SU YAPILARI7.Hafta

Su Kuvveti (Hidroelektrik Enerji) Tesisleri_2

Prof.Dr.N.Nur ÖZYURT

nozyurt@hacettepe.edu.tr

Su Kuvveti Tesislerinin SınıflandırılmasıKurulu Gücüne GöreÇok Küçük ≤100 kWKüçük 100-999 kWOrta 1000-9999 kWBüyük >10000 kW

Biriktirme haznesi olup olmamasına göreTabii debiliBiriktirme hazneli

Düşüm yüksekliğine göreAlçak basınçlı tesisler <50 mYüksek basınçlı tesisler > 50 m

Suyun mekanik enerjisinden faydalanma şekline göreAkarsuların enerjisinden faydalananDenizlerin enerjisinden faydalananPompaj biriktirmeli (offstream dam)

Alçak Basınçlı Tesisler H<50mGenellikle akarsuyun getirdiği debiye göre çalışırlar.

İşletme debisi minimum ve maksimum debi arasında seçilir.

Genellikle akarsuda yılın 90-120 gününde mevcut olan debi işletme debisi olarak seçilir.

Santral binası ya akarsu yatağında yada bir çevirme kanalı üzerine olur.

Akarsu Santralları

Kanal Santralları

Akarsu SantrallarıGenellikle 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.

Kanal SantrallarıKanal 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

Baraj SantrallarıArtan 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 santralışeklinde düzenlenebilir.

Çevirme SantrallarıYüksek 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.

Yerüstü SantrallarıYüksek 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 SantrallarıJeolojik, 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, dengebacası gerekmez, boşaltım galerisi uzundur.

Orta Tesis: Su alma ve boşaltım noktaları ortasındadır.

Aşağı Tesis: Boşaltım galerisinin çıkışına yakın tasarlanır.

Pompaj Biriktirmeli SantrallarPompaj 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?

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 0.7-1.2 m/s, kaplamalı kanallarda 1.5-2 m/s olarak seçilmelidir.

Sediman çökelimi olmaması için hızın 0.3 m/s altına düşmemesi istenir.

Kanal şev açısı malzemeye bağlı olarak 25o-50o arasında şeçilir.

Kanal boyunca dolgu ve yarma uzunlukları ve kaplama tercihi ekonomik olarak değerlendirilir.

Galerilerİletim 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 3.5-4.0 m2 olmalıdır.

Galeri tasarımında;

•Basınç yüksekliği

•Akış hızı

•Sürtünme nedeni ile yük kayıpları dikkate alınır

Basınçlı (Cebri) Borularİletim 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.

Basınçlı (Cebri) BorularCebri borular her 100-150m de yada yön değiştirdikleri yerlerde tespit kütleleriile 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 10-20 m de bir öngörülen ayaklardır.

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

Su darbesi, kapalı boruda akımın azaltılması sonucu oluşan ve statik basıncın çok üstünde basınçların oluşabildiği “basınç salınımı” olayıdır.

Cebri Borularda Su Darbesi

Ani ve hızlı kapama durumunda boru içindeki hızın V1’den V2’ye düşmesi durumunda basınç artışı (∆h) aşağıdaki şekilde hesaplanır.

( )

+

=

−=∆

ed

EEg

a

gVVah

Bs

11

1

21

γ

∆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 kalınlığıa çelik borularda ~1000m/s olur.

Su Darbesi Hesabı_Örnek Soru

( )g

VVah 21 −=∆

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).

( ) mh 2978.9

7.16.41000=

−=∆

Denge BacalarıDenge 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

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 OdalarıSu 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.

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.

TürbinlerTürbinler, 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)

The linked image cannot be displayed. The file may have been moved, renamed, or deleted. Verify that the link points to the correct file and location.

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.

Impuls 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

Basınçlı Türbinler

Kaplan Türbini

Büyük debi ve küçük düşümlerde tercih edilir.

Türbin Tipi SeçimiTürbin tipi, özgül dönme sayısı ve düşüm yüksekliğine göre belirlenir.

US Energy Information Administrationhttp://www.eia.gov/renewable/data.cfm#hydroItaipu Brazil HPP (Three Gorges Barajından (Çin) sonraki en büyük)http://www.itaipu.gov.br/en/energy/damHESİADhttp://www.hesiad.org.tr/IMOhttp://www.imo.org.tr/resimler/dosya_ekler/d8c5e9986a1c41b_ek.pdf?dergi=260EPDKhttp://www.epdk.gov.tr/DSİhttp://www.dsi.gov.tr/faaliyetler/hessu-kullanim-anlasmalari

Su Kuvveti Tesisleri ile İlgili Bağlantılar