Antrallerde Turbin Verimliliginin Termodinamik Metotla Olculmesi Turbine Efficiency Measurement of Hydro Electric Power Plant With Thermodynamic Methot

8/2/2019 Antrallerde Turbin Verimliliginin Termodinamik Metotla Olculmesi Turbine Efficiency Measurement of Hydro Electric P

1/147

KARADENZ TEKNK NVERSTESFEN BLMLER ENSTTS

ELEKTRK-ELEKTRONK MHENDSL ANABLM DALI

HDROELEKTRK SANTRALLERDE TRBN VERMLLNN TERMODNAMKMETOTLA LLMES

YKSEK LSANS TEZ

Elektronik Mh. Refik PALA

HAZRAN 2007TRABZON


2/147

KARADENZ TEKNK NVERSTESFEN BLMLER ENSTTS

ELEKTRK-ELEKTRONK MHENDSL ANABLM DALI

HDROELEKTRK SANTRALLERDE TRBN VERMLLNNTERMODNAMK METOTLA LLMES

Elektronik Mh. Refik PALA

Karadeniz Teknik niversitesi Fen Bilimleri EnstitsnceElektronik Yksek Mhendisi

Unvan Verilmesi in Kabul Edilen Tezdir

Tezin Enstitye Verildii Tarih :08.06.2007

Tezin Savunma Tarihi :05.07.2007

Tez Danman :Yrd. Do. Dr. Adnan CORA

Jri yesi : Prof. Dr. Sefa AKPINAR

Jri yesi : Prof. Dr. mer YKSEK

Enstit Mdr: Prof. Dr.Emin Zeki BAKENT

Trabzon 2007


3/147

II

NSZ

Bu almada, hidroelektrik santrallerde genel verimlilii etkileyen faktrler ve trbin

verimlilii detayl birekilde incelenmitir.

Hidroelektrik santral trbin verimlilii lmnn yaplmas, nasl deerlendirilmesi

ve yaplan hesaplamalar ile ilgili ayrntl bilgi verilmitir.

Yksek lisans tezi danmanlm stlenerek tezin hazrlanmasnda deerli

yardmlarn esirgemeyen sayn hocam Yard. Do Adnan CORAya , lme almalarnda

ekipman ve teknik desteklerinden dolay Keban HES Danman EDF/EWE ve DOLSAR

konsorsiyum firmasna, Keban HES personeline ve i arkadalarma teekkr bor bilirim.

Ayrca maddi manevi desteklerinden dolay aileme teekkr ederim.

Refik PALA

Trabzon 2007


4/147

III

NDEKLER

Sayfa No

NSZ ..... II

NDEKLER ........... III

ZET ..VII

SUMMARY VIII

EKLLER DZN .. IX

TABLOLAR(ZELGELER) DZN X

SEMBOLLER DZN ........ XI

1. GENEL BLGLER ... 1

1.1. Giri .... 1

1.2. Hidrolik Trbin Verimlilii...... .. 3

1.2.1. Verimlilii Etkileyen Parametreler .. . 4

1.2.1.1. Kayplar.. .. 4

1.2.1.2. D Kayplar.. .. 6

1.2.1.3. Trbin Verim Da Erileri ve letme Verimlilii. 8

1.2.2. Anma, Verimlilie Etkisi ve Anma Tamirat Geiren arklar .. 10

1.2.3. Trkiyedeki Hidroelektrik Santrallerde Trbin Verimliliinin llmesineNeden htiya Var ?..... ....... 13

1.2.4. Trbin Verimlilii lm Yaplacak Hidroelektrik Santraln Seilmesive lmn Gerekletirilmesi in zlenecek Yol ... 14

1.3. Trbin Verimlilik lm Testleri ... 16

1.3.1. nemi .. 16

1.3.2. Standartlar ... 17

1.3.3. Ultrasonik Metotla Trbin Verimlilik lm .... 17

1.3.3.1 Genel.............. 17

1.3.3.2 Verim Hesaplama................ 18

1.3.3.3. Verim lme lemi .................. 20

1.3.3.4. Ultrasonik Gei Zamanl Debi lm........ 22

1.3.3.5. Ultrasonik Debi lme Metodu. .......................... 22


5/147

IV

1.3.3.6.zgl Su.................. 24

1.4. Termodinamik Metotla Verimlilik lm ve Hesaplamalar. 25

1.4.1. Termodinamik Metodun Genel zah .. 25

1.4.2. Hidrolik Makinenin Verimi.......... 27

1.4.3. Trbin Verimliliinin Hesaplanmas .... 31

1.4.3.1. zgl Hidrolik Enerji......................... 32

1.4.3.2. Hidrolik G................ 33

1.4.3.3. zgl Mekanik Enerji........................ 34

1.4.3.4. Trbin Verimlilii......... 35

1.4.3.5. Hidrolik Trbinde D, Debi, Gcn Bulunmas.......... 35

1.4.4. lm Belirsizliklerinin Analizi ......... 37

1.4.4.1 zgl Mekanik Enerjinin Deerlendirmesinin Belirsizlii.. 39

1.4.4.2 zgl Hidrolik Enerjinin Deerlendirilmesi in Belirsizlik 40

1.5. Elektrik Tehizatlarnn Verimlilii.. 43

1.5.1. Generatr Verimi 43

1.5.2. Trafo Verimi ....... 44

1.5.3. Bara ve letken Kayplar ..... 46

2. YAPILAN ALIMALAR............ 47

2.1. Keban HESde Termodinamik Metotla Yaplan Testler....... 47

2.1.1. Genel ........ 47

2.1.2. Trbin Teknik Verileri . .. 47

2.1.3. Keban HESde Yaplan Verimlilik lmleri ..... 47

2.1.4. lm Metodu ve Uygulamas.. .. 48

2.1.5. lm Ekipmanlar .... 50

2.1.5.1. Yksek Basn Taraf lm Probu 50

2.1.5.2. Kullanlan Termometre....... 52


6/147

V

2.1.5.3. Basn lm............ 53

2.1.5.4. G lm............. 54

2.1.5.5. Atlan Suyun Debisinin lm...... 55

2.1.5.6. lmn Yaplmas ve llen Verilerin Kaydedilmesi... 55

2.1.6. Sonularnn Deerlendirilmesi .. 58

3. BULGULAR 59

4. SONULAR VE RDELEME 63

5. NERLER .. 64

6. KAYNAKLAR..... 66

7. EKLER..... 67

ZGEM... .. 131


7/147

VI

ZET

Teknolojinin geliimi ve nfusun artmasndan dolay enerjiye duyulan ihtiya yldan

yla katlanarak artmaktadr. Enerji kaynaklarnn snrl veya kaynaktan enerjiye dnm

maliyetinin yksek olmas kaynaklarn verimli kullanlmasnn nemini artrmtr. Bunun

iin enerji dntrc makinelerin veya cihazlarn ne kadar enerji kaybna neden olduklar

bilinmelidir.

Su trbinlerinin Dnyadaki kullanm 1970li yllarda artmtr. Gnmzde

Trkiyede 50den fazla 30 yldan daha eski byk su trbini bulunmaktadr. 30 yl ve daha

nce retilen su trbinleri ile gnmz teknolojisi ile retilen su trbinleri arasnda trbin

biimi farkndan kaynaklanan % 3 ila % 5 arasnda deien verim fazlal bulunmaktadr.

Zamanla alan trbin arklarnda anmadan (kavitasyon) ve labirent aklklarnn

artmasndan kaynaklanan ilave enerji kayplar da olmaktadr. Rehabilitasyon almalarnda

ark deiimine karar vermek, zamanla alan su trbininin verim kaybn, mevcut sistemin

enerji maliyetini ve suyun deerini bulmak iin trbin verimliliinin llmesi

gerekmektedir.

Bu almada suyun potansiyel enerjisini kullanarak elektrik enerjisi reten

hidroelektrik santrallerdeki (HES) su trbinlerinin verimlilikleri ve verimlilik lm

yntemleri incelenmi ve bir santralde trbin verimlilii lm yaplmtr.

Anahtar Kelimeler: Hidroelektrik santral, Francis tipi trbin verimlilii, termodinamik

metotla verimlilik lm.


8/147

VII

SUMMARY

Turbine Efficiency Measurement of Hydro Electric Power Plant WithThermodynamic Method

Energy requirement has been increasing rapidly every year due to technological

development and population increase. Limited energy sources and high energy conversion

cost have increased importance of efficiency of the sources. Therefore how much energy

converting machines cause energy losses should be investigated.

Use of hydro turbines increased in 1970s in the world. There are more than 50 hydro

turbines which are at least 30 years in use Turkey. State of art hydro turbines have 3%-5%

more efficiency than the hydro turbines manufactured 30 years ago. Additional losses may

occur due to cavitations and increasing labyrinth clearances. Turbine efficiency should be

measured in order to decide runner replacement to find efficiency losses, energy cost

In this study efficiency measurement methods at hydro power plant which produce

energy from the potential energy of water have been investigated and turbine efficiency

measurement in a power plant has been evaluated.

Key Words: Hydro electrical power plant (HEPP), Efficiency of francis type turbine,

Measurement of efficiency with thermodynamic methods


9/147

VIII

EKLLER DZN

Sayfa No

ekil 1. 1. Dikey eksenli hidroelektrik santral nitesinin boyuna kesiti ilefrancis trbini grnts 2

ekil 1. 2. rnek bir trbin verimlilik da erisi 9

ekil 1. 3. Bir hidroelektrik santral elamanlarnn enine kesit grnm.. 16

ekil 1. 4. Bir yatay eksenli hidroelektrik nitesi trbinde ultrasonik metotlaverimlilik lm prensip emas.. 20

ekil 1. 5. Ultrasonik metotla su ak hz lm 23

ekil 1.6. Direkt metotla ksmi genleme metodu karlatrmas... 26

ekil 1.7. Termodinamik metotla trbin verimi lm prensip emas .. 30ekil 1.8. Termodinamik lm dzenei ematik gsterimi 31

ekil 1. 9. Debi ve G iin ak diyagram 36

ekil 1. 10. Termodinamik metot trbin verimlilik lm toplam belirsizlik. 38

ekil 1.11. Generatr verimlilik erisi rnei 42

ekil 1.12. Generatr alma Erisi. 43

ekil 2. 1. Yksek basn probu. 51

ekil 3. 1. Keban rneinde giri s

cakl

dzenli olarak artma veya eksilme yerineizledii dalgal seyir grafii. 60

ekil 3. 2. Keban HES nite-4 llen verim grafii . 61

ekil 3. 3. Keban HES nite-5 llen verim grafii.. 61


10/147

IX

TABLOLAR DZN

Tablo 2.1. Keban HES trbin teknik verileri. 47

Tablo 2.2. Bir PT 2000 termometre teknik zellikleri 53Tablo 2.3. Termometrelere ait sfr nokta ayar deerleri............... 56

Tablo 3.1. nite 4 ve 5de 145 m dde llen maksimum verim deerleri. 62

EK 1 Tablo 1.Keban HES nite 5 llen deerler.... 67

EK 1 Tablo 2.Keban HES nite 5 (A) llen deerler ..... 71

EK 1 Tablo 3.Keban HES nite 5 (B) llen deerler.. 78

EK 1 Tablo 4.Keban HES nite 4 llen deerler.... 79

EK 2 Tablo 1.Keban HES nite 5 deerlendirmeler .. 87

EK 2 Tablo 2.Keban HES nite 5 (A) deerlendirmeler ... 91

EK 2 Tablo 3.Keban HES nite 5 (B) deerlendirmeler.... 98

EK 2 Tablo 4.Keban HES nite 4 deerlendirmeler... 99

EK 2-Tablo 5. Keban HES nite 4-nite 5 veri dosyas... 107

EK 2-Tablo 6.Keban HES nite 4-nite 5 belirsizlik hesaplanmasnda kullanlantemel veriler.. 108

Ek 3 Tablo 1. Keban HES nite 5 iin yaplan lme grubu M5(A) 24 numaral

lm noktas

deerleri....... 109Ek 3 Tablo 2. KEBAN HES nite 5 iin yaplan lme grubu M5(A) 24 numaral

lm noktas belirsizlii iin veriler tablosu.... 117

Ek 4 Tablo 1. Suyun zgl Is Kapasitesi cp (J kg-1.K-1).......... 127

Ek 4 Tablo 2. Suyun Escaklk Faktr a (10-3 m3. kg-1)... 129


11/147

X

RESMLER DZN

Resim 1.Keban Hidroelektrik Santralnda bir trbin arknn anmaya uram blgesi.. 11

Resim 2. Altak ksm termometrelerinin vibrasyondan etkilenmeyecekekildeyerletirilmesi 48

Resim 3. Yksek basn probunun menhol kapana sabitlenmesi.. 49

Resim 4. Altak ksm scaklk lm dzeneinin yerletirilmesi. 50

Resim 5. Yksek basn lm probu.. 52

Resim 6.Basn transdserlerinin yerletirilmesi 54

Resim 7.Keban HES verimlilik lmnde kullanlan g lm alglaycs 55

Resim 8.Keban HES nite 4-5 Trbin verimlilik lmnde kullanlan kayt sistemi.. 57


12/147

XI

SEMBOLLER DZN

A :Trbinden alnan enerji

C :Sesin sudaki hz

D :Yol

D1 :Trbin rotorunun giri ap

E :Makinenin zgl hidrolik enerjisi

Eg :Tesisin zgl hidrolik enerjisi

Ei :Trbine verilen enerji

EL :zgl hidrolik enerji kayplar

Em :arktaki zgl mekanik enerji

ETA-corr :Dzeltilmi trbin verimi

Ev :Hidrolik trbinin enerji kayplar

H :Trbinin d

Hg :Tesisin d

HL :D kayplar

Hr :Nominal d

L :Akustik yol uzunluuLR :Trbin rotorunun su iindeki suyla srtnmesi nedeni ile meydana gelen

kayp g.

