close

Enter

Log in using OpenID

Clicca qui per scaricare Mini Idroelettrico - parte 3

embedDownload
Corso di Energetica A.A. 2012/2013
Mini Idroelettrico – Parte Terza
Prof. Ing. Renato Ricci
Dipartimento di Ingegneria Industriale e Scienze Matematiche
Università Politecnica delle Marche
Le turb ine idra ulich e
Le turbine idrauliche sono macchine motrici a fluido che hanno lo scopo di trasformare l’energia
potenziale e cinetica dell’acqua in energia meccanica di rotazione.
Esse sono costituite fondamentalmente da:
DISTRIBUTORE
un organo fisso che convoglia
opportunamente il fluido ed
effettua una sua regolazione;
GIRANTE
un organo mobile che
converte l’energia del fluido
in en. meccanica rotazionale.
2
Le turb ine idra ulich e
TURBINE AD AZIONE:
Il distributore trasforma integralmente l’energia
posseduta dal fluido in energia cinetica. La
girante, colpita dal fluido, trasforma l’en. cinetica
in en. meccanica rotazionale (PELTON – TURGO CROSSFLOW).
TURBINE A REAZIONE:
Il distributore trasforma solo in parte l’energia posseduta dal fluido
in energia cinetica. La rimanente parte dell’energia di pressione
viene trasformata in energia cinetica nei condotti convergenti della
girante: il fluido percorre i condotti mobili riempiendoli
completamente e la sua pressione gradualmente diminuisce
(aumenta la sua velocità relativa) fino ad imboccare il condotto di
scarico (diffusore) con una pressione che può essere anche inferiore
a quella atmosferica (FRANCIS – KAPLAN)
TURBINE A GRAVITA’:
sono in genere prive del distributore e sfruttano
direttamente la caduta del fluido sulla girante (RUOTE
– COCLEE)
3
Le turb ine a d a zione (1)
PELTON
E’ la classica turbina ad azione. Il distributore è costituito da uno o più
ugelli provvisti di spina di regolazione (una turbina ad asse verticale può
avere fino a sei ugelli, con una o due giranti) trasformano totalmente la
pressione dell’acqua in energia cinetica. Un tegolo deflettore ha il compito
di deviare il flusso dalle pale in caso di brusco distacco di carico senza
dover chiudere troppo velocemente la valvola di macchina (colpo d’ariete).
Allo sbocco del distributore la vena liquida, dotata della massima velocità,
colpisce le palettature a “cucchiaio” della girante. Il fluido percorre la
palettatura a contatto con l’ambiente, quindi a pressione atmosferica.
• Sono adatte a salti elevati (da 50 a >1200 m), anche se versioni
miniaturizzate possono essere applicate in salti piccoli.
• Mantengono buone prestazioni per carichi dal 30% al 100% del carico
massimo.
TURGO
Simile alla Pelton, le sue pale hanno forma e disposizione diverse (angolo di
20°) cosicché il getto ne colpisce simultaneamente più di una. ll volume
d’acqua che una turbina Pelton può elaborare è limitato dal fatto che il flusso di
ogni ugello possa interferire con quelli adiacenti, mentre la turbina Turgo non
soffre di questo inconveniente.
• Il minor diametro necessario comporta, a parità di velocità periferica, una
maggiore velocità angolare, che facilita l’accoppiamento diretto al
generatore.
• Può lavorare bene fino anche al 20% del carico massimo, ma l’efficienza è
minore rispetto a Pelton o Francis.
4
• Può agevolmente lavorare con salti tra i 15 e 300 m.
Le turb ine a d a zione (2 )
CROSS-FLOW
Detta anche Banki-Michell o Ossberger. L’acqua entra nella turbina
attraverso un distributore e passa nel primo stadio della ruota, che
funziona quasi completamente sommersa (con un piccolo grado di
reazione). Il flusso che abbandona il primo stadio cambia di direzione al
centro della ruota e s’infila nel secondo stadio, totalmente ad azione.
