Hidroelektrinė

LIETUVOS ŽEMĖS ŪKIO UNIVERSITETAS

LIETUVOS ŽEMĖS ŪKIO UNIVERSITETAS

Hidrotechnikos katedra

HIDROELEKTRINĖ

 AKADEMIJA, 2005

TURINYS

Užduotis 3

Įvadas 4

Bendroji dalis

Techniniai rodikliai 5

Hidromazgo charakteristikos 5

Tvenkinio charakteristikos 6

Hidrologiniai skaičiavimai

2.1 Vandens ištekliai 6

2.2 Vandens išteklių paskirstymas ir vidutiniai debitai 7

2.3 Gamtosauginis debitas 9

Vandens ūkio skaičiavimai

Vandens nuostoliai iš tvenkinio 10

Vandens debitas, galimas naudoti hidroenergetikai 10

Debito galimo naudoti hidroenergetikai, trukmių grafikai 11

4. Hidroenergetiniai skaičiavimai

4.1 Skaičiuotinis hidroelektrinės slėgio aukštis 14

4.2 Skaičiuotini hidroelektrinės debitai 14

4.3 Skaičiuotinė hidroelektrinės galia 14

4.4 Turbinų parinkimas 15

4.5 Naudingo tvenkinio tūrio analizė 18

4.5 Hidroelektrinės išdirbis 18

Hidroelektrinės projektavimas 21

Ekonominiai skaičiavimai 23

Literatūra 26

 ĮVADAS

              Visus energijos šaltinius galima suskirstyti į dvi pagrindines grupes:

        tradicinius;

        atsinaujinančius.

Tradiciniai energijos šaltiniai yra akmens anglis, nafta, branduolinis kuras ir kt. Atsinaujinantiems arba alternatyviems energijos šaltiniams priklauso saulės, vėjo, vandens, biomasės ir geoterminė energija. Lietuvoje viena ir plačiausiai naudojamų atsinaujinančių energijos šaltinių rūšių yra vandens arba hidroenergija. Dabar Lietuvoje elektros energiją gamina  Kruonio hidroakumuliacinė elektrinė (HAE), Kauno hidroelektrinė (HE) ir daugiau kaip 60 mažųjų hidroelektrinių. Ateityje hidroelektrinių statyba turėtų plėstis. Todėl būsimieji hidrotechnikos specialistai turi žinoti hidroenergetikos pagrindus, būti susipažinę su hidroelektrinių projektavimo principais, turėti supratimą apie pagrindinius hidroelektrinių įrenginius ir kt.

Kursiniame projekte yra:

        titulinis lapas;

        turinys;

        kursinio projekto užduotis;

        įvadas;

        aiškinamasis raštas su visais užduotyje nurodytais skyriais;

        išvados;

        brėžinys su projektuojamos hidroelektrinės planu ir pjūviais.

Darbo tikslas suprojektuoti mąžają HE prie jau esančio Šylių tvenkinio. Projektavimo esmė – Lietuvoje pastatyta daug tvenkinių, kurie be naudos praleidžia vadenį į žemutinį bjefą. Vandens gamtinę jėgą galima paversti pigia energija. Tvenkinio pradiniaiduomenys kursiniui skaičiuoti gaunami iš tvenkinių katalogo. Vandens ištekliams skaičiuoti taikoma hidrologinių skaičiavimų metodika kada nėra stebėjimo duomenų. Hidrologiniais skaičiavimais reikia apskaičiuoti nagrinėjamo baseino vandens išteklius, nuotėkio pasiskirstymą mėnesiais, vidutinius mėnesių debitus ir gamtosauginį debitą. Vandens ištekliai hidroenergetikos tikslams skaičiuojami vandeningiems 10%, vidutinio vandeningumo 50% ir sausiems metams 90%.

Apskaičiuotas Qg= 0,0472 m3/s, o iš duotų duomenų Tvenkinių kataloge Qg = 0,044 m3/s. Apskaičiuoti duomenys Qg labai tikslūs, todėl priimame Qg= 0,0472 m3/s. Kadangi vartotojų nėra, numatoma gamtosauginį debitą praleisti per turbinas. Galimas maksimalus hidroelektrinės debitas Qsk,max parenkamas atsižvelgiant į maksimalius pavasario potvynio debitus, o galimas minimalus Qsk,min – atsižvelgiant į gamtosauginį bei kitus minimalius debitus. Qsk,max=1,5 m3/s, Qsk,min=0,1 m3/s. Parenkama Kaplano tipo turbina 4-K-84. D=425mm, n=800 aps/min, Qmax= 0,7 m3/s, Qmin=0,3m3/s,hs =4m, Pmax=32 kW , Pmin=12 kW. Esant maksimaliam debitui naudingas tvenkinio tūris užpildomas per 1,4 paros, o esant minimaliam debitui – per 19,3 paros. Taigi hidroelektrinė per parą gali dirbti tik keletą valandų, o kitu laiku vanduo gali būti kaupiamas tvenkinyje. Be abejo, nedirbant hidroelektrinei į žemutinį bjefą būtina praleisti gamtosauginį debitą. Svarbiausi HE ekonominiai rodikliai yra statybos kaina, vienos kilovatvalandės savikaina ir HE statybos išlaidų atsipirkimo laikas. HE statybos išlaidų atsipirkimo laikas: T50%=9 metai. HE statyti tikslinga.

