SU YAPILARI. 7.Hafta. Su Kuvveti (Hidroelektrik Enerji) Tesisleri_2. Prof.Dr.N.Nur ÖZYURT

Transkript

1 SU YAPILARI 7.Hafta Su Kuvveti (Hidroelektrik Enerji) Tesisleri_2 Prof.Dr.N.Nur ÖZYURT Su Kuvveti Tesislerinin Sınıflandırılması Kurulu Gücüne Göre Çok Küçük 100 kw Küçük kw Orta kw Büyük >10000 kw Biriktirme haznesi olup olmamasına göre Tabii debili Biriktirme hazneli Düşüm yüksekliğine göre Alçak basınçlı tesisler Yüksek basınçlı tesisler <50 m > 50 m Suyun mekanik enerjisinden faydalanma şekline göre Akarsuların enerjisinden faydalanan Denizlerin enerjisinden faydalanan Pompaj biriktirmeli (offstream dam) 1

2 Alçak Basınçlı Tesisler H<50m Genellikle akarsuyun getirdiği debiye göre çalışırlar. İşletme debisi minimum ve maksimum debi arasında seçilir. Genellikle akarsuda yılın gününde mevcut olan debi işletme debisi olarak seçilir. Santral binası ya akarsu yatağında yada bir çevirme kanalı üzerine olur. Akarsu Santralları Kanal Santralları Akarsu Santralları Genellikle eğimin düşük, arazinin düz olduğu akarsuların mansap bölgesinde planlanır. Düşüm yüksekliği küçük, işletme debisi büyük tesislerdir. Akarsu yatağı genellikle bir bağlama ile kapatılır. Bağlamanın bir uzantısı olan kuvvet santrali su alma ağzı ve ile iletim tesisi ile bir bütün oluşturur. 2

3 Kanal Santralları Kanal santrallarında, kabartma yapısının yanısıra çevirme kanalının topografik farkından yararlanılarak daha büyük bir düşüm yüksekliği kazanılması amaçlanır. Taşkın sırasında doğal akarsu yatağı kullanılabilir. Yüksek Basınçlı Tesisler H>50m Baraj Santralları Çevirme Santralları 3

4 Baraj Santralları Artan enerji ihtiyacını karşılamak için biriktirme tesislerinin önemi artmaktadır. Baraj Santrallarında yüksek akımlarda biriktirilen su düşük akım dönemlerinde kullanılarak işletme debisi dengelenmiş olur. Teknik ve ekonomik olarak seçilen hazne hacmine göre işletme debisi belirlenir. Baraj santralları genellikle orta ve yüksek düşümlü olarak planlanırlar. Kuvvet santralı ise etek santralı, derivasyon santralı veya yeraltı santralı şeklinde düzenlenebilir. Çevirme Santralları Yüksek basınçlı su kuvveti tesisleri büyük düşüm yükseklikleri ile çalıştıklarından düşüm yüksekliği değişimleri fazla önem taşımaz. Ancak işletme debisindeki kayıplar üretilen enerjiyi azaltır. Yerüstü santralları ve Yeraltı santralları olarak planlanırlar. 4

5 Yerüstü Santralları Yüksek basınçlı çevirme santrallarınde su alma yerinden alınan su açık kanal veya galeri ile denge bacasına getirilir. Vana odasından sonra dik olarak inen basınçlı borular yerüstü santrallarında son bulur. Çoğu zaman düşük eğimli bir basınçlı galeri ile yamacın içinden geçilerek denge bacasına gelinir ve sonrasında kapatma vanaları, basınçlı boru ve kuvvet santralı tasarlanır. Türbinden çıkan su bir boşaltma kanalı ile tekrar akarsuya verilir. Yeraltı Santralları Jeolojik, topografik koşullar Ekonomik analiz Kısa iletim tesisi tasarımı Statik ve hidrolik olarak yapı tasarımı Kış koşullarında inşaatı sürdürmek Çevreye zarar vermeyen estetik bir tasarım Çığ ve heyelan tehlikesi Güvenlik vb. nedenler ile santralın yeraltında inşaasına karar verilebilir. Yukarı Tesis: Santral su alma yerine yakındır, denge bacası gerekmez, boşaltım galerisi uzundur. Orta Tesis: Su alma ve boşaltım noktaları ortasındadır. Aşağı Tesis: Boşaltım galerisinin çıkışına yakın tasarlanır. 5

6 Pompaj Biriktirmeli Santrallar Pompaj biriktirmeli tesislerde suyun depolanacağı bir hazne tasarlanır. Üretilen baz enerjinin tüketilemediği saatlerde pompaj ile su hazneye bir terfi hattı ile taşınır ve depolanır. Depolanan su ihtiyaç oluştuğu saatlerde türbinlere verilerek pik enerji ihtiyacı karşılanır. Bu tür tesislerde üretilen enerjiin harcanan enerjiye oranı 0.5 ile 0.6 arasındadır. Gel-Git nedeni ile oluşan deniz suyu seviye değişiminden enerji üretilebilir mi? 6

