Turbínová jednotka pro nízké spády

V České republice a ve střední Evropě obecně je již poměrně málo energeticky nevyužitých lokalit, na kterých lze ekonomicky výhodně vybudovat a provozovat malé vodní elektrárny klasického typu. Proto se zájem posouvá k nižším spádům, jejichž ekonomická efektivita je kritická. Z tohoto důvodu je potřeba nalézt technicky vhodná řešení, která by umožnila snížit investiční i provozní náklady.

Článek vyšel v časopise Energie 21 č. 6/2016.

Ve spolupráci se společností Elzaco, s. r. o., jsme připravili návrh řešení ve formě ponořeného soustrojí s obtékaným generátorem, které umožní minimalizovat stavební investiční náklady.

Specifikace lokality

Typickým příkladem dosud nevyužitých hydroenergetických lokalit jsou nízké jezové stupně derivačních malých vodních elektráren. Minimální zůstatkový průtok, který je nutné převádět do ovlivněné části toku, zůstává obvykle bez energetického využití. Převod daného průtoku je v těchto případech hlavním účelem díla, proto pro návrh elektrárny na těchto lokalitách neplatí běžná pravidla pro stanovení návrhových parametrů.

Derivační vodní elektrárny koncentrují svůj hrubý spád vzdouvacím zařízením a spádem na daném ovlivněném úseku, proto je zpravidla spád na samotném vzdouvacím zařízení (pevný nebo pohyblivý jez) malý. Přírůstek spádu na ovlivněném úseku je vykoupen náklady na derivační kanál nebo tlakový přivaděč. Za běžných průtoků tedy není dolní voda zájmového profilu ovlivněna celkovým průtokem v toku. Zpětné vzdutí za běžných průtoků po podjezí zpravidla nezasahuje, nebo je pouze malé (obr. 1).

Typický profil zajišťující převod zůstatkového průtoku tak poskytuje nejen konstantní průtok, ale i spád po dlouhou dobu trvání v roce (běžně 250–300 dní). S ohledem na konstantní průtok a spád se mohou stát tyto profily ekonomicky zajímavé i při nízkém instalovaném výkonu (zpravidla pouze desítky kW).

Koncept soustrojí

Byla navržena koncepce jednoduchého kompaktního soustrojí s axiální turbínou s pevnými lopatkami oběžného kola a pevnými, nebo regulovatelnými rozváděcími lopatkami (obr. 2). Volba neregulovatelných lopatek oběžného kola i rozváděče konstrukci soustrojí významně zjednoduší. Omezená regulace průtoku, popř. kompenzace kolísání spádu, může být zajištěna změnou provozních otáček turbíny. Pro velmi nízké spády a větší průměry oběžného kola je možné doporučit instalaci převodovky.

Představované technické řešení má minimální nároky na nadzemní stavební část, zcela odpadá nutnost výstavby suché strojovny vzhledem k ponoření prakticky celého strojního technologického vybavení. Absence strojovny může být značnou výhodou v intravilánu, kde nová budova často ruší stávající ráz zástavby, zasahuje do parků nebo do památkově chráněných částí obcí. V blízkosti soustrojí je nutné umístit pouze elektrické vybavení s vyvedením výkonu tak, aby bylo v dostatečné výšce nad návrhovou povodňovou hladinou. K tomuto účelu je však možné využít i stávající objekty.

Spád na jezu bývá nízký (běžně 1,5–2 m) a za povodňových průtoků dochází často k výraznému zvýšení hladiny horní i spodní vody. Vysoká návrhová povodňová hladina výrazně zdražuje a komplikuje klasickou „suchou“ strojovnu elektrárny natolik, že se celý projekt stává nerentabilní. V případě volby nestandardního obtékaného ponořeného soustrojí nehrozí riziko zatopení, protože soustrojí je na provoz pod vodou navrženo. Umístění celého soustrojí pod vodní hladinu současně přispívá k omezení šíření vibrací a hluku do blízkého okolí. Nevýhodou tohoto řešení je omezená přístupnost technologické části a nutnost těsnění některých částí soustrojí.

Zajištění převodu MZP i v případě výpadku napájení je možné řešit např. provozem soustrojí v průběžných otáčkách. Opětovné připojení generátoru k síti je možné bez přerušení průtoku pomocí soft-startéru přímo z průběžných otáček. Dlouhodobou odstávku je nutné řešit obtokem nebo jiným zařízením.

Parametry prototypu

Pro ověření výše popsaného konceptu byl navržen, vyroben a zprovozněn prototyp soustrojí s parametry uvedenými v tabulce. Následně byl instalován v kanálu jalové propusti vodní elektrárny na říčce Desné v Jeseníkách.

