Hidro(deutch)

İMO Teknik Dergi, 2014 6925-6941, Yazı426 Nehir Tipi Hidroelektrik Santrallerin Bilgisayar Destekli Ön Tasarımı * Emir ALİMOĞLU* Zafer BOZKUŞ** A. Melih YANMAZ*** ÖZ Nehir tipi hidroelektrik santraller, bir depolama olmaksızın nehirden emniyetli olarak çevrilebilecek akım miktarına göre enerji üretirler. Bu çalışmada nehir tipi santrallerin hidrolik tasarımıiçin geliştirilen MINI-HPD isimli bir bilgisayar programıtanıtılmıştır. C# programlama dilinde yazılan bu program Windows işletim sistemi altında çalışmaktadır. Bu program, yandan su alışlıdolu gövdeli regülatör elemanlarının, iletim kanalının, yükleme havuzunun ve cebri borunun hidrolik tasarımlarınıgerçekleştirmektedir. Program ayrıca optimum işletme debisi, optimum kurulu güç ve optimum cebri boru çapıseçimiyle ilgili hesaplarıda yapabilmektedir. Kullanımıkolay olan bu program vasıtasıyla bir tasarım mühendisinin değişik senaryolar ve ilgili parametrelerin kombinasyonlarıaltında bir dizi analizi hızlıbir şekilde yapabilmesi planlanmıştır. Programın kullanımıbir örnekle sunulmaktadır. Anahtar Kelimeler: Hidroelektrik enerji, nehir tipi santral, bilgisayar destekli tasarım. ABSTRACT Computer Assisted Preliminary Design of Run-Of-River Plants Run-of-river type hydroelectric power plants generate electrical energy by using a certain portion of the available flow in the river. In this study a computer program called MINIHPD is developed to perform the hydraulic design of run-of-river plants. This program, which runs under the Windows operating system, is developed in C# programming language. MINI-HPD is capable of performing hydraulic design of structural components of diversion weir with lateral intake, overflow spillway, canal, forebay and penstock. In addition, it can determine the optimum design discharge, optimum installed capacity, and optimum penstock diameter for this type of plants. It is desired to have quick successive runs under various scenarios and combinations of relevant parameters. An application is presented to illustrate the use of the program. Keywords: Hydroelectrical energy, run-of-river plant, computer aided design. Not: Bu yazı - Yayın Kurulu’na 17.07.2013 günü ulaşmıştır. - 31 Aralık 2014 gününe kadar tartışmaya açıktır. * Orta Doğu Teknik Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Ankara - alimoglu@metu.edu.tr ** Orta Doğu Teknik Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Ankara - bozkus@metu.edu.tr *** Orta Doğu Teknik Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Ankara - myanz@metu.edu.tr Nehir Tipi Hidroelektrik Santrallerin Bilgisayar Destekli Ön Tasarımı 6926 1. GİRİŞ Yenilenebilir ve sürdürülebilir nitelikte olmasınedeniyle hidroelektrik enerji üretimi önemini artırarak sürdürmektedir. Konuya ülkemiz genelinde bakıldığızaman ülkemizdeki dağlık arazinin fazla olmasınedeniyle yüksek düşülerin bulunmasıve bunun yanısıra akış rejiminin düzenli olduğu akarsuların kullanılmasıyla hidroelektrik potansiyelin önemli boyutlarda olduğu görülmektedir. Ülkemiz hidroelektrik potansiyelinin tespiti konusunda Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü ve özel sektör tarafından yapılmışbazıçalışmalar mevcuttur. Son yıllarda nehir tipi santrallere yapılan yatırımlar devlet tarafından teşvik edilip desteklenmektedir. 