Questo cambio di direzione non è facile da ottenere correttamente e le
perdite d’energia per urti e vortici sono la causa del basso rendimento
nominale.
La ruota è costituita da due o più dischi paralleli, tra i quali si montano,
vicino ai bordi, le pale, costituite da semplici lamiere piegate.
• Queste ruote si prestano alla costruzione artigianale nei paesi in via
di sviluppo
• si utilizza con una gamma molto ampia di portate (tra i 20 l/s ed i 10
m3/s) e salti tra 5 m e i 200 m.
• Il suo rendimento massimo è inferiore all’87%, però si mantiene
quasi costante quando la portata discende fino al 16% della
nominale e può raggiungere una portata minima teorica inferiore al
10% della portata di progetto.
5
Le turb ine a rea zione (1)
FRANCIS
Sono turbine a reazione a flusso radiale con distributore a pale regolabili e girante a
pale fisse. Vengono impiegate in corsi d'acqua con dislivelli medi (25-400 m) e
portate da 2÷3 m3/s fino a 40÷50 m3/s.
La cassa a spirale realizzata, a seconda delle dimensioni, in calcestruzzo armato, in
acciaio saldato o in ghisa, ha la sezione variabile che permette di avere la stessa
velocità relativa in tutto il palettamento. Per contro occupa più spazio della modesta
struttura di contenimento di una Pelton.
Le piccole ruote sono solitamente fuse, in un sol pezzo, in bronzo- alluminio, mentre
quelle grandi sono realizzate mediante saldatura delle pale, generalmente in acciaio
inox.
Nelle turbine Francis veloci, l’alimentazione è sempre radiale, mentre lo scarico
tende ad essere assiale. Negli impianti mini-idro è frequente la configurazione ad
asse orizzontale.
La regolazione avviene variando l’inclinazione delle pale dello statore, che possono
permettere anche la totale chiusura (non sostituiscono comunque le valvole di
chiusura).
L’acqua in uscita dalla ruota transita, prima di essere scaricata nel canale di
restituzione, nel diffusore per recuperare parte dell’energia cinetica contenuta
nell’acqua che abbandona la ruota a velocità elevata. Un diffusore efficiente ha
sezione conica, ma con un angolo non troppo aperto, altrimenti può generarsi un
distacco di flusso (7-15°).
6
Le turb ine a rea zione (2 )
KAPLAN
Si tratta di turbine a reazione a flusso assiale, utilizzate generalmente
per bassi salti (2-40 m). La girante ha sempre pale regolabili, mentre se
anche il distributore è a pale regolabili, la turbina è una vera Kaplan (o
“a doppia regolazione”) altrimenti la turbina è una semi-Kaplan
(oppure “a singola regolazione”).
Le vere Kaplan hanno l’alimentazione radiale e mantengono un buon
rendimento anche al 15-20% della portata massima. Le semi-Kaplan
possono avere alimentazione anche assiale ma la minima portata tecnica
sale al 40%: quindi tutte le volte che la portata minima da lavorare sia
minore del 40% della massima di progetto, la scelta deve privilegiare la
macchina a doppia regolazione.
Le Kaplan sono le macchine che consentono il maggior numero di
configurazioni possibili.
A BULBO
La turbina a bulbo deriva dalle precedenti descritte, con il generatore e
il moltiplicatore (se esiste) contenuti in una cassa impermeabile, a
forma di bulbo, immersa nell’acqua.
7
A ltre turb ine
CÒCLEA
E’ una turbina a gravità che sfrutta la chiocciola di Archimede (invertendo il processo
originario) per realizzare una turbina idroelettrica. Le principali caratteristiche di questa
tecnologia sono:
• capacità della coclea di accettare materiali alluvionali, detriti di taglia superiore e pesci;
• nessun utilizzo di strigliatori e griglie a passo largo (no rifiuti da smaltire);
• semplicità massima di installazione e di manutenzione
• bassi costi di impianto e gestione.
