Elektrownie pompowe

Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje pracy głównych urządzeń elektrowni pom­powej :     praca turbinowa (generatorowa), tzn. zgromadzona w górnym zbiorniku woda napędza turbinę, oraz praca pompowa (silnikowa), tzn. pompa tłoczy wodę ze zbiornika dolnego do górnego, w celu magazynowania w nim energii poten­cjalnej wody.

Z punktu widzenia systemu elektroenergetycznego można wyodrębnić różne rodzaje pracy elektrowni pompowych. Elektrownie uczestniczące w wyrów­nywaniu szczytowych (maksymalnych) i minimalnych obciążeń systemu elektro­energetycznego są uruchamiane w ciągu doby 1¸2 razy w cyklu pracy pompowej i turbinowej - ten rodzaj pracy nazywa się pracą programową. W pracy progra­mowej, elektrownia produkuje "drogą" szczytową energię elektryczną za pomocą wody doprowadzonej do górnego zbiornika pompami pobierającymi "tanią" energię elektryczną z systemu elektroenergetycznego w okresie jego małego obciążenia w czasie doliny nocnej lub dziennej, przy czym energii elektrycznej do napędu pomp dostarczają elektrownie parowe, jądrowe i wodne przepływowe. W czasie szczytu obciążenia elektrycznego woda jest doprowadzana do turbiny wodnej, sprzęgniętej bezpośrednio z synchroniczną maszyną elektryczną, i nastę­puje przetwarzanie nagromadzonej w górnym zbiorniku energii wody na energię elektryczną.

Elektrownia pompowa ze względu na swoje dobre właściwości ruchowe może brać udział w pokrywaniu szybkich zmian obciążenia w systemie elektro­energetycznym - ten rodzaj pracy nazywa się pracą regulacyjną. Szeroko pojęte zadania regulacyjne obejmują również stany awaryjne systemu elektroenergety­cznego (wypadnięcie bloku w elektrowni cieplnej lub wyłączenie dużego odbioru), wymagające interwencyjnego zwiększenia mocy wydawanej lub pobieranej w sy­stemie. Elektrownia pompowa stanowi w tym przypadku rezerwę interwencyjną i w razie nagłego deficytu mocy jest uruchamiana do pracy turbinowej, a w przy­padku nagłego nadmiaru mocy przechodzi do pracy pompowej. Ten rodzaj pracy nazywa się pracą interwencyjną. Poza tym można wyróżnić pracę w tzw. rezerwie wirującej, gdy nieobciążony hydrozespół wiruje i w każdej chwili, zależnie od kie­runku wirowania, może przejść do pracy turbinowej lub generatorowej. Elektrownie pompowe, podobnie jak i inne elektrownie wodne, są źródłem mocy bie­rnej podczas pracy kompensatorowej. Praca kompensatorowa może odbywać się przy dowolnym kierunku wirowania hydrozespołu. W tym przypadku czynnikiem napędowym jest maszyna elektryczna pracująca jako przewwzbudzony silnik synchroniczny, zasilany z sieci, przy czym wirnik pompoturbiny kręci się w po­wietrzu (obniżenie poziomu wody za pomocą sprężonego powietrza).

          Zbiornikami górnymi elektrowni pompowej mogą być zbiorniki naturalne, np. jeziora (rys. 2a) lub zbiorniki sztuczne (rys. 2b). Jako zbiorniki dolne są stosowane jeziora (rys. 2a), spiętrzenie doliny rzeki (rys. 2b), stare sztol­nie kopalniane lub specjalnie budowane zbiorniki sztuczne. Przynajmniej jeden ze zbiorników musi być uzupełniony wodą z naturalnego dopływu w celu pokrycia strat wynikających z odparowań i przecieków wody.

Rys. Plan sytuacyjny i przekrój elektrowni pompowej: a) naziemnej; b) podziemnej

1 – zbiornik górny (1’ – jezioro; 1’’ – zbiornik sztuczny); 2 – ujęcie wody;  3 – kanał otwarty; 4 – ciśnieniowe sztolnie opadowe (4’ – derywacja rurociągami napowietrznymi; 4’’ – derywacja rurociągami podziemnymi); 5 – elektrownia; 6 – komora wyrównawcza wraz z napowietrzaniem; 7 – sztolnia odpływowa; 8 – zbiornik dolny (8’ – jezioro; 8’’ – rzeka); 9 – sztolnia komunikacyjna; 10 – sztolnia kablowa (wyprowadzenie mocy); 11 – most; 12 - rzeka

W elektrowni pompowej, jak w żadnej innej elektrowni wodnej, bardzo ważnym parametrem jest spad. Im większy jest spad, tym dla określonej ilości energii jest wymagana mniejsza pojemność zbiorników, co wpływa na zmniejszenie nakładów inwestycyjnych. Pojemności zbiorników wystarczają na 2¸6 godzinną pracę turbinową. Elektrownie pompowe w zasadzie powinny mieć spady ponad 100 m, jednak są budowane również z mniejszymi spadami.

