03.11.2014
Hidroelektrik Santraller
Elektrik Tesisleri Hidroelektrik
Santraller Formüller
Herhangi bir suyun enerjisinden istifade ederek
elektrik enerjisi elde etmek için kurulan santrallere
‘Hidroelektrik Santral’ denir.
Hidroelektrik santrallerde,
Potansiyel enerji
Mekanik Enerji
Elektrik
Enerjisi
Yükseklik Farklarının Gösterilmesi;
Burada ;
• Hb, her kg. suyun kaynak ve deniz tarafındaki
noktalar arasında kalan potansiyel enerjidir.
• Ho, net düşü ise, her kg. suyun türbinden
geçerken türbine bıraktığı enerjidir.
1
03.11.2014
Girişteki büyüklüklerin indisini (1) ile ve çıkıştakileri (2) ile gösterirsek;
• H1 girişteki her kg. suyun toplam enerjisi olsun ve H2’de çıkıştaki
toplam enerji olsun.
• Z1 türbin giriş noktasının kotu ve Z2 türbin çıkış noktasının kotu iken
ve C1 ve C2 suyun giriş ve çıkıştaki mutlak hızları iken P1 ve P2 de
basıncı gösteriyorken;
• Suyun enerjisini arttırmak için tulumba yada pompa gibi
düzenekler kullanılabilir.
• Bunun için monometrik basma yüksekliği önemlidir.
• Bir pompanın içinden geçen her kg sıvının pompaya girişindeki
basınç konum ve kinetik enerjinin toplamıyla, sıvının tulumbadan
çıktığı andaki toplam enerjisi arasındaki artışa “monometrik
basma yüksekliği” denilir.
• Bunu bulmak için;
• Her kg. başına suyun türbine bırakıldığı enerji için ;
• Burada g=9,81 m/sn^2 yerçekimi ivmesi ve α kg/m3
özgül ağırlıktır.
• Ayrıca bu sistemlerde türbinlerde önemlidir.
• Türbin milindeki efektif gücün, türbin içinden geçen
suyun türbine bırakabileceği maksimum güce
oranına “türbin verimi” denir ve ;
ile hesaplanır.
Net düşünün buhar beygiri cinsinden
• formülü kullanılır.
• Görüldüğü gibi türbine bırakılan enerjinin tersidir.
• Tulumbalarda
terimi sıfır alınmaktadır.
• Orta büyüklükteki türbinlerde verim ; 0,85-0,90
• Büyük türbinlerde verim ; 0,91-0,93
• Küçük türbinlerde verim ; 0,8’dir.
Türbinlerde verim düşmesi oluşan hidrolik, mekanik ve kaçak kayıplar
yüzündedir.
Kaçaklar nedeniyle debi ile değişmektedir.
Buna göre kaçak verimi;
şeklinde hesaplanır.
• Türbin milindeki efektif güç ise verim formülüne
göre;
İle hesaplanabilir.
2
03.11.2014
• Çarkın türbin miline ilettiği güçteki kayıplar
nedeniyle mekanik verim
• Ayrıca hesaplarda
verim içinde
den bulunabilir.
Ne; türbin milindeki efektif gücü
N’e; çarkın türbin miline ilettiği güç
Çarka Q’ debisi girdiğinde çarktan elde edilen
güç,
• Formülü kullanabilir.
• Ve tüm bunlarda türbinin genel verimi
bahsedilen
hidrolik
• Olarak bulunabilir.
Den bulunabilir.
• Türbinin özgül hızını bulmak için;
Özgül hız, özellikle uygulamada türbin tipini belirlemek
için kullanılmaktadır.
Özgül hız, 1metrelik net düşüyle maksimum verim
koşulları altında, 1 buhar beygir efektif güç veren
türbinin dakikadaki devir sayısıdır. ns ile gösterilir.
üç grupta türbinleri toplayabilir.
