Abstrakt / Annotation Bakalářská práce se skládá ze dvou částí. V první části je pojednáno obecně o malých vodních elektrárnách, jejich stavebním řešení, strojním vybavení a ekonomické efektivnosti a slouží k základní představě o provozu a údržbě takového vodního díla. Druhá část se zabývá konkrétně malou vodní elektrárnou v Crhově, která byla přestavena z původního mlýna v devadesátých letech 20.století panem Petrem Königem. The bachelor´s thesis is composed of two parts. In the first part, there is a generally discourse about small water power plants, their structural design, mechanical equipment and economical efficiency and its function is to create the basic conception of the waterwork. The second one deals concretely with the small water power plant in Crhov, that was rebuilt from the original mill by Mr. Petr König in 1990s.
Klíčová slova / Keywords mlýn, elektrárna, turbína, česle, přestavba mill, power plant, turbine, rack, adaptation
Bibliografická citace PAVLÍK, J. Přestavba mlýna na malou vodní elektrárnu. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2008. 51 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Roman Klas.
Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci vypracoval samostatně. Vycházel jsem ze svých znalostí, odborných konzultací a uvedené literatury.
V Brně dne 12.5.2008
............................................... Jan Pavlík
Poděkování Děkuji Ing. Romanu Klasovi, vedoucímu mé bakalářské práce, který mě uvedl do problematiky
malých vodních elektráren, poskytnul velké množství podkladů, znalostí a rad, za
jeho čas a ochotu. Také bych rád poděkoval panu Petru Königovi, provozovateli MVE Crhov, za zapůjčení jeho podkladů, odborný výklad a umožnění prohlídky MVE.
Obsah 1. Úvod.........................................................................................................................................7 2. Stavební řešení MVE.............................................................................................................8 2.1. Vtokové objekty......................................................................................................................9 2.1.1. Beztlakové vtokové objekty...............................................................................................10 2.1.2. Tlakové vtokové objekty....................................................................................................10 2.1.3. Speciální vtokové objekty..................................................................................................11 2.2. Česle......................................................................................................................................11 2.2.1. Hrubé česle.........................................................................................................................12 2.2.2. Jemné česle........................................................................................................................13 2.2.3. Speciální česle....................................................................................................................15 2.3. Přiváděcí a odpadní zařízení.................................................................................................16 2.3.1. Beztlakové přivaděče a odpady..........................................................................................17 2.3.1.1. Konstrukční řešení beztlakových přivaděčů a odpadů....................................................17 2.3.1.2. Hydraulické řešení kanálů...............................................................................................18 2.3.2. Tlakové přivaděče a odpady...............................................................................................19 2.3.2.1. Místní ztráty u tlakových přivaděčů................................................................................20 2.3.2.1.1. Ztráty ve vtoku.............................................................................................................20 2.3.2.1.2. Ztráty ve výtoku...........................................................................................................21 2.3.2.1.3. Ztráty změnou průřezu.................................................................................................21 2.3.2.1.4. Ztráty změnou směru proudění....................................................................................22 2.4. Výrobní a provozní objekty vodní elektrárny.......................................................................22 2.4.1. Montážní prostor................................................................................................................24 2.4.2. Provozní část......................................................................................................................25 3.
Strojní zařízení MVE..........................................................................................................26
3.1. Vodní motory a jejich dělení.................................................................................................26 3.1.1. Vodní kola..........................................................................................................................26 3.1.2. Vodní turbíny......................................................................................................................28 3.1.2.1. Francisova turbína..........................................................................................................30 3.1.2.2. Kaplanova turbína..........................................................................................................30 3.1.2.3. Vhodnost jednotlivých turbín pro daný spád..................................................................32 3.1.2.4. Hlavní parametry turbíny................................................................................................32 3.1.2.5. Přidružené parametry turbíny..........................................................................................33 3.2. Převody.................................................................................................................................34 3.2.1. Ozubená soukolí................................................................................................................34 3.2.2. Řemenové převody............................................................................................................35 3.2.3. Lanové převody.................................................................................................................35 3.2.4. Řetězové převody..............................................................................................................36
-5-
4.
Ekonomická efektivnost MVE...........................................................................................36
5. Technické podmínky pro provoz a obsluhu MVE.............................................................38 5.1. Podmínky pro provoz............................................................................................................38 5.2. Podmínky pro obsluhu MVE a práce na elektrickém zařízení MVE....................................39 5.3. Náležitosti revizní zprávy......................................................................................................40 6. MVE Crhov...........................................................................................................................41 6.1. Historie..................................................................................................................................42 6.2.Technický popis stavby...........................................................................................................43 6.2.1. Vtokový objekt s jezem......................................................................................................43 6.2.2. Přívodní náhon a jalový odpad...........................................................................................44 6.2.3. Podzemní část budovy MVE, kašna a soustrojí..................................................................44 6.2.4. Odpadní náhon a výustní objekt.........................................................................................44 6.3. Přestavba................................................................................................................................44 7. Závěr.........................................................................................................................................48 8. Seznam použité literatury.......................................................................................................49 9. Použité bibliografické citace...................................................................................................49 10. Seznam použitých symbolů a zkratek..................................................................................50 11. Seznam příloh........................................................................................................................51
-6-
1.Úvod K obnovení zájmu o malé vodní elektrárny přispívá zejména zvyšující se spotřeba elektrické energie. Naše země má málo pevných fosilních paliv, ropu a plyn dovážíme ze zahraničí za vysoké ceny. To brání tomu, aby ropa a zemní plyn byly spalovány v tepelných elektrárnách. Ty mají navíc nepříznivý vliv na životní prostředí, v minulosti vedla nadměrná těžba hnědého uhlí a jeho spalování v tepelných elektrárnách k devastaci krajiny a ke vzniku kyselých dešťů, které negativně poznamenaly zejména Krušné hory. Dnes je již situace lepší, emise jsou nižší, než bývaly, ale i tak je pořád co zlepšovat. Jaderná energie je poměrně čistá, zásoby jaderného paliva jsou sice vyčerpatelné, ale obrovské. Přináší to však určitá rizika. Havárie jaderné elektrárny může mít fatální následky, jako tomu bylo v roce 1986 při havárii jaderné elektrárny Černobyl na území tehdejšího Sovětského svazu. Dodnes lidé v okolí umírají na následky ozáření, nebo jsou kvůli zvýšené radiaci různě postižení. Aby se podobná tragedie nemohla opakovat, je potřeba dodržovat přísná bezpečnostní opatření, což samozřejmě přináší zvýšené náklady na provoz. Za této situace je potřeba nejen hospodárně využívat elektrickou energii a neplýtvat jí, ale zejména zaměřit se na vlastní, ekologicky čisté a nevyčerpatelné primární zdroje energie, především energii vodní. Její využití má mnoho výhod: 1. Jde o trvalý a prakticky nevyčerpatelný zdroj energie, odpadá těžba paliva i jeho doprava na místo určení. 2. Jedná se o čistý zdroj energie, který je bezodpadový a neznečišťuje životní prostředí. 3. Nejsme závislí na dovozu ze zahraničí. 4. Vyžaduje nízké investiční náklady; provozní náklady jsou velmi nízké. 5. Malá poruchovost, dlouhá životnost a vysoký počet provozních hodin za rok 6. Je třeba jen nízký počet provozních pracovníků; s rozvojem automatizace je možný i bezobslužný provoz. 7. Je to nejlevnější zdroj přírodní energie. 8. Při citlivém řešení nezpůsobuje stavba vodní elektrárny devastaci okolní krajiny.
