A PATRA CONFERINŢĂ A HIDROENERGETICIENILOR DIN ROMÂNIA,

Dorin Pavel

MINIHIDROAGREGATE MODULARE ÎN GAMA 0,1-10 MW DEZVOLTATE DE HYDRO-ENGINEERING

Sorin TOADER1, Claudiu IAVORNIC2

Abstract: Present paper presents the activities developed in order to improve design methods and to realise practical implementation of the technologies that help increase of economical and energetical efficiency for hydropower generating equipment. The solution is consisting in the concept of standard platform. The advantages of modular construction are: decrease of the power plant costs, of mounting and putting into operation period, large efficiencies in a large domain of exploitation regimes. At the same time the use of numerical technics in the domain of fluid flow constitutes a real advantage concerning validation of constructive versions and optimisation possibilities. The modular mini-hydrounits allow accelerated capital depreciations of initial investments, alltogether with exploitation at low costs without undesirable events.

1. INTRODUCERE

Pe plan mondial criza energetică a determinat cautarea de noi soluţii

constructive, deopotrivă eficiente şi prietenoase cu mediul. În acest context autorii

lucrării de faţă prezintă un nou mod de abordare a problematicii energetice.

Conceptul de platformă standardizată, stă la baza soluţiilor particulare ce urmăresc:

▪ eficientizarea costurilor;

▪ timpii scurţi de livrare;

▪ soluţii integrate, în scopul reducerii numărului de subansamble;

▪ reducerea costurilor construcţiilor amplasamentelor;

▪ înaltă performanţă;

▪ fiabilitate şi control de calitate avansat;

1 Ing. Director General S.C. HYDRO-ENGINEERING S.A. 2 Ing. Şef Serviciu Cercetare-Proiectare Modele , S.C. HYDRO-ENGINEERING S.A.

▪ punerea în funcţie rapidă a întregului sistem, asigurarea întreţinerii în

garanţie şi post garanţie;

Sunt asigurate următoarele cerinţe:

▪ siguranţă şi disponibilitate ridicată;

▪ adaptabilitatea şi creşterea duratei de viaţă;

▪ concepte şi soluţii verificate;

▪ flexibilitate şi standardizare;

▪ ofertă completă dintr-o singură sursă

▪ raportul preţ-performanţă excelent va fi asigurat ca urmare a utilizării

celor mai performante programe software dedicate şi a principiilor de

modularitate folosite.

Aceast mod de abordare conduce şi către o serie de avantaje suplimentare:

▪ costuri de exploatare mici;

▪ exploatare fără probleme;

▪ perioadă de a amortizare a investiţiei redusă

2. OBIECTIVE

Programul de minihidroagregate dezvoltat de Hydro-Engineering cuprinde

întreaga gamă de produse şi servicii destinate construcţiei echipamentelor din centralele

hidroelectrice de puteri mici şi medii. Minihidroagregatele modulare sunt soluţii la cheie

bazate pe componente standardizate care se asamblează în diferite configuraţii.

Construcţia modulară aduce cu sine o serie de avantaje majore; reducerea

drastică a timpului de montaj şi de punere în funcţiune, reducerea costurilor amenajării

şi nu în ultimul rând randamente ridicate într-o plajă largă de regimuri de funcţionare.

Programul de minihidroagregate dezvoltat de Hydro-E ngineering include pe lângă

turbinele cu curgere axială, pe cele Francis şi Pelton cu căderi de până la 1000 m şi

echipamentul electric şi de comandă. (Fig.1)

Fig. 1 Elementele componenete ale programului de minihidroagregate

3. MINI-HIDROAGREGATE MODULARE. CERCETARE PROIECTARE

Activitatea de cercetare proiectare integrează în programul minihidroagegatelor

modulare rezultatele obţinute prin următoarele metode:

simularea curgerii prin metode numerice (Figura 2) [2].

teste de garanţie în standul propriu, cu menţiunea că pentru turbinele de până la

1 MW parametrii sunt obţinuţi prin simulare hidrodinamică;

preluarea de date furnizate de propriul departament de dezvoltare a

echipamentelor electronice.