• n:devir sayısı
• Ne:efektif güç
• Ho: net düşü( artarsa özgül hız düşer)
1) ns=2-35 d/dk olan tek püskürtümlü Pelton türbinleri
(yüksek düşü >300 m)
2) ns=70-500 d/dk olan Francis türbinleri (orta düşü
30m-300m)
3) ns=380-1200 d/dk olan Kablon ve Uskur türbinleri
(alçak düşü<30 m)
•
3
03.11.2014
Bundan sonra;
ifadesinde
Yazılırsa;
Halini alır.
Burada n, devir sayısı ve Ne,efektif güç sabit
alınıp, Ho artırılırsa özgül hız değerinin
düştüğü görülmektedir.
Kanal içerisindeki akışa ait sıvı iplikçiği
• Ho= 1 atm, Ne= 1 B.B ve n=ns değerinde sahip türbine ‘özgül
türbin’ denilir.
• Su türbinlerinde su çarka enerji vermekte olup, çarkın
kazandığı güç Nh ile gösterilirse;
• Olur.
• Burada 1 indisi çark girişini, 2 indisi çıkışını ifade eder.
• cu1 ve cu2 hızların teğet istikametindeki bileşkelerini ifade
eder.
• Ve U1=w.r1, U2=w.r2 olur.
• r1,2 sıvı iplikçiğinin eksenden uzaklığını, w ise
açısal hızı ifade eder.
• B.B. Cinsinden
halini alır.
İfadedeki türbin verim formülünce verilen kayıpları (kaçak,
mekanik ve hidrolik kayıpları ) türbin içinden geçen suyun bir
kısım enerjisi karşılanabiliyor.
Bu durumda
olduğundan ve çark içindeki Q’ su debisi ile gücü elde
edileceğinden;
4
03.11.2014
Türbinlerin Sınıflandırılması
• Su türbinleri iki gruptur.
• Pelton türbinlerini kapsayan tesir türbinleri ile Francis ve Kaplan türbinlerini
kapsayan aksi tesir türbinleri’dir.
• Birinci grupta, suyun toplam enerjisinin çarka girmeden önce kinetik enerji
şekline çevrilmesi ve çarkları sadece bu hız enerjisinden faydalanması
esastır.
• Diğer tipte ise, suyun çarka girişi ve çarktan çıkışı atmosfer basıncından farklı
değerlerdir.
• Tesir türbinleri atmosfer basıncındadır. Türbindeki aksi tesir derecesi
h/Ho’dan bulunur.
• Önceden Ho’ın formülü biliniyordu.
• Burada
• Aksi tesir derecesi p=h/Ho olur.
• Pelton türbinlerinde sıfır olan o değer diğer türbinlerde 0-1 arasındadır.
• Bu durumda kinetik enerji;
Kavitasyon
• Hareket halindeki su zerrecikleri, buharlaşma basıncından
daha düşük bir ortamdan geçerken buhar haline döner.
• Oluşan buhar suyun sürükleyici etkisiyle hareketine devam
eder ve buharlaşma basıncından daha büyük basınçlı bir
ortam geldiğinde yoğunlaşır.
• Bu yoğunlaşma ani meydana geldiği için yoğunlaşan buhar
zerresinin etrafındaki su ortaya çıkan boşluğa hareket
ettiğinden, suyun boşluğu doldurması sırasında diğer su
kütlelerine veya boşluğu çevreleyen civarlara çarpması
sonucu gürültü oluşur.
• Ayrıca ani basınç yükselmelerine neden olarak basınç
dalgasının etrafa yayılmasına sebep olur. Uzun süre basınç
dalgası tekrarlarsa kavitasyon meydana gelir.
• Reaksiyon türbinlerinde, çark kanatlarının çıkış kenarlarıyla
yayıcı başlangıcına yakın döner ve sabit kısımlar kavitasyona
çok müsait yerlerdir.
• Bu gibi yerlerde konstrüksiyona özel şekiller verilerek
kavitasyonun azaltılması söz konusudur.
• olur.
• Thoma’nın kendi ismiyle anılan kavitasyon katsayısı; HatHb-Hs/Ho ‘den bulunur.
• Burada atmosferik basınç yüksekliğinden buharlaşma
basınç yüksekliği ve yayıcı yükseklik değerleri çıkarılıp, net
düşüye bölünmesiyle elde edilir.