• molto adatte a piccole applicazioni o strutture già esistenti
Sono tipicamente utilizzate per salti da 1 a 10 metri e portate d’acqua da 0,5 a 5,5 m³/sec.
Diversamente dalle Kaplan o Francis, continuano a funzionare anche con minime portate
d’acqua, rendendole molto adatte per corsi d’acqua con portate irregolari.
RUOTA IDRULICA
E’ stato il primo e per lungo tempo unico sistema per poter sfruttare l'energia cinetica
dei corsi d'acqua, i sistemi di alimentazione principali sono per di sopra (più efficiente
ma sempre meno rispetto alle altre turbine che sfruttano i piccoli salti), di petto
(quando il dislivello del salto non è sufficiente per alimentare dal 'di sopra' la ruota) e
per di sotto (l’acqua spinge le pale immerse nella corrente, impianti privi di salto).
PEACE TURBIN
E’ una turbina di recente introduzione, in fase di sviluppo, congegnata per funzionare
in assenza di un salto. Possono essere installate singolarmente o in serie sullo stesso
asse, ed anche " in cascata" sullo stesso corso d’acqua.
Prototipi di una turbina singola con un diametro di 1000 mm immersa in una corrente
d'acqua con velocità di 1m/s sviluppano una potenza di 1 kW, se la velocità è di 2 m/s
la potenza sviluppata è di 8 kW.
[Fonte: www.euroenergie-net.de ; www.rolf-keppler.de]
8
La scelta delle turb ine (1)
Il tipo, la geometria e le dimensioni di una turbina
sono condizionati essenzialmente dai seguenti
parametri:
• salto netto;
• portata da turbinare;
• velocità di rotazione;
• problemi di cavitazione;
• velocità di fuga;
• costo.
SALTO NETTO: IMPIANTI A BASSA CADUTA
• La scelta è piuttosto critica negli impianti a bassa caduta, che, per essere convenienti, debbono
utilizzare grandi volumi d’acqua.
• Nelle turbine ad azione il salto si misura dal punto d’impatto del getto, che è sempre sopra il
livello di valle per evitare che la ruota sia sommersa durante le piene; ciò comporta una certa
perdita di salto rispetto alle turbine a reazione che utilizzano tutto il dislivello disponibile.
• Per ridurre il costo globale (opere civili + elettromeccaniche) e in particolare il volume delle
opere civili, sono stati concepiti un certo numero di schemi, ormai considerati classici (cfr
sezione “Centrale elettrica”).
9
La scelta delle turb ine (2 )
PORTATA
E’ necessario conoscere il regime delle portate del corso d’acqua da sfruttare
prima di procedere alla scelta della turbina (curve FDC).
Da questi andamenti si determina una portata di progetto che abbinata al
salto di progetto individuano un punto nel piano in cui sono riportati i campi
di funzionamento di ogni tipo di turbina, i cui limiti non sono rigidi variando
da costruttore a costruttore in funzione della tecnologia utilizzata.
La scelta della turbina determina anche la portata minima che essa è in
grado di lavorare, condizionando così l’energia estraibile nel sito in esame.
La scelta finale sarà il risultato di un processo iterativo, che tenga conto
della produzione annuale di energia (Q, H, rendimento), dei costi
d’investimento e di manutenzione e dell’affidabilità del macchinario.
IMPIANTI A TURBINE MULTIPLE
L’impiego di turbine multiple, in luogo di una sola di maggior potenza, permette di:
• ampliare il campo di lavoro e la flessibilità della centrale (adattare il numero di unità in esercizio alla portata istantanea
disponibile) visto che ogni turbina può lavorare tra Qmin e QR (portata di progetto).
• ridurre il peso e le dimensioni di ciascuna macchina, facilitando il trasporto e messa in opera.
• migliorare l’accoppiamento con il generatore (turbine più piccole avranno una velocità di rotazione maggiore).
• riutilizzare le complesse casseforme necessarie a realizzare i condotti idraulici, diminuendo così il costo delle opere civili.