Fig. 2 Vizualizare parametrii curgere în cadrul simulării hidrodinamice utilizând software CFD

3.1. Programul de implementare a echipamentelor unei centrale de minihidro-agregate

Fig. 3 Organigrama impementării echipamentelor unei centrale de minihidroagregate

4. DOMENIUL DE APLICABILITATE 4.1. Turbine Axiale Informaţii tehnice:

▪ Cădere până la 30 [m]

▪ Putere până la 10 [MW]

Programul de dezvoltare a turbinelor axiale include o gamă completă:

▪ rotoare cu 3 până la 6 palete

▪ unitaţi cu dubla sau simplă reglare

▪ axă: orizontală, verticală, înclinată

4.2. Turbine Francis (Figura 5) Informaţii tehnice:

Fig. 4 Turbină axială

▪ Cădere până la 250 [m]

▪ Putere până la 10 [MW]

Posibilitatea de a adaptare a produselor noastre oricăror cerinţe folosind un set de

module predefinite care includ:

▪ reglaj manual sau automat

▪ axă orizontală, verticală

Fig. 5 Turbină Francis

4.3. Turbine Pelton Informaţii tehnice:

▪ Cădere până la 1000 [m]

▪ Putere până la 10 [MW]

Flosind mai multe seturi de injectoare, este proiectată întreaga gamă de

minihidroagregate de tip Pelton, care asigură un randament optim folosind următoarele

variante:

▪ 1 pana la 6 injectoare

▪ axă orizontală sau verticală

Fig. 6 Turbina Pelton

5. MINI-HIDROAGREGATE MODULARE AXIALE

5.1.1. Domeniul de aplicabilitate

Fig. 7 Domeniul de funcţionare al mini-hidroagregatelor modulare axiale

Caracteristici tehnice:

Cădere H până la 30 m

Debit Q până la 75 m3/s

Putere P până la 10 MW

5.1.2. Caracteristici principale

ansamblul complet turbină-generator este pregătit pentru instalarea imediată;

turbina cu simplu sau dublu reglaj pentru o exploatare optimă a energiei

disponibile;

randament ridicat pentru o multitudine de parametrii de intare;

nivel de zgomot foarte redus în funcţionare;

compacteitatea şi structurile simple din zonele de intrare şi ieşire, reduc costurile

de construcţie;

Hydro-Engineering oferă soluţii la cheie, optimizând montajul componentelor,

conferind beneficiu maxim utilizatorului.

5.1.3. Concept general Mini-hidroagregatele modulare axiale sunt concepute diferenţiat în scopul amplasării în

trei configuraţii posibile (Figurile 8,9,10)

Fig. 8 Minihidroagregat modular axial orizontal

Fig. 9 Minihidroagregat modular axial vertical

Fig. 10 Minihidroagregat modular axial înclinat

5.2.1. Minihidroagregate modulare cu transmisie prin curea

Fig. 11 Vizualizare linii curent rezultate în urma analizei CFD; turbina cu transmisie prin curea [2].

5.2.2. Domeniul de aplicabilitate

Fig. 12 Domeniul de funcţionare al mini-hidroagregatelor modulare cu transmisie prin curea

Caracteristici tehnice

Cădere H până la 4 m

Debit Q până la 25 m3/s

Putere P până la 600 kW

5.2. Caracteristici principale Concept:

Ansamblul complet turbină-generator, inclusiv cureaua de transmisie sunt

pregătite pentru instalarea imediată;

Turbina va fi prevăzută cu dublă reglare pentru o exploatare optimă a energiei

disponibile;

Randament ridicat pentru o multitudine de parametrii de intrare;

Nivel de zgomot foarte redus în funcţionare;

Compacteitate, structurile simple din zonele de intrare şi ieşire, reduc costurile

de construcţie;

Hydro-Engineering va oferi soluţii la cheie, optimizând montajul

componentelor, conferind beneficiu maxim utilizatorului.

