Vodní mikroturbíny pro vodárenství

Jako následek pandemie a války na Ukrajině se zdražují prakticky všechny formy energií. Za poslední dva roky se cena elektrické energie na burze zdražila více než osminásobně. Tento fakt je základním impulzem nejen pro energetické úspory ve vodárenství, ale i pro energetické využití zbytkových spádů. Článek popisuje výhody využití Peltonových turbín včetně dlouholetých provozních zkušeností. Dále je představen nový typ vrtulové turbíny s regulovatelným radiálním rozváděčem a proměnlivými provozními otáčkami. Široký regulační rozsah průtoku s vysokou účinností, zvýšenou kavitační odolností a konstrukční jednoduchostí je doložen na pilotní instalaci. Celé soustrojí včetně spirály je vyrobeno z nerezových materiálů. Provozní zkoušky soustrojí dokládají vhodnost konceptu i pro zákaznická řešení navržená přímo na dané spádové a průtokové parametry. Ekonomická návratnost investic do vodních elektráren s moderními mikroturbínami se pohybuje s ohledem na vysoké účinnosti a široké regulační schopnosti v jednotkách roků.

Úvod

Ekonomicky významnou oblastí jsou a budou energetické úspory při úpravě a dopravě vody včetně energetického využití zbytkových spádů v systémech dopravy surové i pitné vody.

Článek dokumentuje dosavadní provozní zkušenosti s provozem Peltonových vodních turbín na systémech pitné vody včetně ekonomického rozboru, tj. investiční náročnosti, výroby elektrické energie a nároků na údržbu a provoz.

Na dobré provozní zkušenosti s Peltonovými vysokospádovými turbínami navázal výzkumný projekt nového konceptu nízkospádové reakční axiální spirálové turbíny s regulovatelným radiálním rozváděčem a proměnnými provozními otáčkami generátoru. Tento inovativní koncept soustrojí je vhodný i pro nízkospádové instalace ve vodárenských systémech. Projekt byl realizován ve spolupráci s firmou Elzaco v rámci výzkumného grantového úkolu. Koncept soustrojí je představen z hlediska strojně technologického (celé soustrojí je vyrobeno z nerezového materiálu) včetně rámcového popisu elektrické části (instalovaný generátor a frekvenční měnič se střídačem a výstupním EMC filtrem). Průtokové a momentové charakteristiky dokládají velmi široký regulační rozsah průtoku s vysokou účinností turbíny i při výrazném kolísání čistého spádu. Optimalizace tvaru hydraulického obvodu reakčních turbín představuje novou cestu při návrhu turbín s nízkými instalovanými výkony.

Energetická náročnost

Události posledních dní ukázaly na nezbytnost zvýšení energetické soběstačnosti celé Evropy. Ceny surovin výrazně stouply společně s cenami prakticky všech forem energií. Velmi výrazně stouply ceny elektrické energie – od počátku roku 2021 na čtyř až pětinásobek (Obr. 1). V blízké budoucnosti se výrazný pokles cen energií neočekává.

S ohledem na zvýšený podíl fotovoltaických elektráren a další vlivy se rovněž velmi zvýšilo rozkolísání hodinových cen na krátkodobém trhu s elektřinou (viz Obr. 1 – zdroj: OTE, a.s.). Protože jsou běžné velmi výrazné výkyvy hodinové ceny elektrické energie nejen pro spotřebu ale i pro výrobu, lze doporučit firmám s velkou spotřebou elektrické energie (např. vodárenské společnosti pro čerpání, úpravu pitné vody, popř. čištění odpadní vody) zpracovat si energetický audit a zvážit možnosti úspor. Úspory mohou být nalezeny např. při správném časování a optimalizaci provozu čerpadel nebo vodních turbín s ohledem na využití zásobních objemů.

Obr. 1 – Vývoj cen elektrické energie v rámci denního trhu včetně zobrazení denních výkyvů

Vytipování profilů se zbytkovým hydroenergetickým potenciálem

Identifikace vhodných lokalit pro využití zbytkového spádu na systémech dopravy surové i upravené pitné vody by měla začít analýzou podélných profilů páteřních přivaděčů s vykreslením geodetických a tlakových čar. Místa přerušení tlakové čáry, např. přerušovací komory, vodojemy, reduktory tlaku jsou zpravidla vhodnými profily pro energetické využití.

Zpracováním dlouhodobých záznamů monitorovaných dat do formy histogramů (zejména průtoku a tlaku, popř. tlakového rozdílu) získáme základní orientaci o hydroenergetickém potenciálu dané lokality a dosavadním způsobu provozu (Obr. 2).

Obr. 2 – Histogram provozní H-Q oblasti (příklad)

Výstupem těchto analýz je definování rozsahu zpracovávaného spádu a průtoku s ujasněním návrhových hodnot budoucího soustrojí. Doporučujeme i zvážit případnou změnu provozu tak, aby splňovala požadavky pro zásobování pitnou vodou a zároveň umožnila zvýšenou výrobu elektrické energie malé vodní elektrárny (MVE).

