UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI CASSINO E DEL LAZIO MERIDIONALE. Centrali idroelettriche

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1 UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI CASSINO E DEL LAZIO MERIDIONALE Centrali idroelettriche

2 La ruota idraulica La ruota idraulica, utilizzata già da Cinesi ed Egiziani, è la più antica macchina ideata dall'uomo per convertire l'energia disponibile in natura. E' lenta, adatta a salti modesti e piccole portate ed è molto ingombrante rispetto alla potenza che fornisce (fino a qualche decina di kw). Per contro è facilmente gestibile e riparabile ed è idonea all'impiego con acqua di scarsa purezza.

3 Le turbine idrauliche Le moderne macchine motrici idrauliche sono basate sui principi della fluidodinamica ed il loro studio non differisce da quello delle turbine a gas o a vapore. E' però più semplice poiché il volume specifico del fluido è praticamente costante, al pari della sua temperatura. Inoltre non si verifica mai la presenza di fasi diverse. Mentre nelle turbomacchine motrici termiche l'energia da convertire è sotto forma di energia di pressione, nel caso delle turbomacchine motrici idrauliche si parte da energia potenziale gravitazionale. Ne segue che il grado di reazione è definito in base alla quantità di tale energia che è convertita in energia cinetica all'interno dello statore: c12 g H 2 R= g H Dal punto di vista costruttivo materiali meno costosi. Infine le registrano nelle turbine a gas ed sollecitazioni dei materiali, tanto l'assenza di sollecitazioni termiche permette l'impiego di velocità del fluido sono di gran lunga inferiori a quelle che si a vapore e, quindi, lo sono anche le velocità periferiche e le che non c'è la necessità di realizzare macchine pluristadio.

4 Tipi di turbine idrauliche La potenza ottenibile da un impianto è proporzionale alla portata ed al salto: in base a tali parametri caratteristici di esercizio le turbine idrauliche vengono classificate in tre classi: Pelton (macchina a flusso tangenziale) salti geodetici elevati (fino a 2000 m), portate basse Francis (macchina a flusso radiale) salti geodetici medi (fino a qualche centinaio di metri), portate medie A elica e Kaplan (macchine a flusso assiale) salti geodetici bassi (fino a qualche decina di metri), portate elevate

5 Il numero di giri specifico La progettazione delle turbine idrauliche si avvale spesso di prove di laboratorio condotte su modelli in scala ridotta e ciò è possibile grazie alla teoria della similitudine che stabilisce due macchine di dimensioni diverse presentano lo stesso comportamento se hanno lo stesso numero di giri specifico: 1 2 ns =3,65 n Q H Il numero di giri specifico caratterizza i vari tipi di turbina e quindi costituisce un buon criterio di scelta del tipo di macchina più idoneo per un determinato impianto. In base a ns una macchina idraulica è definita lenta, veloce o velocissima. Pelton Francis A elica 3 4 Tipo di turbina Pelton a 1 getto Pelton a 2 getti Pelton a più getti Francis lente Francis medie Francis veloci Francis ultraveloci A elica e Kaplan ns R ,3 0,4 0,5 0,6 0,7

6 La turbina Pelton La turbina Pelton è una macchina a flusso tangenziale costituita da una girante aperta parzialmente investita da uno o più getti d'acqua provenienti da uno o più distributori (ugelli Doble) che ne permettono la regolazione per mezzo della variazione della portata con un getto regolare e compatto. La disposizione della turbina Pelton può essere sia ad asse verticale che ad asse orizzontale. La potenza può arrivare ad oltre 100 MW. Otturatore Q= A c 1