10
La scelta delle turb ine (3)
11
La scelta delle turb ine (4 )
12
La scelta delle turb ine (5)
LEGGI DI SIMILITUDINE APPROSSIMATA
Per poter confrontare tra di loro diverse turbine, è prassi comune servirsi di relazioni che impongano delle relazioni tra
macchine della stessa serie di leggi di similitudine:
• geometrica: proporzionalità tra le dimensioni, lineare per le lunghezze, quadratica per le aree
• dinamica: proporzionalità tra le forze
• cinetica: proporzionalità tra le velocità, uguaglianza per gli angoli tra le velocità
Tali similitudini sono molto utili perché consentono di estendere i risultati ottenuti su test di modelli di dimensioni ridotte a
tutte le macchine appartenenti alla stessa famiglia (es. tutte le Pelton tra di loro) a meno di fattori correttivi che tengano
presente dell’effetto scala.
In altri termini, macchine della stessa famiglia che rispettano le leggi di similitudine sopra descritte avranno lo stesso
rendimento.
Le tre relazioni di proporzionalità possono essere espresse anziché nella terna {lunghezza, velocità, forza} nella più usata
{lunghezza, tempo, energia} espressa rispettivamente dai rapporti D/D’(diametro girante), n’/n (numero di giri) e H/H’ (salto
netto, e quindi energia specifica), da cui si ottiene:
S 2gH
Q
cS
æ Dö
a)
= 1 =
=ç ÷
Q' c'1 S' S' 2gH ' è D ' ø
b)
P
g QH æ D ö æ H ö
=
=ç ÷ ç ÷
P' g Q' H ' è D ' ø è H ' ø
c)
n'
u' p D D H '
=
=
n p D' u
D' H
2
3
2
2
H ü
ï
H' ï
ï
hi
ï
®
=1
ý
h
'
i
ï
ï
ï
ï
þ
13
La scelta delle turb ine (6 )
NUMERO DI GIRI CARATTERISTICO - SPECIFICO
Se si indica con l’apice la macchina di riferimento “unitaria” (P’,
Q’ e H’ unitari), allora avremo che:
la generica macchina sarà confrontabile (ugual rendimento)
con la macchina di riferimento “unitaria” avente un numero
di giri pari a nS (numero di giri specifico) o se si preferisce nC
(numero di giri caratteristico).
O ancora, determinate le condizioni di operatività ottimale
della macchina di riferimento (ad esempio come varia il
rendimento), le altre macchine della stessa serie avranno le
stesse condizioni quando si troveranno ad operare allo stesso
numero di giri caratteristico o specifico.
Il numero di giri caratteristico non è adimensionale in quanto
il suo valore varia a seconda delle unità di misura che sono
impiegate per il suo calcolo. La formula indicata vale per le
unità del sistema SI.
S 2gH
Q
cS
æ Dö
a)
= 1 =
=ç ÷
Q' c'1 S' S' 2gH ' è D' ø
b)
P
g QH æ D ö æ H ö
=
=ç ÷ ç ÷
P' g Q' H ' è D' ø è H ' ø
c)
n'
u' p D D H '
=
=
n pD' u
D' H
2
3
H üï
H' ï
ï
ï
ý ® hi = h 'i
ï
ï
ï
ï
þ
2
2
ricavando D/D' dalla a) e sostituendo nella c) si ottiene
1)
n'
Q æ H 'ö
=
ç ÷
n
Q' è H ø
1
4
H'
Q æ H 'ö
=
ç ÷
H
Q' è H ø
3
4
ricavando D/D' dalla b) e sostituendo nella c) si ottiene
2)
n'
=
n
P æ H 'ö
ç ÷
P' è H ø
3
4
H'
=
H
P æ H 'ö
ç ÷
P' è H ø
5
4
se con l'apice si intende la macchina di riferimento che ha H' e Q' unitari
1) n' ® nS
Q1 2
nS = n 3/4
H
nC,kW
1/2
Pm,kW
= n 5/4
H
2) n' ® nC,kW
inoltre varrà
nC,kW
1/2
Pm,kW
(g QH )
= n 5/4 = n
H
H 5/4
1
2
Q1 2
= n 3/4 g = nS g
H
14
La scelta delle turb ine (7)
Il numero di giri specifico (o caratteristico) rappresenta un criterio
di selezione migliore dell’individuazione del punto di progetto sul
piano di funzionamento delle turbine.
