PROGETTO DI RIQUALIFICAZIONE IMPIANTO IDROELETTRICO CHIOMONTE - SUSA

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1 PROGETTO DI RIQUALIFICAZIONE IMPIANTO IDROELETTRICO CHIOMONTE - SUSA a cura di: Titolo: RELAZIONE TECNICA E DI DIMENSIONAMENTO DELLE MACCHINE IDRAULICHE Revisioni: N Descrizione Data 0 EMISSIONE PER VERIFICA ASSOGGETTABILITÀ V.I.A. APRILE 2012 Numero Elaborato: Tipologia Commessa Documento Numero Scala PD AT A Diritti riservati ex art c.c. - Riproduzione e consegna a terzi solo su specifica autorizzazione di IREN ENERGIA s.p.a.

2 Disegno di assieme Assembly drawing Progetto Anno Project Year Chiomonte-Susa 2007 Numero d ordine Client Order No. Numero di commessa Internal Order No. Impianto di Chiomonte-Susa DIMENSIONAMENTO GRUPPI IDROELETTRICI Rev. Data Date Descrizione Description Redatto Drawn Controllato Checked Prima emissione / First emission P. Riva A. Bramati Seconda emissione / Second emission P. Riva A. Bramati Tutti i diritti riservati. Vietato riprodurre o diffondere senza permesso. All rights reserved. Do not copy or spread without permission. N. 4B TH2656 TECHYDRO S.r.l. I VIMERCATE I T A L Y NOTA TECNICA Pagina / Pagine Page / Pages 1 / 10

3 IMPIANTO DI CHIOMONTE-SUSA DIMENSIONAMENTO DELLE TURBINE IDRAULICHE PREMESSA L avvenuta analisi del documento Techydro n. 4B TH2416 Dimensionamento preliminare della turbina di Chiomonte-Susa, ha costituito la base iniziale di discussione per la scelta dei nuovi gruppi idroelettrici. La proposta di due turbine Francis gemelle illustrata nel documento di cui dianzi ha aperto la strada allo studio di approfondimento attuale, oggetto di questo documento. Allo scopo di poter meglio sfruttare le portate annue disponibili è qui considerata la soluzione con due turbine Francis di taglia tra loro differente. I dati di riferimento rimangono, come nel precedente documento di dimensionamento, gli elaborati della Società di Ingegneria R&C Engineering S.r.l. di Torino per la riqualificazione degli impianti di Salbertrand-Chiomonte e di Chiomonte-Susa, in Val di Susa. Sulla base di tali informazioni si ridefiniscono nel seguito le caratteristiche tecniche delle nuove unità. IMPIANTO DI CHIOMONTE-SUSA 2/10

4 ASPETTI TECNICI Tipologia di Macchina: N. 2 turbine Francis ad asse orizzontale di differente taglia Dagli elaborati R&C - in particolare dal N. 210Q-S06-PFE-60-3 Relazione tecnico economica inerente l analisi di producibilità dell impianto di Chiomonte Susa - si riporta in estratto la figura 10. Q 2m = 0.3 m 3 /s Q 1m = 1.4 m 3 /s N. 210Q-S06-PFE-60-3 (Fig. 10) Al fine di sfruttare al meglio la curva delle portate disponibili si considera la soluzione con due turbine Francis, di taglia differente, concepite per operare sia singolarmente sia in parallelo, per coprire il campo di portate da 0.3 m 3 /s a 5.6 m 3 /s circa. Nella curva di durata delle portate (fig. 10) sono stati riportati i singoli limiti inferiori di funzionamento per le due turbine introdotte nel seguito. Si ipotizzano N. 2 turbine Francis ad asse orizzontale, aventi caratteristiche: Turbina piccola (1): Diametro ruota (Dr) = 0.75 m Salto netto (H) = 123 m Portata (Q) = 1.4 m 3 /s Vel. rotazione (n) = 750 r.p.m. Potenza idraul. (P) = 1520 kw (η=0.9) Turbina grande (2): Diametro ruota (Dr) = 1.20 m Salto netto (H) = 123 m Portata (Q) = 4.4 m 3 /s Vel. rotazione (n) = 600 r.p.m. Potenza idraul. (P) = 4780 kw (η=0.9) Considerazioni sulla cavitazione IMPIANTO DI CHIOMONTE-SUSA 3/10