• Bir hidrolik santralde kullanılacak türbinin kavitasyon
yapmaması için, tesisin kavitasyon katsayısının, türbinin
kritik kavitasyon katsayısından büyük olması gereklidir.
• Kritik kavitasyon katsayısı; Hat-Hb-Hsmax/Ho’ dan elde
edilir.
• Hsmax, maximum yayıcı yüksekliğidir.
• Hb buharlaşma basıncı yüksekliği için sıcaklık bilinmelidir.
• Çünkü sıcaklıkla basınç artmaktadır.
• Böylece kavitasyon katsayısı düşer. Katsayıyı ayarlamak için
en geçerli yol yayıcı yüksekliktir. Yükseklik azaltılarak
kavitasyon önlenebilir.
• Kavitasyon; gürültü, titreşim ve verimdeki ani
değişiklerle kendini belli eder.
• Ayrıca maruz kalan malzeme süngerleşir. %18 Cr ve %8
Ni ihtiva eden paslanmaz çelik kavitasyona karşı
dayanıklıdır.
• Kullanılan alaşımın yanı sıra düz ve pürüzsüz yüzeyler,
akımın cidardan ayrılmasını önleyici profiller,
malzemenin yüzey sertleşmesi ve maruz kaldığı termik
işlemler de kavitasyonun tesirlerini azaltır.
• Bunlardan başka kavitasyonun tahribatı çok fazla
ilerlemeden türbini sık sık bakıma almak ve hasar gören
kısımları
kaynaklarla
doldurmak,
kavitasyon
bölgesinden önce sıvı içerisine az miktarda hava
vermek, küçük ilavelerle ve konstrüksiyonda yapılacak
değişiklerle yayıcıdan akışı daha düzgün hale getirerek
yük kaybını arttırmak da önleyici tedbirler arasındadır
5
03.11.2014
Pelton Türbinleri
• Türbinlerde suyun basınç, kinetik ve konum enerjisinden
faydalanılır.
• Pelton türbinleri suyun sadece kinetik enerjisinden faydalanan bir
tesir türbinidir.
• Aksi tesir derecesi p=0 ‘dır. Pelton türbinleri genellikle yüksek
düşü ve küçük debiler için uygundur.
• Düşü yükseklikleri 300 m’den fazladır.
• Yüksek basınçlı su, atmosfer basıncına püskürtülerek elde edilen
yüksek hızlı su jetinin kinetik enerjisinden faydalanılır. Bir
enjektörden püskürtülen su, üzerinde kepçeleri olan bir çarkın
kepçelerine çarpar ve oluşan mekanik enerji türbin miline geçirilir.
• Kepçeler verimi etkiler.
• Kepçe şekilleri ile oynanarak verim %91’lere kadar arttırılmıştır.
• Türbin debisi püskürtücü sayısına bölüneceğinden, her
püskürtücüye karşı gelen güç değerleri de aynı miktarda azalır.
• Cebri boruların arazide ağırlıklarından dolayı
koymaması için olabildiğince düz ve sabit
mesnetlerde tutturulmuş olmalarına dikkat
edilebilir.
• Pelton türbinleri püskürtücü, saptırıcı ve çarkı
ünitelerinden oluşmaktadır. Püskürtücüler
cebri borularla yüksek basınç ve düşük hızla
gelen suyun basıncını atmosfer basıncına
inecek şekilde bir su seti oluştururlar ve bu su
setini türbin çarkına uygun bir şekilde
püskürtürler. Püskürtücü içindeki iğne yardımı
ile, iğnenin ileri geri hareket etmesiyle normal
çalışma koşullarında suyun debisi ayarlanır.
• Ne toplam türbin gücü, Ns türbin özgül hızı ve Z püskürtücü sayısı iken;
püskürtücüye düşen güç; Ne/Z olur.
• Bu durumda püskürtücü özgül hızı ise;
•
olarak türbin özgül hızının püskürtücü sayısının kareköküne bölümünden
bulunur.
Pelton türbinlerinde genelde ns=2-30 d/dk arasındadır.
