vstopa na dnu reaktorja skozi distribucijski sistem po celotnem dnu reaktorja. V spodnjem delu reaktorja nastane gosto blato granul, kjer poteka intenzivno čiščenje odpadne vode. V nekaterih primerih nastane nad granuliranim blatom še nekoliko manj gost del, ki ga tvorijo flokule blata.

flokule aktivnega blata

granule aktivnega blata

odvišno aktivnoblato

dotok

iztok

plin separatorplin -tekočina -trdnasnov

Vertikalno dvigajoči se tok gre iz pasu granul in flokul v separator plina, tekočine in trdne snovi. Delčki biomase nato padajo nazaj v plast mulja. S tem je zagotovljeno tudi njegovo mešanje, kar preprečuje neželjenokanaliziranje odplake.


Reaktorji s pritrjeno biomaso

Pri teh reaktorjih je mikrobna biomasa vezana na trdno površino, zato ni potrebno vračati izgubljene biomase, da bi ohranili zadostno količino mikroorganizmov. Glede na nosilno površino, na katero so pritrjeni mikroorganizmi in njeno gibanje v mediju ločimo:

- fiksiran sloj (fixed bed): nosilna površina, na kateri so nosilci biomase, je stacionarna. Odpadna voda potuje skozi površino in jo obliva.- gibajoči sloj (moving bed): nosilni sloj je prosto plavajoč v reaktorju in se giblje skupaj z odpadno vodo.

precejalnik


Reaktorji s pritrjeno biomasoAnaerobni filter, AF

So pretočni anaerobni reaktorji, napolnjeni s plastičnim, mineralnim ali drugim nosilnim materialom z veliko površino. To pomeni, da se bo aktivna biomasa ob vzpostavljanju biološkega procesa deloma vezala nanj v obliki mikrobnega biofilma, deloma pa bo ostajala v flokulirani obliki, ujeta v medprostorih. Delež pritrjene rasti je razmeroma majhen. Polnilo deluje tudi kot nekakšen separator oziroma usedalnik, služi pa tudi kot separator plin/trdna snov. Svežo odplako črpamo v reaktor pri dnu, razgradnja pa teče skozi ves aktivni volumen.Obdelana odpadna voda odteka v prelivu na vrhu, kjer lahko ločeno izstopa tudi plin. Proces je srednje učinkovit, rad kanalizira in se pogosto maši, zato ni primeren za odpadne vode z večjimi količinami suspendiranih snovi.

d o to k

m e d ij

iz to k

p l inre c ik e l


Precejalniki (Trickling filters)

Precejevalniki so precej podobni filtrom, le da je dotok odpadne vode na vrhu.Aktivna biomasa je fiksirana v tankem sloju na površini nosilca, ki je običajno oblikovan vzdolžno v obliki lamel. Precejalnik sestavlja še ventilacijski sistem za doziranje zraka in drenažni sistem. Precejalniki pogosto zahtevajo usedalnik, ki loči biomaso od iztoka. Če uporabljamo precejevalnike za nitrifikacijo, zaradi nizkega prirasta usedalnik običajno ni potreben. Precejalnike uporabljamo za čiščenje različnih vrst odpadnih vod. Lahko jih uporabljamo za predčiščenje močno obremenjenih vod, skupaj s sistemom, ki uporablja suspendirano biomaso, pa tudi za čiščenje komunalnih vod (za doseganje nizkih koncentracij v iztoku je včasih potrebno dodati še sistem s suspendirano biomaso), skupaj z oksidacijo ogljika ali samo za nitrifikacijo.

D o to k

Iz to kZ ra kk k

D ren až a


Reaktorji s fluidiziranim slojem (fluidized bed) in reakorji z razširjeno plastjo (expanded bed)

So anaerobni sistemi s pritrjeno rastjo z malo ali nič suspendirane rasti. Nosilci so običajno silica, aktivno oglje ali pesek. V tem primeru je mikrobna združba fiksirana v tankem sloju na prosto plavajočih inertnih nosilcih. Kot UASB je tudi ta reaktor pretočni, vendar so hitrosti veliko večje, zato je zadrževanje suspendirane biomase minimalno. Biodelce podpira tok, ki teče navzgor, zato se premikajo prosto v toku. Nekateri imajo še separatorje plin/trdna faza. V primeru, ko razširjena plast ne presega 30% aktivnega volumna reaktorja, govorimo o reaktorju z razširjeno, ekspandirano plastjo. Pri močnejšem mešanju, ko presega višina razširjene plasti 50 % reaktorja pa je to reakor z vrtinčeno, fluidizirano plastjo.