4628 sayılıkanun kapsamında 1200’ün üstünde lisans dağıtılmış ve bunların 200 kadarıişletmeye alınmışolup, 200 kadarıise inşa halindedir [1]. Hidroelektrik santrallerin tasarımlarıyersel geoteknik koşullar, yapısal ve hidrolik esaslı kısıtlamalar nedeniyle karmaşıktır. Arzu edilen yapısal emniyeti sağlayabilmek adına oluşan koşullara göre hidrolik tasarım değişiklik gösterebilmektedir. Ayrıca her projenin kendi yersel koşullarına özgü çevresel ve sosyo-ekonomik şartlara göre proje elemanlarının tasarımlarında bazıdeğişiklikler olabilir. Tasarım mühendisi bu koşullarıoptimum şartlarda sağlayan çözümü bulmakla yükümlüdür. Bu nedenle, çeşitli seçeneklerin denenmesi tüm elemanlarda sağlanmasıgerekli kısıtlamalar da düşünüldüğünde oldukça zaman alan bir süreçtir. Bu çalışmanın amacı, zaman kaybıfaktörünü azaltacak şekilde hesapların hızlıca yapılıp, farklıseçeneklerin birbiri ardına rahatlıkla sınanabileceği bir yazılım geliştirmektir. Literatürde hidroelektrik santrallerin çeşitli yapısal elemanlarının tasarımıiçin geliştirilen programlar olmakla birlikte tüm proje elemanlarınıbelli bir sırayla yapan bir yazılıma rastlanmamıştır. Bu nedenle tek program kullanarak gerekli tasarımların yapılmasıyla zaman kaybıda önlenecektir. Geliştirilen MINI-HPD programıkolay kullanımıve görsel katkısınedeniyle veri girişini de rahatlıkla yapabilmekte; gerekli grafiklerin sunumuna olanak sağlamakta ve çıktıdosyasıyla tasarım değerlerini ülkemizde kabul edilen kriterlere uygun olarak hesaplayabilmektedir. Program yapıelemanlarının tasarımınıardışık olarak gerçekleştirdiği için elemanlar arasındaki hidrolik etkileşim de izlenebilmektedir. Bu makalede geliştirilen programın tanıtımından önce ülkemizde kabul görmüşhidrolik tasarım esaslarıkısaca gözden geçirilmektedir. Daha sonra programla ilgili bilgi ve bir uygulama örneği sunulmakta ve konu irdelenmektedir. 2. NEHİR TİPİSANTRALLERİN HİDROLİK TASARIM ESASLARI Bu bölümde tasarım parametrelerinin bulunmasıve tasarım esaslarıülkemiz uygulamaları çerçevesinde anlatılmaktadır. Bu bağlamda optimum işletme debisi, cebri boru çapıve kurulu güç seçimi ile yükleme havuzu, iletim kanalıve yandan alışlıregülatörlerin tasarım esaslarıgözden geçirilmektedir. 2.1. Optimum İşletme Debisinin Bulunması Nehir tipi santrallerde depolama söz konusu olmadığından akımların debi süreklilik eğrisine gereksinim duyulmaktadır. Bu eğrinin değişik akım rejimlerini de dahil edecek kadar güvenilir olmasıiçin en az 30 yıllık akım verisinin kullanılmasıönerilmektedir 2. Ayrıca regülatör tasarımıiçin yüksek dönüşaralıklıakım pik debilerinin bulunması gerekmektedir. Ülkemiz uygulamalarında regülatör dolusavak tasarımıiçin 100 yıl dönüş Emir ALİMOĞLU, Zafer BOZKUŞ, A. Melih YANMAZ 6927 aralıklıpik debinin (Q100), enerji kırıcıhavuzların performanslarının tetkik edilmesi için de ayrıca 5 ile 50 yıl arasında değişen dönüşaralıklıpik debi değerlerinin (Q5, Q10, Q25, Q50) kullanılmasıgerekmektedir. Dolayısıyla programın çalıştırılmasından önce yıllık akım serisinin frekans analizi yapılmalıve proje sahasındaki akımlarıtemsil eden uygun dağılım fonksiyonu ve bahsedilen debi değerleri bulunmalıdır. Optimum işletme debisinin bulunmasıiçin çeşitli seçeneklerin net faydalarıhesaplanmalı ve maksimum net faydayıveren seçenekteki debi seçilmelidir. Bu bağlamda, debi-süreklilik eğrisi üzerindeki debiler için cebri boru ve kurulu güç maliyetleri hesaplanmalı; çalışılan debi için yıllık enerji üretim miktarıhesaplanarak enerji faydasıbulunmalıve dolayısıyla net fayda elde edilmelidir. Hesaplama adımlarıaşağıda sunulmaktadır: a) Güç ve enerji üretimi hesaplanabilmesi için öncelikle yaklaşık bir cebri boru çapı seçilmelidir. Bu işlem için aşağıdaki hız bağıntısıkullanılabilir 3: g gH 2 125 . 