Projektovanje malih hidroelektrana
1. UVOD
1.1. Opšte o elektranama
Elektroenergetski sistem (EES) je skup elemenata ( generatori,
transformatori, vodovi), međusobno povezanih tako da čine jednu cjelinu.
slika.1.1.1. Blok dijagrama elektroenergetskog sistema
Kao što se vidi sa blok dijagrama da bi jedan elektroenergetski sistem
postojao i funkcionisao neophodno je obezbijediti pouzdanu proizvodnju
električne energije. Za proizvodnju električne energije grade se specijalna
postrojenja koja se nazivaju elektrane.
Električna energija, kao prelazni oblik, ima dvije bitne osobine: može se
proizvoditi samo u trenutku korišćenja i obratno, mora se isporučivati u strogo
utvrđenim granicama kvaliteta (napon, frekvencija). Iz ovih osobina slijedi
ključni postulat za funkcionisanje elektroenergetskog sistema (EES): u svakom
trenutku vremena mora biti zadovoljena jednakost:
proizvodnja električne
energije = potrošnja + gubici u prenosu.
Gornja jednakost ostvaruje se u složenim uslovima, prije svega
zato što
je potrošnja slučajna veličina i nestacionarna u vremenu. Postoji i
neuslkađenost između potrošnje energije i pogodnosti uslova za njenu
proizvodnju. Konačno, niz slučajnih događaja iznenada narušavaju ključni
navedeni postulat, a vrijeme do ponovnog uspostavljanja je reda nekoliko
sekundi.
Znači, elektrane u mješovitom EES moraju da proizvedu tačno određenu
količinu zahtijevane energije, a da se pritom ne zna koliki je taj zahtjev (u
količinskom smislu). EES mora da bude sposoban za neutralizaciju svih
slučajnih poremećaja u domenu proizvodnje, prenosa i potrošnje.
Primarnu funkciju za planiranje, dimenzionisanje i uklapanje elektrana u
elektroenergetski sitem ima
dijagram opterećenja
.
U opštem slučaju dijagram
opterećenja je funkcija promjene snage tokom vremena. Dijagram dnevnog
opterećenja defniše promjenu opterećenja tokom dana. Može se definisati i kao
dijagram dnevnog opterećenja potrošnje ili kao dijagram na pragu elektrane
koji je pogodniji za analizu jer uključuje sve gubitke u elektroenergetskom
sistemu.
Kao i dnevni dijagram opterećenja tako se rade i nedeljni i mjesečni
dijagrami opterećenja uz razgraničavanje energije na konstantnu i varijabilnu.
Godišnje opterećenje varira zbog superponiranja dva uticaja: porasta potrošnje
zbog razvoja konzuma i sezonske varijacije potrošnje.
1
Projektovanje malih hidroelektrana
slika 1.1.2. Dijagram dnevnog opterećenja
Svi navedeni dijagrami opterećenja služe za planiranje rada
elektroenergetskog sistema: uklapanje elektrana u EES, planiranje remonta,
rezervi, dimenzionisanje elektrana i dr.
1.2. Podjela elektrana
Prema vrsti energije koju pretvaraju u električnu može se izvršiti sledeća
podjela elektrane:
1. Elektrane koje koriste energiju vode – hidroelektrane,
2. Elektrane koje koriste hemijsku energiju organskih goriva (ugalj, gas,
nafta) – termoelektrane,
3. Elektrane koje koriste nuklearna goriva (uran, plutonijum) – atomske ili
nuklearne elektrane,
4. Elektrane koje koriste energiju sunca, vjetra, geotermalnih izvora itd.
Na osnovu ovoga može se izvršti i podjela izvora energije i to na
obnovljive (vjetar, voda, sunce) i na neobnovljive (ugalj, nafta, gas, nuklearna
goriva).
Na slici 1.2.1. dat je prikaz koliko koja elektrana učestvuje u ukupnoj
proizvodnji električne energije.
U savremenih elektroenergeskim sistemima rade različiti tipovi
elektrana:protočne i akumulacine hidroelektrane, termoelektrane u okviru
fabrika (energane), atomske elektrane i pumpno – akumulacine reverzibilne
hidroelektrane. Sve elektrane po svojim karakteristikama imaju svoje posebno
mjestu u dijagramima opterećenja.
2
Projektovanje malih hidroelektrana
slika 1.2.2.Načelo pokrivanja dijagrama dnevnog opterećenja jednog
potrošačkog područja
a)
havarijska rezerva
koja treba da prihvati veoma brzo opterećenje u
slučaju naglog ispada iz pogona nekog agregata,
b)
regulaciona rezerva
, namijenjena regulaciji frekvencije u uslovima
fluktuacije tražene energije.
Hladna rezerva
je snaga potpuno spremnih agregata koji trenutno ne
rade. Prevode se u pogon u slučaju ispada agregata koji su bili u pogonu radi
ponovnog ostvarenja neophodne rotirajuće energije u slučaju nepredvidivog
opterećenja, u slučaju kvarova i popravki agregata koji su bili u pogonu.
Najpogodnije za obezbeđenje hladne rezerve su hidroelektrane, jer se najbrže
mogu prevesti u pogon.
4
Projektovanje malih hidroelektrana
2.HIDROELEKTRANE
2.1. Tipovi hidroelektrana
Osnovna funkcija hidroelektrane je pretvaranje energije vodotoka u
električnu energiju uz što bolje iskorišćenje.
