142VVE - Využití vodní energie

Created by Nikol Vypior (osobní/personal)

Poznámky a příprava ke zkoušce na ČVUT FSv

#energie, #práce, #průtok, #spád, #stavební inženýrství, #turbína, #vodní energie, #vodní hospodářství, #vodní stavby, #využití vodní energie, #výkon, #účinnost

vtokové víry

zvyšování ztrát, nerovnoměrné rychlostní pole, strhávání vzduchu, tlakové pulzace

Konstrukční řešení, objekty

výrobní a provozní objekty

strojovna

montážní prostor

savka

• sací trouba
• efektivní odvádění vody od oběžného kola reakční turbíny
• u akčních není
• lze kolo umisťovat nad i pod hladinu dolní vody - využívá hrubý spád
• nahoře osový posuv nehmotného "pístu"
• dole podtlak odpovídající sloupci vody pod pístem, který jej přisává

usazovák

ztráty spádu a objemu

vtokový objekt

• jímání vody v požadované kvalitě a kvantitě
• minimální ztráty
• odstranění splavenin
• volitelně - usazovák s proplachem, odstranění plavenin
• beztlakové / tlakové
• vtokový práh, norná stěna, hrubé česle, jemné česle
• čistící stroje
•  

coanda

účinky splavenin

• Ohrožuje provoz hydro energetických děl nejen na klasických štěrkonosných tocích, ale i na tocích českého masivu
• Při přívalových deštích dochází k intenzivnímu smyvu a transportu spláví různého typu
• nánosy je potřebné vytěžit
• Periodická kontrola a občasné vyčištění
•  

abraze

• ve vodě částečky, které obrušují hydraulické plochy
• při velkých rychlostech stačí malinké zrníčko

beztlakové

přivaděče

derivační přivaděč

provizorní hrazení a uzávěrů, drážky

Mimořádné provozní stavy

tlakové

odpady

štoly

velmi malý podélný sklon

Rozvaděč turbíny

pomocí natáčivých rozváděcích lopatek průtok reakčními turbínami

přívádí vodu k oběžnému kolu turbíny určitou rychlostí a určitým směrem

Uzávěry vodních elektráren

nízké průtoky

• Elektrárna pracuje s minimálním efektem– může být i zcela odstavena, nezbavuje vlastníka povinnosti plnit podmínky vodohospodářského orgánu
• Je nutné manipulovat tak aby byly přítoky bez jakéhokoliv ovlivnění propouštění do toku pod dílem a nebyly zadržován
• Zvláštní pozornost no provzdušňování vody

šachty

šikmé nebo svislé

povodně

• Jsou hodně znamenají zvýšené namáhání a popřípadě i riziko poškození– výmoly nánosy poruchy opevnění
• Výskyt povodní často důvodem k odstavení soustrojí pro nedostatek spádu
• Nutné počítat IS tím že objekt bude po jistou dobu nepřístupný
• Nutno brát v potaz riziko výskytu extrémních přívalových povodních

zimní provoz

• Výskyt ledových jevů– ohrožují plynulost průtoku vzduchu a hlavně v jezových zdrží na konci vzdutí, narušují funkci v takových objektů, přivaděčů, popřípadě i odpadních kanálů od elektrárny
• Některé problémy se odhalí až za provozu
• Vytvoření trhliny lze napomoci záměrným snížením rychlosti proudění na začátku období mrazů pod hodnotu 0, 15 až 0, 20 m/s
•  

Čerpadla v turbínovém režimu

• při opačném směru otáčení obecně použitelná jako turbíny
• čerpadla v reverním režimu
• geometrie lopatek
  • difuzor - čerpadlo v čerpadlovém r.
  • konfuzor - v turbínovém r.
• výhody: dostupnost, rela. nízká cena, sériová výroba, 
• nevýhody: pevné lopatky rozvaděče, u axiálních i oběžného kola
•  

neustálené proudění

hydraulický ráz

Případ neustálého proudění

Vznikne náhlým uzavřením nebo otevřením uzávěru v dlouhém tlakovém potrubí nebo uzavřením nebo otevřením rozváděcích lopatek přetlakových turbín nebo jehly plno turbíny

Náhlá změna průtoku vyvolává náhlou změnu tlaku vody– tlaková vlna se šíří potrubím velkou rychlostí která se rovná rychlosti zvuku ve vodě

Fyzikální příčinou zvýšení nebo snížení tlaku je setrvačnost proudící vodní hmoty