5 Al fine di non incorrere in fenomeni di cavitazione è di grande importanza, in questa tipologia di progetto, stabilire l altezza massima di aspirazione h asp.lim. L altezza di aspirazione è definita dall espressione: h asp = σ H in cui 9.75: σ: H: valore dell altezza barometrica (m) coefficiente adimensionale sperimentale, detto di Thoma; dipende dal profilo idraulico ed è variabile in funzione della portata salto netto (m) Il valore h asp.lim rappresenta il massimo limite superiore possibile di innalzamento della turbina, rispetto al livello di valle, tale che si possa operare senza rischio di cavitazione. Esso dipende dal valore σ lim, massimo oltre il quale si sperimenta la cavitazione per i profili. Il valore σ lim è legato a un limite superiore di portata a esso corrispondente. Il calcolo di tale altezza limite è stato presentato nel documento n. 4B TH2416 per un valore di σ lim pari a 0.04, dedotto su base statistica per questa tipologia di turbine. h asp.lim = = 4.83 m Al momento di questo studio, non è nota la legge di variazione del livello di valle in funzione della portata turbinata. A causa di ciò l analisi tecnica del funzionamento di impianto può essere condotta dal solo punto di vista qualitativo. Sono peraltro esposti aspetti quantitativi a conforto delle scelte, valutati però sulla base delle seguenti ipotesi, da verificare: larghezza della luce di efflusso della camera di scarico: 5.2 m velocità media di efflusso: 1.5 m/s I piazzamenti in quota delle turbine, rispetto al livello di valle e in condizione di macchine ferme, previsti in questo studio sono: h asp = 4.68 m per la turbina piccola; h asp = 5.22 m per la turbina grande. Con l esistente architettura di impianto non è possibile ridurre ulteriormente tali valori in modo significativo senza compromettere la funzionalità delle strutture civili. IMPIANTO DI CHIOMONTE-SUSA 4/10

6 Modalità di funzionamento di impianto Durante il funzionamento delle unità il livello di valle si eleva, riducendo l altezza effettiva di aspirazione e garantendo un funzionamento ancor più distante da potenziali rischi di cavitazione. La turbina piccola ha un valore di portata limite superiore di 1.4 m 3 /s, oltre il quale la turbina si troverebbe in prossimità del superamento del valore σ lim. In tali condizioni limite il livello di valle, calcolato con le ipotesi esposte in precedenza, è salito di circa 0.20 m. Il valore h asp per la turbina piccola raggiunge 4.48 m ( ), assai prossimo a h asp.lim, ed è conveniente non turbinare oltre con questa macchina. Per portate superiori a 1.4 m 3 /s la turbina piccola è allora arrestata e avviata invece la turbina grande, che inizia a operare in condizioni di σ migliori. La turbina grande ha un valore di portata limite superiore di 4.4 m 3 /s, oltre il quale anch essa si troverebbe a superare il valore σ lim. Nelle raggiunte condizioni limite il livello di valle, calcolato con le ipotesi esposte in precedenza, è salito di circa ulteriori 0.36 m. Il valore h asp per la turbina grande raggiunge 4.66 m ( ), assai prossimo a h asp.lim, ed è conveniente non turbinare oltre anche con questa macchina da sola. Quindi, per sfruttare in sicurezza anche la quotaparte di portata eccedente i 4.4 m 3 /s, si rimette parallelamente in funzione la turbina piccola che si trova, a questo punto, in più vantaggiose condizioni di livello di valle e permette di utilizzare la portata fino al valore di m 3 /s. -:-:-:- Si sottolinea la necessità di una doverosa verifica di quanto esposto alla luce della conoscenza di: - corretta legge di variazione del livello di valle; - caratteristiche idrauliche di cavitazione dei profili. Lo studio ora esposto ha valore di inquadramento delle turbine utilizzabili, ma non può essere inteso come definitivo sull argomento IMPIANTO DI CHIOMONTE-SUSA 5/10