0 V (1) Burada V m/s cinsinden cebri borudaki ortalama hız, g yerçekimi ivmesi (9.81 m/s 2 ) ve Hg m cinsinden brüt düşüdür. Cebri borularda maksimum hızın 5 m/s mertebesinde olması önerilmektedir 3. Bu değer makuldür. Zira daha fazla hızlar cebri boru çeperinde hem yüksek kayma gerilmesine hem de su darbesi esnasında aşırıbasınç yüklemelerine neden olmaktadır. Denklem (1)’den elde edilen hız, çalışılan her debi (Q) için süreklilik bağıntısı yardımıyla çap (D) hesaplanmasına olanak sağlamaktadır: V Q 4 D   (2) b) Hesaplanan cebri boru çaplarıiçin su darbesi göz önünde tutularak emniyetli cebri boru et kalınlığıhesaplanmaktadır. c) Debi-süreklilik eğrisi, güç-debi bağıntısıkullanılarak güç-süreklilik eğrisine dönüştürülmektedir. d) Her seçenek için baz enerji, ikincil enerji ve toplam enerji hesaplanmaktadır Bu bağlamda, debi-süreklilik eğrisi eşit ∆t zaman dilimlerine bölünmektedir. Her zaman dilimindeki eşdeğer debi (Qeq) zaman dilimindeki başlangıç ve sonuç debileri farkının zaman dilimini temsil eden zaman yüzdesiyle çarpımıyla bulunmaktadır. Böylece herhangi bir zaman dilimindeki yıllık marjinal enerji 8760HnQeqe ifadesiyle hesaplanmaktadır. Burada 8760 yıllık saat sayısı, e santralin toplam verimi, suyun özgül ağırlığıve Hnnet düşüdür. e) Bu adımda cebri boru ve kurulu güç maliyetleri hesaplanmaktadır. Dairesel en-kesitli bir cebri borunun ağırlığı(G) şu ifadeden bulunmaktadır: DLt G p   (3) Nehir Tipi Hidroelektrik Santrallerin Bilgisayar Destekli Ön Tasarımı 6928 Burada p cebri boru malzemesinin özgül ağırlığı, D cebri boru çapı, L cebri boru uzunluğu ve t cebri boru et kalınlığıdır. Cebri boru ve santral kurulu gücünün yıllık maliyetleri (Cpve Cic) sırasıyla G * CRF * C C pu p (4) CRF * P * C C p iuc ic  (5) ifadelerinden bulunmaktadır. Burada Cpucebri boru birim maliyeti, Cicu kurulu güç birim maliyeti, CRF kapitali kurtarma faktörü ve Ppsantral kurulu gücü olup, jeneratörün üretebileceği maximum güç Denklem (6) ile verilmektedir. e QH P n p   (6) f) Toplam maliyet cebri boru ve kurulu güç maliyetlerinin toplamıolarak bulunmaktadır. Baz ve ikincil enerji faydalarıda üretilen bu enerjilerin birim satışfiyatlarıyla çarpımından bulunmaktadır. Böylece çalışılan her debi için net fayda hesaplanmaktadır. En fazla net faydayıveren seçenekteki debi işletme debisi (Qd) olarak seçilmektedir. 2.2. Optimum Cebri Boru Çapının Bulunması Program bu aşamada su darbesine karşıemniyetli et kalınlığıhesaplanan ve işletme debisini geçiren optimum cebri boru çapınıbulmaktadır. Cebri boru et kalınlığı(t) boru malzemesinin çekme mukavemeti (σt), çapı(D) ve işletme basınçlarına bağlıdır. Su darbesi gelişiminde cebri boru iç basınçlarında aşırıyükselme olabilmektedir. Bu nedenle ilgili et kalınlığıhesaplanırken su darbesi nedeniyle yük artımı ∆H göz önüne alınmaktadır. Böylece t değeri şu bağıntıdan bulunmaktadır 4: t s 2 D H H t      (7) Burada Hssu darbesi öncesindeki sistem yüküdür. Boru malzemesi deformasyonlara karşı koyabilecek dirençte olmalıdır. Amerikan Makine Mühendisleri Birliği (ASME) kriterlerine göre minimum boru et kalınlığımm cinsinden boru çapının m cinsinden 2.5 katı artı1.2 mm olarak alınmalıdır 5. Su darbesi teorisi ve yük artımıile ilgili detaylıbilgi ve formüllere 4numaralıkaynaktan ulaşılabilir. Cebri boru malzemesi olarak genellikle çelik kullanılmaktadır. Bu nedenle korozyona karşıkorumanın artırılmasıamacıyla et kalınlığı 2 mm daha artırılabilir. Tesisin enerji üretimindeki kayıp değişik cebri boru çaplarıiçin hesaplanmaktadır. Bu değerlere karşıgelen enerji kayıp maliyetleri ise enerji kayıplarının