7 La forma della pala ed il triangolo delle velocità La pala ha una forma caratteristica a doppio cucchiaio, con uno spigolo tagliente centrale che ha il compito di dividere il getto. La turbina Pelton è una macchina tangenziale ad azione e pertanto u= w=0. Il lavoro meccanico è dato dalla riduzione di energia cinetica tra ingresso ed uscita ed il rendimento della macchina vale: 2 2 c 1 c 2 l= 2 = c12 c 22 c 21 Nel caso ideale non ci sono attriti ed il rendimento massimo si ha quando la velocità di trascinamento è metà della velocità assoluta di ingresso del fluido e la velocità assoluta di uscita è nulla. Nel caso reale ciò non è possibile e si ha: u =0,44 0,48 c1 c 1 = 2 g H

8 Parametri della turbina Pelton diametro della girante D >8 d ( solitamente 12 18) diametro dell'ugello numero di coppie polari 2 u 2 u p D= ω = f 60 f n= p frequenza d =2 Q z π c 1 portata della turbina numero di ugelli (1-8)

9 La turbina Francis La turbina Francis è una macchina radiale (centripeta) a reazione. La disposizione può essere sia ad asse verticale che ad asse orizzontale. Per permettere l'uscita del fluido dalla macchina lo scarico radiale deve essere deviato in direzione assiale ed, al fine di non generare perdite di carico elevate, occorre evitare una deviazione troppo brusca del fluido dopo l'uscita dalla girante. Pertanto, parte della deviazione viene generalmente già compiuta all'interno della girante con la conseguenza che lo scarico della girante non sarà perfettamente radiale. anello di Fink chiocciola pala statorica pala rotorica

10 Il triangolo delle velocità c 1 = 2 g H (1 R) u =0,45 0,90 c1 Con riferimento alla schematizzazione tradizionale della macchina radiale su un piano ortogonale all'asse, il massimo rendimento si verifica quando lo scarico è perfettamente radiale. La componente assiale, comunque, non interessa u2: il triangolo delle velocità rappresentato è, quindi, la proiezione sul piano ortogonale all'asse della macchina del triangolo delle velocità. Pertanto il massimo rendimento si verifica quando la componente tangenziale dello scarico è nulla.

11 La regolazione della turbina Francis La regolazione della macchina avviene attraverso la regolazione della portata ad opera del distributore, le cui pale possono orientarsi simultaneamente (mediante l'anello di Fink) in modo da restringere le luci di passaggio. La disposizione della turbina può orizzontale che ad asse verticale. essere sia ad asse All'aumentare del numero di giri specifico il flusso tende a trasformarsi da radiale centripeto ad assiale. Sono utilizzate per salti geodetici variabili da qualche decina di metri fino a m, con portate anche molto elevate ( m3/s) e potenze di centinaia di MW.

12 La turbina ad elica La turbina ad elica è una macchina assiale a reazione. Nel distributore il flusso è comunque radiale centripeto e viene poi deviato di 90 prima dell'ingresso nella girante che è caratterizzata da un numero limitato (3-8) di pale di grandi dimensioni e profilo quasi piatto. E adatta per salti geodetici modesti (5-40 m) e portate elevatissime, fino a 500 m3/s, e potenze fino a 500 MW.

13 La turbina Kaplan Il rendimento di una turbina idraulica a reazione varia molto con la portata. La turbina Kaplan è un'evoluzione della turbina a elica che permette la variazione del passo anche per le pale rotoriche. Questa soluzione permette così di minimizzare le perdite al variare della potenza e, sostanzialmente, di mantenere invariato il rendimento su un grande intervallo di portate.

14 Il tubo diffusore Più basso è il salto geodetico, più è alta l'incidenza della perdita allo scarico. Per questo motivo si aggiunge alla turbina un tubo conico, chiamato diffusore, che ha la funzione di rallentare il fluido uscente creando così una depressione all'uscita della macchina. L'equazione di Bernoulli tra ingresso ed uscita del diffusore è: 2 2 h2 ha p2 c 2 p 3 c3 =h3 g 2g g 2g p3 p p = a +h s= a +h2 h3 ha ρ g ρ g ρ g h2 c 22 c 23 p 2= pa ρ g h a + ξ 2g ( ) hs z=0 La depressione incrementa il salto motore utile, ma può h3 causare l'insorgere del fenomeno di cavitazione, per cui: 2 2 p p 2min c 2 c 3 p 2 pvap + paria ha a +ξ ρ g 2g