-7-
Je pravda, že možnosti využití vodní energie u nás jsou omezené. Je to dáno tím, že Česká republika se rozkládá na evropském rozvodí tří moří, velké řeky u nás většinou pramení a tak tu jsou spíše menší toky. To je určitá překážka pro stavbu velkých vodních elektráren, ale pro malé vodní elektrárny do výkonu 10 MW je potenciál vodních toků dostačující. V současné době je stupeň využití českého hydroenergetického potenciálu jen asi 35%, zbytek je zatím nevyužitý. Tento zbytek by šel využít ve velkých a středních vodních elektrárnách asi z ¼, v malých vodních elektrárnách ze ¾. Výstavba nových vodních elektráren, zejména malých, má značný ekologický přínos, protože touto energií se nahrazuje výroba v tepelných elektrárnách.
2.Stavební řešení MVE Stavební řešení MVE se skládá z těchto částí: a) vtokové objekty – bezprostředně navazuje na vodní tok, případně na nádrž nebo zdrž, která je vytvořena na vodním toku přehradou nebo jezem; slouží k odběru vody na elektrárnu b) přiváděcí a odpadní zařízení- může být beztlakové (kanál, náhon, štola s volnou hladinou) nebo tlakové (potrubí, štola, šachta) c) výrobní objekty-budova se strojovnou, rozvodna
-8-
2.1. Vtokové objekty
Obr.1: Beztlakový vtokový objekt
Obr.2: Schéma vtokového objektu 1 – česle s podpěrnými sloupky 2 – drážky provizorního hrazení 3 - rychlouzávěr 4 - soustrojí 5 – horní obrysová linie vtoku
-9-
Úkolem vtokových objektů je zajistit přítok vody na vodní turbíny s co možná nejmenšími ztrátami při současném zachování maximální hltnosti. Vtokové objekty musí splňovat tyto požadavky: 1. Zajištění potřebného přítoku vody na turbíny po celou dobu životnosti MVE. 2. Zajištění separace vody a plavenin, nebo splavenin pohybujících se po dně, které mohou ohrozit správný provoz turbín. Je to například i plovoucí tráva, listí apod., jelikož se mohou zachytit na lopatkách turbíny a snížit tak výkon vodního stroje. Je také třeba zamezit vnikání písku, který způsobuje abrazivní opotřebení na lopatkách turbín. 3. Zabránění vnikání vzduchu do hydraulického systému vodních turbín. 4. Zamezení ucpání jemných česlí na vtoku listím, ledem a nečistotami. 5. Provoz vtokového objektu má mít malou spotřebu energie, optimální je bezobslužný provoz. 6. Zabránění namrzání konstrukčních prvků vtokového objektu.
2.1.1. Beztlakové vtokové objekty Beztlakové vtokové objekty slouží pro odběr vody do beztlakových přivaděčů vody na MVE, nebo také jako předložená část tlakových vtoků. Voda těmito vtoky proudí beztlakově o volné hladině. Součástí těchto vtoků jsou obvykle norné stěny, které zachycují plaveniny, a také práh, který zachycuje splaveniny sunuté po dně. Používají se zde hrubé česle, které zabraňují vnikání velkých plovoucích předmětů. Konstrukce norné stěny se běžně používá jako obslužná lávka.
2.1.2. Tlakové vtokové objekty Tlakové vtokové objekty jsou určeny pro odběr vody buď přímo na turbíny nebo do tlakového přivaděče, kterým je voda dále přiváděna na turbíny. Tyto vtokové objekty musí mít vstupní profil umístěn vždy pod hladinou vody. Tlakové vtokové objekty mají obvykle i práh proti vnikání splavenin, jemné česle s nosníky, které přenášejí zatížení z česlí do konstrukce vtokového objektu, provizorní hrazení a rychlouzávěr, pomocí něhož se odstavuje hydraulický systém z provozu a za kterým je také umístěno zavzdušňovací potrubí. Tlakové vtokové
- 10 -
objekty jsou řešeny buď samostatně, nebo jako součást vzdouvacího objektu, tj. jezu nebo přehrady. Pro porovnání jednotlivých hydraulických návrhů vtokových objektů se používá hydraulická účinnost, která je definována jako poměr výstupní energie vody, která je k dispozici v koncovém profilu vtokového objektu, a vstupní energie vody, která je k dispozici ve vstupním profilu.
ηvt
h v1
h v1
1
hzvt + h v1
ξ ⋅ h v1 + h v1
ξ+1
(1)
2.1.3. Speciální vtokové objekty Mezi speciální vtokové objekty patří například dnové odběry vody a vtokové objekty pilířových vodních elektráren. Česle bývají řešeny jako sdružené, tzn. že v jednom profilu vtokového objektu jsou umístěny hrubé i jemné česle.
2.2. Česle
Obr.3: Česle - 11 -
Česle jsou nezbytnou součástí vtokových objektů. Jejich úkolem je separace plovoucích splavenin, které by mohly poškodit rozváděcí nebo oběžné lopatky turbín; případně se na nich mohou uchytit a změnit tak charakter proudění a obtékání lopatek turbíny, což má za následek podstatné snížení výkonu.
2.2.1. Hrubé česle Hrubé česle zabraňují vniknutí rozměrných splavenin (plovoucí stromy, větve, ledové kry) do hydraulického systému vodní elektrárny. Jsou navrhovány jako svislá mřížovina, přičemž mezery mezi jednotlivými česlicemi jsou 300 až 600 mm. Česlice jsou vyrobeny ze silnostěnných trubek o průměru 80 – 150 mm, což zajišťuje plynulé obtékání při různých manipulacích s turbínami. Tloušťka stěny trubek se volí s ohledem na jejich zatížení a rozpětí. Česle jsou dimenzovány na plné ucpání, to znamená, že pruty musí přenést plné zatížení způsobené plným hydrostatickým tlakem.
Při proudění vody přes hrubé česle dochází ke vzniku hydraulických ztrát, se kterými je třeba počítat při návrhu vodního díla. Tyto ztráty závisí jednak na ztrátovém součiniteli, jednak na druhé mocnině rychlosti proudění. Průměrná rychlost proudění vody v profilu hrubých česlí bývá v rozmezí 0,5 – 0,7 ms-1. Z toho lze určit nutnou průřezovou plochu profilu hrubých česlí, a také hydraulické ztráty.
4 3
2
v0 S h zc β ⋅ ⋅ b 2g
(2)
Takto vypočtené ztráty platí pro čisté česle; pokud jsou zaneseny splaveninami, jsou několikanásobně větší. Pak je potřeba hrubé česle čistit. U významných vodních elektráren jsou používány diferenční sondy, které jsou instalovány před a za hrubými česly, které - 12 -
automatický snímají výškový rozdíl hladin před a za česlemi. Při dosažení nastaveného maximálního rozdílu, který je ekvivalentní přípustné velikosti ztrát, je obsluha elektrárny vyzvána k vyčištění česlí. Kromě hydraulických ztrát v hrubých česlích existují také hydraulické ztráty způsobené vtokem do jejich profilu.