Náhlým s menším nebo zastavením průtoku se tlak v potrubí nad uzávěrem zvýší o přírůstek delta p a kladná tlaková vlna začne postupovat od uzávěru směrem proti proudu až ke vtoku

Vyrovnávací komory

oscilace hladin - dolní a horní komory

• vyrovnává prudké rozdíl mezi průtokem vody který je přiváděn na turbínu dlouhým přivaděčem a průtokem který je turbína schopna zpracovat (horní)
• Rozděluje dlouhý přívod vody do elektrárny na poměrně dlouhých stolový přivaděč a poměrně krátké tlakové potrubí (horní, dolní)
• Zmenšuje výkyvy tlaku způsobené hydraulickým rázem který vyvolávají změny odběru turbín při náhlých změnách jejich zatížení
• zamezuje šíření tlakových vln od hydraulického rázu do horní části je tlakového přivaděče

1. náhle zmenšení odběru
2. Náhle zvětšení odběrů

Snímače

snímače elektrických veličin

snímače neelektrických veličin

• Měření teploty
  • dlouh čidla– tavná a bimetalová– při ohřevu rozepnou nebo spojí signalizační obvod
  • Kontaktní kapilárový teploměr i– jak ručičkové ukazování ta i kontaktní nebo analogový výstup pro potřeby automatiky
  • Odporový snímač s teploměrem
• Snímač tlaku
  • měřící tlaky absolutní nebo tlaky vůči vnější atmosféře popřípadě tlaky rozdílové
  • Manometry s přímým ukazováním měřené veličiny či 2 hodnotové nebo analogové signály
  • Regulátor tlaku– mans– tlak přenášen mechanicky na spínací soustavu, tlak proschnutí a spínací diference je možno seřídit stavěcími šroubky
  • Analogové čidlo– měří přetlak proti okolní atmosféře, měřené médium působí na nerezovou membránu která přenáší tlak na piezoelektrické čidlo
• Měření hladin
  • elektrodové zařízení– při zaplavení společné a snímací elektrody dojde k uzavření obvodu a sepnutí výstupní kontaktní jednotky
  • Analogové snímání– pomocí tlakových piezoelektrických snímačů
  • plováky
• Měření průtoku
  • nejčastěji pouze proude o znaky– zda dochází k proudění– různé mechanické principy či elektrický
• Snímání polohy
• Snímání otáček
  • analogový napěťový výstup tachogenerátorku
•  

oběžné kolo

lopatky

servomotor

trysky

dělení

• kašnové pro menší spády
• spirálové pro větší spády

Peltonova turbína

• tangenciální t., velké spády a nízké průtoky
• regulace výkonu umožněna změnou průtoku - osový posun jehly v dýze - servomotor - změna plochy
• deflektor - rychlý zásah
• parciální vtok

dělení dle polohy osy

• vertikální
• horizontální

Bánkiho turbína

radiální, s dvojnásobným průtokem, příčně protékaná (cross flow)

Francisova t.

• dostředivá radiální, radioaxiální

Kaplanova t.

• Mírná účinnost i při proměnlivém průtoku a spádu
• axiální

Turgo

vlastnosti Peltonovy, ale rychlejší otáčky

rozváděcí ústrojí pomocí dýz

Vrtulová, propelerová t.

vyrovnávací nádrž

• VE odebírající vodu z akumulační nádrže zpravidla špičkový provoz
• nárazově vysoký odtok

Kondenzátor

• Při použití asynchronních generátorů je požadována kompenzace odběru jalového výkonu ze sítě– prováděno většinou pevnými kondenzátory, praxi hovoříme o kompenzační baterii
• Zapojují se do trojfázových baterií s tím že jednotlivé kondenzátory jsou většinou zapojeny do trojúhelníku
• Sestava kondenzátorů a dalších pomocných zařízení– jisticích prvků spínacích prvků cz zlepšující poměry při spínání apodobně
• Je nutné regulovat velikost kompenzační baterie– používají se speciální regulátory jalového výkonu

Transformátor

• Převádí jednotky střídavé napětí na jiné o stejném kmitočtu - mění napětí střídavého proudu
• Velikost změny 1 napětí na jiné je dána převodem transformátoru– poměr vstupního primárního a vstupního sekundárního napětí
• Ztráty v transformátoru
• Transformátory v obvodech vlastní spotřeby– vážně malé jednofázové pro galvanické oddělení obvodů
• Na vývodech malých vodních elektráren jsou transformátory většinou třífázové o větším výkonu– velmi často olejové ve venkovním prostředí– transformátor ponořen v nádobě naplněné olejem který zajišťuje přenos tepla do chladičů kde je olej ochlazován