7 Su Kuvveti Tesisi Yapı Elemanları Su kabartma yada biriktirme yapısı Su alma yapısı İletim kanalı (açık kanal, galeri, basınçlı boru) Boşaltım kanalı yada galerisi Denge bacası Yükleme odası Türbin Jeneratör Transformatörler Şalt alanı Açık Kanallar Kanal kesiti işletme debisini emniyetle akıtacak şekilde boyutlandırılmalıdır. Kanal mümkün olan en düşük eğim ile işletme debisini santrala taşımalıdır. Kaplamasız kanallarda ortalama hız m/s, kaplamalı kanallarda m/s olarak seçilmelidir. Sediman çökelimi olmaması için hızın 0.3 m/s altına düşmemesi istenir. Kanal şev açısı malzemeye bağlı olarak 25 o -50 o arasında şeçilir. Kanal boyunca dolgu ve yarma uzunlukları ve kaplama tercihi ekonomik olarak değerlendirilir. 7

8 Galeriler İletim yolunu kısaltmak için yeraltından geçmek gerektiğinde su alma yerinden denge bacasına kadar galeriler kullanılr. Galeriler serbest yüzeyli ve basınçlı galeriler olarak iki şekilde olabilirler. Serbest yüzeyli galerilerde hidrolik hesaplamalar açık kanal ile aynıdır. Basınçlı galerilerde tüm kesit alanı suyu iletmek için kullanılır. Galeriler Galeri kesiti bütün hat boyunca sabit kalmalıdır Galeri cidarları mümkün olduğu kadar pürüzsüz olmalıdır Galeri güzergahında asitli sular ve kayaçlarda süreksizlik bulunmamalıdır Minimum galeri kesiti m 2 olmalıdır. Galeri tasarımında; Basınç yüksekliği Akış hızı Sürtünme nedeni ile yük kayıpları dikkate alınır 8

9 Basınçlı (Cebri) Borular İletim kanalı ile yükleme odasına veya basınçlı galeri ile denge bacasına getirilen işletme debisi basınçlı (cebri) borulaar ile santrala verilir. Cebri borular açıkta yada yer altında olabilirler Cebri borular; çelik, betonarme, ahşap ve PVC malzemeden yapılabilirler Cebri borular aşağıdaki kriterlere göre boyutlandırılırlar Akış hızı Boru iç basıncı Boru dış basıncı-et kalınlığı Cebri borulara plan ve kesitte olabildiğince doğrusal olarak döşenirler. Cebri boru ekseni mümkün olan yerlerde santrala doğru yönlendirilmez. Cebri boruya gelen suyu kesmek için denge bacası veya yükleme odası sonunda ve cebri boru başlangıcında vanalar tasarlanır. 9

10 Basınçlı (Cebri) Borular Cebri borular her m de yada yön değiştirdikleri yerlerde tespit kütleleri ile sabitleştirilirler. Tespit kütlelerine 32 farklı kuvvet ( statik-dinamik su basıncı, sürtünme kuvvetleri, hacim değişimleri vb.) etki eder. Ara mesnetler, boru ekseni boyunca oluşacak kuvvetleri ve su ile birlikte kendi ağırlığını taşıyacak şekilde tespit kütlelerinin arasında her m de bir öngörülen ayaklardır. 10

11 Basınçlı (Cebri) Borular Cebri borular son bölümlerinde dağıtım borularına ayrılırlar ve bu borular suyu türbinlere iletir. 11

12 Cebri Borularda Su Darbesi Su darbesi, kapalı boruda akımın azaltılması sonucu oluşan ve statik basıncın çok üstünde basınçların oluşabildiği basınç salınımı olayıdır. Ani ve hızlı kapama durumunda boru içindeki hızın V1 den V2 ye düşmesi durumunda basınç artışı ( h) aşağıdaki şekilde hesaplanır. a a V1 V h g g Es E B d e a çelik borularda ~1000m/s olur. h: basınç artışı a: basınç dalgasının boru içinde yayılma hızı (Allievi basınç dalgası hızı) ɣ: suyun özgül ağırlığı g: yer çekim ivmesi Es: suyun elastisite modülü Eb: borunun elastisite modülü d: boru iç çapı e: boru et kalınlığı Su Darbesi Hesabı_Örnek Soru Bir çelik borunun akış hızı V1= 4.6 m/s dir. Borudaki hız vananın ani olarak kısmen kapatılması ile V2=1.7 m/s ye düşürülmüştür. Basınçlı borudaki su darbesinin hesaplayınız (Allievi basınç hızını 1000m/s olarak alınız). a V1 V g h h 297m