15 L'energia potenziale idraulica Altezza geodetica Hg Hg Hg Hs Quota in metri del pelo libero dell acqua nel bacino di carico rispetto alla quota di riferimento, generalmente rappresentata dal livello del mare. Altezza geodetica di scarico Hs Quota in metri del pelo libero dell acqua nel bacino di scarico rispetto alla quota di riferimento. Salto geodetico Hg Dislivello tra il bacino di carico e quello di scarico: H g= H g H s Potenza teoricamente disponibile (Pg) Potenza che si potrebbe ottenere in assenza di perdite dalla portata Q v utilizzante tutto il salto geodetico Hg: P g = g Q v H g

16 Definizioni Il bacino imbrifero (o idrografico) di un corso d'acqua è il territorio che vi convoglia le acque superficiali. La linea dello spartiacque è la linea ideale che congiunge le cime dei monti che separano due bacini idrografici. Il bacino idrografico di un impianto idroelettrico è la parte del bacino idrografico del corso d'acqua che si trova a monte delle opere di presa. L'afflusso meteorico è la quantità d'acqua che cade in un anno sul bacino idrografico. Una parte di questa acqua evapora, un'altra parte è trattenuta dalla vegetazione ed un'altra ancora si infiltra direttamente nel sottosuolo. La parte residua arriva alla foce ed è denominata deflusso superficiale. Il rapporto tra deflusso superficiale ed afflusso meteorico è detto coefficiente di deflusso. Il deflusso minimo vitale è la portata minima che si deve garantire quando si costruisce un impianto idroelettrico ed è stabilita per legge nella misura di 2 l/s per km 2 di superficie del bacino idrografico dell'impianto stesso.

17 Collocazione ideale delle opere di presa

18 Variabilità della portata

19 Classificazione degli impianti Ad acqua fluente Sono impianti che non dispongono di alcuna capacità di regolazione degli efflussi, per cui la portata sfruttata coincide con quella disponibile nel corso d acqua (a meno di una quota pari al deflusso minimo vitale necessario per salvaguardare l ecosistema). A serbatoio e a bacino Sono impianti provvisti di una capacità d invaso alla presa del corso d acqua, atta a modificare il regime della portata utilizzata nelle centrali. Se la durata dell invaso è da 2 a 400 ore l impianto è detto a serbatoio, oltre le 400 ore è detto a bacino. Di pompaggio Sono impianti che possono essere riforniti artificialmente durante le ore di bassa richiesta di energia elettrica in modo da permettere l'accumulo dell'energia eccedente.

20 Le grandezze caratteristiche ξc Altezza di scarico Ha Hu Ht Ha Hg E il dislivello espresso in metri tra la quota della sezione di scarico della macchina ed il pelo libero dell acqua del bacino di scarico. Salto motore totale Ht E la differenza di quota in metri tra la quota del pelo libero del bacino di carico e la quota della sezione di scarico della macchina. H t = H g H a La potenza teoricamente ottenibile nell impianto sarebbe quindi: Salto motore utile Hu P t = g Q v H t E il salto motore totale Ht diminuito delle perdite totali di condotta. Se indichiamo con ξ c tali perdite, risulta: H u =H t c

21 Rendimento di condotta Le perdite che si verificano nel funzionamento reale si dividono in: perdite di carico nelle opere di adduzione del fluido alla macchina (ξ c); perdite nella turbina idraulica. Mettendo in conto solamente ξ c si ha la potenza disponibile Pd, cioè quella corrispondente alla portata Qv di fluido ed al salto Hu. P d = g Q v H u La definizione di Pd permette di esprimere il rendimento di condotta: P d H t c c= = Pt Ht Il rendimento di condotta è generalmente molto alto: può facilmente raggiungere valori intorno a 0,97.