Zaznaczona na rys. 2b komora wyrównawcza 6 chroni sztolnię od­prowadzającą wodę (o znacznej długości) przed nagłym wzrostem ciśnienia wody przy rozruchu turbiny oraz przeciwdziała oderwaniu się słupa wody ze sztolni (w rurze ssącej) przy zamknięciu dopływu wody do turbiny.

Sprawność cyklu pracy elektrowni pompowej określają wzory:

sprawność pracy pompowej

sprawność pracy turbinowej

sprawność cyklu

gdzie:

 h_p – sprawność pompy, h_t, - sprawność turbiny, h_r, - sprawność rurociągu wodnego, h_tr, - sprawność transformatora, h_g – sprawność maszyny elektrycznej pracującej jako generator, h_s - sprawności maszyny elektrycznej pracującej jako silnik napędzający pompę.

Uzupełniając podane wartości sprawności następującymi danymi: h_s = h_g, h_p = 0,9, h_r = 0,99, otrzymuje się h_c = 0,7¸0,77, co oznacza, że z 1 kWh "taniej" energii pobranej nocą zostanie "zwrócone" 0,7¸0,77 kWh energii elek­trycznej w godzinach szczytu.

Sprawność, z jaką otrzymuje się energię elektryczną w elektrowni pompowej określa wzór:

gdzie: h_pe - sprawność przesyłu energii zależna od wartości napięcia i mocy przesyłowej; h_ep - sprawność, z jaką wytwarza się energię elektryczną zużywaną do pompowania.

Sprawność elektrowni pompowej jest czynnikiem decydującym o jej dużej opłacalności, dlatego też zwraca się szczególną uwagę na dobór maszyn i urządzeń o największej sprawności.

Pierwsze elektrownie pompowe były wyposażone w układy trójmaszynowe, a nawet czteromaszynowe: turbina - synchroniczna maszyna elektryczna (silnik elektryczny napędzający pompę) - pompa. Pomimo niewątpliwej korzyści, jaką jest duża operatywność układów trójmaszynowych - krótkie czasy przejścia z pracy pompowej do pracy turbinowej (dzięki wykorzystaniu sprzęgła rozłącznego) i odwrotnie, ze względów ekonomicznych zdecydowanie zostały wyparte przez dwumaszynowe turbozespoły odwracalne (rewersyjne) - pompoturbiny . Koszty inwestycyjne elektrowni z pompoturbinami są o 10¸15% mniejsze niż z zespołami trójmaszynowymi.

Hydrozespoły elektrowni pompowych są załączane do pracy do kilkuna­stu razy w ciągu doby. Dlatego występuje konieczność ich częstego rozruchu (zarówno do pracy pompowej, jak i turbinowej) oraz hamowania - przy odstawianiu i przy zmianie charakteru pracy, wymagającej w przypadku zespołów odwracalnych zmiany kierunku wirowania. Każdy z dwóch sposobów pracy ze­społu wymaga odmiennego sposobu rozruchu. Rozruch hydrozespołu do pracy generatorowej odbywa się za pomocą normalnego rozruchu turbiny wodnej po­przez podanie wody na łopatki wirnika. Przy rozruchu do pracy pompowej jest wymagane rozpędzenie zespołu do prędkości synchronicznej, przy której generator będzie pracował jako silnik synchroniczny.

Do rozruchu hydrozespołu do pracy pompowej i hamowania elektrycznego są stosowane trzy metody.

1.  Bezpośredni rozruch asynchroniczny polega na bezpośrednim załączeniu maszyny synchronicznej, która ma specjalnie wykonany wirnik (odpowiednia klatka tłumiąca), do sieci i asynchronicznym rozpędzeniu maszyny. Hamowanie w tym układzie polega na zwarciu stojana rezystorem przy jednoczesnym wzbudzaniu wirnika. Z uwagi na spadki napięcia podczas rozruchu, metoda ta jest stosowana do mocy 25 MW. Sposób ten zastosowano w elektrowni Solina na Sanie do rozruchu członu pompowego.
 