5.2.1. Minihidroagregate modulare cu angrenaj conic

Fig. 13 Minihidroagregat modular cu Angrenaj Conic

5.3.1. Domeniul de aplicabilitate

Fig. 14 Domeniul de funcţionare al minihidroagregatelor modulare cu angrenaj conic

Caracteristici tehnice

Cădere H până la 12 m

Debit Q până la 46 m3/s

Putere P până la 2.6 MW

5.3.2. Caracteristici principale Concept:

Ansamblul complet turbină-generator se realizază înainte de montajul în

amplasament; Acesta include şi transmisia, deci instalarea în centrală se

realizază imediat.

Turbina este prevăzută cu dublă reglare pentru o exploatare optimă a energiei

disponibile;

Randament ridicat, pentru o multitudine de parametrii de intare;

Construcţia compactă are avantajul unei instalări simple cu implicaţii directe în

reducerea costurilor amenajării hidrotehnice;

Hydro-Engineering oferă soluţii la cheie, optimizând montajul componentelor,

conferind beneficiu maxim utilizatorului.

Fig. 15 Soluţie constructivă minihidroagregat cu angrenaj conic (modelare CAD)

6. MINIHIDROAGREGATE MODULARE KAPLAN

6.1. Domeniul de aplicabilitate

Fig. 16 Domeniul de funcţionare al minihidroagregatelor modulare Kaplan

Caracteristici tehnice

Cădere H până la 30 m

Debit Q până la 80 m3/s

Putere P până la 10 MW

6.2. Caracteristici principale Concept:

Turbina si generatorul se livrează asamblate.

Minihidroagregatele modulare se livrează complet echipate, având incluse,

circuitele electrice şi de comandă astfel încât acestea pot fi instalate imediat.

Minihidroagregatul modular în funcţie de dimensiune este prevăzut cu dublu

reglaj, asigurând optimizarea regimului de funcţionare.

Dimensiunile reduse ale minihidro-agregatelor modulare conferă avantaje atât în

privinţa costurilor reduse ale fundaţiei cât şi a dimensiunilor construcţei ce

adaposteşte minihidroagregatul.

Minihidroagregatele modulare sunt soluţii la cheie optimizate, conferind un

nivel maxim de satisfacţie beneficiarilor.

Fig. 17 Minihidroagregat Modular Kaplan

7. MINIHIDROAGREGATE MODULARE FRANCIS

7.1. Domeniul de aplicabilitate

Fig. 18 Domeniul de funcţionare al minihidroagregatelor modulare Francis

Caracteristici tehnice

Cădere H până la 250 m

Debit Q până la 20 m3/s

Putere P până la 10 MW

7.2. Caracteristici principale

Concept:

Turbina şi generatorul vor fi livrate asamblate în cazul agregatelor de puteri

mici;

Minihidroagregatele modulare vor fi livrate complet echipate, având inclus

sistemul de ungere, circuitele electrice şi

de comandă astfel încât acestea să fie instalate imediat;

Sistemul de aerisire novator permite funcţionarea lină şi la încărcări parţiale;

Dimensiunile reduse ale minihidroagregatelor modulare conferă avantaje atât în

privinţa costurilor reduse ale fundaţiei cât şi a dimensiunilor construcţiei ce

adăposteşte minihidroagregatul;

Minihidroagregatele modulare suntsoluţii la cheie optimizate, conferind un nivel

maxim de satisfacţie beneficiarilor.

Fig. 19 Soluţie constructivă rotor Francis (modelare CAD)

8. MINIHIDROAGREGATE MODULARE PELTON

8.1. Domeniul de aplicabilitate

Fig. 20 Domeniul de funcţionare al minihidroagregatelor modulare Pelton

Caracteristici tehnice

Cădere H până la 1000 m

Debit Q până la 5 m3/s

Putere P până la 10 MW

Fig. 21 Soluţie constructivă cupă Pelton (modelare CAD)

9. MINIHIDROAGREGATE MODULARE; GENERATOARE

Generatorul aplicabil (figura 22) poate fi selectat in funcţie de parametrii care îl definesc şi anume:

Fig. 22 Generator orizontal cu turaţia până la 750 r.p.m.(sus); Generator orizontal cu turaţia peste 750

r.p.m. (jos).

puterea aparentă în domeniul de la 0,5 - 10 [MVA].

turaţia nominală în domeniul de la 214,3 – 1000 [rpm].

tensiunea nominală în domeniul 0,4 – 11 [kV].