• Özgül hız formülündeki Ho büyük olursa, n ve Ne sabit kalmak şartıyla ns
azalır.
• Ayrıca su alma ağzından türbinlere kadar cebri borularla taşınan suyun
basıncı yük kayıpları nedeniyle ve dolayısıyla brüt ve net düşü arası farkın
artması nedeniyle azalıp toplam verimi düşürecektir.
• Cebri boruları kısaltarak ya da bom çapı artırılarak verim arttırılabilir ve
maliyet düşürülebilir. Ancak bu durumda da borularda yüksek basınç
problemi çıkabilir.
• Bu amaçla boru çapı küçültülüp sayı 2’ye çıkarılarak istenen verim elde
edilmeye çalışılabilir. Ya da türbine yakınındaki boruların çapları küçültülerek
sonuca varılabilir.
• Su jetinin debisinde ani azalmalara gerek
duyulduğunda, çarka giden su miktarının bir
kısmını saptırarak çarkı besleyen debi değerinde
ani azalmalar saptırıcı yardımıyla gerçekleştirilir.
• Püskürtücünün debiyi aniden kısması su
darbelerini ve cebri borular içerisinde yüksek
basınç oluşturacağı için, saptırıcılar kullanılır.
• Çarkın çevresinde kepçeler vardır ve bu
püskürtücünün oluşturduğu su jetinin kinetik
enerjisini alarak bu enerjiyi mile çevirir.
• Püskürtücüde su basıncı maksimum olduğu için,
mukavemet ve sızdırmazlık çok önemlidir. İğnenin
durumu püskürtücü gövdesinin konstrüksiyona ve
formuna tesir eden en önemli faktördür.
6
03.11.2014
• Püskürtücünün verimi; su jetinin gerçek debisi
Q ve çapı do ile gösterilirse;
•
boru verimi su hızı
• İğne açıklığı ve iğnedeki sürtünme kayıpları
verimi etkilemektedir.
• Su jetindeki su hızı, türbinin Ho net düşüsü ile
püskürtücünün hız katsayısına bağlıdır.
Genelde Pelton türbinlerinde hız katsayısı 0,96
ile 0,98 arasındadır.
• Pelton türbinlerde çark çevresi boyunca yerleştirilen
kepçelerin boyutları su jetinin do çapıyla orantılı olarak tespit
edilir.
Uygulamada çark üzerindeki kepçe sayısı
• dan bulunur.
• Burada
• Do; çarkın su jeti eksenine teğet olan dairesinin çapı ve do;
öncedende bilindiği gibi su jetinin çapıdır.
• Uygulamada; 1/100<do/Do<1/6 seçilmeye çalışılır.
• Tersi durumlarda suyun katedeceği mesafe artacağından su
jeti dağılacak ve bu durum verim üzerinde olumsuzluklar
oluşturur.
• Veya kepçeler içinde oluş şartlar, kepçe başına debinin büyük
olması nedeniyle, verim düşecektir.
• Buna göre;
Saptırıcılar sadece ani debi değişmesi gereken
durumlarda püskürtücü ile kepçe arasındaki su
jetine etki ederek gereken miktardaki suyu
saptırmak suretiyle debiyi azaltan bir ünitedir.
Su jetinin düzgünlüğü muhafaza edebilmesi için,
püskürtücü ile kepçe arasındaki mesafenin
minimum olması gerekmektedir.
Ancak böyle bir durumda saptırıcının
yerleştirilmesinde bazı problemler çıkabilmektedir.
• Önceden verilen su iplikçiğinin değeri;
• ve benzer şekilde türbinin Q debisi;
• Formülü ile bulunur.
• Türbinin genel verimi belli ise türbin gücü;
• İle bulunur.
7
03.11.2014
• Çark kepçelerinin sürüklenme hızı ise;
Burada
ku;çarkın hız katsayısıdır.
Buradaki çarkın n devir sayısı ise;
• Bütün bu değerler ns özgül hız formülünde
yerine konulur ve sabitler birleştirilirse;
Burada
• ku;çarkın hız katsayısıdır.