 Kituose kursinio projekto skyriuose nagrinėjami klausimai ,įvade neaptarti, pateikiami atitinkamuose skyriuose.

1.BENDROJI DALIS

1.1.  Techniniai rodikliai

Čia trumpai apibūdinama projektuojamos hidroelektrinės geografinė padėtis ir 1.1 lentelėje pateikiami pagrindiniai apskaičiuoti parametrai.

1.1  lentelė. Techniniai rodikliai

1.2.  Hidromazgo charakteristikos

Pirmiausia detaliau negu 1.1 skyrelyje pagal [1] pateikiama nagrinėjamo hidromazgo geografinė charakteristika, tvenkinys įrengtas Šilutės rajone, Gardamo seniūnijoje, Šylių kaime. Tvenkinio pavadinimas Šylių tvenkinys. Tvenkinys įrengtas ant Šusties upelio. Upės baseino plotas ties užtvanka 59 km2. Nuo žiočių iki užtvankos 19,70 km. Nagrinėjama upė yra Nemuno mažasis intakas. Esamą hidromazgą sudaro žemių užtvanka, aukštutiniame bjefe šachtinė perteklinė vandens pralaida su ištekėjimo dalimi žemutiniame bjefe. Savininkas Žemės ūkio skyrius. Tvenkinys pastatytas 1979 m. Projektuoto tvenkinio paskirties nėra, nenumatytas vandens naudojimas iš šio tvenkinio be hidroenergetikos. Dabar prie šio mazgo projektuojama hidroelektrinė.

Toliau pateikiamos žemių užtvankos ir potvynių vandens pralaidos charakteristikos.

Žemių užtvankos charakteristikos:

keteros altitudė                                               4,73   m;

keteros peraukštėjimas virš NPL                      1,8  m;

keteros peraukštėjimas virš AVL                      0,9 m;

didžiausias aukštis                               8,0 m;

keteros ilgis                                                       100,0 m;

keteros plotis                                                    9,0 m.

Potvynių vandens pralaidos charakteristikos :

tipas – šachtinė

medžiaga- gelžbetonis

slėgio aukštis                                       5,4 m;

skaičiuotinė tikimybė                                       1  ;

skaičiuotinis debitas                                          25,4 m3/s.

1.3.  Tvenkinio charakteristikos

Altitudės:

normalusis patvankos lygis NPL                      45,50  m;

maksimalusis patvankos lygis MaxPL  46,40 m;

minimalusis patvankos lygis MinPL                44,85 m.

Tvenkinio plotas ir tūriai esant NPL:

paviršiaus plotas                                              11,1  ha;

tūris                                                               216,6  tūkst.m3;

naudingas tūris                                                68,6  tūkst.m3;

naudingo tūrio sluoksnis                                   0,65 m.

2.HIDROLOGINIAI SKAIČIAVIMAI

Hidroelektrinės galia priklauso nuo dviejų pagrindinių parametrų – debito ir slėgio aukščio. Upės debitai tiek metų, tiek daugiamečiame laikotarpiuose gana smarkiai kinta, todėl, norint nustatyti charakteringus debitus, reikia atlikti hidrologinius skaičiavimus.

Priklausomai nuo to, kokie yra pradiniai duomenys, hidrologiniams skaičiavimams taikoma skirtinga skaičiavimo metodika. Yra trys pagrindinės hidrologinių charakteristikų skaičiavimo metodikos:

        pagal ilgalaikius hidrometrinius stebėjimus;

        pagal upę – analogą;

        neturint stebėjimo duomenų.

Tiksliausia ir patikimiausia skaičiavimo metodika yra pagal ilgalaikius  hidrometrinių stebėjimų duomenis. Kursiniame projekte galima taikysime paprastesnę ir mažiau imlią darbui metodiką, kada nėra stebėjimo duomenų.

Hidrologiniais skaičiavimais reikia apskaičiuoti nagrinėjamo baseino vandens išteklius, nuotėkio pasiskirstymą mėnesiais, vidutinius mėnesių debitus ir gamtosauginį debitą.