P :Makinenin mekanik gc

Pa :Generatr kndan llen g

Pb :Sarg scaklklar dahil olmak zere generatrdeki mekanik ve elektrikkayplar

Pc :Generatrden dolay oluan tayc yatak kayplar

Pd :Generatr ve trbin haricinde uar toplar, dililer, hava fanlar vb. gibi btndner elemanlarn kayplar,

Pe :Dorudan tarikli herhangi bir yardmc makineye salanan g

Pf :Trbinden yardmc ekipmanlara salanan elektrik g

PG :Generatr k gc

Ph :Hidrolik g

PLm :Mekanik g kayplar

Pm :arkn mekanik gc

PR :Nominal ddeki g


13/147

XII

Pv :Harici kayplar (yataklardan havadan)

Px : kayplar

Q :Debi

Q1 :ndeks debi

Q1 veya Q2 :Referans kesitindeki debi

Q1 veya Q2 :llm debi

Q1c veya Q2c :Referans kesitindeki dzeltilmi debi

Qo :Yksz trbin debisi

Qr :Nominal ddeki debi

T :Zaman

T# :Scaklk

TAB :Transduser Adan Bye doru ulam zaman(Akntya kar)

Tamb :evre scakl

TBA :Transduser Bden Aya doru ulam zaman (Aknt ynnde)

V :Suyun hz, Hz

Z :Ykseklik fark

Zg :Tesisin yere gre ykseklii

Zi :Trbin giri seviyesiZo :Trbin k seviyesi

Zr :Makinenin referans seviyesi

a :Suyun e scaklk faktr

delta_em_ht :zgl enerji transferi iin s transferi dzeltmesi

delta_em_gr :zgl enerji transferi iin scaklk dalm dzeltmesi

e :zgl enerji

ecp :Termodinamik terim cpnin deerlendirmesi iin belirsizlikem :zgl mekanik enerji

ex :zgl i kayplar

eh :zgl hidrolik enerji

ep :Basntaki belirsizlik

11_pme :p11 llen basn iin belirsizlik

20pe :p20basncndaki belirsizlik

ae :Termodinamik terim a nn deerlendirilmesi iin belirsizlik


14/147

XIII

eOW :Yksek basn taraf evresel enerji dalm iin belirsizlik

eUW :Alak basn taraf evresel enerji dalm iin belirsizlik

11_pse :p11 indisli sapma belirsizlii

eT :Scaklk fark belirsizlii

ev :kinetik enerji belirsizlii

ez :potansiyel enerji belirsizlii

e :Verim belirsizlii

eta-G :Generator verimlilii

11ps :p11basnc iin sapma

sT20 : Scaklklarn lm iin standart sapma

f

:llen verim iin toplam sistemetik belirsizlik

mef :Mekanik enerji iin greceli sistematik belirsizlik

11pf :p11 basnc iin sistematik belirsizlik

hef

:Hidrolik enerji iin greceli sistematik belirsizlik

cp :Suyun zgl ss

h :DNh :Net d

indis 1 :Yksek basn referans blm ,Trbin giri ksm

indis 11 :st ak suyunun iindeki prob

indis 1' 1" :Yksek basn lm kesitleri

indis 2 :Alak basn referans bolm, Trbin k ksm

indis 20 :Serbest altak su seviyesi ksm

indis 2' 2" :Alak bas

n lm kesitleriindis amb :Ortam

indis-m :lgili sensrden llen deer

indis max :Maksimum

indis min :Minimum

indissp :Belirlenmi, zgn

k :Deneyle tespit edilen katsay.

m :k kaybnn emme borusunda geri kazanlan ksm

n :Dnme hz, devir ,Yksz trbin devri


15/147

XIV

ni :lk devir, balangtaki devir

nf :Son devir, bititeki devir

nm :Bir trbinin geici ar devri

nR max :Bir trbinin maksimum geici ar devri

nm max :Maksimum karal ar hz devri

pabs :Mutlak basn

pamb :Ortam basnc

p :Gsterge basnc(manometre)

pi :lk (balangtaki) basn

pf :Son basn

p+m p-m :Geici basnlar

p+m max,p-mmin:Maksimum / Minimum Geici basnlar

patm :Atmosferik basn

p# :Basn

pi :Trbin giri basnc

po :Trbin k basnc

v :Ortalama hz

v :Suyun zgl hacmiPh :Hidrolik g dzeltmesi

:Akustik yolun boru merkezi ile olan as

em :emiin dzeltme faktr

:Suyun younluu

:Verim

a :Aritmetik ortalama verim

80 :Nominal net dde garanti edilen 80 [%] ykteki verim



h :Hidrolik verim

G :Generatr verimi

m :Mekanik verim

w :Arlkl ortalama verim

ref :Bal verim


16/147

XV

w :Arlkl ortalama verim

:Suyun younluu

Q :Ktlesel ak oran


17/147

1. GENEL BLGLER

1.1. Giri

Hidroelektrik santrallerdeki verimliliin arttrlmasna ynelik almalar; tehizat

verimliliinin artrlmas ve iletme verimliliinin arttrlmas olarak iki temel grupta

toplanabilir.

Tehizat verimliliinin almaya bal olarak azalmas, modern ve zamannda

yaplan etkin bakm teknikleriyle nlenebilir. Tehizat verimlilii standartlara uygun

olarak yaplan periyodik testlerle, iletme deerleriyle izlenebilir; yenileme ve

rehabilitasyonlarla arttrlabilir.

HES verimliliinde en byk rol olan tehizat trbinlerdir. Yk ve d gibi temel

iletme parametrelerinin deiimi dier tehizatlara gre trbin verimini daha byk

lde etkiler. ekil 1.1de bir hidroelektrik santral nitesinin kesiti ile Francis trbini

gsterilmektedir.

Trkiyede hidroelektrik retimin % 60n gerekletiren Frat Havzas santrallerine

ait model test verim erileri incelendiinde trbin verimlerinin Atatrk ve Keban HESte

% 95.3, Karakaya HESte % 93 olduu, generatr ve trafo verimlerinin de gnmz

teknolojisiyle elde edilen deerlere ok yakn olduu grlmtr[1]. Bu veriler nda

tehizatlarn rehabilitasyonu ile elde edilebilecek verim artnn % 0,7 ile % 4 arasnda

olabilecei gzlenmektedir. Ancak bu santrallerdeki trbinlerin mevcut verim

durumlarnn tam olarak ne olduunu bulmak iin trbin saha verimlilik lmleri

yaplmaldr. Bu verimlilik lm ile elde edilebilecek verim art miktar daha byk

dorulukla tahmin edilebilir.

ekil 1.1de Hidroelektrik Santral nitesinin numaralarla gsterilen elemanlarnn

adlar srasyla yledir.

1-Salyangoz

2-Emme borusu

3-Francis tipi trbin ark

4-Ynlendirici sabit kanatlar

5-Ayar kanatlar

6-Generatr rotoru


18/147

7-Generatr statoru

8-Trbin aft

9-Tayc yatak

10-Statik ikazl nitelerde bilezik hcresi dinamik ikazl nitelerde DC generatr.

11-Reglasyon servomotoru

ekil 1.1. Dikey eksenli hidroelektrik santral nitesinin boyuna kesiti ile Francis trbinigrnts

1

2

3 45

67 7

8

9

10

11

1

2


19/147

Tehizat verimliliini arttrma almalarnda yatrm gcne ve uzun bir zamana

ihtiya vardr. Bu nedenle yaplacak rehabilitasyon almalarnn krl olup olmayaca

hususunda ciddi ve detayl fizibilite almalarnn yaplmas gereklidir.

Yenileme ve rehabilitasyon, tehizat performanslarnn byk oranlarda azald ve

fonksiyon yetersizliinin olutuu durumlarda mutlaka yaplmaldr. Yenilemesi ve

rehabilitasyonu yaplacak tehizatn, yeni teknolojik gelimelerle modernizasyon ve

otomasyonun kolayca uygulanabilecei yerlerde seilmesi uygulanabilirlii artrr.

Gerek mevcut belgelerdeki verilerin teyidi gerekse son durumlarnn tespiti asndan

tehizatlarn verimlilik ve performans testlerinin mmkn olan en yksek hassasiyetle ve

periyodik olarak yaplmas gerekmektedir.

Bu verimlilik lm temel olarak aadaki stnlkleri salar.

Trbin en yksekle altrlabilir. Tm enerji retiminin trbin veriminin maksimum olduu ykte yaplmas

salanabilir.

Btn hidrolik lmlerle ilgili verileri ieren bir verimlilik veri kayt dosyastutulabilir.

Trbin verimliliinde herhangi ani d olduunda fark edilebilir. (rneinyataklardaki anormal bir srtnmeyi fark etme)

Trbin verimlilik azalmasna gre bakm planlamas yaplabilir.1.2. Hidrolik Trbin Verimlilii

Tm makinelerin olduu gibi hidrolik trbinlerin de belirli iletme blgelerinde ve

belirli iletme koullarnda en yksek verimle almalar gerekir. Hidrolik trbinlerin

mmkn olabilen en yksek verimle almalar iin enerji kayplarn kk tutulmas

gerekir. Trbin verimi () genel olarak (1) eitliindeki gibi ifade edilir.

E

EE

E

Av

== (1)

Burada; A, trbinden alnan kullanlabilir i E, trbine verilen enerjiyi

gstermektedir.

Hidrolik trbinlerde i kay

plar, d

kay

plar ve trbinlerin a

r

yklerde veya dkyklerde altrlmalar nedenleri ile byk enerji kayplar meydana gelebilir. Meydana

3


20/147

gelen bu kayplarn byklne, trbinin bykl, tipi ile orijinal proje biimi, imalat

ve yaplan iletmenin iyilik derecesi byk lde etki eder [1] .

1.2.1. Verimlilii Etkileyen Parametreler

1.2.1.1. Kayplar

Suyun temas ettii yzeylere srtnmesi ile oluan srekli yk kayplar (su debisi

kayplar), boru dirseklerinde ve trbin iinde yn deitirmesi ile ak kesitlerindeki

deimeler (hidrolik akm kayplar), ve k kayplar i kayplar, yersel yk kayplar

olarak adlandrlr [2] .