22 Perdite nella macchina Le perdite che si verificano nelle macchine sono: Perdite volumetriche, perché non tutta l acqua attraversa utilmente la macchina. Indicando con ΔQv questa portata non utilizzata è possibile quindi definire un rendimento volumetrico, rapporto tra la portata utile e quella complessiva. Il rendimento volumetrico η v raggiunge valori molto prossimi ad 1 (anche superiori a 0,99). Perdite interne, perché sia nella girante, sia nelle parti fisse si verificano delle perdite per attriti, brusche deviazioni del flusso, energia cinetica allo scarico. Se P i è la potenza effettivamente trasferita dal fluido alla macchina, si può definire il rendimento interno come rapporto tra tale potenza e quella disponibile corrispondente alla portata utile. I valori di η i nel caso di macchine ben progettate e costruite, funzionanti in condizioni ottimali e cioè in condizioni di progetto, possono essere assunti intorno a 0,88 0,90. Perdite meccaniche, dovute ad attriti meccanici e attriti tra macchina e fluido in zone non preposte allo scambio di energia. Il corrispondente rendimento η m è quindi il rapporto tra la potenza disponibile all'asse e quella trasferita dal fluido alla macchina.

23 Rendimento di macchina e di impianto Raggruppando i tre rendimenti Q v Q v Q ' v P Q ' v= = = Qv Qv Pd v Pi i= PQ ' v P asse m= Pi si ottiene il rendimento di turbina η t, che è il rapporto tra la potenza all'asse della turbina e la potenza disponibile e vale 0,88 0,90: P asse t= = v i m Pd Infine il rendimento globale di impianto è il rapporto tra la potenza all'asse e la potenza teorica, ossia il prodotto dei rendimenti elencati: g= P asse = c t Pt Tenendo conto dei valori dei vari rendimenti, si ottiene, per l'intero impianto, un rendimento di 0,85 0,87.

24 Opere di sbarramento Dighe Sono dei manufatti destinati ad intercettare un corso d acqua nella località prescelta per la presa; a seconda della dimensione si hanno due tipologie di opere di sbarramento: Dighe Traverse Le dighe sono quelle opere di maggiore altezza che, oltre ad intercettare il corso d acqua, creano un serbatoio utile ai fini della regolazione delle portate. Possono raggiungere un altezza di alcune centinaia di metri. Le dighe si suddividono in: Dighe a gravità massiccia: sono strutture in calcestruzzo a sezione piena, profilo triangolare la cui base e circa 0,7 0,8 volte l altezza. Dighe a gravità alleggerita: sono strutture in calcestruzzo con grandi cavità che alleggeriscono la struttura rispetto a quelle massicce; hanno una base più ampia e presentano il vantaggio di richiedere poco materiale per la costruzione. Dighe in materiali sciolti: sono quelle realizzate in terra.

25 Opere di sbarramento Traverse Le traverse sono opere di modesta altezza che in genere contengono il sopraelevamento del livello d acqua a monte di esse, entro i limiti dell alveo del fiume. Hanno altezze che possono raggiungere al massimo una decina di metri. Possono essere del tipo fisso o mobile a seconda della configurazione dell alveo, delle portate massime, del corso d acqua derivabile e della necessità di evitare, durante le piene, rigurgiti pericolosi ed eccessivi a monte dell opera. Traverse fisse: sono realizzate in muratura o in cemento armato e sono destinate ad essere tracimate dall acqua in caso di piena o di portate superiori a quelle derivabili dall impianto. Per questo sono solitamente sagomate opportunamente per evitare fenomeni erosivi. Traverse mobili: hanno un ponte fisso realizzato in muratura o cemento armato ed una parte mobile (paratoia) solitamente in acciaio.