2.1. Vandens ištekliai

              Nuotėkio tūris, pratekantis skaičiuojamuoju  upės skerspjūviu per metus, vadinamas to baseino paviršinio vandens ištekliais. Vandens ištekliai hidroenergetikos tikslams skaičiuojami vandeningiems 10%, vidutinio vandeningumo 50% ir sausiems metams 90%. Vandens ištekliams skaičiuoti taikoma hidrologinių skaičiavimų metodika kada nėra stebėjimo duomenų. Tam tikslui naudojami izolinijų žemėlapiai, iš jų nustatoma nuotėkio norma, t.y. vidutinis daugiametis nuotėkio modulis. Vandens ištekliai apskaičiuojami pagal formulę:

                                                            106  m3;                                   (2.1)

W10 = 0,001 * 14,95 * 59 * 31,536 = 27,82 * 106 m3;

W50 = 0,001 * 11,5 * 59 * 31,536 = 21,40 * 106 m3;

W50 = 0,001 * 8,05 * 59 * 31,536 = 14,98 * 106 m3.

čia q0 – atitinkamos tikimybės metų vidutinis nuotėkio modulis, l/s km2,q0= 11,5 l/s km2;

     F – nagrinėjamo baseino plotas, km2, F= 59 km2;

     t – sekundžių skaičius metuose (t 31,536 106 s).

              Atitinkamos tikimybės metų vidutinis nuotėkio modulis apskaičiuojamas pagal formulę:

                                                                 l/s km2;                                            (2.2)

q10= 11,5 * 0,33 = 14,95 l/s km2;

q50= 11,5 * 0,98 = 11,5 l/s km2;

q90= 11,5 * 0,70 = 8,05 l/s km2.

čia q0 – nuotėkio norma, t.y. vidutinis daugiametis nuotėkio modulis,  l/s km2;

     Kx – atitinkamos tikimybės modulinis koeficientas.

              Nagrinėjamo baseino svorio centrui q0 nustatomas pagal nuotėkio normos izolinijų žemėlapį [2,p.3],

q0= 11,5 l/s km2.

              Kx nustatymui reikia žinoti variacijos ir asimetrijos koeficientus. Nagrinėjamo baseino svorio centrui variacijos koeficientas nustatomas iš vidutinio metinio debito variacijos koeficiento izolinijų žemėlapio [2,p.6] Cv= 0,26.Asimetrijos koeficientas priimamas:

                                                            Cs 2 Cv = 2 * 0,26=0,52                                                (2.3)

.

Pagal žinomus dydžius Cv, Cs ir tikimybę randamas Kx [2,p.4].

K10= 0,33;

K50=0,98;

K90=0,70.

2.2. Vandens išteklių pasiskirstymas ir vidutiniai debitai

              Žinant atitinkamos tikimybės vandens išteklius ties projektuojamahidroelektrine, galima apskaičiuoti jų pasiskirstymą mėnesiais ir vidutinius mėnesių debitus. Tam tikslui reikia nustatyti, kokiame nuotėkio pasiskirstymo rajone yra nagrinėjama upė. Nuotėkio pasiskirstymo rajonas nustatomas pagal Lietuvos mėnesio nuotėkio pasiskirstymo rajonų žemėlapį [2,p.7]. Skaičiavimams pasirenkamas to rajono procentinis nuotėkio pasiskirstymas [2,p.8,9]. Vidutinis mėnesio debitas apskaičiuojamas dalinant mėnesio nuotėkio tūrį iš mėnesio sekundžių skaičiaus. Vidutinis metų debitas randamas dalinant metų nuotėkio tūrį iš metų sekundžių skaičiaus. Skaičiavimai atliekami 2.1 lentelėje. 

2.1 lentelė. Vandens išteklių pasiskirstymas ir vidutiniai debitai

2.3. Gamtosauginis debitas

              Gamtosauginis vandens debitas yra skaičiuotinis minimalus upės vandens debitas, kuris reikalingas, kad būtų užtikrinamos minimalios ekosistemos gyvavimo sąlygos.

              Pagrindinė gamtosauginio debito charakteristika yra šiltojo metų laikotarpio (IV-X mėn.)   80    arba   95    tikimybės   30   sausiausių   dienų paeiliui   vidutinis   debitas

(Q30min 80 arba Q30min 95) [3,p.4].

              Upėms, kurių nuotėkis neišlygintas arba mažai išlygintas (natūralaus reguliavimo koeficientas ), gamtosauginis vandens debitas apskaičiuojamas pagal 80 tikimybę. Upėms, kurių nuotėkis vidutiniškai  arba visiškai išlygintas (natūralaus reguliavimo koeficientas , gamtosauginis vandens debitas apskaičiuojamas pagal 95 tikimybę.