Su debisi kay

plar

: Yaln

z Francis tipi hidrolik trbinlerle Kaplan tipi hidroliktrbinlerde rotor dnme boluklarndan szan kaak sular nedeni ile meydana gelir. Trbin

ayar kanatlar arasndan gelen su debisi (Q) ve rotorun evresindeki dnme boluklarndan

szan su debisi (Q ) trbin rotorunun kanatlar arasna giren tahrik suyunun debisi (Qi )

aadaki bant ile hesaplanr.

QQQi =

( )QQ= 1

( ) QQi .1 = (2)

Burada; ( ), trbin dnme boluklarndan szan su debisinin normal debiye orandr.

Trbin rotoru dnme boluklarndan kaan (Q ) su debisi nedeni ile trbin gcnde

(N) bir azalma meydana gelir. Kaak su debisinin azaltlabilmesi iin rotor dnme

boluklarnn mmkn olduu kadar kk yaplmas veya labirentler kullanlmas yoluna

gidilmektedir. Ancak trbin-generatr aftlarnda meydana gelebilecek elastik ekil

deitirmeler (elastik bklmeler) esnasnda trbin rotorunun sabit ksmlara arpmas

tehlikesinin mmkn olmas nedeni ile dnme boluklar belirli bir deerden daha kk

yaplamamaktadr.

Kaak su debisinin nominal su debisine oran ( n ), zen gsterilerek projelendirilen

ve imalat yaplan olan tesislerde 0,01 -0,04 deerlerine kadar azaltlabilir.

4


21/147

04,001,0 =n

nQ

Q (3)

Burada 0,01 gibi deerler labirentli byk trbin rotorlar iin olup, 0,04 gibideerler ise labirentsiz kk trbin rotorlar iindir.

Hidrolik akm kayplar: Trbin ayar kanatlarnn yerletirildii ayar kanatlar

emberi kanal, trbin rotoru kanatlarnn aralklar ve trbin emme borusu, hidrolik akm

kayplarnn incelenmesi ynnden, dz bir boru donanm ile kabaca mukayese

yaplabilir. Francis ve Kaplan tipi hidrolik trbinlerin ayar kanatlar emberlerinin

kanallar ap daralan bir boru donanm ile, Kaplan ve Francis tipi trbinlerin rotor

aralklar daralan ve dnen bir kanal ile, emme borular ise ap genileyen dirsekli birboru donanm ile karlatrlarak incelenebilir.

Bir trbinden geen su debisi Q = 0 ile Q = Qmax = 1,3 Qn deerleri arasnda

deiebilir. Su akmnn, ayar kanatlar emberi aralklar ile ayar kanatlarnda hz artar,

trbin rotoru kanatlarnn aralklarndaki hz daha da artar ve yn deiir. Emme

borusunda ise hz azalr. Su akmnn, ayar kanatlar emberi aralklarnda, ayar kanatlar

aralklarnda ve trbin rotoru kanatlarnn aralklar ile emme borusunda srtnmeler, yn

deitirmeler ani enerji deiimi gibi nedenlerle meydana gelen hidrolik ak

m direnleriniyenmesi gerekmektedir.

Trbinlerde meydana gelen srtnme kayplar ile dirsek kayplar ve enerji

kayplar, genel olarak hidrolik akmn snr tabakasnn kalnlna baldr. Bu snr

tabakas boru hatlarnn i yzeylerinde trbinlerde ise suyun temas ederek getii btn

yzeylerde meydana gelmektedir. Snr tabakasnn meydana geldii blgelerde de

genellikle trblansl bir hidrolik akm mevcuttur.

Snr tabakasnn deeri, bilhassa hzlanan hidrolik akmlarn meydana geldii

yzeylerin przsz hale getirilmesi ile kltlebilir. Buna karn, hidrolik akm

yavalad yerlerde, keskin keli dirseklerde ve ani kesit deimelerinde snr tabakasnn

kalnl artmakta ve snr tabakasnda zlmeler meydana gelmektedir. Snr

tabakasndaki zlmeler, trbin emme borusunda hz enerjisinin basn enerjisine

dnmesinde kayplarnn ve dirseklerde ise kayplarnn meydana gelmesine neden

olmaktadr.

Hz enerjisi ve basn enerjisi kayplar, emme borusu genileme kayplarnn kk

tutulmas ve dirseklerdeki erilik oran deerinin byk seilmesi ile kltlebilir.

5


22/147

Hidrolik akm kayplarndan bir tanesi de trbin ayar kanatlarndan kan suyun

trbin rotoru kanatlarna uygun bir a ile girememesi nedeni ile meydana gelen hidrolik

arpma veya hidrolik darbe kayplardr. Bu kayplar Francis tipi hidrolik trbinlerin

zellikle dk yklerde veya ar yklerde altrlmalar esnasnda hidrolik akm

hznn karesi ile orantl olarak artan kayplardr.

k Kayplar:

k kayplar ifadesinden, bir daha kullanlamayacak olan ve su akm ile trbin

rotorunu terk eden akm enerjisi anlalmaktadr. k kayplar, emme borusu

bulunmayan Pelton tipi hidrolik trbinlerde tamamen kaybolmaktadr. Emme borusu

bulunan Francis ve Kaplan tipi hidrolik trbinlerin emme borularnda olan k

kayplarnn bir ksm geri kazanlabilmektedir.

Su akmnn trbin rotorunu terk ettii yerdeki k hz, emme borusunun knda

der.

Trbin emme borusunun verimi (s) trbin rotoru kndaki k kaybnn emme

borusunda geri kazanlan ksm (4) bantsyla bulunur.

gCm s 2/.2

21 = (4)

Burada; ( 1m ), emme borusu kazanc ( 2C ), Suyun trbin rotorunu terk ettii yerdeki

hzg, yerekimi ivmesidir.

Buna gre k kayb ( vah ) aadaki gibi elde edilebilir.

g

C

g

C

g

C

g

Ch

s

s

ava

2)1(

22

2

22

2

2

2

2

2

=

=

=

(5)

1.2.1.2. D Kayplar

Trbin arknn alt gvdesi ile st gvdesinin, dnme boluklarndan kaan sularn

iinde dnmesi dolaysyla meydana gelen srtnme kayplar ile trbin klavuz yatanda

ve trbin salmastrasnda meydana gelen srtnme kayplarnn sebep olduu gkayplarna d kayplar ad verilir. D kayplarn trbin arknn su ile srtnmesinden

6


23/147

ileri gelen miktar, trbin arknn devir saysnn 3. kuvveti ile ve trbin rotoru giri

apnn 5. kuvveti ile orantl olarak deimektedir ve (6) eitlii ile hesaplanr[2].

53 .. lR DnkL = (6)

Burada;

LR = Trbin rotorunun su iindeki suyla srtnmesi nedeni ile meydana gelen kaypg

k= Deneyle tespit edilen bir katsay

n = Trbin rotorunun devir says

D1= Trbin rotorunun giri apdr.

D kayplar, trbin klavuz yatandaki ve trbin salmastralarndaki srtnmeler

yznden meydana gelen g kayplar ile trbini iletmek iin altrlmas zorunlu olan

hz reglatr ve basnl ya pompalar gibi tehizatlarda harcanan g kayplar

oluturur.

Toplam verimin en nemli arpan olan trbin verimi trbin giriinde oluan net

dye ve debiye, dolaysyla gce bal olarak byk deiiklikler gsterir. Trbin

veriminde trbin tipi, dizayn, imalat kalitesi ve hassasiyeti nemli faktrlerdir. Trbinler,

genellikle nominal d ile nominal gte en yksek verim elde edilecekekilde dizayn

edilirler. Ortalama olarak % 98 - % 99,5 mertebesine ulaabilen generatr ve trafo

verimlerine nazaran modern teknikler ve CNC tezgahlar kullanlarak imal edilen

trbinlerde maksimum % 96 verime ulalabildii grlmtr. letme artlarna gre

ortalama % 1-3 deiim gsteren generatr ve trafo verimlerine gre % 40 - % 50

mertebesinde deiim gsterebilen trbin verimleri daha nemlidir [1].

Trkiyedeki Hidroelektrik Santrallere ait karakteristik deerler incelendiinde

eitli alma koullarnda verimi etkileyen yk, d, debi ve anma gibi parametrelere

gre trbin veriminin % 40 ile % 95,5 arasnda deitii gzlenmitir.

Mnferit trbin verimini etkileyen unsurlardan biri de ark aklklar olarak da

adlandrlan trbin dnme boluklardr. Bu boluklarn anma, erozyon ve korozyon gibi

sebeplerle bymesi sznt ve kaaklarn artmasna neden olup trbin verimini

dreceinden bunu engellemek iin uygun periyotlarla kontrol edilmeli ve tamirat, para

deiimi gibi gereken tedbirler alnmaldr.

7


24/147

Ayrca trbin ark ve labirentler gibi dnen trbin aksamlarnn, eksantrik pompa

eklinde almasn nlemek iin eit dnme boluklar temin edecek ekilde

merkezlenmesi verimin dmesini engelleyecek nemli tedbirlerdendir [1].

1.2.1.3. Trbin Verim Da Erileri ve letme Verimlilii

Trbin veriminin d, debi ve g deikenleri ile ilikisini gsteren diyagramlara

verim da erileri denir. Kartezyen koordinat sistemiyle oluturulan diyagramlarn

genellikle apsisinde net d, ordinatnda da debi veya g bulunur. rnek bir trbin

verimlilik da erisi ekil 1.2.de verilmitir.

Nominal d maksimum ve minimum iletme seviyeleri arasndaki bir seviyeye

tekabl eder. Verim da erileri incelendiinde nominal d ve nominal gten

uzaklatka trbin veriminin gittike artan hzla dt grlr. Hidrolik santralarn

iletilmesindeki temel ilke nitelerin dizayn edildikleri nominal d ve gte

altrlmalardr. Ancak gerek akarsularn rejimlerinden gerek sistem artlarndan

kaynaklanan nedenlerle bunun her zaman mmkn olamad grlr. Bu durumda iletme

artlar gerei deien dyle en yksek verimin elde edilecei gte retim yaplmas

iletme verimlilii asndan nemli bir parametredir.

8


25/147

ekil 1. 2.rnek bir trbin verimlilik da erisi

MW

D (H)

9


26/147

Birinci kademedeki (havzann en bandaki) barajlar; ikincil ve ncl barajlar iin

reglasyonlar gerekletireceinden, akar sulara bal olarak maksimum ve minimum

iletme seviyeleri arasndaki farkn kademeli olarak azalmas daha dorudur. Trbinler

zgn tehizatlar olup, doa artlar gerei oluan karakteristik deerlere gre zel olarak

dizayn ve imal edilirler. Bu nedenle byk seviye ve d fark oluan, birincil

reglasyonu gerekletiren tesislerdeki trbinler, d ile daha az deiim gsteren

karakterdeki verim da erisine, kk seviye ve d fark oluan alt kademelerdekilerin

ise yk ile daha az deiim gsteren karakterdeki verim da erisine sahip olacakekilde

imal ve dizayn edilmelidirler[1].

Bu yzden devreye alnma esnasnda zgl D/MW noktalarna gre trbinler

ideal verimle alacakekilde dizayn edilmitir. Ancak seneler sonra alma koullar;

Yeni nominal d ve hidrolik koullardan dolay oluan d dalgalanmalar,Yeni ina edilen santrallerin alt ve st su ak ihtiyalarYeni yk merkezi ihtiyalaryznden deimi olabilir. Baz niteler bu sebeplerden dolay en uygun verim

seviyesinde altrlamaz. Rehabilitasyonlarla yeni imal edilecek trbinler bu yeni

optimum noktalarda en yksek verimle alacakekilde imal edilebilirler.

Gnmzn son tasarm metotlar kullanlarak retilen trbin arklar % 96 verim

seviyelerine ulaabilmektedirler. Fransz Francis trbin ark deitiren firmalarn

verilerine gre Francis trbin verimleri,

1960larda % 881980lerde % 90civarndayd. Gnmz teknolojisi ile retilen yeni arklarda 25 yl nce retilen

arklara gre % 2.5 ila % 4 arasnda deien bir verim art 40 yl nce retilen arklara

gre de % 6 kadar bir verim art salanmtr [3] .

