Technologiczne rozwiązania Małych Elektrowni Wodnych.

Technologiczne rozwiązania małych elektrowni wodnych zależą w głównej mierze od sposobu doprowadzenia wody (kanałem otwartym lub przewodem ciśnieniowym) oraz od typu zastosowanego turbozespołu. Zwłaszcza ten drugi czynnik powoduje dużą różnorodność rozwiązań. Istnieje bowiem wiele typów turbozespolów malej mocy stosowanych w elektrowniach wodnych. W dalszym ciągu przedstawiono większość ze spotykanych przypadków poczynając od rozwiązań najstarszych.

Hydrotechniczne rozwiązania MEW

Przykłady  MEW znajdujących się w kraju

Rozwiązania  z turbinami Francisa

Rozwiązania z turbinami Kaplana

Rozwiązania z turbinami rurowymi

Rozwiązania z innymmi turbinami ( Banki, Peltona)

Najstarszym typem turbiny, który znalazl powszechne zastosowanie była turbina Francisa o osi pionowej, a później także poziomej, pracująca w otwartej prostokątnej komorze turbinowej. Obecnie ten typ turbiny ustąpił już miejsca lepszym konstrukcjom, należy mu jednak poświęcić nieco miejsca ze względu na to, że niemal we wszystkich istniejących w Polsce siłowniach młyńskich i elektrowniach stosowano właśnie to rozwiązanie. Korzystano w tym przypadku z maszyn firmy Kryzel i Wojakowski z Radomska, o mocy do 100 kW oraz maszyn różnych producentów niemieckich. Brak seryjnej i taniej krajowej produkcji bardziej nowoczesnego oprzyrządowania spowodował, że większość uruchomionych w Polsce w latach osiemdziesiątych małych elektrowni wodnych należy właśnie do omawianego typu.

Budynki MEW z turbinami Francisa produkowanymi w Radomsku przedstawiono na rys.1 i 2. Na wlocie do komór znajdują się zastawki remontowo-awaryjne oraz kraty czyszczone ręcznie. Dno komory zwykle oddziela się od dna rzeki lub kanału niewielkim progiem przeciwrumowiskowym w celu ochrony turbiny przed napływem gruntu z dna kanału.

Rys. 1. Budynek elektrowni z  pionową turbiną Francisa (Kryzel-Wojakowski);

  1 - turbina, 2 - regulator  ręczny, 3 -przekładnia zębata, 4 -przekładnia pasowa, 5 - zamknięcie awaryjno-remontowe,  6 - kraty wlotowe,     7 - spust wody z komory turbinowej, 8 - ścianka szczelna,  9 -próg przeciwrumowiskowy, 10 - slo/kowa rura ssąca, 11 - komora odpływowa, 12 - komora turbiny, 13 - hala maszyn.

Turbina pionowa jest umieszczona nad otworem w dnie komory i przytwierdzona do kilku lub kilkunastu śrub kotwiących zabetonowanych w dnie. Krótka stożkowa rura ssąca przechodzi do komory odpływowej. W przypadku posadowienia budynku na palach komora odpływowa może zostać ograniczona do ściany oporowej (najlepiej szczelnej ścianki wbijanej) od strony doprowadzenia wody i od strony budynku elektrowni oraz do płyty (ewentualnie blatu drewnianego) chroniącej dno pod rurą ssącą przed rozmyciem. Taki rodzaj konstrukcji stosowano zwykle w celu uniknięcia prac betoniarskich lub murarskich poniżej zwierciadła wody grantowej, gdy grunt był bardzo nawodniony. Wał turbiny przechodzi przez pokrywę, w której znajduje się łożysko prowadzące i przez strop do hali maszyn. W hali tej jest umieszczona kątowa przekładnia, zwykle o zębach drewnianych, zawierająca także łożysko oporowe lurbiny. Na wale poziomym, za przekładnią, znajduje się jeszcze koło pasowe, skąd napęd może być przekazany do generatora.

W przypadku turbiny poziomej (rys. 2.) wal przechodzi przez ścianę komory, w której zabetonowana jest tarcza stojana turbiny. Za ścianą komory znajduje się koło pasowe. Ponieważ turbiny o osi poziomej stosowano zwykle przy mniejszym przełyku i większych obrotach niż turbiny pionowe, często zdarzało się, że wystarczała przekładnia jednostopniowa aby napęd z koła pasowego przy turbinie mógł być przeniesiony bezpośrednio do generatora. W wyrobach innych producentów stosowano często układ odwrócony, w którym rura ssąca wychodzi przez, ścianę poza komorę turbinową obejmując w początkowym odcinku wał turbiny i odginając się w dół przed kołem pasowym.