13 12/7/2015 Denge Bacaları Denge bacaları, türbinlerin durdurulması veya ayarlanması anında oluşacak aşırı basınçların boru ve galeriye verebileceği zararları önlemek için galerinin cebri boruya geçiş kesitinde öngörülen serbest yüzeyli büyük su depolarıdır. Denge bacaları ile; Oluşan yüksek basınçlar sönümlenerek galerinin zarar görmemesi sağlanır Türbinlerin ani açılmaları sırasında galeriden işletme debisi alınıncaya kadar suyu temin eder Türbinlerin ani kapanması durumunda galeriden gelen fazla suyu depolar Küçük salınınları sönümleyerek tesisin sabit güç ile çalışmasını sağlar Debi değişimlerinde büyük salınımların sönümlenmesine yardımcı olur Farklı İşletme Koşullarında Denge Bacaları 13

14 Denge Bacası Türleri Kuyu (Basit): Silindir şeklinde sabit alanlı kuyulardır, Kesit alanı büyüktür salınımlara çok geç sönümlenir. Giriş ağzı daraltılmış (boğmalı): İletim tesisi ile bağlantı yeri daraltılmıştır. Girişte yük kayıplarının arttırılması ile kısa sürede sönümlemei amaçlanmaktadır. Yanal hücreli: Denge bacası kesiti küçük tasarlanır ve farklı yüksekliklerde yanal hücreler yapılır. Differansiyel: Ortada veya yanda bir ek bacası vardır. Kesit küçüktür salınım çabuk sönümlenir. Yükleme Odaları Su iletiminin serbest yüzeyli yapıldığı durumlarda iletim tesisinin sonunda ve cebri boru girişinin önünde denge bacasının tüm işlevlerini yerine getiren ve çökeltim havuzu görevi de üstenen su deposuna yükleme odası denir. Yükleme Odasında su seviyesini kontrol etmek ve türbinlerin ani olarak durdurulduğunda kanaldan gelen suyu tahliye etmek için yan (dolu) savak ve çökelen maddelerin uzaklaştırılması için bir dip savak tasarlanır. Cebri boru giriş ağzında eşik, ızgara ve yedek kapaklar bulunur. 14

15 Yükleme odasında su derinliği cebri boru çapının en az 2.5 katı olarak planlanır. Cebri boru girişi üstündeki havuz hacminin santralin en az 1 dakikalık ihtiyacını karşılayacak büyüklükte olması gerekir. Türbinler Türbinler, yatay veya düşey eksen etrafında dönen ve suyun kinetik enerjisini mekanik işe çeviren makinelerdir. Yalnız kinetik enerji kullanan türbinler Impuls türbinler (Pelton türbini yada çarkı) Hem kinetik hemde basınç enerjisini kullanan türbinler basınçlı türbinler (Francis ve Kaplan Türbinleri) 15

16 This image cannot currently be displayed. Impuls Türbinler Türbin çarkı üzerinde çukur çanak şeklindeki kanatlara su fiskiyesinin (su jeti) çarparak su hızının değişmesi sonucu türbinin dönmesi sağlanır. Daralan bir boru sisteminden (nozul) geçirilerek suya bir hız kazandırılır ve su jeti oluşturulur. Su jetinin kanatlara çarpması sonucu kinetik enerji,potansiyel enerjiye dönüşür. Bu sistemde çark kanatlarında basınç değişimi ortaya çıkmaz ve türbin kapalı bir ortama gereksinim duymaz. Genellikle çok yüksek düşülerde tercih edilir Pelton Türbini Düşüm yüksekliğinin çok büyük ve işletme debisinin küçük olduğu durumlarda tercih edilir. Basınçlı Türbinler Türbin çarkının dönmesi, suyun çark çıkışında ivmelenmesi sonucu oluşan tepki kuvvetiyle sağlanır. Su enerjisini türbine verirken basınç değişir. Burada su basıncı ya da su emişi sağlanması için kapalı bir ortam ya da çarkın tamamen suyun içinde olması gerekir. Bu nedenle fazla miktarda suya gereksinim duyarlar. Francis Türbini 16

17 Kaplan Türbini Büyük debi ve küçük düşümlerde tercih edilir. Türbin Tipi Seçimi Türbin tipi, özgül dönme sayısı ve düşüm yüksekliğine göre belirlenir. 17

18 Su Kuvveti Tesisleri ile İlgili Bağlantılar US Energy Information Administration Itaipu Brazil HPP (Three Gorges Barajından (Çin) sonraki en büyük) HESİAD IMO EPDK DSİ 18