1.2.2. Anma, Verimlilie Etkisi ve Anma Tamirat Geiren arklar

Hidrolik bir trbinin ayar kanatlar veya rotor kanatlar arasnda hareket halinde

bulunan akmn, herhangi bir blgesindeki ak hznn herhangi bir nedenle artmas ve

hzn artt bu blgedeki basncn suyun buharlama basnc deerine kadar dmesi, bu

blgelerdeki suyun buharlamasna ve yer yer ii doymu su buhar ile dolu olan vakumlu

hacimciklerin teekkl etmesine sebep olur. Basncn ok dt yerlerde suyun

10


27/147


28/147

Hidrolik trbinlerin orijinal biimlerinin, bu gnk gelimi olan teknoloji sayesinde,

anmasz bir iletmeyi mmkn klacak ekilde yaplmas mmkndr. Francis tipi

hidrolik trbinlerin emme borularnda meydana gelen vorteks, hem hidrolik trbinin

rotorunda anma olay ve hem de komple trbin-generatr nitesinin dner ktlelerinde

vibrasyon olay meydana gelmesine sebebiyet verdii iin ok byk nem arz eder.

Son yllarda imal edilen Francis tipi hidrolik trbinlerin glerinin ve dner

ktlelerinin aplar ile birlikte toplam aft boylarnn ok bym olmas, bu tip

trbinlerin emme borularnda meydana gelen vorteksin nemini daha da arttrmtr.

Su trbinlerinin orijinal biimlerinde dikkat edilecek balca noktalardan biri,

herhangi bir iletme durumunda su trbini anma snr iine dmemesi iin gerekli btn

tedbirleri almaktr. Su trbinlerinin iersindeki hidrolik akm ekilleri, arklar imal

edilmeden nce tam olarak bilinmedii iin bu sahada alan proje tasarlayan mhendisler

eskiden beri zlmesi zor olan bir sorunla kar karyadrlar.

Francis tipi hidrolik trbinlerde meydana gelen anma olay ile ilgili olarak yaplan

pek ok aratrmalarda ve bir ok Avrupa lkelerinde 100 yla yakn bir zamandan beri,

yurdumuzda ise 20 yl akn bir zamandan beri hidrolik trbinlerin iletmeciliinden elde

edilen tecrbelere gre anma olaynn bir trbine etkileri unlardr:

a- Trbin ayar kanatlar arasnda ve trbin rotoru kanatlar arasnda ok dk

basnl (vakumlu) hacimciklerin meydana gelmesi ile enine kesit darald iin debi

azalmakta ve dolaysyla da g dmektedir.

b- Anma sonucu meydana gelen vuruntu ve darbelerle salnmlar enerji yuttuu iin

g kayb olmakta ve trbin verimi % 10 - % 20 kadar azalmaktad r.

c- Anma olaynn meydana gelmesi sonucu trbin rotoru ile birlikte komple trbin

generatr aftnda titreimler ve salnmlar meydana gelmekte, bu da komple trbin-

generatr nitesi dner ktlesinin dengesini bozmaktadr.

d- Anma olay nedeni ile trbin emme borusunun verimi ok dmektedir, trbinin

nominal yknn veya herhangi bir hidrolik ddeki optimum yknn ok altndaki

yklerde altrlmas esnasnda emme borusunda meydana gelen vorteks de hem

anmann iddetini artrmakta, hem trbin emme borusunun ve trbinin verimini

drmekte ve hem de trbin rotoruna teetsel ve eksensel ynlerde etkiyen hidrolik

kuvvetlerin dengesini bozduu iin komple trbin-generatr aftnn titreimine neden

olmaktadr [2].

12


29/147

Byk gl Francis tipi hidrolik trbinlerde maksimum anmayla alma sahas

(kritik yk sahas ) optimum ykn takriben % 15 - % 50 ne isabet eden ykler aras saha

olup anma olay iddetinin tepe noktas bu snrlar iindeki yk sahasnda meydana

gelmektedir[2].

Ancak, hem anma olaynn zararl tesirlerinden korunmak ve hem de zgl su

sarfiyatnn artrlmamas ve ekonomik olmayan bir iletme yaplmamas bakmndan

Francis tipi hidrolik trbinlerin % 15 optimum ykten daha dk yklerle de

altrlmamalar ve % 75 - % 100 optimum ykler arasnda altrlmalar en isabetli

iletme tarzdr.

1.2.3. Trkiyedeki Hidroelektrik Santrallerde Trbin Verimi llmesineNeden htiya Var ?

Trkiyede mevcut hidroelektrik santrallerin ou EA tarafndan iletilmektedir.

zel firmalar tarafndan iletilen santraller nispeten daha yeni santrallerdir. EAn 107

adet hidroelektrik santrali mevcuttur. Bu irketin verilerine gre santrallerin devreye aln

tarihleri 1956dan balayp gnmze kadar srmektedir [1]. Kurulduundan beri Keban

HES Gibson metodu ile verimlilik lm yaplmas hari(2005) hibir hidroelektrik

santralde saha verimlilik lm yaplmamtr. Bu yzen reticinin verdii trbin

verimlilik deerlerinin doruluu kontrol edilmemitir.

Baz hidroelektrik santrallerde (rnein Karakaya HES) Winter Kenedy yntemi

kullanlarak trbinden akan su ak takip edilmeye allmaktadr. Bu yntemde arkn iki

tarafna fark basn lerler yerletirilerek su ak miktar dk dorulukla (belirsizlik

yaklak %5 ) llp trbin k gcn de hesaba katarak model verimlilik lmlerine

gre kalibrasyon yaplp trbinin verimini lmek amalanmtr. Ancak bu basn lm

sistemlerinin ou zamanla arzalanm veya lm hassasiyetleri ok dk olduundan

yeterli sonu alnamamtr. Yaygn kabule gre salkl alan Winter Kenedy debi

lm sistemlerinde kalibrasyonun saha verimlilik test sonularna gre yaplmas daha

doru sonu vermektedir.

Keban HESde rehabilitasyon ihtiyac ortaya kt iin ubat 2005 tarihinde nite

4. zerinde bu almadan ayr olarak Gibson metodu ile bir verimlilik lm testi

yaplmtr. 133 m net dde, 161 MW k gcnde llen verim % 90 bulunmu,

lm belirsizlii % 2.5 olarak belirtilmitir [4]. Ancak bu lm raporlarnda lm

13


30/147

doruluu yetersiz olduundan doruluu daha yksek baka bir metotla lm yaplarak

deerlendirme yaplmas nerilmitir.

Yukarda da Blm 1.2.2. belirtildii gibi baz santrallerde youn anma problemi

vardr. Bu santrallerde problemin zm iin zaman zaman arklarn anan yzeyleri

krom kaynakla kaplama yaplmaktadr. Ancak bu kaplama esnasnda dolgunun ne kadar

olaca konusunda kalp ablon kullanlmad iin arkn eski mevcut ekli

korunamamakta, giderek orijinal ark biimi (profil) deimektedir. Biimin deimesi

trbin ark verimini dorudan etkilemektedir.

zetle

Trbin ark verimlerinin tam olarak bilinmemesi, lk ark tasarmlarnn kt oluu (eski teknoloji),

Defalarca yzey kaplamas yaplm olmas yznden mevcut ark eklinin

bozulmu olmas,

Yava bozulum,

Labirentlerin anm olmas,

gibi sebeplerin olumsuz etkilerinden dolay trbin ark verimleri gnmzde

retilebilen trbin ark verim deerlerinin altnda olabilir, bu deerlerin ne kadar altndaolduunun tespiti iin trbin ark saha verimlilii llmesine ihtiya vardr [3].

Trkiyede hidroelektrik santrallerde rehabilitasyon almalar yava yava

balamtr. Keban HES, rehabilitasyon almasnn balatld ilk santrallerden biridir.

Santralleri eskidike rehabilitasyon ve yenileme almalar da artacaktr. Rehabilitasyon

almalarnda en byk maliyet unsuru olan trbin ark deiimine karar vermek iin

saha verimlilik lmlerinin yaplmas ve buna gre fayda-maliyet analizinin yaplmas

lkemizin toplam santral rehabilitasyonu ve yenileme maliyetlerini drecektir.

1.2.4. Trbin Verimlilii lm Yaplacak Hidroelektrik Santraln Seilmesive lmn Gerekletirilmesi in zlenecek Yol

Bir ok su trbininin performans dorudan trbin arkna bal olduu iin ark

trbinin en nemli parasdr. Bir hidroelektrik santral elemanlarnn kesit grnm ekil

1.3de grlmektedir. Su ak karakteristiklerine daha iyi kullanm salayan yeni tasarm

14


31/147

arklarla trbin arklarnn deitirilmesi daha birok rehabilitasyon projesi iin gerekli

olabilir. Ancak bu karar vermek iin aadaki almalar yapmak gerekir [3] .

Trbin verimlilik lm yaplacak santrallerin ya, g, su kayna v.b. kriterlere

gre seilmesi: Trbinlerin ya bakmndan eski trbinlerin daha dk verimle

retildikleri varsaylmaktadr. Santraldeki anma ileminin skl bakmndan, daha ok

anma olan arklarda tamiratlardan dolay oluan ekil bozukluu ve bunun sebep olduu

verim kayb daha ok olacaktr.

Trbin verimlilii lm iin uygun metodun her santral iin belirlenmesi:

Santraln ds, santraldeki trbinlerin tipi, lm maliyeti ve metodun uygulanabilirlii

v.s. zellikleri dikkate alnarak uygun metot belirlenmelidir.

Verimlik lm yaplacak niteler belirlenirken santraldeki tm nitelere rnek

tekil edecek alma saati ve anma ynnden dier nitelerle ayn olma kriterleri gz

nne alnarak seim yaplmas.

Trbin verimlilii lmnn belirlenen metoda gre gerekletirilmesi.

Verimliliin dklnden dolay oluan ekonomik kayba ve ark deiim

maliyetine gre (yatrmn geri dn sresi) santrallerin sralanmas.

- Her nitenin yllk retimini dikkate almak gerekir. Zira % 1lik verim art

salanrsa yllk elde edilecek kazan hesaplanabilir.

- Eer bu santrallerde anma olay oksa bu deiim ile bakm ileri maliyeti de

azalacak geri dn sresi ksalacaktr.

Belirlenen bu sraya gre santrallerdeki trbin arklarnn deitirilmesi[3] .

15


32/147

ekil 1.3.Bir hidroelektrik santral elamanlarnn enine kesit grnm

1.3. Trbin Verimlilik lm Testleri

1.3.1. nemi

Hidroelektrik nitelerde artlara gre verim ve performanslarnda en ok deiiklik

grlen tehizat trbinlerdir. Trbinlerin verimleri yke, dye, debiye, anmaya,

vorteks ve tor gibi hidrolik akm olaylarna bal olarak hzl bir deiim gsterirler.

Ayrca anma tamirat ile oluan deformasyon da trbin verimliliini olumsuz ynde

etkileyen bir faktrdr. Bu nedenlerle trbinlerin verim ve performanslar dier

tehizatlarnkine gre daha dikkatli birekilde, srekli olarak takip edilmelidir.

Trbin verimlilik testleri her on ylda bir, anma sorunu olan ve ar anma tamirat

geiren nitelerde daha sk periyotlarla, mmknse onarmlar sonrasnda yaplmaldr.

Verim ve performans deerlerini gvenilir olarak elde etmenin yolu usulne ve

standartlara uygun olarak yaplan testlerdir. Rehabilitasyon ncesi ve sonras testlerden

gvenilir bir sonu almak iin bir ka metot ayn anda kullanlmakta veya ayn metot iki

ayr bamsz uzman kurulua ayn artlarda yaptrlmaktadr. Zira verimlilik lmnde

en nemli husus lmenin belirsizliidir. lmenin gvenilirlii lme metoduna verilecek

belirsizlik deerine ve bu deeri verenlerin ne kadar tecrbeli olduklarna baldr.