2
h zv
ξ 0⋅
v0
2g
(3) Pak pro hydraulické ztráty platí:
h zcv
h zc + h zv
(4)
2.2.2. Jemné česle Jemné česle jsou další zábranou v hydraulickém systému vodních elektráren proti vniknutí splavenin menších rozměrů, které projdou hrubými česlemi. Jemné česle se používají nejen u vodních elektráren, nýbrž u všech odběrů vody a jsou součástí většiny hydrotechnických děl. Narozdíl od hrubých česlí se obvykle navrhují ve sklonu 60° až 70° ( u strojně čištěných česlic až 85°); tento sklon umožňuje jejich snadnější čištění vyhrnováním shrabků směrem nahoru. Česle jsou nejčastěji vyrobeny z česlic z páskové oceli o průřezu 50x6 až 180x20 mm. I jemné česle je třeba dimenzovat na plný hydrostatický tlak vody, proto je zapotřebí použít podpěrný systém, který je tvořen vodorovnými nosníky uloženými v bocích profilu jemných česlí. Jemné česle se mohou ucpat poměrně snadno, nejen při povodních, ale také v zimním období, nejčastěji vnitrovodním ledem. K ucpání může dojít také namrzáním česlic. V jemných česlích dochází k poměrně velkým hydraulickým ztrátám, jedním z důvodů je i to,
- 13 -
že v daném profilu není k dispozici tak velký prostor pro zpomalení proudění. Profil jemných česlí se navrhuje tak, aby střední rychlost v tomto profilu dosahovala hodnot 0,8 – 1,2 ms-1. Hydraulické ztráty se určí podle tohoto vztahu:
4 3
S 2 h zc β ⋅ ⋅ v 0 ⋅ sin ( α) ⋅ kδ⋅ kp b
(5)
Takto určené hydraulické ztráty platí pro čisté česle. Pokud jsou již jen částečně zaneseny, ztráty jsou mnohem větší. Proto je nutné udržovat česle čisté a nezanesené. Čištění česlí je možné provádět dvěma způsoby: ručně a čistícími stroji. Ruční čištění vykonává obsluha a používá se jen u zařízení menšího rozsahu.
Obr.4: Stroj na čištění česlí
- 14 -
Čistící stroje se dělí na stroje řetězové a na stroje s hydraulickým pohonem hrablice, která najíždí na česle u dna jejich profilu; nečistoty zachycené na česlích jsou vyhrnovány směrem nahoru. Nevýhodu těchto čistících strojů je jejich velká výška, takže mohou být vyšší než samotná budova vodní elektrárny. U větších elektráren pojíždí čistící stroj po kolejích a čistí tak postupně jednu část česlí za druhou. Čistící stroje se dávají do pohybu automaticky po dosažení nastavené diference hladin vody před a za česlemi. Za tímto účelem se ve stavební části instalují diferenční sondy. Existují také samočistící česle, které využívají dynamického namáhání česlic při jejich obtékání, při kterém dochází k intenzivnímu chvění jednotlivých česlic a nečistoty jsou posunovány dále po toku, kde jsou odplavovány prodem vody. Česlice jsou v tomto případě navrženy jako vodorovné pruty vetknuté na jedné straně. S chvěním česlic je třeba počítat i při jejich návrhu, protože může dojít k únavě materiálu, česlice se uklepou a následně vypadnou. To může mít za následek havárii turbín, pokud se utržené česlice dostanou k jejich lopatkám. Česlice jsou vystaveny korozivnímu prostředí a je proto nutné je chránit pokovením zinkem. Takto jsou chráněny i ocelové části čistících strojů.
2.2.3. Speciální česle Do této skupiny patří bezobslužné česle dnových odběrů, které se používají zejména v horských podmínkách. Jejich použití je vhodné do kapacity 8 – 10 m3s-1. Provoz je plně automatizován navzdory velkému množství splavenin a dlouhodobých mrazů v zimním období.
Typickým znakem dnových odběrů vody je odběrný žlab, který je umístěn v betonovém nebo zděném vzdouvacím prahu. Žlab překrývají husté jemné česle. Odebíraná voda propadá česlemi do žlabu a je pak dále odváděna do usazováku a jím dále k vlastnímu vtlakovému toku do přivaděče. Rozměry usazovacího prostoru se navrhují tak, aby došlo ke zmenšení rychlosti pod hodnotu unášivé rychlosti a mohlo tak dojít k sedimentaci splavenin.
- 15 -
2.3. Přiváděcí a odpadní zařízení
Obr.5: Beztlakový přivaděč – náhon Úkolem přiváděcího a odpadního zařízení je dovést vodu k turbínám a odvést vodu, poté co předala svoji energii turbíně. Pro přívod vody na turbínu je obvykle energie dostatek, k jejímu odvádění je k dispozici pouze energie, která zbyla po využití původní energie vodnímu turbínami. Při návrhů přivaděčů a odpadů je nutné postupovat tak, aby v nich bylo spotřebováno co nejméně energie. U malých vodních elektráren je snaha omezit délku přivaděče a odpadu na co nejmenší možnou délku, protože dlouhé přivaděče a odpady odebírají velkou část průtoku z původního toku a navíc prodražují stavbu. Přivaděče a odpady dělíme podle dvou kritérií: podle tlakového poměru na beztlakové s volnou hladinou a na tlakové; z konstrukčního hlediska je dělíme na kanály, náhony, žlaby, štoly, potrubí a šachty.
- 16 -
2.3.1. Beztlakové přivaděče a odpady Beztlakové přivaděče a odpady jsou otevřené kanály, náhony a žlaby. Navrhují se poměrně často pro přívod vody k malým vodním elektrárnám a odvod vody od nich zpět do toku. Z konstrukčního hlediska je dělíme na zakryté a nezakryté.
2.3.1.1. Konstrukční řešení beztlakových přivaděčů a odpadů Při návrhu přivaděčů je nutné dbát na jejich těsnost. Je zapotřebí zabránit únikům vody, protože uniklou vodu není možné energeticky využít a také proto, že průsaky vody mohou zamokřit okolní pozemky a znehodnotit tak jejich výtěžnost. Prvním signálem o změně vlhkostních podmínek v okolí přivaděče bývá výskyt mokřadních rostlin. Oproti tomu odpadní kanály bývají často zahloubeny pod úroveň spodní vody. Také se často navrhují bez těsnění, takže zároveň slouží jako odvodňovací kanály okolních pozemků. Vedení trasy přivaděčů a odpadů je třeba navrhnout co nejkratší, protože budování těchto objektů je nákladné. Nejlepším řešením je vedení jejich trasy po vrstevnici, což umožní soutředit potřebný spád na vodní elektrárně. Vedení trasy je nutné navrhnout co nejpřímější, protože tak se zabrání zvětšování hydraulických ztrát změnou směru proudění, opevňování konkávních břehů v obloucích, sedimentaci splavenin na konvexních stranách oblouku a tvoření ledových bariér v obloucích koryt. Pro návrh neopevněného svahu jsou rozhodující vlastnosti zeminy, ze které je svah budován, zejména úhel vnitřního tření zeminy a její koheze. Tyto vlastnosti ovlivňují stabilitu svahu koryta, kterou je nutné prokázat statickým výpočtem. Je nutné počítat i s dlouhodobým působením klimatických vlivů – déšť, vysychání či mráz. Sklon svahu se vyjádří pomocí poměru 1:m, kde koeficient m závisí na typu zeminy svahu. Pokud je svah prováděn ve vrstevnatých zeminách, je třeba upravit jeho sklon podle vlastností dané vrstvy.