• Buradaki çarkın n devir sayısı ise;
FRANCİS TÜRBİNLERİ
• Bu türbinlerde özgül hız 45-550 d/dk arasında olup, bir reaksiyon
türbinleridir.
• Düşü yükseklikleri 300 m kadar olabilmektedir.
• Çok geniş bir kullanım alanı olan bu türbinlerde suyun çark
kepçelerine giriş ve çıkışından oluşan basınç farkının
büyüklüğünden faydalanılır.
• Büyük güçteki Francis türbinleri dik, küçük güçtekiler ise yatay
eksenli çalışılır. Bu türbinler su girişine göre de açık su odalı ve
salyangozlu olarak ikiye ayrılırlar.
• Hem yatay eksenli olan, hemde açık su odalı olanlar duvar tipi
adını da alırlar.
• Açık odalı su türbinlerinde suyun bütün çark çevresi boyunca çarka
uygun bir şekilde sevk edilmesi söz konusu olduğundan salyangoza
ihtiyaç yoktur.
• Su odasında suyun üst seviyesi atmosfere açık olduğundan cebri
bom donanımına da gerek yoktur. Dolayısıyla maliyet düşer.
• Salyangoz reaksiyon türbinlerinde cebri borulardan türbine
gelen suyu, türbin, dağıtıcı kanatları çevresine eşit basınç ve
debi oranı altında dağıtarak türbin çarkının tüm çevresi boyunca
her an eşit ve debi ile beslenebilmesini sağlar.
• Genel olarak salyangoz, cebri borunun devamı gibi
düşünülebilir.
• Suyu bütün dağıtıcı kanatlarına dağıtabilmek için, cebri borunun
dağıtıcı çevresine sarılmalıdır.
• Salyangozlar adi veya çelik dökümden, betondan ve kaynaklı
veya perçinli saçlardan yapılabilir. Hız katsayısı 0,2-0,3
arasındadır.
• Saç ve beton salyangozlar imalat tekniği ve kolaylığı
bakımından daha büyük boyutlarda yapılabildiğinden bu tip
salyangozlarda hız 2-3 m/sn arasında tutulmalıdır. İmalatçılar
beton salyangozlar için;
• hızını tavsiye eder.
8
03.11.2014
• Beton salyangozların çalışma düşüleri 40-50 m arasında olup daha yüksek
düşülerde beton içi saçla kaplanır. Salyangozun giriş çapı
• formülünden bulunabilir.
• Salyangozla hareketli dağıtıcı kanatlar arasında sabit kanatlar bulunur. Bu
kanatlara ön dağıtıcılar denilir.
• Bunlar suyun dağıtıcı kanatlara düzgün girmesini sağlayarak dağıtıcı
kanatların çalışmasını kolaylaştırırlar. Küçük türbinlerde olmazlar.
• Sürtünme nedeniyle ilave yük kaybına neden olurlar. Bunların tavan desteği
vazifesi gördükleri dağıtıcı kanatlar, bütün çevre boyunca debinin eşit
kalmasını sağlayarak, türbin çarkına ek bir hız sağlarlar.
• Eğer türbin gözünde değişiklik yapılacaksa, buda dağıtıcı kanatlar vasıtasıyla
yapılır. Bu amaçla su geçiş kesiti değiştirilerek debi ile oynanır.
• Dağıtıcı kanatların kapatılması sırasında büyük kuvvetlere maruz kalarak
zorlanması veya kırılmasını önlemek için kırılacak noktalara özel şekiller
verilir ve bu noktaların türbin dışında olmasına dikkat edilir.
• Böylece kırıldığında değiştirilmeleri kolay ve ucuz olur. Dağıtıcı kanatların
dönüşünün kendi eksenleri etrafında olması amacıyla bir çembere
tutturulmaları sağlanır.
• Çember bir serro motorla döndürülür ve onun hızıyla su debisi ayarlanır.