E’ un parametro che contiene le grandezze tipiche per definire i
criteri di scelta, infatti esso ha:
• Il salto netto H, che è imposto dalla dislocazione della turbina
nell’impianto.
• La potenza Pm , che è imposta dalla convenienza economica che
scaturisce da un bilancio tra costo d’impianto + costo di
esercizio e utile ricavabile
• Il numero di giri n , che deve essere uguale a quello
dell’alternatore calettato sullo stesso albero della turbina (in
assenza di un moltiplicatore di giri).
Q1 2
nS = n 3/4
H
60 f
n=
p
nC,kW
1/2
Pm,kW
= n 5/4
H
f = frequenza della rete [EU=50 Hz]
p = numero di coppie polari
n espresso in rpm
tipo
salti [m]
portate [m3/s]
PELTON
50 – >1200
< 10
TURGO
CROSS-FLOW
15 – 300
5 –200
Lente 240 – 400
Norm. 90 – 240
Veloci 30 – 90
2 – 40
1 – 10
< 10
< 10
FRANCIS
KAPLAN
COCLEA
1 – 30
< 50
0,5 – 5,5
nC
a 1 getto 1 – 30
a 2 getti 17 - 45
a 4 getti 24 - 70
600 - 1000
2 -200
Lente 70 -100
Norm. 100 – 200
Veloci 200 – 450
400 -900
n [rpm]
200 - 1500
600 - 1000
60 - 1000
500 - 1500
75 - 150
15
La scelta delle turb ine (8 )
LA VELOCITA’ DI ROTAZIONE
La velocità di rotazione è funzione del numero di giri caratteristico, della
potenza e del salto netto. Nei piccoli impianti si è soliti impiegare generatori
standard, per cui, nello scegliere la turbina, si deve tenere conto delle
possibili velocità di sincronismo, come mostrato nella tabella, sia che essa sia
accoppiata direttamente al generatore sia che venga interposto un
moltiplicatore di giri.
1/2
Pm,kW
nC = n 5/4
H
60 f
n=
p
f = frequenza della rete [EU=50 Hz]
p = numero di coppie polari
n espresso in rpm
Esercizio
A) se vogliamo produrre energia elettrica in un impianto con un salto netto di 100 m, utilizzando una turbina da 800 kW
direttamente accoppiata ad un generatore standard da 1.500 rpm, possiamo calcolare che il numero di giri caratteristico è
pari a 134: si deduce quindi che l’unica scelta possibile è una turbina Francis.
B) Se, al contrario, prevediamo un moltiplicatore con un rapporto di trasmissione massimo di 1:3, la turbina potrà girare tra
500 e 1.500 rpm e quindi il numero di giri caratteristico si collocherà tra 45 e 134 rpm. In queste condizioni, oltre alla Francis,
la scelta potrà comprendere una Turgo, una “Cross-flow” od una Pelton a due o quattro getti.
1500 800
A) nC =
= 134
1,25
100
500 800
B) nC =
= 45
1,25
100
16
La scelta delle turb ine (9)
LA VELOCITA’ DI FUGA
In caso di distacco improvviso del carico esterno (per
l’apertura dell’interruttore di parallelo o per un guasto
all’eccitazione) mentre il gruppo idroelettrico sta
lavorando al massimo carico, la turbina aumenta la sua
velocità di rotazione fino a raggiungere, teoricamente,
quella che è nota come velocità di fuga. Questa varia a
seconda del tipo di turbina, dell’angolo di apertura
dell’eventuale distributore e del salto.
Si deve tener presente che all’aumentare della velocità di
fuga aumenta il costo del generatore e del moltiplicatore, i
quali debbono essere progettati per resistere alle
sollecitazioni indotte da questa possibile situazione.
PRESTAZIONI DELLA TRUBINA IN DIVERSI PUNTI DI LAVORO
Può succedere, soprattutto in caso d’ammodernamento di un
impianto esistente, di dover utilizzare, per fattori economici,
turbine con caratteristiche nominali che approssimano
quelle dell’impianto, ma non sono propriamente identiche.
Indicato con i pedici 1 la condizione di progetto della
macchina e 2 l’effettiva condizione di lavoro, si potranno
sfruttare le leggi di similitudine tenendo presente che il
rapporto tra le dimensioni geometriche è in questo caso
unitario.
a) ® Q2 = Q1
H2
H1
æH ö
b) ® P2 = P1 ç 2 ÷
èH ø
32
1
c) ® n2 = n1
H2
H1
17
La scelta delle turb ine (10 )
RENDIMENTO DELLE TURBINE
• Il rendimento è definito come il rapporto
tra la potenza meccanica trasmessa all’asse
turbina e la potenza idraulica assorbita
nelle condizioni di salto e di portata
nominali.
• Le turbine ad azione sfruttano un salto
netto minore (impatto del getto sempre
sopra il livello di valle).
• Le turbine a reazione hanno maggiori
perdite (attriti interni, diffusore), che
determinano un salto utile inferiore al
salto netto.
• La turbina è progettata per funzionare al
punto di massimo rendimento, che
corrisponde normalmente all’80% della
portata massima.
Pelton – Kaplan vere: rendimento accettabile fino al 20-30% della portata massima.
Semi–Kaplan: rendimento accettabile fino al 40% della portata massima.
Francis con camera a spirale: rendimento accettabile fino al 50% della portata
massima.
Criss-Flow: il rendimento raramente raggiunge l’84%, ma viene mantenuto anche con
forti parzializzazioni, fino ad 1/6 della portata massima.
Coclea: rendimenti più bassi ma costanti fino al 10 % della portata massima.
18
La scelta delle turb ine (8 )
CAVITAZIONE
Quando la pressione in un liquido in movimento scende sotto la sua
tensione di vapore, ha luogo l’evaporazione del liquido, con la formazione
di un gran numero di piccole bolle, che collassano quando giungono nelle
zone a pressione maggiore. L’azione continua ripetuta di queste pressioni a
carattere impulsivo produce una erosione diffusa danneggiando
seriamente la turbina. Facendo il bilancio energetico tra la sezione di
scarico della turbina (1) ed il livello del bacino di scarico a valle (2), si ha:
P1 c12
Patm c22
+
+ zs =
+
+ ys
g 2g
g
2g
zs =
Pmin = Pv - Pg
2
1
Patm P1 c
- +y
g
g 2g s
Dalla relazione si deduce che la P1 è inferiore alla Patm. Se assume valori
inferiori a Pmin (definita dalla tensione di vapore PV e la pressione parziale
del gas disciolto Pg) avviene la cavitazione.
In genere P1 e c1 sono dati dal costruttore e si definisce un coefficiente di
Thoma σT (funzione del numero caratteristico della turbina) dato dal
rapporto tra i carichi dinamici all’uscita della turbina e la caduta della
macchina H. Per evitare la cavitazione si adottano condotti diffusori
(sezione crescente) e che risalgono verso l'alto raggiungendo il serbatoio
d'invaso (zS molto ridotto).
-5
Francis
s T = 7, 54 ×10 × n1,41
S
Kaplan
s T = 6, 4 ×10 -5 × n1,46
S
zs,max
Hd
c12
sT =
=
H 2gH
Patm P1
=
- - s T H + ys
g
g
19
La centra le elettrica
La centrale ha il compito di proteggere l’equipaggiamento idraulico ed
elettrico che converte l’energia potenziale dell’acqua in energia elettrica.
Esistono molte configurazioni possibili della centrale.
• La configurazione tradizionale in impianti a bassa caduta è schematizzata
a lato. Il corpo dell’edificio, integrato nello sbarramento, incorpora la
camera di carico, con la sua griglia, la turbina Francis verticale
accoppiata al generatore, il diffusore e il canale di scarico. Nella sala
macchine sono installati i quadri di controllo e, eventualmente, la
sottostazione di trasformazione. Talvolta, l’intera sovrastruttura si riduce
ad una semplice protezione dei quadri elettrici e di controllo.
• L’integrazione di turbina e generatore in un unico gruppo impermeabile,
che può essere installato direttamente nel canale di carico, consente di
eliminare la centrale convenzionale, come nel caso di una turbina Flygt
sommersa, dotata di una paratoia di macchina cilindrica, senza alcuna
protezione addizionale contro le avversità atmosferiche..
• allo scopo di ridurre l’impatto ambientale paesaggistico e sonoro la
centrale può essere totalmente sommersa.
20
C onfigura zioniim pia nticon piccolisa lti(1)
La configurazione verticale è quella classica di
riferimento per le grandi applicazioni.
L’intercettazione a sifone è affidabile, economica,
abbastanza rapida da evitare la fuga della turbina
e facilmente applicabile su sbarramenti già
esistenti, per contro assai rumorosa e limitata a
salti < 10 m e potenze < 1000 kW
21
C onfigura zioniim pia nticon piccolisa lti(2 )
La soluzione ad S sta diventando molto
popolare, benché abbia l’inconveniente
che l’asse della turbina attraversa il
condotto di scarico/adduzione con elevate
perdite di carico.
La configurazione ad S si presta a centrali
interrate o seminterrate, caratterizzate da
minor impatto visivo.
Kaplan ad S
invertita
22
C onfigura zioniim pia nticon piccolisa lti(3)
Kaplan inclinata a
rinvio d’angolo
La soluzione con rinvio d’angolo a 90° consente di
utilizzare un generatore a 1.500 rpm, standard, affidabile,
compatto ed economico.
Rispetto alla configurazione ad S, le minori perdite di carico
consentono miglioramenti di prestazioni dal 3 al 5%,
mentre i volumi di scavo e del calcestruzzo sono molto
minori.
La conformazione a pozzo ha il vantaggio che i principali
organi meccanici sono facilmente accessibili. I condotti
idraulici sono semplificati, la turbina risulta più piccola a
causa della portata specifica maggiore (30% in più della
Kaplan ad asse verticale), le opere civili diventano più
economiche da realizzare
Anche queste configurazioni sono realizzabili con centrali
interrate o seminterrate.
23
Ilm oltiplica tore digiri
•
•
•
•
•
Quando è possibile, l’accoppiamento diretto turbina – generatore è da preferirsi perché
evita le perdite meccaniche e minimizza le manutenzioni.
In generale, soprattutto con turbine di piccola potenza, le ruote girano a meno di 400 rpm e
ciò comporta l’obbligo di ricorrere ad un moltiplicatore per raggiungere i 750 - 1.500 rpm
degli alternatori standard.
l moltiplicatore deve resistere agli sforzi molto elevati indotti da difetti di sincronizzazione,
cortocircuiti o velocità di fuga della turbina. E’ raccomandabile l’uso di un limitatore di
coppia, che può essere un elemento sacrificale dell’accoppiamento.
è fondamentale una corretta lubrificazione: Una doppia pompa e un doppio filtro dell’olio
contribuiscono ad aumentare l’affidabilità dell’apparecchiatura.
Sotto 1 MW si privilegiano i cuscinetti a rulli, sopra si preferiscono i supporti idrodinamici
Paralleli: utilizzano
ingranaggi elicoidali su assi
paralleli e sono idonei per
potenze medie.
Conici: generalmente limitati a piccole potenze, utilizzano
ingranaggi conici a spirale per un rinvio d’angolo di 90°.
Epicicloidali: montano ingranaggi epicicloidali che garantiscono
una grande compattezza; sono particolarmente adatti a potenze
superiori a 2 MW.
24
IlG enera tore
Il generatore ha il ruolo di trasformare in energia
elettrica l’energia meccanica trasmessa dalla turbina.
ALTERNATORI SINCRONI
• l’apparato di eccitazione è associato ad un regolatore di
tensione di modo che, prima di essere collegati alla rete,
generano energia alla stessa tensione, frequenza ed
angolo di fase ed inoltre forniscono, una volta connessi,
l’energia reattiva richiesta dal sistema
• possono funzionare staccati dalla rete (in isola)
• sono più costosi e si utilizzano per alimentare piccole
reti
•
•
•
ALTERNATORI ASINCRONI
• sono motori ad induzione con rotore a gabbia di
scoiattolo, senza possibilità di regolazione della tensione
• Girano ad una velocità direttamente rapportata alla
frequenza della rete cui sono collegati
• La corrente d’eccitazione e l’energia reattiva sono date
dalla rete (no funzionamento in isola)
• Si utilizzano in grandi reti
• Hanno rendimento leggermente inferiore dei sincroni
< 500 kVA
500 – 5000 kVA
> 5000 kVA
ASINCRONI
ENTRAMBI
SINCRONI
gli alternatori possono essere ad asse orizzontale o verticale,
indipendentemente dalla configurazione della turbina; si
tende però ad adottarne la medesima configurazione.
nelle turbine Kaplan o ad elica inclinate si utilizza per ragioni
di spazio un moltiplicatore a rinvio d’angolo a 90°.
esistono anche generatori a velocità variabile e frequenza
costante (VSG),
turbina Kaplan ad asse verticale,
da 214 rpm, accoppiata
direttamente ad un generatore
non standard a 28 poli.
25
A ltricom ponenti
Un tipico impianto idroelettrico comprende inoltre tutta una serie di componenti elettromeccanici. I principali sono:
•
•
•
•
•
•
•
Regolatori di tensione: Nei generatori sincroni inseriti in una rete isolata, il regolatore di tensione ha la funzione di
mantenerla ad un valore predeterminato, indipendentemente dai carichi alimentati. Se il generatore sincrono è inserito
in una rete estesa, il regolatore deve mantenere la potenza reattiva al valore voluto.
Regolatori di velocità della turbina a portata variabile: Nel caso di generatori sincroni, un sensore, meccanico o
elettronico, rileva le variazioni di velocità (legate alla frequenza di generazione a sua volta legata ai carichi elettrici) e
comanda un servomotore che modifica l’apertura dei sistemi di regolazione della portata delle turbine (distributore, pale,
spina) nella misura necessaria a fornire l’energia idraulica richiesta per soddisfare l’incremento o la diminuzione dei
carichi.
Regolatori di velocità della turbina a portata costante: Se il sistema richiede meno energia, la turbina tende ad
accelerare; un sensore elettronico rileva un aumento della frequenza ed un dispositivo, conosciuto come regolatore di
carico, provvede a dissipare l’eccesso di energia in un banco di resistenze, mantenendo così costante la richiesta di
potenza al generatore.
Quadri di controllo e di potenza: tra i morsetti del generatore e la linea si installano dispositivi che controllando il
funzionamento della macchina, la proteggono, la mettono in parallelo con la rete o la staccano dalla stessa in caso di
guasto. Il controllo si realizza mediante apparati perciò più o meno sofisticati per misurare la tensione, l’intensità e la
frequenza della corrente in ognuna delle tre fasi, l’energia prodotta dal generatore, il fattore di potenza ed
eventualmente il livello dell’acqua nella camera di carico.
Quadri di automazione
Trasformatore dei servizi ausiliari: progettato per i carichi massimi previsti, tenendo presente i fattori di
contemporaneità.
Idrometri registratori dei livelli nella camera di carico e nel canale di restituzione
26
Author
Document
Category
Uncategorized
Views
0
File Size
2 249 KB
Tags
1/--pages
Report inappropriate content