- 17 -
Obr.6: Geometrie kanálu
Svahy opevněné betonovým nebo kamenným obkladem mají sklon 1:1,5 až 1:2. U vyšších svahů se může volit i odstupňovaný sklon, u paty svahu strmější a u koruny pozvolnější. Šířka koruny se u malých kanálů navrhuje v rozmezí 1,5 až 2,0 m, u velkých kanálů 3 až 4 m.
2.3.1.2. Hydraulické řešení kanálů Návrh hydraulického profilu kanálu vychází z hydrotechnického řešení celého hydraulického obvodu vodní elektrárny. Je potřeba stanovit:
–
maximální kapacitu kanálu
–
průběh hladin při různých provozních stavech vodní elektrárny
–
hydraulické ztráty v kanálu
–
hydraulicky nejvhodnější průřez kanálu
–
ztráty vody výparem a průsaky
- 18 -
2.3.2. Tlakové přivaděče a odpady
Obr.7: Tlakový přivaděč – potrubí
Tlakové přivaděče jsou ve srovnání s přivaděčemi s volnou hladinou výrazně dražší, takže pokud je to možné, je doporučeno je neinstalovat. V mnoha případech je však tlakový přivaděč jediným možným řešením a to i u malých vodních elektráren, kde se používají krátké tlakové přivaděče. Jednotlivé typy tlakových přivaděčů se liší především použitým materiálem; běžně se používá ocel, litina, železobeton nebo plasty. Proudění vody v tlakových přivaděčích může být ustálené nebo neustálené. Pro návrh tlakového přivaděče je nutné vypracovat hydraulický výpočet, který je založen na předpokladu ustáleného proudění.
- 19 -
2.3.2.1. Místní ztráty u tlakových přivaděčů –
ztráty vtokové a výtokové
–
ztráty změnou průřezu přivaděče – rozšířením a zúžením
–
ztráty změnou směru – kolena a oblouky
Velikost místních ztrát určíme podle Weissbachova vztahu
Yz
ξ⋅
v
2
2
(6)
2.3.2.1.1. Ztráty ve vtoku Ztráty ve vtoku závisí především na jeho tvarové úpravě a celkovém uspořádání. Podle typu uspořádání a umístění vtoku se určí součinitel místních ztrát ξ. Jeho hodnota se pohybuje v intervalu 0,04 až 1,00.
Obr.8: Určení ztrátového součinitele z geometrie vtoku
- 20 -
2.3.2.1.2. Ztráty ve výtoku Ztráty ve výtoku jsou způsobeny rozšířením výtokového průřezu. Součinitel místních ztrát nabývá hodnot 0,5 až 1,0. Konečným profilem hydraulického systému vodní elektrárny bývá konečný profil tzv. savky. Jejím úkolem je snížit výtokovou rychlost na minimum postupným zvětšováním svého průřezu a tak se podle Weissbachova vztahu sníží i velikost místních ztrát.
2.3.2.1.3. Ztráty změnou průřezu Do této kategorie patří také ztráty ve vtoku ( zúžení ) a ve výtoku ( rozšíření ). Součinitel místních ztrát se stanoví pomocí poměru plochy S2 ku ploše S1, kde S2 je plocha po rozšíření a S1 je původní plocha. Při rozšíření dosahuje ztrátový součinitel poměrně velkých hodnot, které mohou být pro daný hydraulický systém nepřípustné. Proto je lepší se rozšiřování potrubí vyhnout. Zúžení profilu potrubí však představuje poměrně malé ztráty a navíc má velký význam v hydraulickém systému, protože dovoluje zhuštění proudových vláken a vyrovnání rychlostí v rámci průřezu přivaděče. Velikost součinitele ztrát při náhlém zúžení se určí takto:
ξ
1 − 1 ε
2
(7)
ε
0 , 043 1, 1 − n
+ 0 , 57
(8)
n
S2 S1
(9)
- 21 -
2.3.2.1.4. Ztráty změnou směru proudění Tyto ztráty vznikají v kolenech tlakových přivaděčů vodních elektráren a při jejich návrhu je třeba volit co nejmenší křivost, což je poměr mezi poloměrem oblouku r, který se měří k ose potrubí, a průměrem potrubí D. Jako optimální křivost lze označit hodnoty 2 až 3. Ztrátový součinitel pro výpočet hydraulické ztráty při proudění v oblouku se určí jako součet ztrátového součinitele vzniklého zakřivením proudu ξm a ztrátového součinitele, který vyjadřuje ztrátu třením při proudění vody v oblouku ξt. Tyto hodnoty se určují z tabulek.
2.4. Výrobní a provozní objekty vodní elektrárny Hlavní částí malé vodní elektrárny je vlastní stavba, ve které dochází k výrobě elektrické energie. Je tvořena budovou vodní elektrárny se strojovnou a dalšími provozními objekty. Základním vybavením strojovny je turbína, generátor a transformátor. V obvyklém provedení má budova vodní elektrárny dvě hlavní části: spodní a horní stavbu. Spodní stavba se nachází pod úrovní podlahy strojovny. Ze statického hlediska působí na spodní stavbu typická namáhání pro vodní stavby – zejména vodní tlak, vztlak a průsak. Bývá obvykle nejsložitější konstrukční částí, protože přenáší do základů stavby a podloží veškeré namáhání, jakož i tíhu všech konstrukcí a zařízení. Spodní stavba je poměrně často řešena jako monolitická betonová konstrukce, někdy jako odlehčená železobetonová konstrukce. V ní jsou navrženy potřebné prostory pro soustrojí, jeho příslušenství a komunikace. Také jsou zde umístěna zařízení potřebná pro zabezpečení provozu soustrojí, jako například uzávěry, synchronní ventily, čerpací agregáty mazacího a tlakového oleje, čerpadla chladící a prosáklé vody, chladící kompresory s potrubními armaturami, strojní a pomocné rozvaděče se silovými, ovládacími a signalizačními kabely, hydraulické pohony uzávěrů apod. Rozměry spodní stavby závisí zejmena na volbě typu soustrojí, zda je uspořádáno vertikálně či
- 22 -
horizontálně, dále na rozměrech oběžného kola turbíny, velikosti sací výšky, na rozměrech a provedení spirály nebo spirální skříně a na tvaru savky nebo odváděcí komory.
Obr.9: Možnosti řešení spodní stavby MVE 1 – savka, 2 – dělící pilíř, 3 – hydroalternátor, 4 – strojovna, 5 – jeřábová dráha, 6 – vtoková část, 7 – odváděcí komora, 8 - hydroalternátor Horní stavba budovy vodní elektrárny je část nad úrovní podlahy strojovny. Zde se nachází horní část hydroalternátorů s budiči a regulátory, kontrolní panely jednotlivých soustrojí, transformátory, mostové nebo jiné jeřáby a montážní plošina, která je napojena na příjezdovou komunikaci. Horní stavba strojovny může být řešena jako zakrytá, polozakrytá, nebo odkrytá.