enerji üretimi birim fiyatlarıyla çarpımından hesaplanmaktadır. Her bir cebri boru çapıiçin toplam maliyet, cebri boru maliyeti ve enerji kayıp maliyetinin toplamından bulunmaktadır. Toplam maliyeti en düşük yapan cebri boru çapıise optimum çap olarak seçilmektedir. Emir ALİMOĞLU, Zafer BOZKUŞ, A. Melih YANMAZ 6929 2.3. Yükleme Havuzu ve Kanal Tasarımı Tipik bir yükleme havuzu plan ve kesit görünümü Şekil 1’de gösterilmektedir. Program, trapez en-kesitli iletim kanalınıen uygun hidrolik kesit kriterine göre boyutlandırmaktadır. İletim kanalının boyutlandırılmasınıtakiben kanalda optimum işletme debisine karşıgelen akım derinliği bulunmaktadır. Yersel kayıplar ihmal edilerek kanaldaki su kotunun yükleme havuzundaki su kotuyla çakıştığıkabul edilip işlemlere devam edilmektedir. Yükleme havuzunda minimum işletme kotunda bile cebri boruya hava girişini ve dolayısıyla çevrinti oluşumunu engelleyecek şekilde yeterli batıklık sağlanmalıdır. Böylece türbinlerde olasıkavitasyon da önlenmişolmaktadır. Şekil 1’de s ile gösterilen ve cebri boru aksından itibaren ölçülen minimum batıklık değeri Knauss (1987) ifadesinden şöyle bulunmaktadır 6: 1.5D veya D s Fr0.25 için (8) r F 2 5 . 0 D s   Fr >0.25 için (9) Burada Frcebri boru çapıkullanılanarak hesaplanan Froude sayısıdır. Şekil 1. Yükleme havuzukesit ve plan görünümü ha he s Minimum su kotu Dolusavak kret kotu, normal işletme kotu 4 1 Kanal Geçiş d 4 1 Kpi D Yan savak Yükleme havuzu Bfb Lfb D Su alma girişi Nehir Tipi Hidroelektrik Santrallerin Bilgisayar Destekli Ön Tasarımı 6930 Ülkemiz pratiğinde yükleme havuzundaki minimum su seviyesi debinin 0.75Qddeğerine eşit olduğu zamanki akım derinliğinin Manning denkleminden bulunmasıyla elde edilmektedir 3. Başka bir deyişle iletim kanalında 0.75Qddeğerinden daha düşük debilerin geçirilmesi tabanda rüsubat birikimi ve otlanma problemleri yaratacağından pürüzlülük katsayısınıartıracak ve debiyi azaltacaktır. Yersel şartlara ve santral konumuna bağlıolarak cebri boru alt kotunun belli olduğu kabul edilirse cebri boru aksından itibaren s değerinin eklenmesiyle minimum işletme seviyesi elde edilir. İletim kanalıtaban kotu ise minimum işletme kotundan 0.75Qddeğerine karşıgelen kanaldaki akım derinliğinin çıkarılmasıyla bulunmaktadır. Cebri boru girişinde akım koşullarınıdüzeltmek amacıyla bir geçişbölgesi yaratılmaktadır. Bu geçişbölgesinin hemen mansabındaki he yüksekliği (Bkz. Şekil 1) şu ifadeden bulunmaktadır: c 2 e bC 4 D h   (10) Burada b su alma girişinin genişliği, C cise büzülme katsayısıdır. Ön tasarımda bu katsayı 0.6 olarak alınabilir 3. Su alma girişinin genişliği cebri boru çapına eşit olduğu için (10) numaralıdenklemde tek bilinmeyen hedoğrudan hesaplanabilir. Cebri boru güzergahında negatif basınca maruz kalabilecek bölgede borunun burkulmasınıönlemek için bir havalandırma borusu kullanılmalıdır. Borunun içe çökmesine neden olabilecek negatif basınç (Pc ) GPa cinsinden şu ifade ile hesaplanmaktadır 5: 3 c D t 882500 P        (11) Burada t ve D mm cinsinden sırasıyla cebri borunun et kalınlığıve çapıdır. Havalandırma borusu çapı(DA) ise cm cinsinden Denklem (12) ve (13) vasıtasıyla bulunabilir 5: c d A P Q 47 . 7 D  Pc0.49 için (12) d A Q 94 . 8 D  Pc >0.49 için (13) Bu denklemlerde PcGPa, Qdise m 3 /s cinsinden kullanılmaktadır. Şekil 1’den görüleceği gibi su alma girişinin önünde yükleme havuzu tabanında çökelmesi olasırüsubatın cebri boruya girmemesi için bir eşik oluşturulmaktadır. Eşik yüksekliği ∆aiçin en az 0.3h e değerinin alınmasıönerilmektedir 7. İletim kanalında ve yükleme havuzunda rastlanabilen yüzen cisimlerin cebri boruya girişini engellemek için bir ızgara sistemi oluşturulmaktadır. Bu sistemin genişliği (B tr ) şöyle bulunmaktadır: e a a d tr h 5 . 