Wykorzystywanie siły wody do wytwarzania początkowo mechanicznej, a następnie elektrycznej energii ma długą tradycję.

W fabrykach, młynach, tartakach i innych zakładach można często spotkać turbiny wodne, które obecnie służą do wytwarzania energii elektrycznej.  Na wielu rzekach działają od wielu dekad elektrownie wodne, wyposażone w turbiny, generatory i transformatory starszej generacji. Dzięki nieustannemu rozwojowi i ciągłym modyfikacjom, obecnie stosowane elektrownie mają wyższą wydajność i lepiej wykorzystują siłę przepływającej wody, a ich działanie jest mniej zawodne niż kiedyś.

Podwyższenie rzędnej spiętrzenia

Stosując odpowiednie zasuwy lub zamknięcia, takie jak klapy spiętrzające lub jazy gumowe, można z jednej strony lepiej regulować rzędną spiętrzenia, z drugiej zaś bardzo często pojawia się także możliwość podwyższenia poziomu wody górnej. Podwyższenie rzędnej spiętrzenia, zwłaszcza w elektrowniach wodnych o niskim spadzie (turbina Kaplana i Fracisa), może przyczynić się do wzrostu wydajności elektrowni nawet o kilka procent. W przypadku większych różnic spadku należy przede wszystkim odpowiednio dobrać prędkość obrotową turbiny.

Zmniejszenie strat spadu na kratach

Często nie zwracamy uwagi na fakt, iż rzeczywisty spad w elektrowni wodnej uzależniony jest od poziomu  wody po przepływie przez kraty. Straty spadu na kratach można zniwelować stosując sprawnie działające, automatycznie sterowane maszyny do czyszczenia krat, które kontrolują różnice poziomu przed i za kratkami, dzięki czemu włączają się automatycznie w momencie zatkania krat. Sprawdzić należy również średnicę w świetle między prętami drobnej kraty. Jeśli pręty są za gęsto ułożone, straty na kratach są większe. Skuteczne czyszczenie krat ma wpływ na wydajność elektrowni w skali rocznej.

Zapobieganie wciągania powietrza przez komory wlotowe turbiny w przypadku swobodnego zwierciadła

Wciąganie powietrza przez wir wodny można często zaobserwować zwłaszcza w turbinach komorowych (turbinach Francisa i Kaplana). Powietrze dostaje się do turbiny, co zmniejsza jej sprawność i redukuje wydajność. Aby przeciwdziałać redukcji sprawności turbiny wystarczy wprowadzić w komorze turbiny pływającą pokrywę z drewnianych belek, która zapobiegnie wciąganiu powietrza.

Rewitalizacja turbiny

W zależności od typu turbiny i jej technicznych parametrów istnieją różne możliwości podnoszenia jej sprawności. Poniższej zestawione są najczęściej stosowane warianty modernizacji:

Korekcja szczeliny kierownicy

Mechaniczne zamykanie kierownic i tworząca się poprzez to większa szczelina między łopatkami kierowniczymi i pierścieniem łopatek mają wpływ na wydajność turbiny. Remont kierownicy oraz pokrywy kierownicy może przywrócić turbinie początkową sprawność z niewielkimi dopuszczalnymi odchyleniami.

Korekcja szczelin wirnika

Podobnie jak w kierownicy, również w wirnikach szczelina między komorą wirnika a wirnikiem powinna być możliwie niewielka. Po długoletniej eksploatacji dochodzi do ścierania materiału między łopatką a pierścieniem wirnika, co można zlikwidować poprzez wykonanie na nowo komór wirnika lub łopatek wirnika, bądź w niektórych przypadkach naniesienie warstwy materiału (napawanie lub natryskiwanie).

turbina wodnaPrzywrócenie konturu wirnika do stanu początkowego bądź wzrost wydajności wirnika przy obecnym profilu hydraulicznym

Wirnik i profil hydrauliczny to serce każdej turbiny, które w znacznym stopniu decyduje o jej sprawności i wydajności. Profil wirnika noszący oznaki zużycia (kamienie lub piasek w wodzie), nie tylko obniża sprawność turbiny, lecz jest też bardzo często przyczyną występowania  problemów z przepływem wody oraz pojawiania się kawitacji. Stąd profil wirnika ma istotny wpływ na wzrost sprawności i wydajności instalacji. Jeśli profil wirnika wykazuje tylko niewielkie oznaki zużycia, oryginalny kształt (o ile jest rzeczywiście znany) można przywrócić poprzez napawanie materiału, a następnie poprzez obróbkę maszynową lub ręczny szlif według szablonu.