V případě, že výkon budoucího soustrojí MVE umožňuje aspoň z části pokrýt spotřebu v daném objektu nebo blízkém areálu, doporučujeme provést energetickou analýzu potřeb a výroby s cílem minimalizovat celkové energetické náklady daného objektu. Finanční přínos optimalizovaného provozu MVE může mít zásadní vliv na zisk provozované MVE zejména v případě, že vyrobená, popř. nakupovaná elektrická energie je obchodována v režimu hodinových cen.

Technologie malých vodních elektráren ve vodárenských systémech

Na technologii MVE ve vodárenských zařízeních jsou kladeny vyšší nároky, zejména na výběr vhodných materiálů samotné turbíny s ohledem na styk s pitnou vodou. Voda je však zpravidla zbavena mechanických nečistot a není zde riziko abraze pracovních ploch turbíny nebo zanášení. Pro hydroenergetické využití zbytkových spádů ve vodárenství je možné využít prakticky všechny typy vodních turbín, ale v dalším uvedeme základní výhody vybrané technologie na uvedených instalacích.

Peltonova turbína

Peltonova turbína je velmi vhodná pro vyšší spády a nízké průtoky. Jako akční turbína zajišťuje přechod z tlakového režimu proudění na proudění beztlakové. Soustrojí je nutné instalovat nad maximální úroveň dolní provozní hladiny (zpravidla přerušovací nebo zásobní komory). Velkou výhodou Peltonovy turbíny je možnost minimalizace rizika hydraulického rázu při výpadku napájení, popř. využití bezenergetického provozu při dovybavení deflektory nebo ponecháním soustrojí v průběžných otáčkách. Rozstřik vody s kvalitním odvětráním turbínové skříně může zároveň zajišťovat významné uvolnění radonu z vody.

Již byly publikovány provozní zkušenosti se dvěma soustrojími:

• Peltonova turbína v obci Nový Malín – jednotrysková horizontální Peltonova turbína s letmo upevněným oběžným kolem na hřídeli asynchronního generátoru s instalovaným výkonem 30 kW při spádu 295 m. Soustrojí je v bezproblémovém provozu od roku 2015 při návratnosti investice 4–5 let. Turbínová skříň včetně oběžného kola je vyrobena z nerezové oceli.
• Peltonova turbína na vodojemu Beroun – jednotrysková horizontální Peltonova turbína s letmo upevněným oběžným kolem na hřídeli asynchronního generátoru s instalovaným výkonem 22 kW při návrhovém spádu 58 m. Soustrojí je od začátku roku 2016 v bezporuchovém provozu při návratnosti investice okolo 5 let. Při výrobě lopatek oběžného kola byl využit hygienicky atestovaný vysokopevnostní kompozit. Při místním šetření v roce 2021 po pěti letech nepřetržitého provozu nebyly na lopatkách patrny žádné známky opotřebení. Dodavatelem technologie pro obě lokality je firma Elzaco.

Pro vyšší průtoky je vhodná Peltonova turbína s větším počtem trysek ve vertikálním uspořádání soustrojí (Obr. 3). Tento podtyp je nyní ve výrobě. Vzhledem k použitým nerezovým materiálům celé turbínové skříně a disku oběžného kola je soustrojí vhodné i pro styk s pitnou vodou (Obr. 4). Na základě dobrých dlouhodobých provozních zkušeností s kompozitovými lopatkami oběžného kola byl rovněž použit kompozit. Byl vybrán nejlepší dostupný kompozit s termoplastem na bázi polyamidu s pevností v tahu vyšší než 300 MPa, vyšším modulem pružnosti (cca 30 GPa), vyšší rázovou houževnatostí a vyšší odolností vůči obrusu povrchu.

Obr. 3 – Axonometrický pohled na vertikální pětitryskové soustrojí s Peltonovou turbínou

Obr. 4 – Nerezová skříň vertikální Peltonovy turbíny po obrobení

Axiální turbína

Obr. 5 – Příklad umístění soustrojí ve velmi stísněných prostorech armaturní komory

Pro vyšší průtoky a nižší spády je vhodná rychloběžná turbína axiálního nebo diagonálního typu. Jedná se však o reakční turbínu s uzavřeným tlakovým obvodem v celé turbínové skříni (na rozdíl od turbíny Peltonovy). Ve spolupráci s univerzitou UJEP a firmou Elzaco byla navržena modifikace axiální turbíny s pevnými lopatkami oběžného kola, radiálním regulačním rozváděčem a proměnnými provozními otáčkami. Úkolem projektu byla optimalizace tvaru hydraulického obvodu turbíny, zejména tvaru lopatek oběžného kola, pro dané cílové parametry (regulační rozsah průtoku při vysoké účinnosti se zohledněním kavitačních vlastností). Výstupem projektu je inovativní vrtulová turbína, která je pro svou jednoduchou mechanickou konstrukci vhodná jako mikroturbína v systémech s pitnou vodou. Kompaktní provedení soustrojí umožňuje instalaci i ve velmi stísněných prostorech, např. armaturní komoře (Obr. 5 a Obr. 7). Tento koncept eliminoval stavební úpravy a snížil celkovou investici.