- 23 -
Obr.10: Typy horní stavby strojovny MVE
Zakrytá strojovna má charakter průmyslové haly, jsou v ní umístěna všechna základní i pomocná zařízení, mezi nimi i obslužní mostový jeřáb a montážní plocha. Rozměry strojovny jsou dány požadavkem bezpečného přemisťování oběžného kola turbíny a rotoru generátoru podél strojovny až po montážní plochu jeřábem. Tento typ strojovny je investičně náročný, ale výhodou je ochrana před vnějšími atmosférickými vlivy při montážích a opravách. Výhodou polozakryté strojovny jsou menší rozměry, aniž by to významně omezilo pohodlí při provozu a obsluze vodní elektrárny. Nad zakrytou částí strojovny je umístěn pouze hlavní obslužný jeřáb, všechna ostatní zařízení vodní elektrárny jsou v její zakryté části.
Odkrytá strojovna je řešena bez horní stavby, a tak je toto řešení finančně nejúspornější. Hydroalternátor je umístěn pod odnímatelným krytem, pomocná zařízení na různých podlažích spodní stavby strojovny.
2.4.1. Montážní prostor Montážní prostor je potřebný pro montáž částí soustrojí a dalších zařízení v době výstavby vodní elektrárny a pro provádění oprav během jejího provozu.
- 24 -
2.4.2. Provozní část
Obr.11: Rozvodna
Provozní část malých vodních elektráren bývá obvykle součástí horní stavby strojovny. Zde jsou umístěny zařízení potřebná pro provoz vodní elektrárny – transformátor vlastní spotřeby, rozvaděč nízkého napětí, zařízení automatického provozu, akumulátorovna s náhradním zdrojem pro případ výpadku MVE, kompresorová stanice, dílna, sklad a sociální zařízení.
- 25 -
3. Strojní zařízení MVE 3.1. Vodní motory a jejich dělení Vodní motory, které se využívají v malých vodních elektrárnách, dělíme podle různých kritérií. Základním dělením se vodní stroje dělí na vodní kola, turbíny a ostatní vodní stroje. Vodní kola dělíme podle způsoby využívání energie vody na lopatková a korečková, další kritérium je podle nátoku vody na vodní kola s dolním, středním a horním nátokem.
Obr.12: Vodní kolo
3.1.1. Vodní kola Vodní kola jsou nejstarší rotační vodní stroje, objevily se poprvé asi před tisíci lety v Indii a Číně, kde se používala k pohonu mlýnů a k zavlažování. Jejich velkou předností je vysoká účinnost, která dosahuje až 80%. Vodní kola umožňují efektivně využívat vodní energii i při - 26 -
nejnižších užitných spádech pod 0,5 m. Lopatková kola jsou výhodnější, protože mohou využívat i velmi malé spády. Korečková kola mají sice podobně vysokou účinnost, ale až při spádu nad 3 m, kde se už dnes téměř výhradně používají moderní vodní turbíny. Lopatkové kolo tvoří dvojice bočních věnců, které jsou spojeny lopatkami a hřídelem. Voda předává energii vodnímu kolu takto: Proud vody postupuje na lopatku ve směru tečny k povrchu lopatky v místě její vstupní hrany a proudí po lopatce až k jejímu konci. Aniž by došlo k přelití vody dovnitř kola, proud se vrací opačným směrem a opouští lopatku na stejné hraně, na které na ni vstupoval. Celá energetická přeměna se odehrává výhradně na lopatkách, voda nesmí vtékat do vnitřku kola. Pro dokonalé využití vodní energie je potřeba, aby co nejmenší množství vody zůstalo nevyužito. Proto bývá vodní kolo uloženo v pracovním kanálu velmi těsně, s mezerami jen 10 – 15 mm.
Obr.13: Uspořádání vodních kol a) vrchní nátok b) střední nátok c) spodní nátok
- 27 -
3.1.2. Vodní turbíny
Obr.14: F rancisova turbína
Vodní turbína je točivý mechanický stroj, který přeměňuje hydraulickou energii vody na energii mechanickou. Předchůdcem vodní turbíny bylo lopatkové kolo. Základní hledisko pro dělení vodních turbín je způsob přenosu energie vody, podle něj rozlišujeme turbíny akční (rovnotlaké) a reakční (přetlakové). Typ turbíny je určen stupněm reaktivnosti turbíny λ. Je-li stupeň reaktivnosti větší nebo v krajním případě roven 0,5, je využívána větší část tlakové energie vody než kinetické a turbína je reakční, v obráceném případě je turbína akční. Mezi reakční turbíny patří turbíny vrtulové, Thomanovy, Kaplanovy a Francisovy, zatímco Peltonova turbína je turbína akční.
- 28 -
Obr.15: Nejběžnější vodní turbíny 1 – spirála, 2 – horní výztužný kruh, 3 – dolní výztužný kruh, 4 – výztužná lopatka, 5 – horní lopatkový kruh, 6 – dolní lopatkový kruh, 7 – rozváděcí lopatky, 8 – víko turbíny, 9 – dýza, 10 – vodící kříž, 11 – regulační jehla, 12 – oběžné kolo, 13 – lopatky (korečky), 14 – deflektor (deviátor), 15 – vtokové těleso, 16 – regulační klapka, 17 – skříň, 18 – kryt, 19 – zavzdušňovací ventil, 20 – odpadní kus
Zvláštním typem jsou Bánkiho turbíny, nazývané také jako příčně protékané. Tyto turbíny se sice řadí mezi akční, ale pokud je u nich použita savka, mohou být i reakční. Důležitým znakem těchto turbín je příčné protékání turbín vodou, takže voda přijde do styku s lopatkami oběžného kola na jeho vstupu i výstupu. K ostatním vodním motorům řadíme například kulovou turbínu, která využívá rotační energie víru při výtoku vody otvorem.
V malých vodních elektrárnách se nejčastěji používají Francisova a Kaplanova turbína, proto bude zde o nich pojednáno podrobněji.
- 29 -
3.1.2.1. Francisova turbína Francisova turbína je přetlaková, radiálně axiální. Oběžné kolo je opatřeno pevnými oběžnými lopatkami spojenými s věncem a nábojem kola. Regulační orgán je rozvaděč s natáčivými rozváděcími lopatkami, které jsou ovládané regulačním mechanismem. Obvyklé provedení turbíny je vertikální nebo horizontální se spirálou a sací troubou. Klasické provedení je kašnové nebo kotlové. Používají se také jako reverzibilní stroje – čerpadlové turbíny. Jsou nejdéle využívaným typem moderních turbín. Konstrukčně vychází z Howdovy turbíny, u které byl poprvé použit dostředivý průtok u radiálního stroje.
Obr.16: Tvar oběžného kola v závislosti na jmenovitých otáčkách turbíny, se zvyšujícími se otáčkami se průměr oběžného kola zmenšuje
3.1.2.2. Kaplanova turbína Kaplanova turbína je přetlaková, axiální. Oběžné kolo je bez vnějšího věnce a má lopatky umístěné natáčivě v náboji kola. Náboj má vhodný tvar, zjednodušeně se dá říct, že se jedná o válcový tvar s částí kulové plochy. Lopatky jsou ovládané regulačním mechanismem, který je osazený uvnitř náboje kola. Osa čepů lopatek je s osou náboje kolmá. U standardních provedeních se plynulé natáčení provádí za provozu stroje. Rozvaděč, který může být řešen jako radiální, diagonální až téměř axiální, má rovněž natáčivé lopatky, které jsou ovládané - 30 -
vlastním regulačním mechanismem. Změna polohy oběžných a rozváděcích lopatek je prováděna současně. Obvyklé provedení Kaplanovy turbíny je vertikální, případně horizontální se spirálou. Kaplanova turbína má značný význam pro oblasti s velkými průtoky a malými spády.