Remont przepustów wałów i dławnic

Jak już wspominaliśmy, wciąganie powietrza do turbiny wpływa niekorzystnie na jej sprawność i  związaną z tym wydajność całej instalacji. W przepustach wałów turbiny jako izolację często stosuje się dławnice oraz uszczelnienia labiryntowe. Z biegiem czasu zmniejsza się ich szczelność i powietrze jest wciągane do turbiny. Wał turbinowy można uszczelnić poprzez odnowienie izolacji, napawanie, natryskanie powłoki z metalu oraz mocowanie metalowych łusek na wale.

Modernizacja rur ssących turbiny

Sprawnie funkcjonująca rura ssąca ma szczególnie duży wpływ na ogólną wydajność turbiny. Rurom ssącym bardzo często nie poświęca się zbyt wiele uwagi, a w rzeczywistości wpływają one na sprawność turbiny nierzadko dużo bardziej, niż by się wydawało. Istnieją różnorodne możliwości poprawy działania rur ssących, ale taka modernizacja może wiązać się z ryzykiem. Zawsze korzystne jest pogłębienie w obrębie dolnego zbiornika, aby umożliwić swobodny odpływ wody roboczej. Inną możliwością jest planowe obniżanie poziomu wody w  dolnym zbiorniku, aby osiągnąć większy spad.

Zwiększenie przelotowości turbiny

W niektórych instalacjach w określonych warunkach można, poprzez pełne wykorzystanie potencjału kierownicy i kąta rozwarcia wirnika bądź otwarcia dysz w turbinie Peltona, osiągnąć maksymalną przelotowość turbiny. Przy takich działaniach zalecana jest jednak ostrożność i umiar, ponieważ w turbinach Kaplana i Francisa w momencie zbyt wysokiego przepływu pojawia się niebezpieczeństwo kawitacji, a w przypadku turbin Peltona woda nie jest w stanie dobrze wypłynąć z czarek. Może przy tym dojść do tzw. uderzenia wody, co z jednej strony powoduje drastyczny spadek wydajności turbiny, z drugiej zaś może doprowadzić do uszkodzenia czarek wirnika.

Napęd między turbiną a generatorem

W celu przeniesienia stosunkowo niskiej prędkości obrotowej turbiny na wyższą prędkość obrotową generatora używano w przeszłości najczęściej przekładni. Te mechanizmy starszej generacji są co prawda trwałe i wytrzymałe, ale, jeśli chodzi o wydajność, ich potencjał nie jest do końca wykorzystywany. Przekładnie o starszej konstrukcji mają ogólnie niższą wydajność i posiadają liczne łożyska, które powodują straty tarciowe.

Generatory

Generatory nowego typu wykazują ogólną wyższą wydajność dzięki wykonaniu z lepszego magnetycznego materiału, nowym technicznym rozwiązaniom, węższym szczelinom i mniejszym stratom w uzwojeniu. Nowsze generatory bardzo często osiągają współczynnik sprawności rzędu 95 do 97%, a straty w łożyskach są niwelowane.

 

Transformatory

Informacje dotyczące modernizacji generatorów odnoszą się też do transformatorów.

 

Regulator turbiny

Starsze elektrownie wodne bardzo często mają mechaniczne urządzenia regulujące. Wadą takiej konstrukcji jest ciągłe napędzanie mechanicznego regulatora poprzez pas i pochłanianie mocy, nawet jeśli w danej chwili nie ma potrzeby regulowania instalacji. Obecnie stosuje się elektrohydrauliczne urządzenia regulujące, posiadające wyższą jakość regulacji, a niższe zapotrzebowanie na moc. Silnik elektryczny wytwarza ciśnienie oleju w zbiorniku i moc ta zużywana jest dopiero wtedy, gdy zaistnieje potrzeba przesunięcia kierownicy, wirnika, odchylacza dysz lub strumienia.


Podsumowanie

Wszystkie wymienione dotychczas możliwości przedstawiają przegląd przez bardzo często podejmowane działania mające na celu modernizację elektrowni wodnych, każda instalacja posiada jednak indywidualny potencjał rozwojowy. Ogólnie zakłada się, że współczynnik sprawności nowoczesnych elektrowni wodnych (turbina, generator, napęd, transformator) wynosi ok. 75-85%, wyremontowanych elektrowni wodnych starszej generacji natomiast ok. 55, a maksymalnie 70%. Z biegiem lat sprawność regularnie spada z powodu ścierania się materiałów, odchylenia od początkowych dopuszczalnych wartości, jak również zmęczenia materiału. (…)

Josef Lampl, Schubert Elektroanlagen GmbH


Cały artykuł – GLOBEnergia 2/2009