Rovnotlaké turbíny

• Celá tlaková měrná energie vody se mění (v zařízení pro přívod vody k běžnému kolu) v kinetickou měrnou energii
• Proud vody (volný paprske)působí na lopatky oběžného kola po celé délce stejným tlakem
• Průtočné kanály nejsou zcela vyplněny– oběžné kolo musí být umístěno nad hladinou dolní vody
• Označené nepřesně také jako akční
• například Peltonova nebo Bánkiho turbína

• lopatková kola - náraz vodního paprsku → rázové předávání energie
• plynulé najetí vodního proudu na lopatku - paprsek vlivem zakřivení lopatky mění dráhu a předává kinetickou energii
• co nejkratší let paprsku - udržení kompaktnosti
•  

Přímoproudá t.

Vodní čerpadlo

Přeměňuje mechanickou energii hřídele nebo pístu na mechanickou energii vody

rotační

pístový

Dériazova turbína

Přečerpávací VE

asynchronní

• Trojfázový indukční stroj s prostorově rozloženým statorových vinutí tím jednotlivých fází tak že v případě připojení na třífázovou síť bez tray vzniká točivé magnetické pole
• V případě že by došlo k synchronnímu otáčení rotoru s točivým polem statoru nebude v rotoru indukován potřebný budící proud– je potřebné a synchronní otáčení rotoru vůči točivému poli statoru
• V případě že otáčející se rotor je mechanicky zatěžovat mluvíme o asynchronním motoru
• V případě že naopak je rotor poháněn mluvíme o synchronním generátoru
• Aj synchronní stroj je mechanicky spojen s pohonnou jednotkou - vodní turbínou
• kruhový diagram asynchronního stroje

Vodní stroj

pístový

Přetlakové turbíny

• V kanálech rozváděcího kola se mění jen část tlakové měrné energie v kinetickou měrnou energii, přičemž zbývající (větší) část tlakové měrné energie se mění v měrnou energii kinetickou až při průchody vody o běžným kolem
• Tlak vody se od vtoku do kanálu o běžného kola směrem k výtoku zmenšuje čili je v nich přetlak

vodní soustrojí

dle přenosu energie

Reverzibílní turbíny

zdroje a distribuce: ČEZ, PRE, E.ON

Střídavý proud

3 fázová soustava, 50Hz, fáze posunuty o 120°

rotační magnetické pole

Evropská síť

přetížení → pokles frekvence

1. primární zdroje - pára
2. sekundární
3. terciální - VE

• cykličnost spotřeby - roční, týdenní, denní
• NN do 1000V
• VN nad 1000V

Způsoby provozu VE

• průběžná – bez akumulace
• pološpičková – malá akumulace
• špičková – větší akumulace
• přečerpávací – největší akumulace

vodní motor

mění mechanickou energii vody na mechanickou energii rotující hřídele nebo pístu

říční a derivační VE

• říční - při jezu nebo přehrady
• derivační - voda přechodně opustí koryto

vodní kolo

komutátor

mechanický usměrňovač

dynamo

U stejnosměrných strojů je uspořádání vždy takové že stroj má na statoru budící magnety a na rotoru kotvu

V kotvě indukovaný proud se usměrňuje na točícím se komutátoru

U malých jde nám na statoru permanentní magnety, u větších dynam elektromagnety

Hydroalternátor

• Více pólový synchronní elektrický rotační stroj který přeměňuje mechanickou energii hřídele vodního motoru na střídavý elektrický proud
• Magnetické pole rotoru se tvoří buzením stejnosměrným proudem který vyrábí budič jde

rotační

VE v síti

• regulace dodávaného výkonu
• spolupráce při regulaci frekvence a napětí - možnosti kompenzačního provozu
• schopnost najetí ze tmy při výpadku síti – v řádu sekund, na plný výkon v řádu minut
• přečerpávací a špičkové VE – záloha výkonu pro případ výpadku jiného zdroje

vodní turbína

Rotační vodní motor jehož rotující částí je lopatkové oběžné kolo které mu voda předává svoji mechanickou energii– kinetickou, tlakovou nebo obojí

dle průtoku vzhledem k hřídeli

ERÚ - energetický regulační úřad

vydává cenová rozhodnutí

ČEPS

Česká energetická přenosová soustava

• přenos energie mezi zeměmi - 400 a 220kV
• udržování kvality, výkonová rovnováha, obnovení provozu, dispečerské řízení,