Obr.17: Oběžné kolo Kaplanovy turbíny v poloze otevřené, polootevřené a zavřené (zleva doprava)
- 31 -
3.1.2.3. Vhodnost jednotlivých turbín pro daný spád
Obr.18: Vhodnost jednotlivých turbín pro daný spád
3.1.2.4. Hlavní parametry turbíny Průtok turbínou Q– množství vody protékající turbínou za jednotku času, mimo průtok oběžným kolem je v něm zahrnuto i množství vody, které protéká mezi mezerami mezi statorem a rotorem, ucpávkami a netěsnostmi turbíny a také množství vody potřebné pro chlazení ložisek turbíny, pokud je tato voda odebírána z přívodního potrubí. Určující je jmenovitý průtok při jmenovitých otáčkách a jmenovité měrné energii turbíny. Jmenovité hodnoty jsou takové, při kterých má turbína nejlepší hydraulické vlastnosti.
- 32 -
Měrná energie turbíny E – podle zákona zachování energie je dáno rozdílem celkových měrných energií kapaliny ve vstupním a výstupním průřezu stroje
E
p1 − p2
E1 − E2
ρ
+ g ⋅ h 1 − h 2 + 0 , 5⋅ c1 − c2
(
)
2
2
(10)
Stejně jako u průtoku je i zde určující jmenovitá měrná energie při jmenovitých otáčkách a jmenovitém průtoku.
3.1.2.5. Přidružené parametry turbíny Otáčky turbíny n – provozní otáčky by měly být stejné jako otáčky jmenovité. Pokud je však turbína spojena přímo s generátorem, je volba otáček podřízena použitému typu elektrického generátoru. Výkon turbíny P – jedná se o mechanickou energii přenášenou hřídelí turbíny za jednotku času
P
M k⋅ ω
M k⋅ 2π ⋅ n
(11) Účinnost turbíny η – je definována jako poměr mechanického výkonu a hydraulického příkonu. Zahrnuje všechny ztráty energie, k nimž v turbíně dochází, její hodnota je vždy menší než jedna. Celková účinnost turbíny je dána součinem účinnosti hydraulické, mechanické a objemové.
η
M k⋅ 2π n Q⋅ ρ⋅ E
(12) - 33 -
3.2. Převody
Obr.19: Řemenový převod ve strojovně MVE Z hlediska technologického vybavení vodní elektrárny jsou převody velmi důležité. U velkých soustrojí je přenos mechanické energie realizován přímým spojením hřídele turbíny s generátorem, který je konstruován přímo na otáčky turbíny. U malých vodních elektráren se však používá jako generátor typový asynchronní motor, který má poměrně vysoké otáčky a proto je zapotřebí použít pro spojení rotujícího hřídele turbíny s generátorem převodu do rychla. Na převody jsou kladeny poměrně vysoké požadavky – provozní spolehlivost, dlouhodobá životnost, vysoká účinnost a malé nároky na prostor a údržbu. Jako převodové ústrojí lze použít ozubená soukolí, řemenové převody, lanové převody a řetězové převody.
3.2.1. Ozubená soukolí Ozubená soukolí se používala u většiny nízkospádových vodních elektráren. Ozubená kola byla dřevěná (habrová) nebo ocelová. U vodních elektráren se používají ozubení čelní nebo kuželová. U čelního ozubení jsou soukolí rovnoběžná, podle druhu ozubení rozlišujeme zuby přímé, šikmé a šípové. Kuželová ozubení mají buď mimoběžné osy, nebo se protínají; nejčastěji jsou na sebe kolmé. - 34 -
Podle druhu ozubení dělíme zuby na přímé, šikmé, spirální, hypoidní a šípové. Účinnost ozubených převodů závisí na druhu ozubení, přesnosti výroby, drsnosti povrchu zubů, stupni opotřebení atd. Maximální účinnost u ozubeného soukolí je 97%. Na jednom stupni lze realizovat převod do 1:10; u vyšších převodů je nutné volit dvoustupňové převody. Někdy se také používá kombinace s jiným typem převodů, například s řemenovým převodem.
3.2.2. Řemenové převody Tyto převody patří k nejrozšířenějším. Jako nosné prvky řemenů se používají uhlíková či polyamidová vlákna, textilní vložky apod. Z hlediska konstrukce řemenů je dělíme na ploché, klínové a ozubené. Plochými řemeny můžeme realizovat převod až do 1:15, maximální obvodová rychlost je 70ms-1. Předpětí se volí jako 1 až 1,5 násobek síly, kterou je řemen namáhán při přenášeném výkonu. Hodnoty účinnosti se pohybují mezi 96 až 98%. Klínové řemeny jsou náročnější na přesnost výroby. Maximální převodový poměr je 1:10, limitní obvodová rychlost asi 40 – 60 ms-1. Pracovní předpětí je přibližně 1,5 krát menší než u plochých řemenů. Při provozu se však nevratně protahují, proto se často používají násobné klínové řemeny, účinnost je kolem 98%. Ozubené řemeny jsou technicky nejdokonalejší, jsou vhodné i pro výkony kolem 300 kW, přičemž mají účinnost až 99%.
3.2.3. Lanové převody Lanové převody se používaly hlavně v minulosti. K přenosu sil sloužila lanovice s drážkami a lana dříve bavlněná nebo konopná, později ocelová. Maximální převodový poměr je 1:15, mají menší prokluz než řemenové převody a jejich účinnost je až 99%.
- 35 -
3.2.4. Řetězové převody U vodních turbín se používají článkové řetězy jednořadé, které mohou pracovat pouze ve vodorovné poloze, a víceřadé. Převodový poměr bývá do 1:15, maximální obvodová rychlost 20 ms-1 a jejich účinnost je asi 98,5%.
