HİDROELEKTRİK SANTRALLAR TEKNOLOJİ VE TEÇHİZAT MUSTAFA AYRANCI 2013

SUYUN GÜCÜ GÜNEŞTEN GELİR

Dünya Enerji Konseyi ne göre Dünyada kullanılan elektrik enerjisinin bazı kaynaklara göre % 19 u, bazı kaynaklara göre %24 ü hidroelektrik santrallardan elde edilmektedir. Su, kömür, doğal gaz ve petrolden sonra dördüncü büyük enerji kaynağıdır. Türkiye’de toplam elektrik üretimi , 2012 yılında 239 000 GWh olup bunun %24,2 si (57 860 GWh) Hidroelektrik Santrallardan elde edilmiştir. 2012 sonu itibariyle Türkiye’nin toplam kurulu gücü 57000 MW olup bunun yaklaşık 19600 MW’ını yani % 32 sini HES’ler oluşturur.

Electricity Market 2020’ye kadar talep projeksiyonu Annual Demand Peak Demand High Scenario Annual Demand High Scenario Peak Demand Low Scenario Annual Demand Low Scenario Peak Demand * TEIAS Capacity Projection Report, 2011 TEIAS’ın 2012 talep projeksiyonu: 244 TWh. Annual and peak demands are expected to increase by 70% by 2020. 8

Elektrik Piyasası 2020 yılına kadar kapasite projeksiyonu Installed Capacity Projection (Scenario I) in TEIAS Capacity Projection Report, 2011 High Scenario Peak Demand Low Scenario Peak Demand BO BOT MOBILE EÜAŞ AUTOP IIP TOR 2020 yılına kadar kamu sektörü kurulu güç artışı: 3,476 MW 2020 yılına kadar bağımsız üreticilerin kurulu güç artışı : 13,707 MW 9

HİDROELEKTRİK SANTRALLAR Hidroelektrik Santrallar Hidroelektrik tesisler ile birlikte suyun potansiyel enerjisini elektrik enerjisine dönüştürürler.

HES TİPİK ŞEMASI

Tünelli ve Denge Bacalı Bir HES Profili

KURULU GÜÇ P=verim x k x Q x H P=Güç (MW) Verim : 0-1 arası bir sayı k=birim sistemine göre değişen bir sabit sayı(1/102) Q=Debi(m3/saniye) H=Düşü(m)

ÖRNEK DEBİ SÜREKLİLİK EĞRİSİ

FİZİBİLİTE SÜRECİ Bir tesisi yapıp yapmayacağınıza karar verme sürecidir. Yapılabilirlik. Kurulacak tesislerin yeri ve kapasitesi avan olarak belirlenir. Alternatifler oluşturulur. Jeolojik ve diğer doğal koşullar dikkate alınarak bir seçim yapılır.

HES’ lerde TEKNOLOJİ VE KAPASİTE

HİDROELEKTRİK TESİSLER SU YAPILARI HİDROELEKTRİK SANTRALLAR ELEKTRİK İLETİM TESİSLERİ

TEKNOLOJİK SEÇİMLER Baraj mı Regülatör mü? Baraj Tipleri Toprak Dolgu Beton Dolgu Kemer Silindirle Sıkıştırılmış Beton Su Yolları Tipleri Denge Bacası Tipleri Türbin Giriş Vanası Tipleri Türbin Generatör Ünitesi Tipi Trafolar ve Şalt Sahası

TOPRAK VE KAYA DOLGU TİPİ BARAJ KESİTİ

BETON DOLGU TİPİ BARAJ

KEMER BARAJ

ÖN YÜZÜ BETON KAPLI KAYA DOLGU BARAJI

Silindirle Sıkıştırılmış Beton Baraj

SU YAPILARI Barajlar Regülatörler BARAJ DAİMİ TEÇHİZATI (KALICI DONANIM) Dipsavak Kapakları Dolusavaklar Enerji Tüneli Giriş Yapıları

SU YOLLARI Açık kanallar ve basınçsız tüneller Basınçlı Tüneller Cebri Borular Denge Bacaları

DENGE BACASI Uzun basınçlı tüneli olan tesislerde denge bacası kullanılır. Denge bacasının en önemli amacı tüneli su koçu denilen yüksek basınç dalgasından korumaktır. Su Koçu: Türbinler durdurulurken ( ayar kanatları ve regülatör vasıtasıyla ) meydana gelen basınç dalgasıdır.