• Özgül türbin için n=ns ise hız katsayısı;
• Buradaki ns, Ne, U ve n için önceden verilen formüller
yerine konursa özgül hız;
• Bu ifadede km, D çapına karşılık gelen hız katsayısıdır. D,
çapı; D1, türbin giriş çapı yada D2, türbin çıkış çapı
alınabilir. Bu çaptan maksimum geçecek debi;
• Francis türbinlerde çarklar; döküm veya kaynatılmış çelik yüzeyler
şeklinde dökme denir, çelik veya bronzdan yapılabilir. Kavitasyon
noktaları krom ve nikelli sert alaşımlarla kaplanır.
• Özgül hızı 70-400 d/dk arasında değişir.
• Hız katsayısını;
İle bulabiliriz.
Özgül türbinde Ho=1 m idi. Bu durumda;
Sürüklenme hızı;
Den bulunabilir.
• Ancak türbinlerde geçebilecek debiyi
belirlemek için Φ debi katsayısı kullanılır ve
debi;
Bunu özgül hız formülünde yerleştirirsek,
Halini alır. Kısaltmalarla;
Olur.
9
03.11.2014
• Yayıcı (difüzör); reaksiyon türbinlerinde , türbin
çarkı ile boşaltma kanalı arasındaki bağlantıyı
sağlayarak, türbin çarkından çıkan suyu boşaltma
kanalına sev keder ve türbin çarkının çıkışında,
atmosfer basıncının altında düşük bir basınç
oluşturur.
• Yayıcıda, sürtünme nedeniyle bir yük kaybı oluşur.
Yayıcıdaki basınçlar göz önüne alındığında çark
çıkışında en düşük basıncın olduğu ve yayıcı
boyunca bu basıncın artarak yayıcı çıkışında en
yüksek değeri aldığı ve boşaltma kanalı serbest su
yüzeyinde de atmosfer basıncına eşit olduğu
görülür.
• Çalışma prensibi ise türbin çarkından çıkan suyun hızını
azaltmak ve basıncını yükseltmek için kesitin genişlemesi
şeklindedir.
• Türbin çıkışında yer alan yayıcılar düz ve dirsekli yayıcılar
olmak üzere iki tiptir.
• Küçük özgül hıza sahip Francis türbinlerinde düz yayıcılar
kullanılır. Düz yayıcılarda yayıcı yüksekliği ile yayıcı boyu
birbirine çok yakın olduğundan uzun bir yayıcı boyu
gerektiğinden boşaltma kanalının derinleştirilmesi tesis
maliyetini artırır.
• Bu nedenle yayıcı yüksekliğinin sonunda bir dirsekle suyun
akış yönü değiştirilir. Yatay eksenli reaksiyon türbinlerinde
de dirsekli yayıcılar kullanılır.
• Yayıcı boyunun uzun olması gereken yüksek özgül hızlı
Francis ve Kaplan tipi türbinlerde büyük boyutlara ihtiyaç
duyulduğunda dirsekten akışı düzenlemek için sabit sevk
kanatları kullanılır.
Kaplon Türbinleri
• Özgül hız değeri ns=450 d/dk’dan büyük değerler için
kullanılırlar.
• Alçak düşülerde debi yeterince büyük olduğundan
güçleri büyük yapılabilmektedir.
• Yükün azalıp çoğalmasına karşı çabuk uyum sağlarlar ve
verimleride yüksektir. 5
• 0 m ye kadar olan düşülerde bile kullanılabilirler.
• Genellikle düşey eksenlidir.
• Net düşü değeri küçük olduğundan bütün çark
çevresine eşit hız ve basınç dağılışını zorunlu
kılmaktadır. Yayıcı yüksekliğinin küçük ama yayıcı
uzunluğunun fazla olması nedeniyle tüm düşey milli
Kaplan türbinlerinde dirsekli yayıcı kullanılır.
• Francis türbinlerin hız artışına uygun olarak
taban çemberinin ortadan kalkması ile uskurlu
türbinler oluşur. Bu türbinlerde çark kanatları
pala adını alır ve diğer taraftan gövdeye
bağlıdırlar.
• Eğer hidrolik santrallerde birden fazla türbin
kullanılacaksa bunlardan biri kaplan biri uskur
olmalıdır. Yük değişimine kaplan türbinleri ve
güç farklarına da uskur türbinleri cevap verir.
10
Download

elektrik tesisleri hidroelektrik santaller