Aceşti parametrii sunt dictaţi de parametrii maşinii primare (turbină), care la

rândul lor se stabilesc în funcţie de parametrii amenajării: căderea H [m], debitul

Q [m3/s]

Fig. 23 Generator electric orizontal

10. MINIHIDROAGREGATE MODULARE; ECHIPAMENTUL ELECTRIC

Conceptul de automatizare (tabelul 1.) implică:

▪ cunoaşterea echipamentelor din centrală şi a procesului;

▪ cunoaştere şi experienţă în alegerea celui mai performant sistem de

automatizare;

▪ integrarea tuturor sistemelor si funcţiilor aferente centralei;

▪ comunicare între centrală şi dispecerat.

Tabel 1 Conceptul de automatizare

Echipament

mecanic Echipamnet

electric Automatizare Management Optimizare Diagnoză

Insatlaţia regulatorului

de turaţie

Sistemul digital de protecţie

HMI Controlul căderii de apă

Optimizarea performanţelor

turbinei

Turbina: diagnoză vibraţii

Sistemul de excitaţie

Automatizare hidroagregat

Management al energiei

Optimizarea centralei

Generator: Descărcări parţiale Diagnoză vibraţii Temperaturi

Instalaţia grupului de

ulei sub presiune

Regulatorul automat de

tensiune

Automatizare centrală

Managementul sistemului şi al

întreţinerii

Transformator Gaz Temperaturi

Presiuni:

Control putere

reactivă

Regulator digital de

turaţie

Diagnoza de la distanţă

(dispecerat) şi teleservicii

Instalaţiile turbinei şi

generatorului

Distribuţie c.a.

Control centrală SIMULARE CENTRALĂ

Distribuţie c.c. Control baraj

Instalaţia vanei de intrare

Sincronizare Monitorizare continuă

Sistem de securitate

SISTEMUL DE COMUNICAŢIE

11. MINIHIDROAGREGATE MODULARE; SISTEME DE REGLAJ Echipamentul digital de control se compune din:

unitatea centrală cu funcţie dedicată ;

posibilitate de comunicare cu sistemul SCADA;

pentru turbine cu două organe de reglare conţine o camă numerică;

interfaţă adaptabilă cu orice sistem hidraulic de acţionare;

posibilitate de prelucrare a informaţiilor de nivel, debit, putere şi turaţie.

Fig. 24 Echipament digital de control

Fig. 25 Sistem de reglaj pentru centrale hidroelectrice cu puteri de până la 10 MW

Soluţii

sisteme de reglaj cu acţiune continuă;

sisteme de reglaj cu acţiune discontinuă.

Avantaje

soluţii compacte pentru orice tip de turbină;

interschimbabilitate totală pentru orice componentă;

compatibilitate totală cu standardele IEEE şi IEC;

răspuns rapid în timp şi bandă largă de reglare;

documentaţia bogată şi experienţa operatorilor permit menţinerea în funcţiune a

sistemului timp îndelungat;

disponibilitate totală pentru acordare service.

12. CONCLUZII

Conceptul unitar prezentat în cadrul lucrării permite depăşirea limitărilor de

abordare clasice prin îmbunătăţirea tuturor parametrilor tehnico-economici ce concură

la elaborarea hidroagregatelor. Practic, prin modularizare se obţine asigurarea

flexibilităţii şi standardizării în toate fazele, plecând de la proiectare, execuţie şi punere

în funcţiune.

13. BIBLIOGRAFIE [1] Documentaţie tehnică U.C.M. Reşiţa [2] A. Nicolaide “Maşini Electrice” [3] Casey, M., 2001, „Quality and trust in CFD” Proceedings of the CFX User Conference, Berchtesgaden