0 s V Q B     (14) Emir ALİMOĞLU, Zafer BOZKUŞ, A. Melih YANMAZ 6931 Burada Qdtoplam işletme debisi, V aise mertebesinin 0.6 – 0.9 m/s olmasıarzu edilen ızgara önündeki ortalama yaklaşım akım hızıdır. Yükleme havuzu genişliği (Bfb) için Btr uzunluğunun iki yanında en az ∆adeğeri kadar bir genişlik oluşturulmasıönerilmektedir 7. Genişyükleme havuzlarında yaklaşım akımının daha rahat olmasıamacıyla su alma girişi bir ayırma duvarıyla bölünebilir. Böylece, tfpayırma duvarıkalınlığıolmak üzere, yükleme havuzu genişliği B tr + tpf + 2∆aolmaktadır. Programda yükleme havuzu hacmi Vfb bir girdi değişkenidir. Pratikte bu değer m 3 cinsinden 90Qdolarak alınabilir 3. Burada Qd m 3 /s cinsinden kullanılmalıdır. Yükleme havuzu uzunluğu (Lfb ) ise (15) numaralı denklemden bulunabilir: fb fb fb fb h B V L  (15) Burada hfb yükleme havuzundaki minimum ve maksimum işletme kotlarıarasındaki farktır. Ön yaklaşım olarak Lfb/Bfboranının 2.5 ve 3.0 değerleri arasında olmasıistenmektedir 3. Ancak kesin tasarımda yersel koşulların elverdiği boyutlar da göz önüne alınmaktadır. Yan savak kret kotu, yükleme havuzundaki işletme seviyesine su yüzeyindeki salınımlarıda göz önüne almak için 10 cm eklenmek suretiyle bulunmaktadır. Bu çalışmada, yan savak yükü daha emniyetli tarafta kalınarak enerji veya momentum korunumu prensiplerine dayanan ardışık hidrolik hesaplar yerine önden alışlısavak formülü kullanılarak hesaplanmaktadır 8. Yan savak kret uzunluğu, yükleme havuzu boyuna eşit alınarak, (15) numaralıdenklem ve savak akım denklemi kullanılarak savak yükü ve yükleme havuzu uzunluğu ardışık çözümlemeyle bulunmaktadır. 2.4. Dolu Gövdeli Regülatör Tasarımı Program, regülatör tasarımınıbaşlatabilmek için iletim kanalısonundaki akım derinliğini girdi olarak kullanmaktadır. Bu değerin nasıl bulunduğu daha önce yükleme havuzu tasarımında anlatılmıştır. İletim kanalında akım nehir rejiminde olduğundan bu kesitten başlayarak memba yönünde kesitler arasında ardışık olarak enerji bağıntısıyazılarak su kotlarıhesaplanmaktadır. Böylece dolusavak önündeki su kotu ve dolayısıyla dolusavak kret kotu bulunmaktadır. Bu hesaplamalar Şekil 2’de gösterilen 9 adet en-kesitte ardışık olarak yapılmaktadır. Bu makalede sadece iletim hattının en önemli elemanlarından biri olan çökeltim havuzu tasarımıyla ilgili bilgi sunulmaktadır. Diğer kesitler arasındaki hidrolik hesaplarla ilgili detaylıbilgi için 9numaralıkaynağa başvurulması önerilmektedir. Santrala temiz su iletilmesi için çökeltim havuzunun istenilen performansıverecek şekilde boyutlandırılmasıönemlidir. Çökeltim havuzu sonunda bir eşik oluşturularak havuzda biriken rüsubatın iletim kanalına girmesi önlenir. Çökeltim havuzunda askıdaki maddelerin çökelmesine olanak sağlayacak düzeyde düşük akım hızlarının oluşmasıesastır. Çökeltim havuzunda tutulacak malzemenin dane çapısantraldaki yüke göre değişmektedir. Zira yük çok fazla ise çökeltim havuzunda tutulamayıp cebri borudan geçebilecek dane çapının çok küçük olmasıgerekmektedir. Çökeltim havuzunda tutulmasıplanlanan sınır dane çapı(Dm) ile bu çaptaki danenin sürüklenmeye direnç gösterecek maksimum hız (Vmax) arasındaki ilişki Camp tarafından şöyle verilmiştir 10: Nehir Tipi Hidroelektrik Santrallerin Bilgisayar Destekli Ön Tasarımı 6932 m max D a V  (16) Burada a dane çapına göre değişen bir katsayıolup, Dm≥1 mm için 36, 0.1 mm