TÜNELLER VE CEBRİ BORULAR Su yollarında en önemli unsur suyun hızıdır. Bunu da türbinlerin debisi ve ve tünelin veya cebri borunun çapı belirler. Yüksek hız yüksek sürtünme kaybı demektir. Düşük hız ise geniş su yolu ve yüksek maliyet demektir. Genel olarak; Tünellerde 2-4 m/saniye Cebri borularda 3-7 m/saniye hız kullanılır. Kesit Alanı = Debi/Hız formülü ile çap hesaplanır. Örneğin: Keban’da cebri boru çapı 5,2 m., Atatürk’te ise 7,25 m

CEBRİ BORU BRANŞMANI

Tünellerin ve cebri boruların Çapları ve Et kalınlıkları Bir optimizasyon ile belirlenir. Minimum maliyet ve maksimum üretim gözetilir.

HES TEÇHİZATI Türbin giriş vanaları Türbinler Generatörler Kumanda, İzleme, Ölçü ve Koruma Sistemleri Transformatörler ve Şalt Sahaları Elektriki Yardımcı Donanım Mekanik Yardımcı Donanım Bina Sistemleri

Türbin Giriş Vanası Tipleri Kelebek Vana

Türbin Giriş Vanası Tipleri Küresel Vana

TÜRBİNLER Suyun potansiyel enerjisini ve kinetik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren makinelerdir. Türbinlerin ana bölümleri: Salyangoz ve distribütör Çark ve şaft Yatak Emme Borusu Governor (Regülatör veya Hız Regülatörü)

Türbin Tipleri Pelton Fransis Kaplan

PELTON

FRANSİS FRANSİS

KAPLAN

TÜRBİN TİPİ SEÇİMİ Yalnız düşü değerine bakarsak: Kaplan H=2-40 m düşük düşü Fransis H=10-350 m orta düşü Pelton H= 50-1300m yüksek düşü Ancak üretici firmalar kendilerine ait abaklarla yani seçim grafikleri ile seçim yaparlar.

Örnek Abak

Model Testi ve Test Rigi

Türbin Verimi Suyun enerjisini ne kadarının türbinin mekanik enerjisine dönüştüğü önemlidir. Bu oran günümüz türbinlerinde %95’e kadar çıkar. Ancak türbinlerin verimi çalışma debisine göre değişiklik gösterir. Özellikle Fransis tipi türbinlerin %50 kapasitenin altında çalıştırılması, hem verim kaybı, hem de kavitasyon ihtimalinin yükselmesinden dolayı arzu edilmez.

Türbin Verimi (Tepe Eğrisi)

DEBİ ye bağlı VERİM ve GÜÇ

Özgül Hız Türbin seçimi ve tasarımında önemli bir parametredir, dönme hızı, güç ve düşü tarafından belirlenir. Ns = n*√P / H↑1,25 Ancak başlangıçta devir sayısı bilinmediği için ampirik formüllerle önce Ns daha sonra devir sayısı hsaplanır. USA Bureau of Reclamation: Kaplan için. Ns=2702/ √H Fransis için Ns= 2334/ √H Pelton Wheel - Specific Speed 5.0 rpm Francis Turbine - Specific Speed 30 rpm Francis Turbine - Specific Speed 70 rpm Kaplan Turbine - Specific Speed 113 rpm

GENERATÖRLER Türbinin mekanik enerjisini elektrik enerjisine çevirirler. Türbin devir sayısı belli olduktan sonra generatörün tipi ve büyüklüğü belirlenir. Generatörün tipi genellikle; Yatay veya dikey oluşları ve taşıyıcı yataklarının en tepede veya generatörün altında olmasına göre adlandırılır. Generatörün büyüklüğü ise GD2 denilen atalet momenti ile ifade edilir. GD2 nin tesbiti türbinin ihtiyacına göre yapılır.

TRAFOLAR Generatörde üretilen elektrik enerjisi iletkenlerle trafolara gelir. Trafolar generatör gerilimini iletim gerilimine yükseltir. Türkiye’de genellikle: 34,5 kV (dağıtım gerilimi seviyesi) 154 kV (iletim gerilimi seviyesi) 380 kV (iletim gerilimi seviyesi) gerilim seviyeleri kullanılır. Genellikle ilgili kurumlar tarafından 50 MW ve üstü güçlerdeki HES’ler için 154 kV veya 380 kV gerilim seviyesinde bağlantı talep edilir.