Način izgradnje hidroelektrane zavisi od sledećih uslova:
kompletnog iskorišćenja vodotoka sa aspekta hidroenergije
vodosnadbijebanja
navodnjavanja
topografskih i geografskih uslova
ekonomskih uslova
ekoloških uslova
pogonskih uslova
Generalno sve hidroelektrane se prema načinu rada mogu podijeliti na
dvije vrste i to:
protočne hidroelektrane,
akumulacione hidroelektrane
U sklopu akumulacionih hidroelektrana mogu se izgraditi pumpno –
akumulacione ili reverzibilne hidroelektrane (RHE), a sve u cilju što potpunijeg
iskorišćenja potencijala.
Uopšteno, tip hidroelektrane se može odrediti na osnovu dvije podjele:
prema načinu stvaranja pada,
prema položaju i konstrukciji mašinske zgrade.
2.1.1.Podjela prema načinu stvaranja pada
Postoji sledeća mogućnost koncentracije pada, odnoso sledeća podjela:
1. Pribranska šema, kada se pad realizuje isključivo branom,
2. Čista derivaciona šema, kada se pad koncentriše samo sa
dovodnom i odvodnom derivacijom,
3. Kombinovana šema, kada se pad postiže branom i derivacijom
4. Kombinovana šema, kada se pad postiže uz spuštanje donje vode
u zoni elektrane.
1) Pribranska šema
se primjenjuje po pravilu kod vodotoka sa većim
protokom i malim produženim padovima, odnosno kada su sužene mogućnosti
za izvršenje derivacije. Opseg padova je od 2m pa sve do gornjih granica
visokih brana. Moguća su dva rešenja: sa mašinskom zgradom u sastavu brane
i sa mašinskom zgradom koja je neposredno uz branu, ali kao izdvojeni
konstruktivni elemenat koji ne prima hidrostatičko opterećenje.
2) Čista derivaciona šema
, kod nje se koncentracija pada ostvaruje
samo na račun dovodne i odvodne derivacije. Skretanje rijeke se ostvaruje
niskim zahvatnim pragom, a zatim se derivacija vodi dovodom i odvodom sa
5
Projektovanje malih hidroelektrana
Elektrana ugrađena u tijelu gravitacione ili lučno gravitacione
brane
je varijanta riječne hidroelektrane za slučaj otežane evakuacije velikih
voda, kada je neophodno čitav proticajni profil iskoristiti za formiranje preliva.
Mašinska zgrada se nalazi u vidu kaverne u tijelu betonske brane. Činjenica da
mora da se oslabi presjek brane ograničava primjenu ovog tipa hidroelektrane
na padove veće od 50m.
Pribranska postrojenja srednjeg i visokog pritiska,
u slučaju da se na
brani koncentriše pad veći od 35m, ne može se mašinskoj zgradi povjeriti uloga
dijela brane, već se ona povlači na nizvodni dio brane, pretvarajući se u zasebni
elemenat hidročvora. U tim dispozicjama mašinska zgrada ne prima
hidrostatičko opterećenje od uspora, što je vrlo bitna razlika u odnosu na
riječne hidroelektrane. U dubokim kanjonima, kod postrojenja visokog prtiska,
mašinska zgrada se može smjestiti pod zemljom, kao što je učinjeno na
hidroelektrani Piva. Kompaktna dispozicija, sa kratkim čeličnim dovodima, bez
vodostaja daje tom postrojenju sve osobenosti pribranskog postrojenja, mada su
mašinska zgrada, transformatori pa čak i razvod smješteni pod zemljom u
neposrednoj blizini brane.
2.Hidroelektrane kod kojih je mašinska zgrada nije dio hidročvora brane
U raznim dispozicijama derivacionih hidroelektrana, mašinska zgrada ne
ulazi u sastav hidročvora, već se rešava potpuno nezavisno od brane. Kod ovih
hidroelektrana postoje sledeći karakteristični tipovi:
Derivacija tunelom i cjevovodima sa nadzemnom mašinskom
zgradom
. U ovoj dispoziciji karakteristične su zatvaračnice koje kontrolišu
čitavu derivaciju, a obavezan element je vodostan sa vodostanskim zatvaračem.
Primjer ovakve hidroelektrane je HE Bistrica.
Podzemne derivacione hidroelektrane
. Vodostan na dovodnoj
derivaciji je obavezan u dispoziciji tog tipa, dok je donji vodostan obavezan
kod onih postrojenja kod kojih se odvod realizuje tunelom pod pritiskom. U
šemama sa vodostanom na odvodnoj derivaciji najčešće se jedan vodostan
predviđa za dva do tri agregata. Zbog geotehničkih i ekonomskih razloga,
mašinska zgrada ovih hidroelektrana se maksimalno sažima. Da bi se smanjile
dimenzije mašinske zgrade, bira se i odgovarajuća oprema, turbine veće
brzohodnosti, sa manjim gabaritom čitavog agregata, dotur opreme u
djelovima, sve zbog smanjena visine hale za montažu. Primjeri takvih elektrana
su HE Dubrovnik, Hrvatska i HE Trebješnica, Republika Srpska.
3.Pumpno – akumulacione (reverzibilne) hidroelektrane
Pumpno – akumulacione
hidroeletrane ili reverzibilne hidroelektrane
su ona postrojenja u kojima se za proizvodnju električne energije koristi
potencijal ostvaren prethodnim pumpanjem vode iz donjeg u gornji
akumulacini basen. Imajući u vidu hidrauličke gubitke pada na derivaciji, kao i
koeficijent korisnog dejstva pri pumpanju u turbinskom režimu rada
hidroelektrane, na 1kWh proizvedene energije utroši se oko 1,3 do 1,35 kWh
energije za pumpanje. Dakle, reverzibilne elektrane su u bilansnom smislu
potrošač električne energije, čiji je smisao da omoguće prebacivanje energije iz
7