              Natūralaus reguliavimo koeficientas nustatomas pagal [4,p.187] arba [5, p. 49-51].

ϕ = 0,52, natūralaus reguliavimo koeficientas parinktas pagal 80% tikimybę.

              Gamtosauginis debitas skaičiuojamas pagal formulę:

                                                            l/s;                                                         (2.4)

Qg= 0,73 * 21,2,0 = 47,2 l/s.

čia qg – 80 tikimybės minimalaus nuotėkio modulis, l/s km2;

     F – upės baseino plotas ties skaičiuojamuoju pjūviu, km2.

                                                  ;  l/s  km2;                                           (2.5)

gg =1,5 (-0,85 *0,55 +1)= 0,80 l/s  km2

čia q0 – vidutinis daugiametis šilto laikotarpio minimalaus nuotėkio modulis. Randamas pagal [2,p.10],  l/s km2. q0=1,5 l/s  km2.

              Fg – 80 tikimybės Fosterio funkcija;

              Cv – variacijos koeficientas, nustatomas pagal formulę:

                                                      ,                                                  (2.6)

Cv=0,65-0,58*lg1,5=0,55.

              Asimetrijos koeficientas parenkamasVakarų Lietuvos sritims taip:

                                                             ,                                                              (2.7)

Cs=2*0,55=1,1.

              Kokiai sričiai priklauso nagrinėjamas baseinas nustatoma pagal šilto laikotarpio minimalaus nuotėkio modulio izolinijų žemėlapį [2,p.10].

              Žinant Cs ir tikimybę randama Fg [2,p.5].

Išvada: Apskaičiuotas Qg= 0,0472 m3/s, o iš duotų duomenų Tvenkinių kataloge Qg = 0,044 m3/s. Apskaičiuoti duomenys Qg labai tikslūs, todėl priimame Qg= 0,0472 m3/s.

3.VANDENS ŪKIO SKAIČIAVIMAI

Vandens ūkio skaičiavimais reikia patikslinti kokį vandens debitą galima bus naudoti hidroenergetikai. Tam tikslui reikia įvertinti kitus vandens vartotojus, vartojančius vandenį iš to paties tvenkinio, nustatyti kaip bus praleidžiamas gamtosauginis debitas, t.y. ar jis bus praleidžiamas per turbinas ar specialius vandens praleidimo įrenginius, įvertinti vandens nuostolius iš tvenkinio ir tvenkinio vandens papildymą krituliais. Kadangi vartotojų nėra, numatoma gamtosauginį debitą praleisti per turbinas.

3.1.  Vandens nuostoliai iš tvenkinio

Vandens nuostolius iš tvenkinio sudaro:

        filtracijos nuostoliai;

       išgaravimo nuostoliai;

        nuostoliai dėl ledo susidarymo.

Be to vandens kiekis tvenkinyje papildomas kritulių vandeniu, tiesiogiai iškrentančiu į tvenkinį. Šias papildomas vandens pajamas taip pat reikia įvertinti.

Nuostoliai dėl ledo susidarymo nepriimami dėmesin, kadangi susidaręs tvenkinyje ledas jame ir ištirpsta.

Filtracijos nuostoliai priimami pagal [4, p.380]. Priklausomai nuo hidrogeologinių sąlygų, kurios gali būti geros, vidutinės arba blogos, nustatomas metinis filtracijos nuostolių sluoksnis F cm. Priimama, kad metų laikotarpyje filtracijos nuostoliai pasiskirsto tolygiai.

3.2.  Vandens debitas, galimas naudoti hidroenergetikai

Tvenkinio vanduo gali būti naudojamas ir kitiems vartotojams, pvz., drėkinimui, žuvininkystei. Apie kitus vartotojus duomenys pateikti Tvenkinių kataloge [1]. Reikia prognozuoti, kaip bus praleidžiamas gamtosauginis debitas. Jis gali būti praleidžiamas per turbinas arba per specialius gamtosauginio debito praleidimo įrenginius. Jeigu gamtosauginis debitas bus praleidžiamas per specialius praleidimo įrenginius, tai jį taip pat reikia minusuoti iš upės debito, galimo naudoti hidroenergetikai. Šiuo atveju gamtosauginis debitas bus praleidžiamas per turbinas.

Skaičiavimai atliekami 3.1,3.2, 3.3 lentelėse.

3.3.  Debito, galimo naudoti hidroenergetikai, pasiskirstymo ir trukmių grafikai

Pagal 3.2 skyrelyje apskaičiuotą hidroenergetikai galimą naudoti debitą sudaromi debito pasiskirstymo ir debito trukmių grafikai vandeningiems, vidutinio vandeningumo ir sausiems metams (3.1 ir 3.2 pav.). Šie grafikai reikalingi parenkant skaičiuotinį hidroelektrinės debitą ir skaičiuojant galimą hidroelektrinės išdirbį.

