Zdravko Giljen, EPCG Direkcija Nikšić, Crna Gora

1. ANALIZA HIDROMEHANIČKIH PRELAZNIH REŽIMA NA HE „PIVA“ ZA SLUČAJ BRZOG ZAUSTAVLJANJA FRANCISOVOG AGREGATA Zdravko Giljen, EPCG Direkcija Nikšić, Crna Gora Uroš Karadžić, Mašinski fakultet Podgorica, Crna Gora Crnogorski Komitet CIGRE – III Savjetovanje, 13 - 16 Maj, 2013 Pržno, Crna Gora

2. Sadržaj • Uvod • Opis postrojenja HE „Piva“ • Analitičko i numeričko modeliranje elemenata protočnog trakta • HE „Piva“ • Poređenje numeričkih rezultata i vrijednosti dobijenih mjerenjima za brzo zatvaranja agregate A3 sa početne snage P = 112.7 MW • Zaključak

3. Uvod • Razvijeni numerički modeli TM i EM za simulaciju hidromehaničkih prelaznih režima na HE „Piva“ • Urađenaverifikacija numeričkih modela TM i EM poređenjem sa rezultatima mjerenja dobijenim na samoj elektrani • Metoda karakteristika (MOC) korišćena za numeričko rješavanje parcijalnih diferencijalnih jednačina prelaznih procesa • Modeliranju Francisove turbine i njenom ponašanju u prelaznim režimima dat je poseban akcenat • Prva mjerenja i istraživanja nestacionarnih pojava na HE „Piva“ izvršena su u 2009 godini • Hidraulički udar je sinonim za nestacionarno strujanje u protočnom traktu hidrauličkog sistema • Sigurnost elektrane zavisi od pravilnog praćenja i modeliranja prelaznih radnih režima i pridaje im se poseban značaj • Tokom istraživanja hidromehaničkih prelaznih režima dobijaju se rezultati koji su osnova za projektovanje protočnog trakta hidroelektrana

4. Opis postrojenja HE „Piva“ • HE „Piva“ je vršna elektrana i nalazi u sklopu elektroenergetskog sistema Crne Gore • Hidroelektrana je u pogonu od 1976. godine i akumulaciono pribransko postrojenje sa relativno kratkim dovodnim cjevovodom i mašinskom zgradom koja se nalazi nizvodno od brane u lijevom boku kanjona • U 2009 godini su izvršena obimna ispitivanja i mjerenja odgovarajućih fizičkih veličina na postrojenju hidroelektrane • U ovom radu su prikazani rezultati numeričkih modela koji su razvijeni za prelazne procese i izvršeno je poređenje sa eksperimentalnim rezultatima dobijenim na realnom hidropostrojenju HE „Piva“ • Protočni trakt HE „Piva“ : • ulazna građevina sa ulazni brzim tablastim zatvaračem • tri dovodna cjevovoda čiji se prečnik mijenja od 5.0 m na ulazu do 3.4 m ispred turbine

5. tri predturbinska leptirasta zatvarača • tri vertikalne Francisove turbine • tri sifona u odvodnom sistemu • zajednički donji vodostan • odvodni tunel od donjeg vodostana do izlazne vade • Tehničke karakteristike HE „Piva“: • ukupna zapremina akumulacije Vbr = 880 x 106 m3 • lučna brana konstruktivne visine HRb = 220 m i hidrauličke visine Hh = 190 m. • instalisani protok Qi = 3 x 80 m3/s • kota normalnog uspora akumulacije 675.0 mnm • najveći bruto pad 185.5 m • srednjagodišnjaproizvodnja 860 GWh od toga vršneenergije 795 GWh • godišnjibrojpogonskihčasovasamaksimalnomsnagom 2380 h

6. tri Francis spiralne turbine sa vertikalnom osovinom instalisane snage 3 x 120 MW • tri trofazna sinhrona generatora sa vertikalnom osovinom 120 MVA Cos φ = 0.95 • tri trofazna transformatora 120 MVA 16/245 kV Brana HE - Piva

7. Analitičkoinumeričkomodeliranjeelemenataprotočnogtrakta HE „Piva“ • Za adekvatan opis prelazniprocesikoji se dešavaju u protočnomtraktu HE „Piva“ potrebno je uraditianalitičko i numeričkomodelira- nje svihelemenataprotočnogtrakta HE „Piva“ • U ovomraduprikazanisurezultatikojisudobijeniizrazvijenognumeričkogmodelazaopisivanjeprelaznihprocesa u protočnomtraktu HE „Piva“ agregata A3 saposebnimosvrtomna Francis turbinukoja je sastavnidioovogsistema • Rezultati mjerenja koja su vršena na agregatu A3 HE „Piva“ su iskorišćeni u prvom načinu modeliranja. Za određivanje nepoznate trenutne vrijednosti protoka kroz sprovodni aparat Q =ƒ(t) a zatim i pritiska u cjevovodu iskorišćene su dobijene zavisnosti YV =ƒ(t), aV =ƒ(YV), Q =ƒ(aV). Ova metoda je označena kao empirijska (EM) • Drugi način modeliranja Francis turbine koji je razvijen u potpunosti uvažava njene karakteristike koje su izražene preko školjkastog dijagrama. Ova metoda je označena kao teorijska (TM).