• primární regulační veiličina je frekvence = 50 Hz

VE start během sekund, plný výkon za cca 2-3 sekundy

synchronní

•  
• Czc vinutím a geometrické rozložení takové že při napájení třífázovým napětím sítě vytváří točivé magnetické pole
• VV podstatě stejnosměrný elektromagnet který synchronně sleduje magnetické pole statoru a tady s ním synchronně otáčí
• Stejnosměrný elektromagnet je napájen z obvodů stejnosměrného napětí který nazýváme budícími obvody
• Takřka výhradně mi zdroje elektrické energie ve velkých elektrárnác
• hlavním důvodem jejich instalace v minulosti byla možnost provozu elektrárny nezávisle na provozu napájecí sítě → práce nezávisle na síti, či paralelně
  • turbína musí udržovat synchronní otáčky generátoru tak aby nedocházelo ani se změnou zatížení ke změnám otáček generátoru– zajišťuje regulátor turbíny– přivírá nebo otvírá turbínu
• základním konstrukční rozdíl jednotlivých strojů o stejném výkonu a napětí je v počtu synchronních otáček
•  
•  

Návrh

dle polohy hřídele

• vertikální
• horizontální
• šikmé

Jednotkové parametry

D = 1m, E = 1 J/kg, rhó = 1 kg/m3

EES = elektroenergetický systém

DDZ = diagram denního zatížení elektroenergosystému

tempomat v autě

Vodní energie NEVÝHODY

• vysoké investiční náklady, dlouhá výstavba
• výroba dle hydrologické situace a množství akumulované vody
• zatopené oblasti při výstavbě nádrží, sociální aspekty
• stojatá voda – komáři, ovlivnění chodu splavenin
• zaplavení ekologicky hodnotného území, ztráta vody výparem

Frekvenční měnič

• Mění síťové napětí konstantní frekvence a amplitudy na napětí variabilní frekvence a amplitudy → tím je umožněna plynulá regulace otáček elektrických točivých strojů
• Nepřímým měnič nejprve proud usměrní a poté je schopen vyrábět střídavý proud v širokém rozmezí frekvencí rozšíří 
• umožňuje optimalizovat pro provoz turbosoustrojí plynulou změnou otáček a přizpůsobit otáčky aktuálním provozním potřebám

charakteristiky turbín

Parametry turbín

• spád, průtok
• provozní otáčky
• výkon, účinnost

Kavitace

• Nepříznivé jevy při proudění vody které jsou vyvolány podtlaky → vznik a zánik dutin vyplněných parami a plyny 
• Způsobují narušování obdobných materiálů - napadení a rozrušování konstrukčních materiálů
• kultur bin vznik podtlaku poto běžným kolem turbíny umožňuje zvýšit využití kinetické energie proudu vody– proto se dnes dokonce navrhují savky turbíny které podtlaky po turbínou zvětšují
• Kavitační mez– nesmí být překročena

Vodní energie VÝHODY

• obnovitelný zdroj, zdarma – poplatky za nakládání s vodou
• vysoká účinnost převodu – až 93% účinnost
• dlouhá životnost zařízení – turbíny 50-100 let
• jednoduchá a spolehlivá technologie
• nízké provozní náklady
• možnost akumulace energie
• rychlost naběhnutí zdroje (desítky s – minuty) = nezastupitelná fce pro elektrickou soustavu
• možnost startu do tmy při výpadku
• VD mají i jiné využití – plavba, rekreace, další odběry, apod.
• ochrana ŽP – neprodukuje emise a odpady
• zlepšení ŽP – akumulace vody, vliv na kvalitu, mikroklima, zvýšení HPV, apod.

hlavní

pracovní

ENERGETICKÁ SOUSTAVA

univerzální

dynamické chování sítě

dráty 50Hz

sinus

hydraul. ztráty v přivaděči

hydraulická energie

kapacita drátů vs. jistící prvky

hydraul. ztráty v turbíně

turbína → mechanická energie

regulátor

objemové ztráty v turbíně

ztráty v generátoru a transformaci

mechanické ztráty v turbíně

setrvačník

generátor → elektrická energie

převod

• ozubené
• řemenové
• spojení hřídelů

Ejekce

hltnost turbíny

hltnost turbíny Q_H = největší možný průtok turbínou

jmenovitá hltnost Q_jm = maximální průtok turbínou při jmenovitém spádu tj. při pádu při němž je největší účinnost

průběžná VE

• nízkotlaký závod
• není akumulace (jezová drž)
• hydrologickým podkladem je čára trvání průtoků (překročení) za rok průměrně vodný, suchý
• konsumpční křivka koryta, řád manipulace s jezem

→ přidružená čára trvání spádů H(Q)

1. typ turbíny
2. hltnost (obvykle Q120-Q90)
3. počet turbín
4. příslušné spády k průtokům (návrhový spád) → rozměry turbíny, počty lopatek → počet otáček (Q a H optimální)
5. obrazec rozdělování průtoků na turbíny
6. koeficient účinnosti dle univerzální provozní charakteristiky pro jednotlivé průtoky

• Za vysokých povodní může spád klesnout natolik, že turbína už není schopná podat výkon → nulový výkon i za velkých průtocích!

BILANCE MEZI VÝROBOU A SPOTŘEBOU

Ovlivňování spádu

• Ejekcí - částečné zvýšení spádu i při zmenšujícím se H
• Prohrábkou dna - výstupky způsobují vzdutí (dolní vody) 

čára trvání spádu, rozdělení průtoků, získatelné výkony

Regulace průtoku při konstantních otáčkách → změna účinnosti

spotřeba jinde než vedle řeky

ELEKTRICKÁ energie

Maximaliazce součinu QH

• koncentrace spádu

vliv účinnosti a počtu turbín

• Preferuje se více turbín (prodobně jako převody na převodovce)
• zplacatění křivky

využití DOPRAVY

účinnost: Univerzální provozní charakteristika typu turbíny

spotřeba co nejblíže

voda je těžká

Výpočet roční výroby

vodní kolo na vodním toku

využití přeměny na MECHANICKOU energii

Přeměna pomocí turbíny a elektrického generátoru (hydroalternátor)

dochází ke ztrátám

→ účinnost stroje

účinnost generátoru 0,95-0,96, 

Výkon turbíny

Roční výkon

Stanovíme P střední [kW]

Vypočítáme várobu za čas: E = P * t [kWh]

Doba ročního využití instalovaného výkonu: T = E/Pt [h]

Věta o hybnosti proudící tekutiny

Eulerovy pohybové rovnice

rovnice kontinuity

Energie před vybudováním jezu

Energie po výstabě jezu

Spády

čistý spád = provozní spád - odečtení hydraulických ztrát kromě ztrát v turbíně

se ztrátami i v turbíně → užitečný spád

jmenovitý spád -  nejlepší hydraulické vlastnosti

setrvačnost proudící hmoty

silový účinek volného paprsku

působení na zakřivenou lopatku - reakce téměř 2x větší než na kolmou desku

Přípravné práce a podklady

1.  Výběr lokality - na podkladě předběžného ohodnocení
2. Projektová příprava

Projektová příprava

• požadavky a podmínky státní správy vodního hospodářství
• topografické podklady
• hydrologické údaje, geologické, geotechnické
• údaje o jakosti vody
• mapové podklady + tachymetrie nebo vhodně zvolené příčné profily
• podklady geofondu + doplňující průzkum in situ - vrty, geofyzikální metody + účinky vzduté vody
• ekonomické hledisko - ceny turbín, generátorů, stavebně montážních prací

rejda plavební komory

• horní a dolní
• ohlaví dělící zdi namáháno - velká kontrakce vodního proudu s vírovou oblastí
• příčné proudění u vstupu do rejdy
• podemílání dělící zdi
• ukládání splavenin a plavenin → tvorba nánosů v dolní rejdě

Výběr a předběžné zhodnocení lokality

• ocenění vhodnosti realizace MVE
• hydroenergetika
• okolnosti - majetko-právní, technicko-vodohospodářské, ochrana přírody, památkové péče, stanoviska veřejnosti, možné střety zájmů
• vztahy a možnosti v lokalitě
• podklady o spádových a průtokových poměrech
•  

Koncepční a dispoziční řešení MVE

• víceúčelové využití vodních toků
• vodní dílo → vodní doprava, VE, odběry vody, ochrana okolního území proti povodním, zlepšení čistoty vody, rekreace

AKUMULACE elektrické energie

parní elektrárna

účinnost 30%, přijdu o energii fázové přeměny

Zpracování výroby v časové řadě

Vyšší nominální průtok v delším období → zvyšuji rizika

Vltavská kaskáda min 40m3/s

Klasifikace VE

• dle instalovaného výkonu
• dle získaného spádu
• dle charakteru pracovního režimu
• dle umístění strojovny
• dle uspořádání strojovny
• dle velikosti spádu
• dle řízení provozu
• dle hlediska provozovatele
• dle zapojení

přírodní zdroj energie

= všechny prmární zdroje, z nichž získáváme energii

1. vyčerpatelné - omezené zásoby: fosilní paliva pevná, tekutá a plynná
2. stále se obnovující - omezeno přírodními podmínkami: rostlinná paliva (dřevo)
3. nevyčerpatelné zdroje: sluneční záření, tepelná energie, vodní energie toků, energie mořského přílivu a odlivu, energie větru apod.
4. jaderná energie - např. řízeným rozpadem atmových jader v reaktoru

do produktů, kde se dá uložit

optimálně tam, kde nemůžu mít plyn,..

start "do tmy"

baterie → startér → motor

baterie (100A) → menší motor → motor

malé baterie → obrovská turbína

tlumení vibrací

• tlumení musí odpovídat vlastní frekvenci konstrukce
• nic není na pevno, i svazky kabelů odizolované

zdroje vodní energie

• nositel energie chemické, tepelné a zejm. mechanické
  • vznik solných roztoků, ovšem malá koncentrace roztoků
  • tepelný spád → termodynamické vytápění
  • mechanická energie - daná koloběhem vody
    • mech. energie atmosfér. srážek, mech. energii ledovců, mech. e. moří a oceánů, mech. e. vodních toků
      • atmosfér. srážky: 100 tis. km³ vody/rok na zemksý povrch - malá koncentrace, nerovnoměrné plošné a časové rozložení, nestálost intenzity
      • ledovce: obrovská hmotnost, ohrožuje mikroklima
      • mořské vlny (fialové uhlí): velká nerovnoměrnost, nepravidelnost, nestálost - plovoucí pontony a turbíny
      • příliv a odliv (modré uhlí): přitažlivost Měsíce a Slunce - cyklické kolísání hladin asi 4m, dosahují i 10m i 15-19m, reverzibilní vodní turbíny na cyklicky se vyskytujícím spádu - kompenzace nerovnoměrnosti ve spojitosti s přečerpáváním
        • odhaduje se na 1TW, využití částečné
        • St. Malo - 24 agregátů, celkem 240MW
        • vysoké náklady - až 3x větší než u VE na tocích
      • energie vodních toků (bílé uhlí)

Využití vodní energie = využití hydroenergetického potenciálu toků

Výhody (oproti fosilním palivům):

• trvalý zdroj energie - prakticky nevyčerpatelné
• čistý zdroj energie - neznečišťuje ovzduší, bezodpadový
• vlastní zdroj energie - nezávislé na zahraničí
• nízké investiční náklady, provozní náklady
• malá poruchovost, dlouhá životnost, vysoký počet provozních hodin
• nízký počet provozních pracovníků, automatizace
• nejlevnější zdroj jalové energie - zhospodárňuje chod spolupracujících elektráren a zmenšuje ztráty v síti vysokého napětí
• nové možnosti pro rekreaci
• přečerpávací vodní elektrárny - akumulátor energie

• doplňková, velmi kvalitní energie
• stupeň hydroenergetického využití ČR cca 35%
• 25% možné ve velkých a středních VE, 75% na MVE

Dělení vodních elektráren - dle instalovaného výkonu

obálka maxim a minim

hydrologie v roce

Vysokotlaké MVE

• užitné spády nad 50m a s malými průtoky
• dlouhý tlakový přivaděč s vyrovnávací komorou nebo nádrží - ochrana před rázovými jevy - a vhodný uzávěr na konci
• vtokový objekt na horní nádrži nebo odběrný objekt přímo na toku (+ lapač štěrku a usazovák písku)
• turbíny: Pelton, Bánki, Francis
• odpad zpravidla krátký

hliník

uloženo hodně elektřiny

recykláty plastů

návrh jezu na N-letý průtok (povodňový)

Citlivostní analýza

• S nominálním průtokem se zvyšuje výkon a roční výroba.
• Roční výroba ale začíná vadnout - nechceme blízko k počátku vadnutí
• Výroba dokonce začne klesat
• Najít extrém a jít vlevo od něj

ovlivněný úsek

karmánova vírová stezka

změna tlaku → změna zatížení

MVE

několikanásobně delší doba ekonomické životnosti, než je doba návratnosti prostředků

nejlevnější energie dodávaná do elektrizační soustavy

spouštění turbín na podzim → vodná zima a jaro

elektrizační soustava

Středotlaké MVE

VE přisazená k jezu

• součástí vzdouvacího profilu
• plavba na druhé straně

Orlík

z Kaplanek na Francis

pravděpodobně bude přečerpávací elektrárna

Hydrometeorologický ústav: Hydrologické poměry Československa 1. - 3. díl, Praha, 1970

přeměna energie

moment na hřídel → generátor → generování proudu

člěněná VE

• na každém břehu část
• historicky

VE na kanálu

• vepředu (na začátku) - hluboký kanál
• vzadu (na konci) - vysoký kanál
• uprostřed
• VE na zelené louce mimo řeku a objekt jezu

účinnost

Účinnost turbíny

ne z Hhor

ale ze spádu těsně před turbínou → Hnetto = Hhor - ztráty - Hdol

měření ztrát lepší - tlak

Jednotkové charakteristiky

Pro prorovnání turbín

n (otáčky), M (moment), Q, P (výkon), eta

n11 - spád a průměr jeden metr → umožňuje scalovat turbínu

D (průměr oběžného kola), H (spád)

Předpokládáme zachování účinnosti - ale není pravda, zhruba se ale počítá

eta lokality

Dlouhé Stráně

500m spád

Orlík

byli instalovány nesmyslně Kaplanky

nově 2 Francisovy a 2 reversibilní (pro budoucí přečerpávačku)

turbína 150m3/s, čerpadlo 110m3/s

provozní chakateristika

výkon

kde?

v generátoru?

před frekvenčním měničem?

partical works (Langrange)

oběžné kolo → tryska střílí antiperle → interakce antiperlí → každá způsobí nějakou interakci

Regulace průtoků

• ne škrcením - ztráty!
• axiální posun regulační jehly - měním plochu mezikruží (výtokové plochy)

typy olejů

Pneumatické systémy

návrh přivaděčů

přes Reynoldsova čísla ( zrychlosti z průtoku)

Turbíny

• Odstředivé turbíny, čerpadlový režim
• Objemové turbíny z našeho hlediska nedávají smysl
• Rozsah spádů od 2-2000m
• Rozdělení turbín pro určité spády - různé otáčky ← konstrukční problém
• osa otáčení → vertikální, horizontální

Hydraulické systémy

otevírám - zvyšuji otáčky, klesá H, roste Q

dává smysl provozovat jen do určitých otáček, teklo by mi zbytečně více vody

hmotnostní průtok ro*Q*v

hybnost

Hydraulický násobič

na základě Pascalova zákonu

Rozdělení turbín dle spádu a otáček

Typy čerpadel

Přečerpávací vodní elektrárny

Zjištění točivého momentu?

tenzometr

kolmatace dna

Opevnění prvků proti obrusu

• beton - obrušován
• obklady, pancíř,..

výtok ←→ vtok

• reversibilita
• zanoření pod dolní vodu - moderní stroje
• nechci širokou stavební jámu → blízko u břehu → ostré S - savka
• ne, generátor nejde dá pod turbínu
• sedimenty zespodu si tahám nahoru - nakldání s nimi může být složité
• jemný česle na obou stranách - dle režimu třeba zvedací
•  
•  
•  

samobuzené kmitání

Vzdouváme vodu pro odběr a nátok na VE

Peltonova turbína

• nízké specifické otáčky → velké spády, nízké průtoky
• rovnotlaká - akční turbína - využívá pouze kinetickou složku energie
• průtok nezávislý na otáčkách
• průběžné otá
• přerušená čára energie, tlaková
• jednotlivé trysky (jednotryskové, dvoutryskové), symetrické lopatky
• chromniklová ocel - 
• litím, poté obráběné; kované kvalitnější (do zápustku)
• chytáme paprsek do lopatky → voda tlačí (kontury tlaku - tlak*plocha*normálový vektor) → (uhlova rychlost*moment = výkon)
• čerpadlo, v potrubí vzduch, stlačí se, po vyletění z trysky "bouchne" → chceme se všude vyhnout

Trysky:

• Paprsek můžeme v případě havárie odvést, poté pomalu uzavřít trysku (ochrana proti rázům)
• Lineární pružina

Na oběžném kole (průměr 3m třeba) připevněn setrvačník ← kompenzace lopatkové frekvence - není konstantní přenost

• Ty největší → vertikální (svislá osa otáčení) - ložiskování, centrování,..

•  Přívodní potrubí uzavíratelné kulovým uzávěrem - visí na čepu, těsnění má nějaký chod - otevřeno a těsnění je povolené, uavřu a těsnění se nafoukne a přicucne, jeden z nejtěsnějších uzávěrů.

• Podesta, rošt pod turbínou kvůli servisu, kolejnice
• výměna oběžného kola - (kavitace) + malé mechanické částečky - lze potlačit, ne eliminovat
• pískování - na mokro nebo na sucho

• svislá hřídel
• nahoře turbína, hřídelová spojka (zubová), dole čerpadlo
• hřídelová spojka: aby se netočilo čerpadlem při turbínovém režimu

• účinnost trysek - různé při daném Q, H a při určitém počtu
• čím menší paprsek, tím dříve se rozpadne

Vyvážení - statické (osa otáčení prochází těžištěm) a dynamické ("zjištění 3D elipsy průřezu" - elipsa setrvačnosti - elipsoid) - osa otáčením ≠ osa elipsoidu

Francisova turbína

• špičková účinnost placatá

Polyprepylen, polyethylen

lze svařovat, nelze spolu

PP vs. PE 

Kritéria

• Průtok - Francis více vody, Peltonka velká
• Křivky účinnosti - hodně mašin - nevadí špičatá účinnost - jedna mašina - radši Peltonka
• Peltonka - protirázová ochrana (tripový problém - vylítne trafo,...), nad maximální provozní hladinou (dolní) - přichází ztráta, snazší výměna trysek (sedimenty)
• Francis - dávám tam, kde mi to dovolí kavitace (u velkých spádů dost nízko), složitá výměna (celkové rozebrání)
• Cena celkové realizace - Franciska dražší, ale ostatní potřebuje menší, ale zase mnohem níže

Strouhalovo číslo

https://dml.cz/bitstream/handle/10338.dmlcz/141072/PokrokyMFA_46-2001-2_3.pdf

https://www.vut.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=213637

Vtokový objekt

• špatné natékání
• obtékání pilířů → vír → strhávání vzduchu
• správné natékání na česle

situační umístění

• za vnějším obloukem
• podpoření spirálového proudění výstavbou výmolů → podpoření proudění konkrétním směrem na rovném toku
• skluz před, nebere sedimenty - ale ztráta spádu

• Nejbližší pole u vtoku jako propláchovák (sand sluice)
• Vtok vybeven dnovým prahem (apron) - definuje sedimentační prostor - zpevněný
  • může být dutý → proplachovací kanálky
  • braní sunutému materiálu
• ve štěrkové - propustný uzávěr
• hrubé česle, nějak podepřené
  • na (možná) horní straně - norná stěna (skimmer wall) - pochozí lávka pro zajištění manipulace
    • řešení čištění
• jemné česle - nerez, pozink
  • vždy, zásadní ochrana
  • ekologové: jaká smí být světlá šířka
    • dříve 5cm a nyní 2cm?..
  • profilované pásy
  • Ztráty - dle tvaru, tloušťky a mezery, náklon ve směru toku (svislé se těžko čistí)
    • čím více ukloněné, tím menší ztráta
  • úplně zablokované nečistotami → hradící konsktrukce → nesmí se provalit
    • nebo zavírat mašinu, musí být možnost uzavřít
  • vlastní frekvence
• druhý práh a proplachovací stavítko, kanál pro písek
• přívodní kanál - možnost alespoň provizorního hrazení
• některé části mohu vynechat - záleží na kvalitě vody

Čistící stroje jemných česlí

Kunz firma

Sedimentace (Stokes)

Weberovo číslo

Tlakové vtokové objekty

• hodně hrubé česle
• předpokádáme, že bez sedimentace
•  

Měření průtoku metdou tlak a čas = Gibsonova metoda

• hydraulický ráz po uzavření - trvá než se utlumí
• když známe charakterisitiky zjistíme průtok
• "jen" jedna rovnice