4.HIDROENERGETINIAI SKAIČIAVIMAI

Hidroenergetiniais skaičiavimais nustatoma instaliuota hidroelektrinės galia, turbinų tipas ir skaičius, hidroelektrinės išdirbis. Galimai  hidroelektrinės galiai nustatyti reikia žinoti skaičiuotinį slėgio aukštį ir skaičiuotinius debitus.

4.1.  Skaičiuotinis hidroelektrinės slėgio aukštis

Skaičiuotinis hidroelektrinės slėgio aukštis yra lygus statiniam vandens slėgio aukščiui, atėmus hidraulinius nuostolius, susidarančius vandens ėmimo įrenginiuose ir vamzdynuose, vandeniui pratekant iš aukštutinio bjefo į žemutinį.

Kadangi nagrinėjamu atveju žemutinio bjefo debitų kreivės nėra, statinis slėgio aukštis priimamas pastovus ir lygus Hsl [1].

Kol nesuprojektuoti vandens ėmimo įrenginiai ir vamzdynai, tiksliai nustatyti hidraulinius nuostolius nėra galimybės. Todėl priimama, kad hidrauliniai nuostoliai sudarys 5  nuo statinio slėgio aukščio.

                                                              ,  m.                                                    (4.1)

hw=0,05*5,4=0,3

              Skaičiuotinis slėgio aukštis bus lygus:

                                                              , m .                                                 (4.2)

Hsk=5,4-0,3=5,1m.

4.2.  Skaičiuotiniai hidroelektrinės debitai

Galimas maksimalus ir minimalus hidroelektrinės debitai yra antroji iš pagrindinių hidroelektrinės charakteristikų (pirmoji – hidroelektrinės slėgio aukštis), lemiančių instaliuotą (įrengtą) hidroelektrinės galią. Galimas maksimalus ir minimalus hidroelektrinės debitai nustatomi naudojantis debito trukmių grafiku. Galimas maksimalus hidroelektrinės debitas Qsk,max parenkamas atsižvelgiant į maksimalius pavasario potvynio debitus, o galimas minimalus Qsk,min – atsižvelgiant į gamtosauginį bei kitus minimalius debitus. Qsk,max=1,5 m3/s, Qsk,min=0,1 m3/s.

4.3.  Skaičiuotinė hidroelektrinės galia

Maksimali ir minimali skaičiuotinės hidroelektrinės galios nustatomos pagal formules:

                                     , kW;                                   (4.3)

                                     , kW;                                     (4.4)

PHEmax=9,81*1,5*5,1*0,76=57 kW;

PHEmin=9,81*0,1*5,1*0,76=4 kW.

čia Qsk.max , Qsk.min – skaičiuotinis maksimalus ir minimalus hidroelektrinės debitai, m3/s;

     Hsk – skaičiuotinis hidroelektrinės slėgio aukštis, m,      Hsk=5,1 m;

     – hidroagregato naudingumo koeficientas.

                                                              ;                                                        (4.5)

η=0,87*0,87*1,0=0,76.

čia  – hidraulinės turbinos naudingumo  koeficientas. 0,87, [8, p.70];

      – hidrogeneratoriaus naudingumo koeficientas. 0,87, [8, p.70];

      – sūkių perdavimo mechanizmo naudingumo koeficientas. Pasirenkamas 1.0.

              Esant hidroagregato galiai  daugiau kaip 200 kW, hidroturbina su hidrogeneratoriumi paprastai jungiami vienu velenu ir tada 1.0 [8,p.70]. Esant mažesnei hidroagregato galiai gali   būti   naudojamos   krumpliaratinė   arba   diržinė   pavaros.   Krumpliaratinės   pavaros

0,90…0,94, reduktorinės 0,95…0,97, plokščio diržo 0,95…0,97, trapecinio diržo 0,97…0,98 [9,p.91…94].

4.4.  Turbinų parinkimas

Projektuojamai hidroelektrinei turbinų tipas ir skaičius parenkami pagal skaičiuotinį slėgio aukštį Hsk ir skaičiuotinius debitus.

Turbinų skaičius parenkamas vadovaujantis tokiais samprotavimais [10, p.52]:

• Didinant agregatų skaičių, brangsta hidroelektrinės statyba, bet kartu didėja elektros energijos tiekimo vartotojams patikimumas bei netolygaus nuotėkio panaudojimo galimybės. Kai agregatų pakankamai daug, jie visada gali dirbti su didžiausiu naudingumo koeficientu.