4. Ekonomická efektivnost MVE Ekonomická efektivnost MVE prakticky rozhoduje o tom, jestli se vodní elektrárna bude stavět či nikoliv. Z toho důvody jsou ekonomické výpočty stejně důležité jako výpočty technické a hydrotechnické. Základem výpočtu ekonomické efektivnosti je vypracování peněžního toku "cash flow" , což je finanční plán výstavby a provozu MVE, neboli bilance nákladů a příjmů. V nákladech mohou být zahrnuty i finanční náklady, které vyplývají z případných úvěrů. Vlastní finanční plán výstavby a provozu MVE vyplývá z bilance aktiv a pasiv. V aktivech jsou uvedeny ceny pořizovaného hmotného a nehmotného investičního majetku včetně finančního majetku, v pasivech jsou uvedeny vlastní a cizí zdroje na pořízení investice a její provozování. Z finančního plánu vyplývá tvorba kumulativního výsledku na konci jednotlivých let; v době, kdy se dosáhne nulové hodnoty, je investice splacena. Časový rozdíl mezi touto dobou a zahájením výstavby elektrárny je doba splatnosti. Při sestavování nákladů na provoz malých vodních elektráren je také důležité započítat odpisy stavební i technologické části. Odpisy představují budoucí zdroj financí, za který bude možné v budoucnosti vodní elektrárnu renovovat. V zákoně č.586/92 Sb.,§ 19, odstavci 1d je uvedeno, že příjmy z provozu MVE do výkonu 1 MW v tom roce, kdy byla MVE uvedena do provozu a v dalších pěti letech, jsou osvobozeny od daně z příjmů. Tato daňová úleva je podporou pro podnikání v oblasti ekologických zdrojů energie. Příjmy z provozu MVE lze spočítat s velkou přesností, protože odpovídají množství vyrobené elektrické energie. Při jejich výpočtu není možné uvažovat nepřetržitý provoz elektrárny, protože je nutné počítat s přestávkami na revize či opravy, a tak se tyto stavy zahrnou do
- 36 -
procentuální srážky z celkové vyrobené energie. Ekonomické vyhodnocení je také třeba provést při výběru finálního návrhu z několika variant řešení. V tomto případě je nutné uvažovat časovou hodnotu peněz, která vyjadřuje skutečnost, že se vzhledem k úrokování a inflaci hodnota peněz může i dramaticky měnit. Různé varianty řešení představují různou náročnost na peníze v různých časových obdobích. Pro vzájemné porovnání těchto variant je nutné vztáhnout všechny zúčastněné částky a závazky k jedinému časovému horizontu, který se nazývá referenční datum. Každou finanční částku lze na časové ose posunout vpřed nebo vzad pomocí diskontování. Referenční datum je sice možné zvolit libovolně, ale z numerického hlediska je výhodné zvolit jej jako datum, kdy byla započata stavba. Součinitel diskontace se určí podle vztahu:
k = (1+i)n (13) kde i je diskontní sazba a n vzdálenost v letech na časové ose od referenčního data. V případě promítání finančních částek vzad je nutné příslušné částky součinitelem diskontace dělit, v opačném případě se to součinitelem diskontace násobí. Diskontní sazba se určuje jako součet jejich částí i1...skutečná míra návratnosti (2 až 3%) i2...inflační riziková míra (5% i víc) i3...riziková míra (2 až 6%) i4...ekonomická životnost (2 až 4%)
V mnoha případech bývá výhodnější ta varianta, ve které je zapotřebí investovat významnější prostředky až na konci stavby.
- 37 -
V současných podmínkách České republiky je možné investici výstavby MVE hodnotit podle doby návratnosti jako velmi dobrou (do 5ti let) a dobrou (5 – 10 let). V zahraničí bývají tyto doby přibližně o pět let delší.
5.Technické podmínky pro provoz a obsluhu MVE 5.1.Podmínky pro provoz
1.1. Před připojením stávající MVE k zařízení pro veřejný rozvod musí její provozovatel předložit příslušnému rozvodnému závodu revizní zprávu, která prokazuje vyhovující stav MVE včetně přípojky. 1.2. Před uvedením do provozu nově zřízené nebo podstatně rozšířené MVE musí její provozovatel předložit výchozí revizní zprávu ve smyslu ČSN 33 15 00 a veřejno-právní povolení potřebná pro zřízení a provozování připojené MVE energetické společnosti typu SME, JME, VČE apod. 1.3. Pracovníci energetické společnosti musí mít kdykoliv možnost odpojit MVE od zařízení pro veřejný rozvod a nesmí překročit meze stanovené ČSN 34 00 35 i v případech poruchových stavů v síti nebo MVE. Tvar křivky napětí generátoru musí odpovídat ČSN 35 00 00. 1.4. S ohledem na místní podmínky je u každé MVE řešena samostatně kompenzace účiníku. Rozhodnutí o velikosti kompenzace a způsobu jejího provozu je zakotveno ve smlouvě o dodávce elektřiny. 1.5 . Umístění a druh měřícího zařízení včetně způsobu měření určí příslušný rozvodný závod. Dodávka elektřiny do zařízení pro veřejný rozvod se měří obvykle v místě, kde elektřina přechází ze zařízení provozovatele MVE do zařízení pro veřejný rozvod a to podle údajů měřícího zařízení, jehož vlastníkem je příslušná energetická společnost. - 38 -
1.6. MVE musí mít samostatné měření činné energie dodávané a odebírané. U MVE, kde byl sjednán provoz se stanoveným účiníkem, nebo kde se požaduje kompenzace, musí být i měření jalové energie. 1.7. U stroje s výkonem nad 30 kW musí být zajištěno automatické odpojení MVE od zařízení pro veřejný rozvod, pokud se generátor dostane do motorického stavu. 1.8. Při ztrátě napětí v zařízení pro veřejný rozvod musí být zajištěno automatické odpojení MVE od zařízení pro veřejný rozvod a automatické zablokování tohoto odpojení do doby obnovení napětí. Toto se nevztahuje na krátkodobou ztrátu napětí při působení tzv. opětného zapínání.
5.2. Podmínky pro obsluhu MVE a práce na elektrickém zařízení MVE 2.1. Provozovatel odpovídá za dodržování podmínek stanovených příslušnou energetickou společností ve smlouvě o dodávce elektřiny i za dodržování podmínek stanovených pro provoz MVE ve veřejno-právních povoleních podle vodního zákona č.138/73 Sb. a podle stavebního zákona č.50/76 Sb. a jejich prováděcích předpisů a podle Zákona o podmínkách podnikání a o výkonu státní správy v energetických odvětvích a o státní energetické inspekci, i když nejsou zahrnuty v uzavírané smlouvě o dodávce elektřiny. 2.2. Provozovatel odpovídá za dodržování bezpečnosti při obsluze MVE a práci na elektrickém zařízení MVE ve smyslu ČSN 34 31 00 a přidružených norem a dále za dodržování všech dalších předpisů a norem souvisejících s provozem MVE.
- 39 -
5.3. Náležitosti revizní zprávy Revize elektrického zařízení MVE se provádí každých 5 let. Zpráva o revizi obsahuje a) den zahájení a ukončení b) jméno revizního technika c) název elektrického zařízení d) vlastní a cizí zdroje elektrického proudu e) jiná zařízení – transformátory, kondenzátory, usměrňovače a kompenzátory f) typ soustavy (obvykle 3x230/400 V) a způsob ochrany před nebezpečným dotykovým napětím g) instalace motorů, tepelných spotřebičů, žárovkových svítidel a jiných spotřebičů včetně výkonu a celkový instalovaný výkon h) stav zařízení od poslední revize i) použité měřící přístroje j) celkový závěrečný posudek k) počet stran zprávy o revizi l) počet příloh m) počet vyhotovení zpráv n) rozdělovník vyhotovení zpráv mezi provozovatele a revizního technika o) podpisy provozovatele a revizního technika včetně jeho razítka p) datum předání revizní zprávy
- 40 -
6. MVE Crhov
Obr.20: Schéma MVE Crhov
V této kapitole bude pojednáno o konkrétní MVE, která se nachází v místě mého bydliště. Nachází se na 9,74 km řeky Březné na katastrálním území Crhov, okres Šumperk, Olomoucký kraj. Jejím provozovatelem je pan Petr König.