ÜNİTE STEP-UP TRAFOLARI VAZİYET PLANI

ÜNİTE STEP-UP TRAFOSU KESİT RESMİ

ŞALT SAHALARI Yüksek güçlerde elektrik anahtarlaması yapmak üzere kurulurlar. Trafolarda gerilimi yükseltilen enerji havai veya yeraltı kablolarıyla şalt sahasına gelir. Şalt sahaları gerilim seviyeleri ile anılırlar. Elektrik, şalt sahalarındaki ayırıcı ve kesicilerle kontrol edilir. Şalt sahalarında elektrik enerjisi ölçüm cihazları da bulunur. Akım trafoları ve voltaj trafoları bu ölçmeyi sağlar. Şalt sahalarında topraklama ve yıldırımdan koruma gibi yardımcı sistemler de bulunur.

ÖRNEK ELEKTRİK TEK HAT ŞEMASI

ŞALT SAHASI VAZİYET PLANI

ŞALT SAHASI ÜNİTE FİDERİ KESİT RESMİ

ŞALT SAHASI HAT FİDERİ KESİT RESMİ

154 kV ŞALT SAHASI PRİMER MALZEME LİSTESİ

SANTRAL MALİYETLERİ Nehir Santralları yaklaşık 800-1200 $/kW Barajlı Santrallar yaklaşık 1200-2000 $/kW maliyetlidir. Bu maliyetin içinde yaklaşık 200-450 $/kW HES Elektromekanik teçhizatı yer alır. Küçük kapasiteli hidroelektrik tesislerin kW başına birim maliyeti daha yüksektir.

YÜKSEK GERİLİM ANA EKİPMAN BÜTÇE FİYATLARI İSMİ FİYAT (EURO) 154/13,8 kV 50/63,5 MVA GÜÇ TRAFOSU 600.000 154 kV ŞALT FİDERİ 250.000 63,5/80 MVA 750.000 400kV 80/100 MVA 950.000 KESİCİ 35.000 154/380 kV 250 MVA 1.500.000 400 kV 120.000

YÜKSEK GERİLİM ANA EKİPMAN TİPİK PROJE MALİYETİ İSMİ BİRİM FİYAT (EURO) ADET TOPLAM FİYAT (EURO) 154/13,8 kV 50/63,5 MVA GÜÇ TRAFOSU 600.000 2 1.200.000 154 kV AÇIK ŞALT SAHASI 300.000 5 1.500.000 TOPLAM 2.700.000

HES E-M TEÇHİZATI MALİYET KIRILIMI (örnek)

İLETİM HATLARI Şalt sahalarının şebeke bağlantısı iletim hatları vasıtasıyla sağlanır. İletim hatları da gerilim seviyesi ve iletken özellikleri ile anılır. Havadan direkler üzerine monte edilir. Ek olarak bu hatlara bir de OPGW denen fiber optik kablolu koruma iletkeni de eklenmektedir. 2011 de TEİAŞ’ın tesbit ettiği hat maliyetleri: 154kV için 79500-757400 TL/km. 380kV için 194000-857000 TL/km. Günümüzde bu tesbitler yapılmamaktadır.

2013 YILI ENERJİ İLETİM HATLARI TAHMİNİ KM BEDELLERİ GERİLİM 154 kV BUZ YÜKÜ 0-0,2 Vd 0,3 Vd 0,5 Vd 1,2 Vd BUZ YÜKÜ BÖLGESİ 1-- 2 3 4 5 İLETKEN KESİTİ (MCM)   477 68,649 71,480 77,141 85,632 2 x 477 109,669 114,164 123,155 136,642 795 124,416 128,412 136,404 148,392 2 x 795 219,538 226,198 239,518 259,498 954 137,243 141,738 150,729 164,216 2 x 954 252,649 260,974 277,624 302,599 1272 148,982 153,941 163,859 178,736 2 x 1272 286,302 296,562 317,082 347,862

2013 YILI ENERJİ İLETİM HATLARI TAHMİNİ KM BEDELLERİ GERİLİM 380 kV BUZ YÜKÜ 0-0,2 Vd 0,3 Vd 0,5 Vd 1,2 Vd BUZ YÜKÜ BÖLGESİ 1-- 2 3 4 5 İLETKEN KESİTİ (MCM)   (Tek devre) (2B) 954 223,822 230,662 235,450 264,862 (Tek devre) (3B) 954 364,118 372,326 378,072 413,366 (Tek devre) (3B) 1272 407,651 416,201 422,186 458,951 (Çift devre) (2B) 954 518,048 539,936 555,258 649,376 (Çift devre) (3B) 954 768,449 790,337 805,659 899,777