16


33/147

Saha koullarnda hidrolik makinelerin verimlilik testlerinin yaplmasnda su aknn

lm ok nemli ve zor bir grevdir. Su yollarna dardan eriim imkannn olmad

santrallerde bu ilem zellikle daha da karmaktr. Bu yzden birka uygun su ak lm

metodundan biri olan Gibson metodu olduka kullanldr. Basn zaman erisini elde

etmek iin geleneksel veri toplama sistemlerinin yerini dijital veri toplama ve kayt

sistemlerinin alm olmas bu metodun cazibesini olduka artrmaktadr. Cebri boruya

dardan ulamn olabildii durumlarda bu metodu kullanma hazrlamak, dier metotlara

gre daha basittir, ancak dardan eriimin olmad durumlarda cebri boru iindeki basn

lm sisteminin daha karmak oluu konfigrasyondaki zorluu artrr [5] .

1.3.2. Standartlar

Elektro mekanik tehizatlarn; zellikle trbinlerin verim ve performans testleri iin

kullanlan, geerli standartlarn hangileri olduu aratrlarak tespit edilmeye allmtr.

Ancak Hidroelektrik Santralara ait trbin ve generatrler iin TSE tarafndan hazrlanan

herhangi bir standart yoktur.

Yabanc ve uluslararas dier standartlardan ve Hidrolik trbinlerin performans

testleri ile ilgili standartlardan en yaygn kullanlan IEC 60041 numaral standarttr[6]. Bu

standartla lmlerin nasl yapld daha sonraki blmlerde anlatlacaktr. Trbin

verimlii lmede en kritik olaylardan birisi trbinden geen suyun debisinin

llmesidir. Gnmzde ultrasonik yntemlerle debi lmnde de olduka iyi

ilerlemeler salanmtr. ap 7-8 m olan olduka kvrml su yollar iin bile % 0.5

dorulukla debi lm baarlabilmektedir. Ultrasonik metotla trbin verimlilik lm

iin IEC 60041 standardnn Ek J ksm kullanlabilmektedir. Ancak gnmzde bu alanda

en ok kullanlan standart, bir Amerikan standard olan ASME PTC 18-2002dir[7].

1.3.3. Ultrasonik Metotla Trbin Verimlilik lm

1.3.3.1. Genel

Hidrolik g ve elektriksel g arasnda tanmlanacak farkl verimlilik lmleri iin

aadaki lmlerin yaplmas gereklidir.

Ultrasonik ak lm

Trbinin st ak ve alt ak ksmnda basn lm

Generatr gc lm

17


34/147

Su scakl lm

Ayar kanat pozisyonu bilgisi

Cos gsterimi

Bu lmler ile bir hidroelektrik nitenin komple verimliliini bulmak mmkndr.

Trbinin verimliliini hesaplamak iin generatrn ve trafonun veriminin bilinmesi de

gereklidir.

Bu yntemle verimlilik lm iin trbinin aadaki verilerinin bilinmesi

gereklidir [8].

G [MW]

Rezervuar iletme seviyesi[masl]

Minimum rezervuar iletme seviyesi [masl]

Nominal d [m]

Nominal debi [m3/s]

Garanti edilen verim [%]

Verimlilik lmnn tolerans band (belirsizlik) [%]

Bu verilerde [masl] birimi ile verilenler ekil 1.4te grld gibi mutlak

ykseklikleri gstermekte olup hesaplamalarda dorudan kullanlr. ekil 1.4te bu

yksekliklerle ilgili (xxx.xx) gibi gsterilen ifadeler kullanlacak rakamlarn ondalk

basamak saylarn (virglden sonra iki basamak) gstermektedir. Bu lme belirsizlii

asndan nemli olduu iin belirtilmitir.

ekil 1.4te ultrasonik metotla debi lm dzeneinin uygulama prensip emas

verilmitir, hesaplamalarda kullanlan byklklerin yerleri gsterilmitir.

1.3.3.2. Ultrasonik Metotla Trbin Verimi Hesaplama

Bir nitenin verimlilii () (trbin-generatr birlikte) ultrasonik metotla eitlik (7)

ile hesaplanr.

h

a

P

P= (7)

18


35/147

Burada; (Pa) elektriksel g, (Ph), hidrolik gtr. Elektriksel g generatrn

kndan dorudan llebilir. Bundan dolay trafo kayplarnn hesaba katlmas

gerekmez.

Hidrolik g (Ph) aadaki ifade ile bulunabilir[8].

Nh hgQP ...= [ ]W (8)

Net d ( Nh );pi, llen giri basnc,po,llen k basnc olmak zere suyun

akt alan (A) ve ykseklik (Z) parametrelerine de bal olarak eitlik (9) ile hesaplanr.

g

A

Q

A

Q

Zg

pZ

g

pZh oiiN

.2..

2

2

2

2

20

1

+

+

++=

[ ]m (9)

Ykseklik fark(Z) eitlik (10) ile hesaplanr.

i oZ Z Z= [ ]m (10)

BuradaZi,Trbin giri seviyesi;Zo,Trbin k seviyesidir.

19


36/147

ekil 1.4. Bir yatay eksenli hidroelektrik nitesi trbininde ultrasonik metotla verimliliklm prensip emas

1.3.3.3. Verim lme lemi

Ultrasonik sensrlerden suyun ak hz sinyalleri bir saniyelik periyotlarla ilem

nitesine toplanr. Dzenlenmi sinyaller buradan analiz bilgisayarna aktarlr. Analiz

bilgisayar SCADA sistemi kullanr. Alnan sinyallerin veya deerlerin dakikalk

aralklarla ortalamas alnr. Bu ortalama deerler bir Excel tablosuna kartlr. Daha sonrabu ortalama deerlerle gerekli btn hesaplamalar yaplr.

lme ileminde dikkat edilecek hususlar:

1.lme noktalar yerinin tespiti yaplr.

2.Basn alglayclar gvenilir bir biimde ayarlanmaldr. Verimlilik testinden

nce ve sonra trbinin yksek basn ksmndaki alglayclar hidrolik basn

altnda kontrol edilir. Gl veya nehrin gerek seviyesi deeri iin bir yer lme

uzmanndan gvenilir deerin alnmas gerekir.

20


37/147

3.llen ak bilgisinin makul olup olmad kontrol edilir. llen suyun iinden

soutma, ime v.s. gibi yerlerde kullanlan su miktarlar varsa llen deerden

kartlmaldr.

4.Generatr g lm cihaz kalibrasyon sertifikas hesaba katlmas gereken

noktalar asndan kontrol edilmelidir.

5.Su scakl lm cihazlarnn kalibrasyon sertifikas kontrol edilmelidir [8] .

lm koullar:

1.Trbinin net ds mmknse tasarm deerine yakn olmaldr.

2.Btn verimlilik lm srasnda makinenin frekans sabit olmaldr.

3.lm boyunca g faktr (cos ) generator verimlilii zelliklerine gre sabit

olmaldr.

4.llen suyun sadece trbinin zerinden getiinden emin olunmaldr. Normalde

verimlilik lm sadece bir nitede bir kere yaplr. Bu yzden lm yaplrken

dier nitelerin duruyor olmas gereklidir ve zerlerinden herhangi su aknn

olmadndan emin olunmaldr. Varsa bu kaak miktarlar hesaba katlmaldr.

5.Trbinde verimlilik lmnn yapld gn trbini deiik glerde altrmak

mmkn olmaldr. En az % 80 ile % 100 arasnda seilen glerde 10 dakika

altrlma imkan olmaldr.[8]

Trbin verimlilik lmnn uygulamas: Trbin verimlilik lm esnasnda

srasyla aadaki ilemler uygulanr:

1.Trbin istenen ykte altrlr.

2.lme balanr ve llen deerler kararl duruma gelene kadar devam edilir.

llen deerler srekli 1 saniyelik periyotlarla analiz bilgisayarna gnderilir.

Analiz program her alnan verinin 1 dakika zerinden ortalama deerini hesaplar.

Analiz program hesaplanan ortalama deerleri Excel tablosuna karlr.

3.llen/hesaplanan deerler bir grafik zerinde gsterilir.

4.10 dakika bu ilemler srdrldkten sonra lme ilemi bitirilir. Seilen dier

her farkl g iin ayn ilemler tekrarlanr.

5.lmde kullanlan tm cihazlarn ve programlarn (SCADA, analiz bilgisayar

v.b.) zaman senkronizasyonu yaplrsa, btn llen ve hesaplanan deerler

gerek zamanl olarak ulalabilir olur. Bu sayede grnr g, elektriksel g ve

verimlik bir grafik ile gsterilebilir [8].

21


38/147

Son analiz:

Son analiz Excel veri tabannda yaplabilir. Bylece arlkl trbin verimi ( w )

eitlik (11) ile hesaplanabilir.

1009080 .6,0.3,0.1,0 ++=w (11)

Burada; 80 , Nominal net dde garanti edilen 80 [%] ykteki verim

90 , Nominal net dde garanti edilen 90 [%] ykteki verim

100 , Nominal net dde garanti edilen 100 [%] ykteki verimdir.

1.3.3.4. Ultrasonik Gei Zamanl Debi lmTrbinlerin verimlilik ve performans lmlerindeki en nemli parametrelerden biri

debidir. Debi lm, dikkat ve hassasiyet isteyen olduka zahmetli bir alma gerektirir.

Bu nedenle debi lmlerinde kullanlan debimetre veya akmetre olarak adlandrlan

cihazlar ile bunlarn hassasiyetleri de nem kazanr.

Yaplan aratrmalarda, % 1in altnda bir hassasiyete sahip olan debimetrelerle

yaplan testlerin tatminkar sonular verdii grlmtr.

Ultrasonik gei zamanl debi lmnde, su iindeki askda kalan kat paralar ve

hava kabarcklar sinyal alglamalarnda sklkla problemlere sebep olur. Hidrolik akm

artlar lmleri ok byk oranda etkilediklerinden dolay lm metodu ve lm

noktalarnn belirlenmesine dikkat etmek gerekir. Ayrca borunun geometrik ekli ve

transduserlerin doru yerletirilmesi de lm hassasiyetini byk lde etkiler.

Ultrasonik metotla lm sistemlerinde transdserlerin yer ve pozisyonlarnn

dikkatli birekilde tespit edilmesi, cebri borularn kesitlerinin tam olarak belirlenmesi ve

transdserlerin nihai pozisyonlar yksek hassasiyetli lm dorusall iin ok

nemlidir. Montaj esnasnda boru iine girecekekilde monte edilen trandserlerin akkan

akmn olumsuz ynde etkileyecei gz nne alnmaldr.

Yukardaki kriterlere uyulmas kaydyla ultrasonik metotla debi lm yksek

hassasiyetli ve gvenilir bir lm tekniidir.

1.3.3.5. Ultrasonik Debi lme Metodu

Su ak hz lm emasekil 1. 5te gsterildii gibidir.

22


39/147

ekil 1. 5.Ultrasonik metotla su ak hz lm

Bu metodun genel denklemi

= cos.VC

L

TAB (12)

+=

cos.VC

LTBA (13)

Burada; C, Sesin sudaki hz V, Suyun hz, TAB, Transduser Adan Bye doru

(akntya kar) ulam zaman TBA, Transduser Bden Aya doru (aknt ynnde) ulam

zaman dr.

Yukardaki bant basit olarak, Zaman=Yol/Hz eklinde eitlik (14) teki gibi

gsterilir.

VDT /= (14)

Borulardaki ak hesaplamak iin akkann hznn bilinmesi gerekir. Yukardaki

eitliklerde hz (V) ekilirse, sesin yaylma hz (C)den bamsz olarak aadaki bant

elde edilir.

23


40/147

=

cos2.

.

L

TT

TTV

ABBA

ABBA (15)

Burada; L, ultrasonik dalgann verici sensrden alc sensre giderken ald yol ,

ekil 1. 5te grlen adr.

Bir nceki denklemde grlen suyun yaylma hz, scakla, younlua ve basnca

bamldr. Buna ilaveten sesin yaylma hz i srtnme, scaklk, sudaki kat partikller,

younluk ve suyun kirlilii gibi etkenlerle deiir. Dolays ile denklemde sesin yaylma

hznn elimine edilmesi bu parametrelerden etkilenmemesi demektir ki bu da hassas bir

lm iin nemli bir stnlktr.

Ultrasonik debi lerlerin hassasiyeti % 0.5 ile % 2 arasnda deimektedir.