d o to k

flu id iz iran a -raz š ir jen ap o s te ljic a

m ed ij in b io m asa n asep a ra c ijo

iz sep a rac ije

iz to k

p linrec ik e l


Rotirajoči biološki kontaktor (Rotating biological contactor, RBC)

Rotirajoči biološki kontaktor je bioreaktor s pritrjeno biomaso, ki ga v osnovi sestavlja os na kateri so nameščene okrogle plošče in pogonski del. Sistem je delno potopljen v odpadno vodo, običajno okrog 40%, in se vrti z enim do dvema obratoma v minuti. Na ta način so deli izmenično izpostavljeni odpadni vodi in kisiku v atmosferi. Površino plošč obrastejo mikroorganizmi, ki se prehranjujejo z organskimi snovmi in nutrienti v odpadni vodi. Na površini plošč pritrjeni mikroorganizmi tvorijo biofilm, ki je lahko debelejši ali tanjši, rahlejši ali trdnejši po sestavi in različen po barvi. Debelina biofilma se ob konstantnem dotoku odpadne vode stalno povečuje in ko se poveča do te mere, da je onemogočen prenos kisika skozi celo plast, prične na tem mestu biofilm odstopati od površine. Odluščene plasti biofilma skupaj s prečiščeno odpadno vodo odtekajo v usedalnik. Če je obremenitev z razgradljivimi organskimi snovmi nizka, rastejo v RBC tudi nitrificirajoče bakterije, ki pretvarjajo amonijev dušik v nitrat. V primeru posebnih izvedb RBC je možno doseči tudi denitrifikacijo, pretvorbo nitrata v atmosferski dušik.


Dotok

Iztok

Zrak

Hrana

blato

Raz.produkti

RBCPokrov

Nutrienti


Sistemi z več reaktorji

V sistemih z več reaktorji lahko v različnih reaktorjih dosežemo drugačne pogoje. Na ta način v različnih reaktorjih poteka razgradnja različnih snovi. Najpogosteje kombiniramo odstranjevanje ogljikovih in dušikovih spojin. Za vsakega od navedenih procesov lahko uporabimo poseben reaktor, lahko pa razgradnja ogljikovih spojin in nitrifikacija potekata v istem reaktorju.

V primerih, ko želimo odstranjevati zelo strupene snovi, so reaktorji drugačni, večinoma manjši, ker je običajno zelo strupenih snovi po količini mnogo manj kot ogljikovih in dušikovih spojin. Daleč najuspešneje se znebimo močno strupenih snovi v iztoku industrijskih vod tako, da spremenimo proizvodni proces.

Sistemi z več reaktorji – raznolikost bioloških procesov

razgradnja ogljikovih spojin aerobno, anaerobno↓

nitrifikacija aerobno, brez prisotnosti ogljikovih spojin↓

denitrifikacija anaerobno, potrebna prisotnost ogljikovih spojin

Biomasa v CSTR reaktorju, ki je deloval kot kontrolni denitrifikacijski reaktor (K), denitrifikacijki reaktor z

Pri biološki razgradnji ogljikovih spojin so hrana bakterijam ogljikove spojine, pri nitrifikaciji amoniak, pri denitrifikaciji pa zopet ogljikove spojine, ki jih jepotrebno dodajati. Produkt nitrifikacije (večinoma nitrat) je elektronski akceptor in se pretvori v N2. dodatkom metanola (M), natr. acetata (Ac), surove

prašičje gnojevke (C) in nitrifikacijski (N) reaktor.