• Agregatų skaičius priklauso nuo turbinų tipo. Kaplano, kaušinėms ir lėtaeigėms Frensiso tipo turbinoms agregatų gali būti ir mažiau, o greitaeigėms Frensiso tipo ir ypač propelerinėms – daugiau, nes tik tuomet jos dirbs optimaliai.

• Greitaeigių turbinų sūkių dažnis didesnis, todėl ir pačios turbinos, ir generatoriai yra mažesni, taigi reikia ir mažesnio hidroelektrinės pastato. Tačiau, didėjant greitaeigumui, didėja kavitacijos koeficientas, mažėja leistinas siurbimo aukštis, todėl turbinas tenka įrengti žemiau (žemutinio bjefo vandens lygio atžvilgiu), o tai brangina hidroelektrinės statybą.

• Agregatų skaičius priklauso ir nuo to, ar hidroelektrinė dirba izoliuotai, ar energetinėje sistemoje. Izoliuotai dirbančiai hidroelektrinei reikia daugiau agregatų, o dirbančiai energetinėje sistemoje – gali būti ir vienas.

Nustačius agregatų skaičių, apskaičiuojama vieno agregato galia. Dažniausiai projektuojami keli  vienodi agregatai, tačiau gali būti ir skirtingi, pvz., parenkamas agregatas, galintis dirbti praleidžiant gamtosauginį debitą.

Mažose hidroelektrinėse dažniausiai projektuojami 1…3 agregatai. Kiek įrengti agregatų galutinai turėtų lemti ekonominiai skaičiavimai, atlikti keletui variantų.

Nustačius turbinų skaičių preliminariai apskaičiuojamas turbinos darbo rato skersmuo:

                                                          , m;                                                   (4.6)

čia Qsk – vienos turbinos skaičiuotinis debitas, m3/s, Qsk=0,5 m3/s;

      – privestas debitas, m3/s, t.y. toks debitas, kurį praleistų turbina esant slėgio aukščiui,

              lygiam 1 m ir darbo rato skersmeniui, lygiam 1 m, Q1`=1,2m3/s;

      Hsk – skaičiuotinis slėgio aukštis, m.

              Privestas debitas  imamas iš turbinos modelio charakteristikų. Priklausomai nuo turbinračio tipo ir kavitacinių charakteristikų kinta 0,9…2,0 m3/s. Preliminariems skaičiavimams šį dydį galima priimti apie 1,2 m3/s [8, p. 103].

              Turbinos sukimosi greitis apskaičiuojamas pagal formulę:

                                                               ,  aps/min;                                          (4.7)

Čia: – privestas turbinos sukimosi greitis, aps/min,  t.y. toks sukimosi greitis, kuriuo suktųsi turbina esant slėgio aukščiui, lygiam 1 m ir darbo rato skersmeniui, lygiam 1 m.

 – priimamas 130 aps/min [8, p.105].

      Hsk – skaičiuotinis slėgio aukštis, m;

      D – apskaičiuotas turbinos darbo rato skersmuo, m.

              Nustačius turbinų skaičių, skaičiuotinį slėgio aukštį, skaičiuotinius turbinų debitus ir preliminarius darbo rato skersmenį bei sukimosi greitį, iš katalogų parenkamos hidraulinės turbinos [11, 12, 13, 14], užrašomi parinktų turbinų tipai ir parametrai: D, n, H, Qmax, Qmin, Pmax, Pmin, hs (siurbimo aukštis). Parenkama keletas galimų variantų ir iš jų priimamas optimaliausias.

Parenkama: Kaplano tipo turbina 4-K-84. D=425mm, n=800 aps/min, Qmax= 0,7 m3/s, Qmin=0,3m3/s,hs =4m, Pmax=32 kW , Pmin=12 kW.

4-K-84

4.5.  Naudingo tvenkinio tūrio analizė

Reikia patikrinti kokios yra tvenkinio reguliavimo galimybės. Tam tikslui reikia palyginti naudingą tvenkinio tūrį su vidutinio vandeningumo metų maksimaliu ir minimaliu paros nuotėkio tūriu.

Naudingas tvenkinio tūris Wn 216,6 tūkst.m3 – imamas iš tvenkinių katalogo [1].

Maksimalus ir minimalus vidutinio vandeningumo metų mėnesio vidutinis debitas imamas iš 2.1 lentelės:

                                            Qmax=1,77 m3/s;    Qmin=0,13 m3/s.

              Maksimalus ir minimalus paros nuotėkio tūris apskaičiuojamas taip:

                                        Wmax p=Qmax * t=1,77*86400=152928 m3;

                                         Wmin p=Qmin * t= 0,13 * 86400=11232 m3;

čia t – paros sekundžių skaičius; t 86400 s.