2. Rozruch następuje za pomocą dodatkowego silnika indukcyjnego pierścieniowego o mocy 5¸10% PN generatora, nadbudowanego na wale hydrozespołu. Silnik ma o jedną parę biegunów mniej od hydrogeneratora i poprzez zmianę prądu za pomocą rezystora wodnego (elektrolit) włączanego w obwód wirnika silnika rozruchowego, rozpędza się w sposób płynny hydrozespół
do prędkości synchronicznej. Silnik rozruchowy jest wykorzystywany również do elektrycznego hamowania turbozespołu. Polega ono na zasilaniu dwóch faz stojana silnika rozruchowego (odłączonego od napięcia przemiennego) stałym napięciem z prostownika. Energia kinetyczna wirującego hydrozespołu jest tracona w rezystorze wodnym jako energia cieplna, w wyniku czego następuje hamowanie zespołu. Sposób ten jest stosowany w elektrowniach Porąbka-Żar i Żarnowiec.
3.Rozruch synchroniczny częstotliwościowy polega na zasilaniu maszyny synchronicznej napięciem o płynnie zwiększanej częstotliwości od zera do wartości znamionowej. Jako źródło napięcia o regulowanej częstotliwości stosuje się obecnie statyczną tyrystorową przetwornicę częstotliwości (prostownik - falownik). W procesie hamowania następuje odwrócenie funkcji prostownika i falownika. Sposób ten będzie stosowany m.in. w elektrowni Młoty. Częstotliwościowe układy rozruchu zużywają mniejszą ilość energii podczas rozruchu (brak rezystora rozruchowego), a podczas hamowania zwracają energię do sieci.


Zmiana sposobu pracy z pompowej na turbinową przebiega stosunkowo szybko dzięki wykorzystaniu rewersu maszyny. Przymykając łopatki kierownicze do 10 25% otwarcia, następuje wyłączenie generatora z sieci. Pod wpływem parcia słupa wody na łopatki wirnika, hydrozespół zmniejsza prędkość obrotową do zera, a następnie zaczyna wirować w przeciwnym kierunku, odpowiadającym pracy turbinowej. Przejście z pracy pompowej do turbinowej może odbywać się bez lub z zatrzymywaniem zespołu. W przypadku pierwszym czas przejścia jest dużo krótszy, ale zespół ma trudniejsze warunki pracy. Najdłuższym procesem jest przejście z pracy turbinowej do pompowej, gdyż wiąże się to z koniecznością odciążenia i zatrzymania turbozespołu, a następnie uruchomienie go do pracy pompowej. Przymknięcie łopatek kierowniczych powoduje zmniejszenie obciążenia i następnie wyłączenie generatora z sieci i całkowite zamknięcie kierownic i zaworu odcinającego. Wirnik obracając się w wodzie jest intensywnie hamowany, po czym następuje hamowanie elektryczne jedną z wyżej opisanych metod. Całkowite zatrzymanie hydrozespołu odbywa się metodą mechaniczną (hamulec 14 na rys. 3). Po zatrzymaniu zespołu następuje obniżenie poziomu wody w komorze wirnika pompoturbiny za pomocą sprężonego powietrza, celem zmniejszenia mocy rozruchowej. Następnie rozpoczyna się rozruch hydrozespołu jedną z wyżej opisanych metod.
 

Rys. 4 Przekrój poprzeczny budynku elektrowni pompowej Żarnowiec

1 – hala maszyn; 2 – generator; 3 – silnik rozruchowy; 4 – pompoturbina; 5 – zamknięcie motylowe; 6 – pomieszczenie urządzeń kompensacyjnych; 7 – rurociągi ciśnieniowe; 8 – wentylatornia nawiewu; 9 – rozdzielnia; 10 – pomieszczenie kablowe; 11 – stanowiska transformatorów; 12 – stanowiska odgromników; 13 – wyloty rur ssących; 14 – kanał odpływowy; 15 – sprężarki

Na rysunku przedstawiono przekrój budynku elektrowni pompowej Żarnowiec (4´170 MW). Elektrownia ma sztuczny zbiornik górny zbudowany na płaskowyżu położonym w bezpośrednim sąsiedztwie jeziora z naturalnym cie­kiem wody, stanowiącym zbiornik dolny elektrowni. Poziom wody w jeziorze podnosi się i opada o 1 m. Derywacja jest wykonana napowietrznymi rurociągami ciśnieniowymi stalowymi o średnicy przekraczającej 7 m i długości 1140 m.

strona główna | kolektory słoneczne | pompy ciepła | ogniwa słoneczne | energia wiatru | energia biomasy | elektrownie wodne sklep ekologiczny | ciekawostki | formy finansowania | linki | bibliografia Wszelkie uwagi odnośnie funkcjonowania serwisu prosimy kierować pod adres [ seboo@konto.pl ] © Copyright 2000 - 2002 www.kolektory.eu - Gawlas Sebastian tel. 698 90 70 50