Ultrasonik adm says 1 - 16 yola kadar ayarlanabilir, yol says artrlarak daha hassas

lme yaplabilir. Bu metot ap 250 mm den 14.000 mmye kadar olan borularda

uygulanabilir. 20 m/sye kadar akkan hzlarnn ayn hassasiyette llmesini salar.

Ultrasonik sensr ile transdser arasndaki mesafe, 300 metreye kadar ulaabilir.

Genellikle analog k 4-20 mAdir. 4-20 mA kn olmas lm bilgilerinin PC

ortamna tanmasna kolaylk salad gibi bu bilgilerin uzak istasyonlara tanmasn da

kolaylatrr. Byle bir durum hassas bir lmn yannda evrimii bir algoritmay da

mmkn klar [1].

1.3.3.5. zgl Suzgl su hidroelektrik santrallere zgn, verimliliin ve verimli retimin sonucunu

gsteren, birimi (m3 / kWh ) olan bir terimdir. Herhangi bir hidroelektrik santralde bir

kilowattsaatlik elektrik enerjisi retmek iin harcanlan (trbinden geirilen) suya o

santralin zgl su sarfiyat denir. rnein zgl suyu 5 ( m3 / kWh ) olan bir hidrolik

niteden bir kilowattsaat enerji retmek iin trbinden 5 m3 ( yaklak 5 ton ) suyun

geirilmesi gerekmektedir.

zgl su deerleri tesislerin karakteristik zelliklerinin farkl olmasndan dolay

santralden santrale deiiklik gsterir. zgl su ne kadar az ise, birim enerji iin harcanan

su o kadar azdr.

zgl suyun su enerji dnm eitliinden[2,shf 1] tretilmi yaklak bants

(16) eitliindeki gibi olup, etkin parametreler net d ve toplam verime bal olarak

zgl su miktar bulunabilir.

24


41/147

..100

367100zglsu

H= (16)

Yksek verimlilikte retim yapmak veya yksek verimlilik elde etmek, yani birim

enerji iin daha az su harcamak veya bir baka deyile ayn sudan daha fazla enerji

retebilmek demektir [1].

1.4. Termodinamik Metotla Verimlilik lm ve Hesaplamalar

1.4.1. Termodinamik Metodun Genel zah

Termodinamik metotla verimlilik lm esas olarak iki tiptir. Biri 1976 ylndan

beri uygulanan ksmi genleme (partial expansion) metodu, dieri 2005 ylndan beri

uygulanan direkt metottur.

Ksmi Genleme Metodu (partial expansion, zero method): Hidrolik makinenin

verimliliini bulmak iin ksmi genleme metodu kullanlarak yksek basnl su karlr

ve daha sonra genletirilerek st ak ksm scakl T11 ve alt ak ksm scakl T21 e

eit olmas salanr. Bylece zgl mekanik enerji denkleminde cp ifadesi sfra eit olur ve

denklemde yer almaz. Daha basit ekilde hidrolik makine kayplar her iki probdagenleme ile gsterilir.

Avantajlar:

Basit ekipman gerektirir.

Uzun lm deneyimi vardr.

Dezavantajlar:

Bir lm noktas iin uzun lm sresi gerektirir,

Kstl bir srede otomatik veri toplamaya uygundur, Sadece bir lm ksm iin tek termometre kullanmaya msaade eder [9].

Direkt metot: Gerekte baz ksmlarda lm ekipmanlar ksmi genleme

metodunda kullanlanlarla ayndr. rnein st ak probu tamamen ayndr. ki metot

arasndaki tek fark, iki lm ksm arasndaki scaklk eitlii yerine mutlak scaklklarn

llmesidir. Verimliliin deerlendirmesi iin llen scaklklar fark hesaba katlmtr.

Direkt metot ayrca alt ak ksmnda serbest bir yzeye birden fazla termometre

yerletirilmesini mmkn klar. lm blmnde farkl scaklklar kaydetmek ve buekilde deerlendirmede daha doru deerler elde edebilmek iin veya daha fazla

25


42/147

termometre kullanlabilir. Ayn niteye uygulanan direkt metot ve ksm genleme

metodunun karlatrmasekil 1. 6 da verilmitir.

Avantajlar:

Bir lm noktas iin daha ksa lm sresi yeterlidir.

Ayn zaman aral iinde btn gerekli deerlerin lm yaplabilir.

Ak alt ak lm ksm iin oklu termometreler yerletirilebilir.

Otomatik veri edinimi iin iyi uygulanabilir.

Dezavantajlar:

Doruluu ok yksek termometreler gerektirir

Daha pahal ekipman gerektirir [9] .

ekil 1. 6. Direkt metotla ksmi genleme metodunun karlatrlmas [9]

Her iki termodinamik metotla yaplan lmlerde ds 100 m den daha az olan

hidroelektrik nitelerde belirsizlik yksek olduundan IEC 600 41 standardnda bu

metotlar 100 m den daha az dl santrallerde nerilmemektedir.

Gibson metodunun dayana Newton yasalar ve akkanlar mekaniinden karlm

akkan yolu zerindeki kapanp alabilen herhangi bir kapnn iki tarafnda suyun

hzlanp yavalamas ile meydana gelen basn farknn deiimi nedeni ile oluan

Verim[%

]

G [MW]

Direkt metotKsmi genleme metodu

1%

26


43/147

kuvvetler arasnda ki ilikiyi veren yasalardr. Ksaca bu basn farknn deiiminden

faydalanlarak trbinden geen ak hesap edilmeye allr.

Dnyada olduka fazla HES saha verimlilik lm uygulama rnei mevcuttur.

Bunlardan Norvete Svean HESde yaplan saha verimlilik lm termodinamik metotla

Gibson metodunu karlatrmak iin iyi bir rnektir. Hem Gibson hem de termodinamik

metotla saha verimlilik lm yaplarak bu iki metot karlatrlm, testler nitede de

uygulanm, ancak Gibson metodu sadece bir nitede baarl olmu, dier nitelerde

ksmen baarl olmutur.

Gibson metodunda belirsizlik % 0,95 olarak hesaplanrken bu deer termodinamik

metotla yaplan lmde % 1.3 eklinde hesaplanmtr. nite 3te yaplan lm Gibson

metodunda salkl sonu vermemitir. nite 1 ve 2 de yaplan iki lmde de verimler %

89 ile % 90 arasnda bulunmutur [10] .

Yaplan bu lmlere gre, Gibson metodu kolay uygulanan ucuz bir metot olmasna

ramen her nitede baarl sonu vermemitir. Yani belirsizlik kabul edilebilir deerlerin

dnda bulunmutur. Bu almada baar ile tamamlanan Gibson metodu ile lmde

olduka yksek doruluk elde edilmesine ramen zellikle yksek gl trbinlerde bu

doruluk deerlerine her zaman ulamak zordur. Termodinamik metotta ise her lmede

baarl sonu alnmtr. lm doruluu ise uluslararas standartlarn kabul edilebilir

snrlarnn olduka stndedir.

Bu metotlarn yan sra indeks testler sklkla iletmede yol gsterici olarak kullanlr.

Normal artlarda indeks test sadece debi hakknda ve dolays ile verim hakknda bal

bilgi verir. Bununla beraber, bal debi lm metodu mutlak debi lm metodu ile

kabule edildii zaman indeks metot mutlak lmlerdeki belirsizliin byk boyutlara

ulat iletme artlarnda kabul testlerini yerine getirmede kullanlabilir. Bu gibi

durumlarda, indeks test saha kabul testlerinin bir paras olarak deerlendirilebilir.

1.4.2. Hidrolik Makinenin Verimi

Bir hidrolik makinenin saha verimlik testi ile bulunan hidrolik performans retici

tarafndan garanti edilenlerle mukayesesi iin kullanlr. ekil 1.7de direkt metotla trbin

verimlilik lm prensip emas gsterilmitir. Bu yaplan test zgl hidrolik enerjinin,

debinin, mekanik enerjinin, dnme hznn ve verimin mutlak deerlerinin

deerlendirilmesini kapsar. Verim elektrik makinesi yardm ile dntrlm mekanikg (Pm) ve sudan dntrlm hidrolik g (Ph) ile hesaplanabilir.

27


44/147

Genel olarak bir hidrolik trbin makinesinin verimi (17) eitlii ile verilir.

h

m

P

P= (17)

Ayrca verim, dorudan kayplar nedeniyle su scaklnn ykselmesi esasna

dayanan termodinamik metot yardmyla dorudan (18) eitlii ile elde edilebilir.

mm

m

h

mmh

P

P

EP

PE

E.

.

.

== (18)

Burada; m ,mekanik verim h , hidrolik verim mE ,mekanik enerji mP ,mekanik g

hP ,hidrolik g deiimidir.

Termodinamik metodun temel avantaj debi lmn gerektirmemesi olarak ifade

edilebilir. Termodinamik metot akkan zerinden enerjinin sudan trbine aktarld

enerjinin korunumu yasasnn (termodinamiin 1. yasas) bir uygulamasdr. Hidrolik

kayplar geen suyun snmasna neden olur ve bu s, suyun zgl sl kapasitesi yardm

ile hesaplanabilir. 1 kg suyu 10K stmak iin gerekli s 4188 Jdr[6]. Ksaca

termodinamik metot, bu geree dayandrlarak bir i verimlilik hesaplama metodudur.

rnein 427 m d ile % 90 verimli bir trbinde su 0.1 oKsnr. Daha dk dlerde

bu farklar daha da azdr. Buradan grlecei zere ok kk scaklk farklar llmek

zorundadr. Yani yksek znrl termometreler gereklidir.

Bir saha trbin verimlilik lm verimlik erisinin gerek seviye ve biimi ile

orijinal garanti edilen verililik deerlerini karlatrmak iin yaplr.

Trbin iin tanmlanm mekanik enerji, zgl mekanik enerji; su ile ark arasnda

zgl enerjinin dnm ile ilgilidir. zgl mekanik enerji (em) ile arkn mekanik gc

(Pm) arasndaki bant (19) eitliindeki gibidir [6] .

1)( Q

pe mm

= (19)

Burada performans; deikenlerin (basn, scaklk, akkanlk, seviye) ve suyun

termodinamik zelliklerinin lm ile belirlenebilir.

zgl mekanik enerji ile verimlilii bulmak iin zgl hidrolik enerjide ihmal edilen

akn (debi) llmesine ihtiya vardr.

28


45/147

Bu metotta genel olarak verimlilik giri ve ktaki scaklk ve basn deerleri ile

deerlendirilmektedir. lm yaplrken yksek basn tarafnda statik basn llr ve

ilave bir rnekleme probu kullanlr. Bu prob cebri boruya girer ve bir miktar su alr.

Probun iinde bir boaz ksm ve takiben ksmi genleen suyun yukar scakl len bir

termometre bulunur.

29


46/147

ekil 1. 7.Termodinamik metotla trbin verimi lm prensip emas

30


47/147

1.4.3. Trbin Verimliliinin HesaplanmasTermodinamik metot ile i verim, yani suya s veren kayplar hesaplanr. llen

basn deeri P11m lm pozisyonu ve basn sensr arasnda kalan ykseklik

dzeltilmelidir. Basncn dzeltilmesi iin zgl hacim; basn ve scaklk deerleri ile

hesaplanr.

Termodinamik faktrler ve v gibi zel d cp deeri de Nguyen Dnh Lan ve

Borel Lucen (EPF-Lausanne, institute of thermodynamique) yasalarna gre

hesaplanmtr. Ek 3te verilen tablolardan deerler alnabilir ara deerleri bulmak iin

ise dorusal iterasyon (kaydrma) kullanlabilir [6] .

ekil 1. 8 . Termodinamik lm dzenei ematik gsterimi[6]

31


48/147

Yksek basn taraf (indis 11) lm ksmnn lm problar makineye yakn

kurulmaldr. lm ksmna yakn acil kapama iin kelebek vana bulunmas istenmeyen

bir durumdur.

Deneyimler gstermitir ki ap 2.5 m den kk cebri borular iin tek lm probu

yeterlidir. 2,5-5 m arasndaki cebri borular iin iki lm probu tavsiye edilir. 5 m den

daha byk veya toplam boyu 150 m den daha ksa olan btn iletkenlerde ya da drt

lm probu kullanlmas tavsiye edilir.