              Laikas, per kurį gali būti užpildytas naudingas tvenkinio tūris, esant maksimaliam ir minimaliam paros nuotėkio tūriui, apskaičiuojamas taip:

                                   Tmin=Wn/Wmax p=216600/152928=1,4 paros,

                                    Tmin= Wn/Wmax p=216600/11232=19,3 paros.

              Išvada: esant maksimaliam debitui naudingas tvenkinio tūris užpildomas per 1,4 paros, o esant minimaliam debitui – per 19,3 paros. Taigi hidroelektrinė per parą gali dirbti tik keletą valandų, o kitu laiku vanduo gali būti kaupiamas tvenkinyje. Be abejo, nedirbant hidroelektrinei į žemutinį bjefą būtina praleisti gamtosauginį debitą.

4.6.  Hidroelektrinės išdirbis

              Hidroelektrinės išdirbis apskaičiuojamas pagal formulę:

                                                ,  kWh;                                                             (4.8)

čia  – vidutinė hidroelektrinės galia, kW;

       t – laikas, kada hidroelektrinė dirba su tokia galia, val.

                                             , kW                                                      (4.9)

              Hidroelektrinės suminis turbinų debitas ir galia apskaičiuojami 4.1,4.2,4.3 lentelėse.

4.1 lentelė. Suminis turbinų debitas ir galia.

4.2 lentelė.

4.3 lentelė

              Veikiančių turbinų skaičius ir jų suminis debitas nustatomi iš debito pasiskirstymo ir debito trukmių grafikų, kuriuose turi būti pažymėti maksimalūs ir minimalūs turbinų debitai.

              Žinant kiekvieno mėnesio suminę turbinų galią ir valandų skaičių per mėnesį, kurį jos gali dirbti su tokia galia, apskaičiuojamas hidroelektrinės išdirbis. Skaičiavimai atliekami 4.4, 4.5, 4.6 lentelėse. 

4.4,4.5,4.6 lentelės. Hidroelektrinės išdirbio skaičiavimas

 4.4 lentelė.

4.5 lentelė.

4.6 lentelė.

              Jeigu koeficientas K ≥ 1, tai turbinų darbo valandų skaičius lygus mėnesio valandų skaičiui, o jeigu K < 1, tai turbinų darbo valandų skaičius bus lygus mėnesio valandų skaičiui, padaugintam iš koeficiento K.

              Qmin vid imamas iš 3.4 lentelės, t.y. vidutinis mėnesio debitas, galimas naudoti hidroenergetikai. Qturb ir PHE imami iš 4.1,4.2,4.3 lentelių.

5. HIDROELEKTRINĖS PROJEKTAVIMAS

Nustačius galimą HE galią ir apskaičiavus galimą HE išdirbį, reikia suprojektuoti hidroelektrinės pastatą, vandens privedimo ir nuvedimo įrenginius ir kt.

HE pastato paskirtis – talpinti hidroagregatus su pagalbiniais mechaniniais ir elektriniais įrenginiais. Atskirais atvejais, kada hidrogeneratorius panardinamas po vandeniu, hidroelektrinės pastato gali ir nebūti. Tuomet hidroagregatas įrengiamas tiesiog vamzdyje.

Hidroelektrinės pastato matmenys priklauso nuo slėgio aukščio, turbinų ir generatorių skaičiaus, tipo ir dydžio, vandens privedimo ir nuvedimo įrenginių ir kt. Pastato konstrukcija priklauso nuo jo padėties hidromazge. Masyviausi būna užtvankinių HE pastatai, nes jie turi atlaikyti hidrostatinį vandens slėgį. Daug lengvesni prieužtvankinių ir derivacinių HE pastatai. Sąlygiškai skiriamos povandeninė ir viršvandeninė pastato dalys. HE pastato dalis, esanti žemiau žemutinio bjefo vandens lygio, vadinama povandenine, o esanti aukščiau – viršvandenine. Pastatų su reaktyvinėmis turbinomis povandeninėje dalyje įrengiamos turbinų kameros, kreipračiai, darbo ratai ir čiulpvamzdžiai, o viršvandeninėje dalyje – hidrogeneratoriai, transformatoriai ir įvairūs pagalbiniai įrenginiai. Mažųjų HE povandeninė pastato dalis dažniausia statoma iš betono ir gelžbetonio, viršvandeninei gali būti naudojamos ir kitokios medžiagos. Detaliau mažųjų hidroelektrinių pastatų projektavimas aprašytas [10, p.60-73] ir [8, p.82-92].

Šiuo atveju HE priskiriama mikrohidroelektrinių tipui (instaliuota galia iki 100kW) ir žemo slėgio auksčio (iki 10 m).

Šiuo atveju projektuojame vieną turbiną 4 – K – 84 tipo.