26 Opere di presa o derivazione Sono quelle opere che consentono di trasportare l acqua dello sbarramento alla centrale. Sono costituite da un manufatto di presa (dotato di griglia e di organi d intercettazione) seguito da un condotto derivatore. Il condotto derivatore può essere a pelo libero dove l acqua è a contatto direttamente con l atmosfera o in pressione. I canali a pelo libero hanno solitamente sezione trapezoidale e possono essere scavati nel terreno o dotati di un rivestimento in calcestruzzo. Le condotte in pressione hanno invece sezioni circolari e sono realizzate mediante tubazioni in acciaio. Al diminuire della quota l'energia potenziale si trasforma, a meno delle perdite, in energia cinetica o in energia di pressione e si definiscono, pertanto, un'altezza cinetica ed un'altezza piezometrica: 2 p p H c= c 2g e H p= atm g

27 Vasca di carico, pozzo piezometrico, condotte forzate Al termine del condotto di derivazione è ubicata una vasca di carico se la derivazione è a pelo libero, oppure un pozzo piezometrico se la condotta di derivazione è in pressione. Hanno la funzione di ridurre gli effetti delle brusche variazioni di portata provocate dalla variazione di potenza delle macchine della centrale, introducendo al termine del condotto di derivazione un serbatoio che possa momentaneamente assorbire l eccedenza di portata o fornirne maggiori in caso di necessità. Tali opere hanno anche la funzione di ridurre gli effetti sulle condotte forzate delle brusche variazioni di carico (colpo d ariete). Le condotte forzate sono tubazioni fortemente inclinate e in lamiera d acciaio a sezione circolare che partono dalla vasca di carico o dal pozzo piezometrico e che adducono acqua alle macchine della centrale. Al termine della condotta forzata è generalmente presente un organo con valvola d intercettazione capace di chiudere a tenuta d acqua il passaggio tra la derivazione esterna della condotta stessa e l imbocco del distributore o di una cassa a spirale oppure di dare libero passaggio all intera portata.

28 I piccoli impianti Esistono in natura una miriade di risorse idrauliche costituite da piccoli salti e piccole portate che, tuttavia, possono offrire un contributo assai interessante. Le macchine vengono classificate nel seguente modo: Microturbine, macchine con potenze fino a 100 kw; Miniturbine, macchine con potenze da 100 kw a 3 MW; Piccole turbine, macchine con potenze da 3 a 12 MW. La tipologia delle turbine è analoga a quella dei grandi impianti, con le macchine assiali per potenze molto modeste (fino a 400 kw), le Francis e le Pelton per quasi tutto l'intervallo di potenze. Fondamentali sono gli aspetti economico e di semplicità. Si ricorre quindi alla produzione standardizzata ed all'impiego di macchinario elettrico ad elevato numero di giri (con necessità di un moltiplicatore interposto tra turbina ed alternatore.

29 Energia dagli acquedotti Spesso l acqua potabile è derivata in quota ed arriverebbe all utente a pressione troppo elevata se l'acquedotto non fosse dotato di valvole dissipatrici. Sarebbe preferibile eliminare queste valvole posizionando una turbina idraulica in prossimità dell utenza recuperando in tal modo l'energia senza necessità di costruire un nuovo impianto e con un impatto ambientale minimo. Centrale ACEA Madonna del Rosario (Roma) Anno 1989 Turbina Francis Q=900 l/s H=44 m P=350 kw

30 Offerta e domanda: necessità dell'accumulo Fonti fossili e fissili (potenza costante) Accumulo Fonti rinnovabili (potenza variabile) Batterie di accumulatori Ultracapacitori Superconduttori Impianti di pompaggio Compressed air energy storage Volani Idrogeno Utenze (potenza variabile)

31 Impianti di pompaggio Per dislivelli superiori a m si utilizzano gruppi ternari pompa centrifuga, turbina Pelton, macchina elettrica reversibile. Per dislivelli inferiori si usa una macchina idraulica reversibile (Francis) accoppiata ad una macchina elettrica reversibile.

32 Rendimento degli impianti di pompaggio

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