Sistemi z več reaktorji – CSTR reaktor s povratkom

Najpreprostejši sistem je CSTR reaktor s povratkom (reciklom). Namen povratka je povečati koncentracijo aktivnega blata v reaktorju. Rezultat je povečana starost blata, saj se sedaj SRT in HRT razlikujeta. Na ta način je mogoče v reaktorju akumulirati biomaso, sestavljeno iz hitro in počasi rastočih mikroorganizmov (brez povratka se počasi rastoči mikroorganizmi iz reaktorja izperejo). To je zelo pomembno za lastnosti usedanja in flokulacije. Povratek omogoča nastanek zelo velikih flokulbiomase. Zaradi velikih flokul je okolje v veliki flokuli na različnih mestih različno. Najpomembnejša je razlika v koncentzraciji kisika. V zunanjosti flokule je zaradi difuzije koncentracija kisika velika in tam najdemo aerobne bakterije. V notranjosti zaradi majhne difuzije kisika in aerobnih bakterij v zunanjih plasteh kisika ni. V notranjosti se zato razvijejo anaerobne bakterije, s čimer lahko poteka t.i.simultana denitrifikacija. To je drugi možni način poteka različnih biokemijskih pretvorb (poleg sistema z več reaktorji poleg usedalnika).

Povratno blato

Odvečno blato


Sistemi z več reaktorji – anaerobni-anoksični-oksični proces (AA/O)

Odpadna voda najprej priteče v anaerobni mešalni reaktor, kjer pride ob popolni odsotnosti kisika do pretvorbe težje razgradljivih snovi v lažje razgradljive, ki se porabljajo v anoksičnem reaktorju. Tu teče tudi odstranjevnje fosforja. V anoksičnem reaktorju teče ob stalnem mešanju in odsotnosti kisika denitrifikacijaoziroma pretvorba nitrata v elementarni dušik. V aerobnem bazenu teče nitrifikacija, kjer nastaja ob prisotnosti kisika (nad 2 mg/l) iz amonijskega dušika nitrat, ki ga vračamo nazaj v anoksični reaktor. Na koncu bazenov je usedalnik, kjer se aktivno blato vrača v anaerobni reaktor. Recikel aktivnega blata je običajno količinsko enak dotoku odpadne vode,notranji recikel pa se regulira glede na željenostopnjo odstranitve nitrata in je običajno enak 2 do 5 kratnikoličini dotoka.

Ano AerAna

Recirkulacija

Povratno blato

Odvečnoblato


Sistemi z več reaktorji – cevni reaktor za odstranjevanje dušika

Ta reaktor je tehnološko podoben reaktorju AA/O s to razliko, da vse poteka v enem bazenu, posamezne faze pa so medseboj ločene s pregradami. Izvedbeni parametri so odvisni od načina ločitve, vendar so podobnega velikostnega reda kot pri AA/O procesu.

Recirkulacija

Anoxičnacona

Aerobnacona

Povratno blato


Sistemi z več reaktorji – sistem odstranjevanja dušika z izmenjavo faz

Pri tem sisitemu se izmenjujeta aerobna in anoksična faza, pri čemer dosežemo sprotno denitrifikacijo. Denitrifikacija poteka optimalno zaradi dovolj visoke koncentracije ogljika, ki priteka s svežo odpadno vodo. Na ta način se izognemo nitratnemu reciklu. Istočasno je stopnja recirkulacije vode bistveno večja (20 do 60 krat), kar poveča učinek denitrifikacije. V primerjavi z drugimi sistemi čiščenja, kjer je potrebno v aerobnem reaktorju vzdrževativsaj 2 mg O2 /l, zadošča pri tem procesu koncentracija kisika le 0.5 mg O2/l. Zaradi zgoraj naštetih dejstev lahko precej zmanjšamo obratovalne stroške.

Anaerobnacona

Anoksična(Aerobnacona)

Aerobna(Anoksičnacona)


Sistemi z več reaktorji – modificiran Ludzak-Ettinger (MLE) in BARDENPHO proces

Pri MLE procesu dosežemo dobro nitrifikacijo in dokaj dobro stopnjo denitrifikacije, ker jo poganja lahko biorazgradljiv substrat v dotoku odpadne vode. Nadaljnje zmanjševanje nitrata s tem procesom ni možno, ker je potrebno nitrat prečrpavati nazaj v anoksično cono. Pretoki recikla so običajno dva do štirikrat večji kot dotok. Dodatno znižanje izstopnih koncentracij dušika dosežemo, če dodamo zaporedno šesekundarno anoksično in majhno aerobno stopnjo, kar imenujemo Bardenphoproces.

ANX AER

dotok

iztok

recirkulacija

anx aer anx aer

iztok

MLE

BARDENPHO

hidroenergetski sistemi uvodno predavanjelab.fs.uni-lj.si/lvts/datoteke/hidroenergetski...

Documents