 EKONOMINIAI SKAIČIAVIMAI

Svarbiausi HE ekonominiai rodikliai yra statybos kaina, vienos kilovatvalandės savikaina ir HE statybos išlaidų atsipirkimo laikas.

Apytikriai HE statybos kaina nustatoma taip:

                                                               Lt;                                                       (6.1)

čia   – instaliuota HE galia, kW. Pins. =32kW.

       k – vieno instaliuoto kW kaina, Lt. k=7000 Lt.

             Instaliuoto kW kaina kinta nuo 4000 iki 12000 Lt [15, p.41].

              Vienos kilovatvalandės (1 kWh) savikaina nustatoma taip:

                                                                Lt/kWh;                                                    (6.2)

čia  I – HE eksploatacijos išlaidos per metus, Lt;

      E – HE elektros energijos išdirbis kilovatvalandėmis per metus, kWh. E50%=127742 kWh.

              HE eksploatacijos išlaidos susideda iš atskaitymų kapitaliniam ir einamajam remontui, išlaidų medžiagų, reikalingų HE eksploatacijai, įsigijimui, darbo užmokesčio aptarnaujančiam personalui ir kt. Jos sudaro 1 %  – 2,5 % nuo statybos kainos [15, p.44]. Taigi:

                                         Lt,                                               (6.3)

              HE statybos išlaidų atsipirkimo laikas nustatomas taip:

                                                                  metai;                                                     (6.4)

Čia:  K – HE statybos kaina, Lt;

G – grynosios metinės pajamos (neto), Lt.

              Grynosios metinės pajamos G gaunamos iš bendrųjų pajamų B, gautų pardavus elektros energiją, atėmus eksploatacijos išlaidas I. Bendrosios pajamos nustatomos taip:

                                                                Lt;                                                         (6.5)

čia  E – HE elektros energijos išdirbis per metus, kWh. E50%=127742 kWh,

      a – kaina, kuri mokama už vieną pagamintą kilovatvalandę, Lt. a= 0,22 Lt

Taigi:

                                                               Lt.                                                         (6.6)

Skaičiavimai:

K=32*7000=224000 Lt,

S50%=3360/127742 =0,026cnt,

I=0,015*224000=3360 Lt,

T50%=224000 / 24743= 9 metai,

B50%=127742*0,22=28103 Lt,

G50%=28103- 3360=24743 Lt.

 IŠVADOS

 Atlikus visus skaičiavimus ir projektavimą projektuojamos HE techniniai duomenys tokie:

HE galia – PHE 10% – 189 kW, PHE 50% – 175 kW, PHE 90% – 136 kW.

Energijos išdirbis – EHE 10% – 138099 kWh, EHE 50% – 127742 kWh, EHE 90% – 99826 kWh.

Statybos kaina – 224000 lt.

Vienos kWh savikaina: S50%=0,026cnt,.

HE statybos išlaidų atsipirkimo laikas: T50%=9 metai.

Projektuota HE atsipirks 9 metus. Manant kad elektra ateityje brangs ,dėl atominės HE uždarymo, atsipirkimo laikas gali sutrumpėti. HE aprūpins dalį kaimelio elektros energija. Energija iš HE gaunama visiškai netrikdant gamtos pusiausvyros jau susidariusios tvenkinyje. Išgaunama energija ekologiška ir naudinga žmonėms. HE statyti tikslinga.

LITERATŪRA

Tvenkinių katalogas.-Vilnius, 1998.

Pagalbinė medžiaga hidrologiniams skaičiavimams.-Akademija, 2005.

Metodiniai nurodymai gamtosauginiam vandens debitui nustatyti. LAND 22-97.-Vilnius, 1997.

A.Poška, P.Punys. Inžinerinė hidrologija.-Kaunas, 1996.

Pagalbinė medžiaga vandens ūkio statinių ir aplinkos kursiniam darbui.- Akademija, 2005.

Lietuvos TSR atlasas.-Maskva, 1980.

P.Punys. Inžinerinė hidrologija.-Akademija, 2000.

J.Jablonskis ir kt. Lietuvos mažosios hidroenergetikos žinynas.- Kaunas, 1996.

В.И. Громов, Я.Н. Флексер. Использование водной энергии.-Москва, 1952.

R.Kustienė, A.Poška. Mažoji hidroenergetika.- Kaunas, 1997.

Flygt – E. Submersible Hydroturbine Generators.-Sweden, 1993.

Čekiškių turbinų ЧКД – Бланско katalogas.-Kaunas, 1990.

Turbinų katalogas. Mažoji hidroenergetika.- Kaunas, 1990.

Rusiškų turbinų katalogas.-Akademija, 1970.

J.Burneikis, J.Jablonskis. Mažosios hidroenergetikos panaudojimo galimybės Lietuvoje.-Kaunas, 1998.

2