7 Diagramma operativo Il modo di operare dei gruppi prima esposto è presentato, in funzione della portata, nel diagramma nel seguito. (1) (2) (2)+(1) Turbine Francis: Diagramma di funzionamento Portata(Q) Rendimento(eta) Il diagramma riporta, in linea continua, le curve di rendimento stimate per le due turbine prospettate. Le frecce indicano l estensione dei campi di funzionamento. Sono rappresentate le fasi di funzionamento: - (1) con la sola macchina piccola - (2) con la sola macchina grande - (2)+(1) con entrambe le macchine Inoltre, in linea tratteggiata, sono riportate a titolo informativo altre due curve (indicate con 1* e 2*) relative ad altre turbine esaminate, simili ma di taglia leggermente superiore, studiate inizialmente per coprire l intero campo di portate. La soluzione non è stata ulteriormente sviluppata per l incapacità riscontrata di turbinare vantaggiosamente le portate ridotte che si riscontrano per lunghi periodi durante l anno. Lo sfruttamento delle portate turbinabili con la soluzione proposta copre l intera durata dell anno, nella condizione di disporre di una portata minima continua di almeno 0.3 m 3 /s. IMPIANTO DI CHIOMONTE-SUSA 6/10

8 Dimensionamento degli scaricatori sincroni Anche se la condotta forzata di Susa, per quanto a ns. conoscenza, è stata rinnovata, e non potendo per ora analizzare a fondo le caratteristiche della condotta esistente, è preferibile prevedere il mantenimento dello scaricatore sincrono in questa fase del lavoro progettuale. Considerando di smaltire, in prima approssimazione, tutta la portata turbinata (1.4 m 3 /s e 4.4 m 3 /s) e considerando un salto effettivo a cavallo del sincrono di circa 98 m (salto netto di 123 m depurato del 20%) si ottengono, per le due macchine i seguenti diametri: Q 1.4 D (1) = = = 0.35 m, per la turbina piccola; Q H Q 4.4 D (2) = = = 0.61 m, per la turbina grande; Q H in cui Q 11 è il coefficiente caratteristico di portata per questo tipo di sincroni. Il valore è dedotto dall esperienza progettuale RIVA. IMPIANTO DI CHIOMONTE-SUSA 7/10

9 ASPETTI ECONOMICI La stima dei costi è stata condotta considerando il seguente elenco di componenti ed attività. N. 1 Turbina Francis da 4.4 m 3 /s, n=600 r.p.m. Compreso: Turbina ad asse orizzontale da 4,8 MW Alternatore da 5,4 MVA (sistema di eccitazione compreso) Valvola rotativa di guardia turbina DN 1100 Centralina oleodinamica Regolatore di velocità Sistema di raffreddamento e lubrificazione Scaricatore sincrono DN 610 Installazione e messa in servizio Escluso: Opere civili Modifiche alle tubazioni di adduzione (collettore condotta forzata) Totale costi: N. 1 Turbine Francis da 1.4 m 3 /s, n=750 r.p.m. Compreso: Turbina ad asse orizzontale da 1,5 MW Alternatore da 1,7 MVA (sistema di eccitazione compreso) Valvola rotativa di guardia turbina DN 700 Centralina oleodinamica Regolatore di velocità Sistema di raffreddamento e lubrificazione Scaricatore sincrono DN 350 Installazione e messa in servizio Escluso: Opere civili Modifiche alle tubazioni di adduzione (collettore condotta forzata) Totale costi: IMPIANTO DI CHIOMONTE-SUSA 8/10

10 CONCLUSIONI Si può concludere che la soluzione scelta delle 2 macchine differenti ad asse orizzontale (turbina piccola 1,4 m 3 /s turbina grande 4,4 m 3 /s), rappresenta il miglior compromesso per quanto riguarda lo sfruttamento della risorsa idrica disponibile in funzione della flessibilità di esercizio dell impianto. La manutenzione dei gruppi, inoltre, risulta indubbiamente favorita da questa architettura. IMPIANTO DI CHIOMONTE-SUSA 9/10

11 ALLEGATI Assieme Centrale 6P TH2653 (N. 2 tavole) IMPIANTO DI CHIOMONTE-SUSA 10/10

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