Dk basn lm yzeyinde (indis 21) serbest yzey lm problar yeterli

karmn salanaca yeterli uzakla yerletirilmelidir. Trbin tepkilerinin yeterli

bulunmas iin maksimum ark apnn 4 ile 10 kat mesafe kabul edilebilir.

Her lm noktasnda verimlilii bulmak iim 5 ila 10 lm tekrar yapmak

yeterlidir. Bu say tamamen lmn kararllna baldr[6].

Termodinamik metot mekanik enerjinin (em) direkt lmne imkan salar. Pratikte

basn byklkleri, (indis 11) ve (indis 21) lm ksmlarnda llr. (ekil 1. 8 )

mekanik enerjinin pratik hesaplanmasnda, yksek ve dk basn lm ksmlar

arasndaki kaak aklar eklenip veya kartlabilir veya bunun yerine bir denge gc

eklenir ya da kartlabilir. Bu ilem belirsizliklerin iyi hesaplanmas iin gerekmektedir.

1.4.3.1. zgl Hidrolik Enerjizgl hidrolik enerji (20) eitlii ile bulunur

).(2

).( 201

22

21

21 zzgvv

ppveh +

+= (20)

Francis trbinlerde kuyruk seviyesi serbest olduundan p2 basnc sfr olarak

alnabilir.

zgl hz v eitlik (21) ve (22) ile hesaplanan basn ve scaklk deerlerine gre

bulunur.

21ppp atm += ve T = T1 (21)

Etkin scaklk (T1) llen scaklk (T11) daha kk olur.

32


49/147

pc

ppaTT

).( 111111

= (22)

a ve cp deerleri (23) eitliinden hesaplanan scaklk ve basn deerlerine gre

bulunur.

2

)( 111 pppp atm+

+= ve T = T1 (23)

1.3.4.2. Hidrolik G

Hidrolik gcn deerlendirilmesi iin makinenin zgl hidrolik enerji ve yksekbasn tarafndaki referans kesitinden geen akkann miktarnn bilinmesi gerekir.

hh PQEP = 1).( ( 2 4 )

ekil 1. 8 e gre lm kesiti ile 1 numaral referans kesit arasndaki ak ktle

miktar, bu kesitler arasna ilave su verilmesi veya su alnmas nedeniyle farkl olabilir.

nitenin dzgn iletilmesi iin debi lmlerinin bir ok kez yaplmasn nlemek

ve belirsizliin artmas

n

engellemek iin lmler sresince btn su transferlerinindurdurulmasna gerek yoktur. Hesaplamalarda srekli transferler dikkate alnmaldr.

Hidrolik G Dzeltmesinin Analizi[6]: Dzeltme terimi hP yerel artlara ve

szlemeye dayal tariflerin uygun ekilde analizinden sonra oluturulmaldr.

Bu analiz, aadaki hususlar dikkate alnarak oluturulur.

Makinenin ve debi lm kesitinin ncesi veya sonrasndaki ana akm devresinden

dar ve ieri doru ilave bir akn olup olmad,Dzgn bir hidrolik makine iletmesi iin yardmc debi kullanlp kullanlmad;

Makinenin trbin veya pompa olarak alp almad,

rnein, debi lm noktas ile trbin modundaki bir makine arasndan alnan ve

trbin iletilmesinde kullanlmayan herhangi bir suyun Ph ya negatif bir etkisi olacaktr.

Hidrolik G Dzeltmesinin Deerlendirilmesi[6]: Transfer edilen suyun akkan

ktlesinin miktar ve buna bal zgl hidrolik enerji her bir dzeltmenin

deerlendirilmesinde kullan

l

r. Bu ba

l zgl hidrolik enerji zellikle ok kademelimakinelerde makinenin zgl hidrolik enerjisinden farkl olabilir.

33


50/147

Bu tr transferler genellikle ana debinin kk bir paras olduundan, basit bir

deerlendirme yeterli olacaktr ve lm belirsizlii zerinde byk bir etkisi

olmayacaktr. Btn su transferlerinin tesis sahibi ile lm kuruluu arasnda yaplan

anlamada belirlenmi olmas test esnasnda kontrol edilebilmesi tavsiye edilir.

Makinenin dzgn iletilmesi iin gerekli bir ok akkan transferine zel amalar

(yataklarn soutulmas gibi) iin ihtiya duyulduundan ve buna bal kayplar

lldnden veya kolayca deerlendirilebildiinden dolay Ph iin zel bir lm

nadiren gerekli olmaktadr. Byle durumlarda ise transfer edilen zgl hidrolik enerjinin

yaklak deeri kullanlabilir.

1.4.3.3. zgl Mekanik Enerji

zgl mekanik enerji (25) eitlii ile verilmitir.

xpm ezzgTTcvv

ppae +++

+= ).().(2

).( 20112011

220

211

2111 (25)

Bu eitlikte, k scakl (T20) iin yerletirilen termometrelerden llen

deerlerin ortalamas alnr.

n

TTT n2020120

.........++= (26)

llen basn p11m llen yer ve sensr (alglayc) arasndaki ykseklik ile

dzeltilmelidir(eitlik 27).

vzzgpp mm ).( 11111111 += (27)

k suyu basnc atmosfer basncna eit olan Francis trbinlerde p21 = 0 bar kabul

edilebilir. st ak probunun genletirici kab iindeki hz 11v de ok dk olduundan

burada ihmal edilebilir. Suyun e scaklk faktr ( a ) ve suyun zgl ssna (cp) karar

vermek iin eitlik (28) ve (29) dan faydalanlr.

34


51/147

22111 pppp atm

++= (28)

ve

22011 TTT

+= (29)

1.3.4.4. Trbin Verimlilii

Termodinamik yntemde trbin verimlilii aadaki bantyla hesaplanr.

100.h

xemmi

e

ee ++=

[ ]% (30)

1.3.4.5. Hidrolik Trbinde D, Debi, Gcn bulunmas

Manometrenin yere gre ykseklii ve referans seviye:

ekil 1.7de gsterilen lm dzenei sensrlerinin kurulduklar yerin seviyeleri (z1m

vez11m), yksek basn taraf yk hcreleri (p1 vep11), st ak seviyesi (z1 vez11 ), referans

seviye (z2), sensrn kurulduu yerin seviyesi (z2ref), ve alak basn taraf yk hcresi

(pz20), lm ekipmannn yerletirilmesinden sonra ortaya kacak deerlerdir.

Trbin k gcnn saptanmas:

Trbin aftndaki g generator k gcne bal olarak aadaki bantyla

hesaplanr. ekil 1. 9 da debi ve g iin ak diyagram gsterilmitir. Trbin k gc

(31) eitliinde verilmitir. Generatr verimi reticinin vermi olduu generatr verim

erisinden alnabilir. rnek generatr verim erisi ekil 1. 11 de verilmitir.

v

G

G PP

P +=

(31)

35


52/147

ekil 1. 9 .Debi ve G iin ak diyagram[6]

Trbin zerinden Geen Debi Miktar:

Trbin zerinden akan akkann debisini veren ifade eitlik (32) de yer almaktadr.

iHg

PQ

...= (32)

Net dnn bulunmasnda i verimliliin hesaplanmasnda kullanlan bantda

(eitlik 33) grld gibi eh,net dnn bulunmasnda da kullanlabilir.

g

eH h= (33)

Sabit Dye Dntrme:

Tek bir lm noktas iin farkl k gleri farkl ak miktarlarnda hesaplanan net

dler grafiksel gsterim iin tek bir net dye (HR) dntrlmelidir. Eitlik (34) ve

(35) de sabit dye dntrmek iin kullanlan ifadeler verilmektedir.

2/1

.

=

H

HQQ R

R

(34)

Balant Yerive aft

Trbin

36


53/147

2/3

.

=

H

HPP RR (35)

1.4.4. lm Belirsizliklerinin Analiziki lm ksmndaki mekanik enerji belirsizlii mekanik enerjiden veya makinenin

hidrolik dsnden bamsz grnmektedir. Belirsizlikler daha ziyade giriteki dzgn

olmayan scaklk dalmna, su yollarnn hidrolik tasarmna, evre ile olan s deiimine,

lm ksmndaki hza ve hz dalmna baldr. Burada sorun belirsizlie nasl karar

verileceidir. zellikle alak basn lm ksm belirsizliinin nasl bulunacadr. Burada

dikkat edilecek nemli iki husus unlardr.

1-Bir istatiksel analizde kullanlacak veri olmas iin llen enerji dalmn

kullanarak her lm ksmndaki belirsizlii hesaplamak mmkn olmaldr. Girite iki

veya daha fazla rnekleme probu gerekli olabilir. ktaki rnekleme tertibatnn tipi

istatiksel deerlendirmeyi etkileyebilir.

2- rnein scaklk terimi toplam belirsizlik hesaplamasnda baskn terim olduundan

her iki lm ksmnda da scaklk dalmn belirsizlii olarak ifade edilen enerjinin mutlak

sabit bykln kullanmak mmkn olmaldr.

Test kodu klavuzuna[6] gre girite 1- 2 mK kta 2- 3mK belirsizlik olmas

kouluyla 50 m den 1200 m ye kadar olan dlerde belirsizlik hesaplamasn yaplabilir.

ekil 1. 10 da adet eri ile bu diyagram gsterilmitir. ki yeni eri 140 m ile 210 m

dlerde srasyla IEC 41 erilerine uygundur.

Bu gsteriyor ki test koduna gre yaplan bu hesaplama alak dlerde hatal tahmin

edilebiliyor, yksek dlerde daha yksek dorulukla tahmin edilebiliyor. Hesaplamalarda

kullanlan btn arlklardaki belirsizlikler test kodu Ek A da A1 tablosunda listelenmitir.

Test standard IEC 60041 tavsiye edilen belirsizliklerin Em in belli yzdesi cinsinden

verilmesi koulu muhtemelen deimelidir [11].

37


54/147

ekil 1. 10 .Termodinamik metot trbin verimlilik lm toplam belirsizlik[11]

Hulaas H., Bryhni T. ve Dahlhaug O. G., almalarnda [12] emme borusu

kndaki enerjinin detayl aratrmas iin birka tane termometre ve hz ler kullanarak

yaptklar verimlilik lmnn sonularn gstermiler, belirsizlik seviyelerinin

hesaplanmas iin bir neri de oluturarak enerji dalmn tartmlardr. Belirsizlik, % 95

gvenilirlik seviyesinde bir istatiktiksel yaklamla hesaplanarak trbin kndaki

problarn yeri ve saysnn bir fonksiyonu olarak daha ileri bir seviyede gstermilerdir.

Geleneksek kollektr kullanarak da bir lm yaplmlar dier btn aratrma

lmleriyle bu lm karlatrmlardr.

Bu lmlere gre;

Su hz ile ilgili olarak arlkl ve arlksz verim arasndaki fark nemli deildir.

Be seviyede aprazlanm geleneksel kolektr ile ayn seviyelerde aprazlanm 6

farkl termometreli lmler arasndaki fark, srekli durumda scaklktaki deiim seviyesi

1 mK olmas kouluyla % 0.2 civarndadr.

Emme borusu kvrm iindeki etkin yaylmnn yetersizlii yznden, zgl

enerjinin deiimi en iyi verim noktasndan kat kat daha byktr.

Emme borusu kndaki enerji dalm ile ilgili belirsizlik seviyesi prob yerlerinin

says artrlarak etkin bir ekilde azaltlabilir. Ancak ok noktadan lmm btn

belirsizlikleri byk lde azaltp azaltmad hala bir problemdir. Ancak ok noktadan

lm bir yandan zgl enerjinin dalm ile ilgili hata seviyesini drrken dier yandan

Yksek basn lm ksm

Alak basn lm ksm

Yksek basn lm ksm

Alak basn lm ksm

Yksek basn lm ksm

Alak basn lm ksm

[%]

38


55/147

maliyeti artrmaktadr. kta bir termometre yerine alt adet termometre ve alt adet hz

probu kullanlarak lm sistemine yeni hata kaynaklarnn eklendii gz nnde

bulundurulmas gereken bir durumdur [12] .