Technické parametry prototypu soustrojí

Parametr Hodnota
Návrhový spád 1,50 m
Návrhový průtok 0,40 m3/s
Jmenovitý výkon generátoru 5,5 kW
Počet lopatek 3
Průměr náboje 140 mm
Průměr oběžného kola 350 mm
Předpokládaná hydraulická účinnost 0,83
Provozní otáčky 600 ot/min
Specifické otáčky 277 ot/min

 

Pro návrh hydraulického obvodu turbíny bylo využito analogie s přímoproudou Kaplanovou turbínou. S ohledem na konstantní provozní bod má turbína pevný diagonální rozváděč a pevné lopatky oběžného kola.

Rozváděcí lopatky představují části pláště komolého kužele, tvoří rozvinutelnou plochu a jsou vyrobeny ohýbáním z plechu. Nátoková hrana je zaoblena. Vnější strana rozváděcích lopatek je navařena na vnějším kuželovém plášti jednotky, na kterou dále navazuje válcová komora oběžného kola. Vnější kuželový plášť je u vtokové hrany vyztužen skruženou trubkou, která zároveň zajišťuje vhodné natékání hrany. Prostor mezi vnějším a vnitřním kuželem představuje nátok s pevnými lopatkami diagonálního rozváděče, ve kterém dochází ke zrychlení vody a získání požadované rotační složky před nátokem na OK.

Vzhledem k pevným lopatkám OK odpadá nutnost obrábět vnitřní kulovou plochu s vnitřní dělicí rovinou a oběžné kolo je možné demontovat a vysunout ve směru po vodě. Pro výrobu lopatek oběžného kola uvedeného prototypu byla zvolena technologie 3D tisku metodou FDM s využitím materiálu ABS (obr. 3). Tento postup představuje rychlou a levnou alternativu ke klasickým výrobním postupům. Díky zvolené technologii je proces výroby velmi rychlý – od návrhu lopatky ve 3D modeláři je možné během asi dvou dnů realizovat měření na prototypu (obr. 4).

Protože cílem projektu bylo zároveň vyzkoušet možnost výroby prototypu lopatek metodou 3D tisku FDM, byla volena vyšší tloušťka lopatek a lopatky byly v radiálním směru vyztuženy ocelovými trny. Finální geometrie hydraulického obvodu turbíny byla ověřena matematickým modelem. Návrh prototypu kompaktního ponorného soustrojí s obtékaným generátorem vycházel z omezení daných běžně dostupnými díly – výrobně náročné díly byly vybírány ze standardně prodávaných výrobků. Pro výrobu nestandardních dílů byla využita zakázková výroba.

Závěry

Bylo navrženo, vyrobeno a zprovozněno kompaktní soustrojí s obtékaným generátorem, pevnými rozváděcími lopatkami a pevnými lopatkami oběžného kola pro konkrétní nízko-spádovou lokalitu. Volba výroby lopatek OK pomocí 3D tisku se ukázala jako použitelná a předpokládáme, že s technologickým pokrokem bude v budoucnu možné takto vyrábět lopatky pro velmi nízké spády. Dalším cílem je zvýšení rychloběžnosti změnou geometrie včetně využití kónického tvaru náboje OK.

Při využití generátorů s permanentními magnety bude i za cenu zvýšených nákladů možné vynechat převodovku a zvýšit celkovou účinnost při zachování stávajících rozměrů.

Navržená koncepce kompaktní turbínové jednotky splňuje požadavky na minimální zástavbové rozměry, jednoduchost stavební části elektrárny, možnost instalace v lokalitách s vysokou návrhovou povodňovou hladinou. Soustrojí navíc zaručuje minimální hluk a vibrace vyzářené do okolí.

Navrhované řešení ponořeného agregátu s obtékaným generátorem, pevnými rozváděcími lopatkami a pevnými lopatkami oběžného kola respektuje požadavky uvedených lokalit, ale je vhodné i pro energetické využití např. zbytkového spádu na technologických okruzích (např. chladicí voda tepelných elektráren), závlahových kanálech apod. Koncepčně podobná soustrojí již vyrábějí přední výrobci vodních turbín – Voith (StreamDiver), Vatech (HydroMatrix), kteří však původně tato uplatnění vylučovali.

(Poděkování: Práce byly provedeny ve spolupráci s firmou Elzaco, s. r. o., která vyrobila prototyp turbínové jednotky a zajistila instalaci. Bez jejich vstřícného postoje by nebylo možné provést ověřovací měření na prototypu. Dále se na řešení dílčích úloh spolupodíleli studenti katedry hydrotechniky, Fakulty stavební, ČVUT – Jan Bušek a Marek Hosnedl.)

Eva Škařupová, Fakulta stavební, ČVUT Praha

Obr. 1 – Příklad jezového profilu derivační vodní elektrárny: čára trvání průtoku a spádu

Obr. 2 – Model oběžného kola – náboj s montovanými lopatkami a výztužnými trny

Obr. 3 – Sestavené oběžné kolo má lopatky vytištěné 3D tiskem FDM z materiálu ABS

Obr. 4ab – 3D model (a) a realizace (b) kompaktní turbínové jednotky

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *