HIDROAGREGATE DE PERSPECTIVĂ ÎN DOMENIUL MICRO ...stiintasiinginerie.ro/wp-content/uploads/2014/01/42-HIDROAGREGATE-DE-PERSPECTIVĂ-ÎN...La proiectarea unei microhidrocentrale se

267

HIDROAGREGATE DE PERSPECTIVĂ ÎN DOMENIUL MICRO-HIDROTURBINELOR ÎN ROMÂNIA

Florin POMOJA

FUTURE HYDROUNIT IN MICRO-HYDROTURBINES AREA IN ROMANIA

This paper presents some future hydro unit, with perspective to be used in micro turbines area in our country, for small hydropower stations. Cuvinte cheie: micro-hidroagregate, micro-hidroturbine, perspectivă, energie electrică 1. Introducere Hidroagregatele sunt cele mai eficiente şi totodată cele mai ieftine generatoare de energie electrică. Dintre acestea, micro-hidroturbinele care le echipează constituie un grup aparte, de mare actualitate, având în vedere accentul care se pune pe producerea energiei electrice din surse regenerabile. Până la momentul actual termenul „micro-hidro” nu a fost definit exact. Cea mai vehiculată clasificare a microhidrocentralelor la nivel internaŃional – în funcŃie de putere, debit şi diametrul turbinei – este prezentată în tabelul 1 [1]. La proiectarea unei microhidrocentrale se iau întotdeauna în calcul căderea H şi debitul Q. Pentru a instala o micro-hidroturbină pe un curs de apă este nevoie de un debit de 5 l/s la o cădere de minimum 3 m, sau de un debit de doar 0,5 l/s la o cădere de 10 m (figura 1).

268

Tabelul 1

În Ńara noastră, amenajările hidroenergetice de mică putere (până la 3,5 MW) se clasifică actualmente în: - centrale hidroelectrice de mică putere (CHEMP), cu puterea instalată între 200 kW şi 3.600 kW;

- microhidrocentrale (MHC), cu puterea instalată între 20 kW şi 200 kW; - centrale hidro artizanale (CHA), cu puterea instalată mai mică de 20 kW. 2. Tipuri de micro-hidroagregate Micro-hidroagregatele de largă utilizare (aşa-numitele MLU) pot fi echipate cu turbine Kaplan tubulare, Kaplan axiale-compacte, Kaplan,

Denumirea Puterea tipică

Debitul Q Diametrul turbinei

Micro <100 kW <0,4 m3/s <0,3 m

Mini 100 – 1.000 kW 0,4 – 12,8 m3/s 0,3 – 0,8 m

Mică 1 – 50 MW >12,8 m3/s >0,8 m

H [m]

Q [l/s]

1

2

3

10 20 30 40 50

1000 W

550 W

200 W

100 W

Fig. 1 Curba estimată a puterii în funcŃie de

căderea H şi debitul Q

269

Banki, Francis sau Pelton şi sunt alcătuite în principal din:

– microturbină hidraulică; – mecanism de acŃionare; – vană de intrare; – generator asincron; – dulap electric de comandă-automatizare.

Micro-hidroturbinele sunt realizate de obicei în soluŃie compactă, cu axul turbinei dispus în poziŃie orizontală, înclinată sau verticală. Sistemele de acŃionare ale vanei şi turbinei sunt manuale sau electromecanice, putând fi realizate de către producători în funcŃie de cerinŃele clientului. FuncŃionarea grupului este controlată automat, comenzile putând fi însă executate şi manual. Micro-hidroagregatele cu puteri instalate pe unitate între 10 şi 100 kW oferă o gamă largă de utilizări:

• producŃie de energie electrică pentru consum propriu; • producŃie de energie electrică pentru livrare în reŃea; • producŃie de energie electrică pentru reŃele izolate; • antrenarea altor echipamente.

2.1. Microturbine Kaplan tubulare (KT) Microturbina hidraulică de acest tip este destinată punerii în valoare a unor debite relativ importante în raport cu căderile disponibile. ConstrucŃia deosebit de simplă a turbinei o face extrem de atractivă pentru amenajări nepretenŃioase, sezoniere şi chiar ocazionale, structura ei permiŃând organizarea unor baterii de micro-hidroagregate cuplate în serie sau în paralel. Pentru puteri mici (dimensiuni reduse ale rotorului) microturbinele KT (figura 2) funcŃionează pe principiul „totul sau nimic”, cu o poziŃie fixă a paletelor directoare; pentru amenajări mai mari sunt prevăzute cu sisteme de reglare continuă sau temporară a debitului absorbit, aparatul director fiind reglabil. În funcŃie de parametrii amenajării, turbinele KT pot acŃiona unul sau două generatoare dispuse diametral opus, astfel încât forŃa de întindere a curelelor de transmisie să se echilibreze, descărcând lagărele turbinei. Domeniul de căderi şi debite în care asemenea microturbine pot fi folosite este redat în figura 3.

270

2.2. Microturbine axiale compacte Există două soluŃii funcŃional-constructive pentru micro-hidroturbinele axiale compacte tubulare: montaj pe conducta forŃată sau direct în partea de construcŃie. Indiferent de soluŃia de montaj micro-hidroagregatul cuprinde acelaşi tip de microturbine. În figura 4 se prezintă domeniul căderi-debite pentru acest tip de microturbină. 2.3. Microturbine Banki Microturbina Banki este de tip cross-flow, având un rotor

Fig. 2 Microturbine Kaplan tubulare (KT)

Fig. 3 Domeniul căderi-debite pentru microturbine KT

6 7 8 9 10 15 20 0,20

0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90

1,0 1,2

1,5

2,0

3,0 2,5

3,5 4,0

H n [m] 12 1,5 2,0 2,5 4,0 3,0 5,0

Q [m 3 /s]

D 1 = 500

D 1 =6 00

D 1 =7 00 D 1 =8 00

D 1 =9 00

D 1 =10 00 KT625

D 1 = 300

D 1 = 350

D 1 = 400 D 1 = 450 D 1 = 500

D 1 = 550

KT550

271

orizontal cu palete fixe, montate pe arborele rotorului, o clapetă mobilă şi mecanismul de acŃionare al clapetei – care permite şi reglarea debitului de apă în timpul funcŃionării microturbinei –, carcasele superioară şi inferioară, şi de obicei o roată de curea montată pe arborele microturbinei.

Transmisia cu roŃi de curea şi curele late sau trapezoidale asigură transmiterea momentului de la arborele microturbinei la arborele generatorului, pentru întreaga gamă de puteri şi turaŃii, stabilită

Fig. 4 Domeniul căderi-debite pentru microturbine axiale compacte

Fig. 5 Microturbină Banki

6 7 8 9 1 0 1 5 2 0

0 , 2 0 0 , 2 5 0 , 3 0 0 , 3 5 0 , 4 0 0 , 4 5 0 , 5 0 0 , 6 0 0 , 7 0 0 , 8 0 0 , 9 0

1 , 0 1 , 2 1 , 5

2 , 0

3 , 0 2 , 5

3 , 5 4 , 0 4 , 5 5 , 0

H n [ m ] 0 , 1 5

1 2 1 , 5 2 , 0 2 , 5 4 , 0 3 , 0 5 , 0

5 0 0 K W

Q [ m 3 / s ]

D 1 = 3 4 0

D 1 = 4 5 0

D 1 = 5 6 0

D 1 = 6 7 0

D 1 = 7 8 0

D 1 = 8 9 0 C A T 6 1 5

D 1 = 3 4 0

D 1 = 4 5 0

D 1 = 5 6 0 D 1 = 6 7 0

D 1 = 7 8 0

D 1 = 8 9 0 C A T 7 5 5

272

în funcŃie de parametrii amenajărilor. Suportul agregatului este un ansamblu sudat care se betonează în fundaŃia microhidrocentralei, asigurând o rigiditate sporită în funcŃionarea acestuia. În figura 5 se prezintă o turbină de tip Banki asociată cu un generator asincron de foarte mică putere. 2.4. Microturbine Francis Principalele subansamble ale unei microturbine de tip Francis orizontale, respectiv verticale, sunt următoarele:

• Rotor – realizat într-o singură piesă (prin sudare) din oŃel inoxidabil, fixat pe capătul conic al arborelui prin intermediul unei ogive.

• Aparat director cu palete reglabile din oŃel inoxidabil, acŃionate de un mecanism manual sau electromecanic. Lagărele fusului paletelor sunt cu auto-ungere.

• Camera spirală – realizată prin sudare din tablă de oŃel carbon formând o singură piesă cu statorul, prevăzută cu o gură pentru curăŃire a eventualelor suspensii din apa turbinată.

• Tub de aspiraŃie – realizat prin sudare din tablă de oŃel carbon. Este realizat din componente asamblate prin flanşe.

• Lagăr şi etanşare arbore – lagărul şi etanşarea formează corp comun. Lagărul este cu rulmenŃi, etanşare este de tipul cu presetupă.

• Cuplarea turbinei cu generatorul se face printr-un cuplaj elastic cu bolŃuri.

În figura 7 este prezentată o secŃiune printr-o microturbină de tip Francis proiectată.

Fig. 6 Domeniul căderi-debite pentru microturbine Francis

6 7 8 9 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0

0 ,2 0

0 ,2 5

0 ,3 0 0 ,3 5 0 ,4 0 0 ,4 5 0 ,5 0

H n [m ]

Q [m 3 /s ]

0 ,1 0

0 ,1 2

0 ,1 5

0 ,0 7 0

0 ,0 5 0

0 ,0 6 0

0 ,0 9 0 0 ,0 8 0

1 2 3 5 4 5

F O /F V 1 9 0 -2 5 0

F O /F V 2 5 0 -2 5 0

F O /F V 2 8 5 -2 5 0

n = 1 0 0 0 rp m

n = 1 5 0 0 rp m

n = 1 0 0 0 rp m

n = 1 5 0 0 rp m

n = 1 0 0 0 rp m

n = 1 5 0 0 rp m

273

2.5. Microturbine Pelton O gamă de microturbine Pelton tipizate cu putere de până la 100 kW cuprinde patru tipo-dimensiuni, având rotoare cu D = 350, 400, 475, 550 mm, montate în două variante constructive, respectiv Pelton cu ax orizontal cu 1 sau 2 injectoare cu rotor fixat pe arborele generatorului, şi Pelton cu ax vertical cu 3÷6 injectoare.

Fig. 7 SecŃiune printr-o turbină de tip Francis proiectată

Fig. 8 Domeniul căderi-debite pentru microturbine Pelton

Gama de microturbine Pelton tipizate cu puteri intre 10 kW si 100 kW

Dc=350mm

Dc=400mm

Dc=550mm

Dc=475mm

P=100 kW80 kW

60 kW

40 kW

30 kW

20 kW

10 kW

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

105

110

115

120

125

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250

Q [l/s]

H [m

]

PO 1; 2 inj

PV 3; 4; 5; 6 inj

n=750 rpm

274

3. SituaŃia de perspectivă La nivel european se estimează un potenŃial tehnic de 1.070 TWh/an, exploatat la ora actuală în proporŃie de doar 45 %. În România potenŃialul hidroenergetic al râurilor este ridicat, în amenajări de mare putere şi de mică putere (sub 10 MW/unitate), cu următoarea repartiŃie: – amenajări de mare putere: 34.000 GWh/an; – amenajări de mică putere: 6.000 GWh/an. Există posibilitatea realizării unui număr mare de amenajări pentru producerea energiei electrice, prin valorificarea potenŃialului hidroenergetic al râurilor interne ale României: - unităŃi hidroelectrice artizanale (CHA), cu o putere instalată totală de 230 MW şi un potenŃial energetic mediu de circa 250 GWh/an; - microhidrocentrale (MHC), cu o putere instalată de peste 600 MW şi o producŃie de energie electrică de 750 GWh/an; - unităŃi hidroelectrice de mică putere (CHEMP), cu o putere instalată totală de1.400 MW şi producerea unei cantităŃi de energie electrică de 3.000 GWh/an [2]. Este cunoscut faptul că în general 60 % din costul iniŃial al unei MHC îl constituie cheltuielile pentru realizarea barajului de acumulare. Având însă în vedere Ordinul nr. 1.342 din 15 octombrie 2009, emis de Ministerul mediului, pentru aprobarea Ghidului de finanŃare a Programului privind producerea energiei din surse regenerabile: eoliană, geotermală, solară, biomasă şi hidro, publicat în Monitorul Oficial nr. 730 din 28 octombrie 2009, credem că problema finanŃării noilor amenajări hidroelectrice de mică putere va fi rezolvată într-un viitor cât mai apropiat.

BIBLIOGRAFIE

[1] * * * RETScreen International, http://www.retscreen.net/ [2] Cârlea, F., Sursele regenerabile de energie între Directiva europeană 77/2001 şi realitate, Ministerul Industriei şi Resurselor, 2003. [3] * * * www.ucmr.ro

Drd. Ing. dipl. Florin POMOJA inginer la Departamentul TIC,

Universitatea „Eftimie Murgu” din ReşiŃa, membru AGIR e-mail: [email protected]