Verim lm belirsizliklerinin analizi iin kullanlan ifade eitlik (36) ile

verilmitir[6] .

22

mh eeff

ef +==

(36)

Burada (f) sistematik lm belirsizlii deerlendirmesini gstermektedir.

1.4.4.1. zgl Mekanik Enerjinin Deerlendirmesinin Belirsizliizgl mekanik enerjinin deerlendirmesinin belirsizlii eitlik (37) ve (38)e gre

yaplr. zgl mekanik enerji iin evresel enerji dalmn gz ard edilmesi yznden

oluacak ilave belirsizlikler trbinlerde:

Yksek basn taraf iin +%0,2

Alak basn taraf iin +%0,6

civarnda olur[6].

m

e

ee

ef m

m= (37)

22222

xm ezvTpeeeeeee ++++= (38)

Bu eitlikte kullanlan belirsizlikleri nasl hesap edileceini incelersek;

Basn belirsizlii eitlik (39) da verilen ifade ile giri ve kta llen basn ve

scaklk belirsizliklerine bal olarak hesaplanr.

( )[ ]220112211122 . cpppp eTTeee +++= (39)

Scaklk farklarnn belirsizliini ( Te ) bulmak iin termodinamik faktr a

deerlendirilmesi belirsizlii ( ae ) eitlik (40) ile hesaplanr.

39


56/147

222

temptab aaaeee += (40)

Scaklk farklarnn belirsizliini veren ifade (41)de verildii gibi scaklk ve enerji

belirsizliklerinin fonksiyonudur.

( )[ ] 2222011222 . OWUWcpTTT eeeTTeee +++++= (41)

Faktrler UWe ve UWe st ak ve alt ak lm ksmlarnda enerjinin

deerlendirilmesi iin bulunan belirsizlii gsterir.

Kinetik enerji belirsizliini veren suyun giri ve ktaki hzlarnn belirsizliine bal

ifade (42) eitliindeki gibidir.

221

211

2vvv eee += (42)

Potansiyel enerji belirsizliini veren giri ve ktaki ykseklik lm

belirsizliklerine bal ifade (43) eitliindeki gibidir.

221

211

2zzZ eee += (43)

Trbinin yzeyindeki scaklk dalm ve scakln dzeltme faktr iin belirsizlik

uygun koullarda ( exe ) sfr olarak alnabilir.

1.4.4.2. zgl Hidrolik Enerjinin Deerlendirilmesi in Belirsizlikzgl hidrolik enerjinin deerlendirilmesi iin belirsizlik hesaplanrken (44) ve (45)

eitlikleri kullanlr.

h

e

ee

ef h

h= (44)

222zvpe eeee h ++= (45)

Buradaki basn belirsizlii(p

e ), (46) eitlii ile hesaplanr.

40


57/147

22

21

2ppp eee += (46)

Kinetik enerji belirsizlii ( ve ) eitlik (47) ile hesaplanr.

22

21

2vvv eee += (47)

Potansiyel enerji belirsizlii ( Ze ) eitlik (48) ile hesaplanr.

22

21

2zzZ eee += (48)

Ykseklik ve hz belirsizlii hesaplamasnda, st ak genletirici kap iindeki hz v11

ok dk olduundan bu deerlendirme dikkate alnmayabilir.

Toplam k suyu ak (49) ve (50) eitlikleri ile bulunur.

1

1A

Qv = (49)

2

20A

Qv = (50)

41


58/147

ekil 1. 11 . Generatr verimlilik erisi rnei

42


59/147

1.5. Elektrik Tehizatlarnn Verimlilii1.5.1. Generatr Verimi

Bugnk gelien teknolojide senkron generatrlerde olduka byk glere

klabildii gibi, genaratrlerde % 98in zerinde verimlere ulalabilmitir. Verimin

yksek olmasnda kullanlan materyallerin kalitesinin yannda yapm teknii de nemlidir.

Genaratrlerdeki verim iin retici firmalar en yksek teknolojiyi kullanarak mmkn olan

en yksek verimlere ulamay amalamaktadrlar. Fakat bunun yannda iletme verimlilii

de en az imalat kadar nem arz etmektedir. Zira uygun alma artlar salanmam

generatrde maksimum verim almak olas deildir.

Bu sebeplerle generatrler altrlrken, imalat firmann verdii iletme

talimatlarna uyulmasnn yannda, yine imalat firmann verdii alma erilerine (ekil

1. 12 ) uygun allmas sonucunda daha verimli bir alma elde edilir [1] .

ekil 1. 12 . Generatr alma Erisi

125

P

N

EXd

43

I

UnXd

Un=1pu Q

43


60/147

ekil 1. 12 deaktif g-reaktif g-cos parametreli rnek bir yklenebilmeerisi

verilmitir. Bu eri incelendiinde, teorik olarak reaktif gcn sfr olmas halinde en

yksek aktif gce ulalaca aktr. Bunun yannda endktif olarak makine yklendiinde

doal olarak cosnin dt buna bal olarak ta aktif gcn bir miktar dt grlr,

yle ki makinedeki endktiflik daha da artrlrsa cosnin daha da dmesi sz konusu

olur ve belli noktadan sonra aktif gten dme ynnde ani krlma olduu grlr ki bu

durum teknik olarak ar ikaz (overexited) blgesi olur ve makine alma erisinin dna

kar. Keza eri incelendiinde makinenin kapasitif blgede almas halinde de yine ayn

olumsuz durum grlr. Ancak bu defa kapasitif durumun artmas ile yine aktif gte ani

dmeye sebep olan dk ikaz (underexcited) blgesine geer. Tm bunlardan senkron

generatrn uygun alma artlarnn salanamamas halinde nasl verimsizleecei

grlr ki bu da iletme verimliliinin ok nemli olduu gereini ortaya koyar.

Baka bir rnekte; bir generatr g katsays ( cos ) yksek iken, makinenin

cos=0.8 endktif durumda altrlmas halinde u gerilimini sabit tutmak iin uyarma

akmn daha artrmak gerekir. Uyarma akm artnca uyarma sistemi kayplar artar verim

daha da azalr.

Bunlarn dnda bakmlarn zamannda yaplmas, makinenin anma snrlar

dnda altrlmas gibi dorudan iletme artlarndaki iyilemenin de iletme

verimliliini artraca aktr. letme verimliliine bir rnek verilecek olursa, maksimum

snma snrndan yaklak olarak 8 ya da 10 derecelik bir scaklk art, yaltkan

malzemenin mrnn yarya inmesine ve bylece makine mrnn azalmasna yol aaca

deneylerle tespit edilmitir.

1.5.2. Trafo Verimi

Trafolar hareket etmeyen elektrik makinelerinden olup, belirli bir gerilimdekielektrik enerjisini dier bir gerilime evirmeye yararlar. zellikle enerji iletimindeki rolleri

byktr. Trafolar genel olarak endstride bir ve fazl olarak imal edilmekle birlikte

baz hallerde faz saylar farkl olarak ta yaplrlar.

Trafolarn dier elektik makinelerine nazaran en byk stnlkleri verimlerinin

yksek oluudur. Byk trafolarda malzemeyi ekonomik olarak kullanarak % 99 ila %

99,5 oranlarnda verim elde etmek mmkndr.

Kayplar: Normal tipteki trafolarda, kullanlacaklar amaca gre msaade edilebilenkayplar eitli normlarla verilmitir.

44


61/147

Trafolarda en uygun verime , bakr kayplarnn demir kayplarna eit olmas ve

bakr kayplarnn da primer ve sekonder sarglara eit bir ekilde blnmesi halinde

eriilir. Demir kayplar gerilime bal olup sabit bir primer geriliminde deimezler.

Halbuki bakr kayplar ykle deiir.

Bakr ve demir kayplarnn ayarlanmas trafonun iletmedeki alma ekline

baldr. Mesela aydnlatma trafolarnda olduu gibi, trafonun gnn byk bir ksmn

yksz geirmesinden demir kayplarnn nispeten byk olmas trafonun yllk veriminin

dk olmasn salar. Buna karlk santralarda yksek gerilim besleyen trafolar daima

nominal glerinde alacaklar iin bunlarda kayplarn eit olmas yllk verimlerini

ykseltir. Buradan da anlalyor ki devaml olarak nominal yk altnda almayan

trafolarda senelik verimin gz nne alnmas gerekir. Trafonun senelik verimi senelik

demir ve bakr kayplarnn birbirine eit olmas halinde maksimumdur.

Demir kayplar:Genel olarak histeresiz ve Fucoult akmlar kayplarndan meydanagelen bu kayplar normal iletmede sabit bir gerilim ve frekansla alldnda

deimezler. Bu kayplar materyal sabitelerinden baka yalnz B indksiyonu ile frekansa

baldr.

Demir ierisinde manyetik alann srekli yn deitirmesinden demir ierisinde

elektromotor kuvveti indklenir. Bunlar demir ierisinde bir takm ufak daireler izen

akmlar olutururlar ki bu akmlara girdap ya da Fucoult akmlar denir. Bu akmlar

mmkn olduu kadar ince sac levhalar semek suretiyle kk tutmak gerekir. Aksi halde

demirin fazla snmasna ve verimin dmesine neden olurlar.

Bakr kayplar: Bu kayplar da demir kayplarnda olduu gibi iki ksma ayrlr.Birincisi doru akmn sarg zerinde meydana getirdii bakr kayb, ikincisi alternatif

akmdan tr bakrda meydana gelen fucoult akmlarnn sebep olduu kayplardr. Doru

akmda bunlardan yalnzca birisi, alternatif akmda ise her ikisi ayn anda oluur.

Verim:Daha nce ifade edildii gibi verimin maksimum olmas iin demir ve bakrkayplarnn birbirine eit olmas gerekir. O halde deiken bakr kayb hangi ykte sabit

demir kaybna eit olursa verim o ykte maksimum olacaktr. Buna gre;

Demir kayb nominal bakr kaybna eit ise, verim trafonun nominal gcne eitbir ykte maksimum deerini alr.

Demir kayb nominal bakr kaybndan kk ise trafonun verimi, nominal gcnaltnda bir ykte maksimum deerini alr.

45


62/147

Demir kayb nominal bakr kaybndan byk ise trafonun verimi nominal gcn

stnde bir ykte maksimum olur.

1.5.3. Bara ve letken KayplarDoru malzeme seimi ve doru dizaynla alt tehizat kayplar veya bara-iletken

kayplar azaltlabilir. Zira enerji naklinin uygun kesitle transferi hat direncinin dmesine

yol aar, dolays ile snmayla ortaya kacak hat kayplarn azaltr. Ayrca kablo bal,

ayrc kontaklar gibi materyallerin doru seimi de kayplar azaltr. nk bilinen bir

gerektir ki ek yerlerinin ve balant noktalarnn farkl malzemeden yaplm olmas pil

etkisi olgusundan dolay hem iletmecilii zorlatrmakta, hem de kayplar artrc rol

oynamaktadr.

46


63/147

2. YAPILAN ALIMALAR2.1. Keban HESde Termodinamik Metotla Yaplan Testler

2.1.1. Genel

Bu almada, Keban HES nite 4-nite 5 trbinleri saha verimlilik lm

uygulamas yaplarak verimlik erisinin gerek seviyesi ve ekli ile orijinal garanti edilen

verimlilik seviyesi ve ekli karlatrlm, zamanla alan bu hidrolik trbin arklarnn

verimlerinin ne kadar ve nasl deitii incelenmitir.

Saha verimlilik testi bu tezin daha nceki blmlerinde de anlatlan IEC-600 41 de

izah edildii ekilde termodinamik direkt metotla yaplmtr.

2.1.2. Trbin Teknik Verileri

Keban HES niteleri Keban 1-4 nite(1975) ve Keban 5-8 (1982) nite toplam 8 adet

Francis tipi trbinin teknik verileri Tablo 2. 1de verildii gibidir .

Tablo 2.1. Keban HE

Documents

Antrallerde Turbin Verimliliginin Termodinamik Metotla Olculmesi Turbine Efficiency Measurement of Hydro Electric Power Plant With Thermodynamic Methot