8. Na rezultatimamjerenjakojasuvršenanaagregatu A3 HE „Piva“ zasnovana je Empirijskametoda – EM • Na konceptupotpunogmodela Francis turbine zasnovana je teorijskametoda – TM, pričemunavedenikonceptuključujedinamičkujednačinu Francis turbine kao i očitavanje i preračunavanjevrijednostikarakteristika turbine saškoljkastogdijagramamodela Francis turbine zarazličitepoložajeotvorenostilopaticasprovodnogaparata. • U oba razvijena numerička modela zatvaranje lopatica sprovodnog aparata Francis turbine modelirano je kao dvostepeno Rastojanje između dvije lopatice sprovodnog aparata (av)

9. Poređenje numeričkih rezultata i vrijednosti dobijenih mjerenjima za brzo zatvaranje agregata A3 sa početne snage P = 112.7 MW Brzo zatvaranje agregata A3 sa početne snage P = 112.7 MW Promjena pritiska na ulazu u spiralno kućište Francis turbine tokom brzog zatvaranja agregata A3 sa snage P = 112.7 MW prikazane vrijednosti dobijene mjerenjem i numeričkim modelima

10. Brzo zatvaranje agregata A3 sa početne snage P = 112.7 MW Promjena broja obrtaja Francis turbine tokom brzog zatvaranjaagregata A3 sa početne snage P = 112.7 MW,na prvom dijagramu je prikazana izmjerena promjena broja obrtaja na drugom dijagramu je prikazana promjena broja obrtaja koja je dobijena numeričkim modelom TM

11. Brzo zatvaranje agregata A3 sa početne snage P = 112.7 MW Promjena protoka kroz Francis turbinu tokom brzog zatvaranja agregata A3 sa snage P = 112.7 MW, prikazane vrijednosti dobijene numeričkim modelima TM i EM

12. Brzo zatvaranje agregata A3 sa početne snage P = 112.7 MW Promjena položaja klipnjače servomotora lopatica sprovodnog aparata tokombrzog zatvaranja agregata A3 sa snage P = 112.7 MW, na dijagramima je prikazano poređenje vrijednosti dobijenih mjerenjem i numeričkim modelima TM i EM

13. Brzo zatvaranje agregata A3 sa početne snage P = 112.7 MW Profil cjevovoda agregata A3, maksimalni pritisak duž profila cjevovoda, minimalni pritisak duž profila cjevovoda tokom brzog zatvaranja agregata A3 sasnage P = 112.7 MW, prikazane vrijednosti pritiska dobijene numeričkim modelima

14. Zaključak • U ovom radu analizirani su hidromehanički prelazni režimi u hidrauličkim sistemima pod pritiskom sa posebnim osvrtom na hidrosisteme sa Francisovim turbinama • Naveden je kratak osvrt na analitički i numerički model prelaznih procesa u hidrauličkim sistemima • U radu su kratko opisana dva numerička modela sa kojima je izvršeno modeliranje Francis turbine: numerički model EM i numerički model TM • Svi rezultati pokazuju da su vrijednosti maksimalnog i minimalnog pritiska u sistemu ostale u dozvoljenim granicama za ispitanu snagu agregata A3 od 112,7 MV • Maksimalna vrijednost pritiska koja je nastala u sistemu tokom brzog zatvaranja agregata A3 sa snage od 112,7 MW ima manju vrijednost od vrijednosti maksimalno dozvoljenog pritiska u sistemu koji iznosi Hdoz = 740.5 mnm

15. Tokombrzogzatvaranjaagregata A3 vrijednostiminimalnogpritiska u sistemu, zarazmatranislučaj bile supozitivne, i navedenoznači da opasnost od pojavekavitacijenijepostojala • Uslijedbrzogzatvaranjaagregata A3 sasnage od 112,7 MW porastbrojaobrtaja turbine je bio u dozvoljenimgranicamaodnosnomanji od maksimalnodozvoljenogporastabrojaobrtaja od 37 % • Međusobnim poređenjem rezultata dobijenih numeričkim modelima EM i TM, dolazi se do zaključka da su bolji rezultati postignuti modelom TM • Nedostatakkodempirijskemetode je što se ne uzima u obzirdinamičkajednačina turbine i parametrisaškoljkastogdijagramamodela turbine većsamozakonzatvaranjalopaticasprovodnogaparatadobijenmjerenjima • Generalnizaključak je da surazvijenadvanumeričkamodela EM i TM sakojima se možeuspješnosimuliratiprelazniproces u hidrauličkimsistemimasaFrancisovimturbinama

16. Hvala na pažnji !!!