Obr. 7 – Instalace nerezové spirály turbíny

Rovněž odpadá velmi složitá mechanika regulace lopatek oběžného kola jako to je v případě Kaplanovy turbíny. Pro malé průměry oběžného kola prakticky nelze mechanismus natáčení lopatek navrhnout. Využití CNC obrábění umožňuje kusovou zakázkovou výrobu při nízkých výrobních nákladech (Obr. 6).

Obr. 6 – Oběžné kolo před finálním CNC opracováním

Inovativní koncept vrtulové turbíny má díky dvojité regulaci (regulace RK a proměnné provozní otáčky) velmi výhodné hydraulické vlastnosti a zároveň je turbína konstrukčně jednoduchá. Válcová komora oběžného kola je levná, zjednodušuje demontáž a snižuje volumetrické ztráty s ohledem na možnost dosažení užší spáry mezi lopatkou a komorou.

Při změně spádu lze pro požadovaný průtok nastavit optimální provozní otáčky a tím pokrýt široký rozsah spádů prakticky bez poklesu účinnosti turbíny. Dvojitá vazba regulace (RK + provozní otáčky) zajišťuje optimální natékání lopatek oběžného kola a tím je možné dosáhnout vysoké kavitační odolnosti v širokém rozsahu spádů i průtoků (Obr. 8).

Obr. 8 – Porovnání účinnostních charakteristik turbíny pro pevné a proměnné provozní otáčky

Některé instalace mají velmi dlouhé tlakové trubní přivaděče s vysokým rizikem hydraulického rázu. Změna průtoku vyvolaná změnou otáček je malá, a proto tyto vrtulové turbíny nepředstavují velké riziko vyvolání nepřípustného tlakového rázu při tripu generátoru. Dobu zavírání rozváděče turbíny lze navrhnout podle dalších požadavků, např. na rychlost otevírání bypassu (pro zachování průtoku systémem) nebo na ochranu strojní části.

Elektrická část

Při dvojité regulaci vrtulových turbín je nutné zajistit provoz generátoru s proměnnými provozními otáčkami. Pro soustrojí s velmi nízkými provozními otáčkami (odhadem 100–600 ot/min) je vhodné využít vlastností synchronních generátorů s permanentními magnety (PMG – „Permanent Magnet Generator“). PMG mají velmi vysoké krouticí momenty při nízkých otáčkách, malé rozměry a zároveň dosahují vysokých účinností (Obr. 9). Jejich nevýhodou je vysoká cena a riziko indukovaného napětí při průběžných otáčkách. Pro otáčky vyšší než cca 600 ot/min je možné využít běžné asynchronní generátory.

Obr. 9 – Charakteristika PMG se zakreslením provozních bodů turbíny

Obr. 10 – Instalace elektrického rozváděče s čtyřkvadrantním frekvenčním měničem

V obou případech je pro regulaci otáček nutné připojit generátor k síti pomocí čtyřkvadrantního frekvenčního měniče. Výstup měniče musí umožňovat dodávku výkonu do sítě včetně regulace účiníku. Za výstupem měniče je zapojen EMC filtr pro omezení rušení vyššími harmonickými. Filtr má bohužel vliv na výstupní účiník. Návrh a provedení elektrické části (Obr. 10) musí odpovídat legislativním požadavkům provozovatele distribuční sítě s ohledem na připojení nového zdroje.

Koncept turbíny s regulovatelnými provozními otáčkami vyžaduje spolupráci mezi dodavatelem turbíny a dodavatelem elektrické části, protože při změně otáček se mění i krouticí moment. Průběh momentu v závislosti na otáčkách je hlavním návrhovým parametrem pro dimenzování generátoru i výkonu frekvenčního měniče včetně jisticích prvků.

Závěry

Provozní zkušenosti po dlouholetém, bezporuchovém provozu Peltonových turbín instalovaných na vodárenských systémech dopravy vody dokazují, že využití zbytkových spádů je možné a ekonomicky výhodné i pro nízké instalované výkony.

Inovativní návrh axiální vrtulové turbíny s proměnnými provozními otáčkami umožňuje výrobu, instalaci a provoz pro zadané návrhové parametry zákaznicky navržených soustrojí. Flexibilita návrhu, CNC obrábění a ostatní moderní návrhové i výrobní metody umožňují krátkou dobu splatnosti celkové investice i pro velmi nízké instalované výkony.

Stále zůstává atraktivní možnost využití odstředivých čerpadel v turbínovém režimu pro instalace ve vodárenských systémech, ale toto téma je nad rámec prezentovaných informací.

Poděkování

V článku byly využity výsledky projektu TAČR TH04010140 – „Inovativní návrh kompaktního soustrojí Kaplanovy mikro-turbíny“, který byl realizován společně s univerzitou UJEP a firmou Elzaco, s.r.o.

Dokumentace z výroby a instalace soustrojí je rovněž poskytnuta firmou Elzaco. Vrtulová turbína byla dodána pro podnik Povodí Ohře, s.p.