Rys. 2. Mała elektrownia wodna z poziomą turbiną Francisa (Kryzel i Wojakowski);

  1 - turbina, 2 - regulator reczny. 3 - przekładnia pasowa, 4 - generator, 5 - szafa sterowniczo-rozdzielcza, 6 - kraty wlotowe, 7 - zamknięcie awaryjno-remontowe. 8 - spust wody z komory turbinowej, 9 - ścianka szczelna.

We wszystkich omówionych rozwiązaniach nie ma potrzeby stosowania szybkoopadającego zamknięcia awaryjnego, wystarczy zamknięcie ciężarowe - zamyka łopatki kierownicy wówczas gdy wystąpi zagrożenie rozbiegiem turbiny.

Jeżeli elektrownia ma pracować na sieć wydzieloną, to często niezbędne jest dołączenie do generatora koła zamachowego. Ponieważ stare siłownie z turbinami Francisa podlegają różnym modernizacjom, należy pamiętać o następujących czynnościach. Przede wszystkim należy zbadać stan techniczny budynku. Konstrukcje drewniane lub z cegły po kilkudziesięciu latach użytkowania nadają się, prawie bez wyjątku, do wyburzenia już na podstawie pobieżnych oględzin. W przypadku komór betonowych, zwłaszcza zbrojonych, istnieje duża szansa napotkania obiektu w dobrym stanie -jednak i tu opinia inżyniera budowlanego, najlepiej hydrotechnika  jest niezbędna. W przypadku pozytywnego wyniku pozostaje do rozważenia zagadnienie wyboru typu i przełyku turbozespołu. Należy tu stwierdzić, że w starych budynkach praktycznie nie można stosować popularnych ostatnio turbin rurowych. Nowe turbozespoły muszą swym układem i wielkością naśladować stare.

Jeżeli chodzi o dobór przełyku należy podkreślić, że większość siłowni budowanych w XIX w. i na początku XX w. nie wykorzystywała przepływu rzek w takim stopniu, jak się to praktykuje we współczesnych elektrowniach. Dla inwestorów istotna była tylko ta część przepływu, która występowała z dużą gwarancją. Często przełyk instalowany był ograniczony znikomym zapotrzebowaniem na moc zakładu, który z wody korzystał. Stąd też spotyka się często komory turbinowe zbyt małe w stosunku do możliwości hydrologicznych rzeki. Wynika stąd potrzeba zwiększenia przełyku. Proste zwiększenie rozmiarów nowo instalowanej turbiny nie zawsze jest celowe, istnieje bowiem wyraźny związek między szerokością komory a wielkością turbiny, którą można w niej umieścić. Nieznaczną poprawę sprawności można uzyskać przez odpowiednie ukształtowanie ścian komory tworząc tzw. pólspiralę.

 

Rozwiązania współczesne z turbinami Francisa

Od wielu już lat zastosowanie turbin Francisa ogranicza się do spadów rzędu 10 m i wyższych. W przypadku spadów mniejszych turbinę tę zastąpiono doskonalszą turbiną Kapłana. Natomiast przy spadach powyżej 10 m przeważa zaleta turbiny Francisa, mianowicie jest ona odporna na kawitację, dzięki czemu nie ma potrzeby głębokiego posadowienia wirnika (kłopotliwego ze względów budowlanych).

Typowe rozwiązanie małej elektrowni z turbozespołem Francisa przedstawiono na rys.3. Jest to urządzenie z wytwórni ĆKD Blansko o średnicy wirnika 500 — 1000 mm, spadach 5—35 m. przełykach 0,4 — 5 m^/s, mocach 15 — 1400 kW. Przed wlotem do turbiny znajduje się szybkodziałające zaniknięcie awaryjne (klapa motylowa). Przedstawiony turbozespół nie ma kierownicy z ruchomymi łopatkami jak to się spotyka w większych urządzeniach. Sterowanie przepływem odbywa się tu za pomocą oprofilowanej klapy, umieszczonej na początku spirali, która w tym przypadku ma przekrój prostokątny. W zależności od wielkości spadu i prędkości obrotowej generatora może on być napędzany bezpośrednio lub przez przekładnię (na ogół pasową).

Rys. 3. Współczesne rozwijanie z turbiną Francisa dla spadów średnich (ĆKD Blansko);

 1 - turbina Francisa w spirali stalowej, 2 - łopatka regulacyjna wewnątrz obudowy turbiny, 3 - zawór na rurociągu doprowadzającym, 4 - przekładnia pasowa, 5 - prądnica, 6 - szafa sterowniczo-rozdzielcza.

W innych rozwiązaniach, zwłaszcza przy większych mocach, stosuje się pionowy układ turbiny, zakrzywioną betonową rurę ssącą i pełną kierownicę z ruchomymi łopatkami.