- 41 -
6.1. Historie
Obr.21: Fotografie mlýna a pily z 20.let 20.století Původní mlýn byl zbudován asi před 400 lety předky pana Königa. Rod Königů byl známý budováním mlýnů i jiných vodních děl na území dnešního šumperského okresu. Dědeček pana Königa přestavěl mlýn na začátku 20.století do moderní podoby a k tomu také zbudoval pilu se dvěma katry, z nichž jeden byl vyroben ve Varnsdorfu a druhý v nedalekém Postřelmově firmou Vítek. Za první republiky byl monopolním dodavatelem řeziva na vojenské pevnosti u Králík, blízko tehdejší československo-německé, dnes česko-polské hranice. Na horní vodě u mlýna se nacházela žlabová kola o průměru 4,5 metru a šířce 1,5 metru, podobná těm na mlýně v Ratibořicích. Byla uložena na ocelových hřídelích o průměru 80 mm spojených spojkami; celková délka byla přibližně 18 metrů. Ve strojovně mlýna byla použita litinová palečnicová kola s habrovými špalky, která se předtím vyvařovala v hovězím loji nebo kolomazi. Předchůdkyně dnešní elektrárny měla výkon asi 7 koní, a dodávala energii jednak na mlýn a pilu a také do Crhova. Je však potřeba připomenout tehdejší energetickou nenáročnost, protože tenkrát nebyly takové elektrospotřebiče jaké známe dnes, ale jednalo se spíše o osvětlení v domácnostech a místním hostinci. Výhodou mlýna byly i poměrně dobře dostupné železnice, a to hlavně v Hoštejně na trati Ostrava-Praha, který je od pily vzdálen přibližně 11 km. Tam bylo řezivo dopravováno - 42 -
koňskými povozy a potom také nákladními automobily. K mlýnu patřilo i menší hospodářství se čtyřmi koňmi, několika kusy hovězího dobytka a drůběží. Pracovalo zde až 15 zaměstnanců, byli zde zaměstnáváni i místní chudí lidé, kteří zde za výpomoc dostávali především potraviny pro své rodiny. Byly rovněž vytvořeny projekty na vybudování trati Hoštejn-Štíty údolím řeky Březné; ve Štítech navazovaly tratě do Východních Čech a také do Jeseníků. Zůstalo však jen u plánů, protože zanedlouho vypukla druhá světová válka. Dříve se těžilo hlavně přes zimu a po zbytek roku byl v provozu mlýn, ale toto se změnilo nařízením Adolfa Hitlera, že těžba dřeva bude probíhat nepřetržitě a že všechno řezivo bude dodáváno na východní frontu. Území bylo připojeno k Třetí říši; jedná se totiž o tehdejší Sudety, v okolí žila i poměrně velká německá menšina. Po válce se ve mlýně a na pile opět začalo pracovat, ale vydrželo to jen do roku 1948, kdy byl vydán komunistickou stranou zákaz činnosti, původní náhon byl zasypán a jezové těleso bylo silně poškozeno. Rodina pana Königa se odstěhovala do České Lípy, a mlýn s pilou zůstal opuštěný. V roce 1965 byly také zabaveny oba dva původní katry. Po revoluci začal pan König s přestavbou na malou vodní elektrárnu, která poskytuje elektrickou energii pro pilu, mlýn už dnes v provozu není, slouží jako obytná budova. O této přestavbě je pojednáno v kapitole 6.3.
6.2. Technický popis stavby 6.2.1. Vtokový objekt s jezem Je proveden z betonu a vyztužen betonovou ocelí. Vtok do šachty je opatřen česly a stavidlem pro uzavření přívodu vody do šachty. Nad šachtou se nacházejí ovládací plošiny z rýhovaného plechu. Ve vtokovém objektu je umístěno zařízení na hlídání hladiny a regulaci stavidla. Součástí objektu je i proplachovací a odkalovací propust se sníženým dnem a stavidlem.
- 43 -
6.2.2. Přívodní náhon a jalový odpad Přívodní náhon tvoří lichoběžníkové koryto se šířkou dna 2,5 m a se sklonem svahů 1:1 o celkové délce 400 m. Zpevnění břehů je realizováno pomocí výsadby křovin. Před kašnou jsou na přívodním náhonu osazena dvě stavidla, jemná česla a obslužní lávka. Jalový odpad je obdélníkového profilu o šířce ve dně 2,0 m a výšce 1,0 m. Tento profil je zpevněný vyskládaným lomovým kamenem. Od výšky 1,0 m jsou svahy jalového odpadu upraveny do sklonu 1:1. Zaústění do náhonu je zpevněno lomovým kamenem v délce 5,0 m na každou stranu.
6.2.3. Podzemní část budovy MVE, kašna a soustrojí Podzemní část – vývařiště je provedeno z betonu vyztuženého betonovou ocelí. Stropy nad vývařištěm jsou provedeny z betonových desek typu PZD do ocelových I profilů. Pod kašnou je železobetonový monolitický strop. Vlastní kašna je betonová a jsou v ní umístěny Francisovy turbíny o hltnosti 0,8 m3s-1 a 0,4 m3s-1 o souhrnném výkonu 45,37 kW. Dále je zde umístěna ostatní technologie včetně automatického ovládání turbíny a zajištění bezpečnosti provozu. Provoz MVE je plně automatizován s občasným dohledem obsluhou.
6.2.4. Odpadní náhon a výustní objekt Je řešený stejně jako přívodní náhon se šířkou ve dně 2,5 m, sklon svahů je 1:1. Svahy jsou zpevněny zatravněním a výsadbou keřů. V místě zaústění jsou břehy a dno vydlážděny lomovým kamenem v délce 5,0 m na každou stranu.
6.3. Přestavba Pan König začal připravovat přestavbu v roce 1987, kdy tehdejší vláda začala propagovat ekologický program, včetně využívání obnovitelných zdrojů energie. Koncem osmdesátých let byla také provedena meliorace řeky Březné v úseku Štíty - Hoštejn Samotná příprava byla poměrně dlouhá a obtížná, trvala tři roky a zahrnovala vypracování projektové dokumentace, - 44 -
stavební povolení, výpis z katastru nemovitostí, příslib odběru elektřiny a také jednání s Povodím Moravy, odborem životního prostředí a se Svazem rybářů. Příprava trvala tak dlouho mj. i kvůli značným průtahům na úřadech a neochotě úředníků. Samotná přestavba byla zahájena v roce 1990 a dokončena byla roku 1995. První prací bylo opětovné vykopání přiváděcího a odpadního náhonu. Náhon je vybetonovaný přibližně 20 m za vtokovým objektem a 30 m před strojovnou, jinak je provedený ve volném terénu. Každé tři roky je potřeba jej vyčistit bagrem od nánosu říčního písku.
Obr.22: Kopání a betonování přivaděče
Strojovna MVE má železobetonové zdi, střecha je dřevěná. Původního strojového vybavení mlýna nebylo možné použít z důvodu jeho zničení. Betonu bylo potřeba opravdu velké množství, bylo zapotřebí celkově čtyřicet domíchávačů, což odpovídá přibližně 180 m3 betonu.
- 45 -
Obr.23: Příprava bednění na betonování stěn strojovny
Poté bylo opraveno poškozené jezové těleso ( jez a stavidla). Z finančních důvodů nebyly pořízeny nové turbíny, nýbrž pořízeny dvě starší Francisovy turbíny a byla provedena jejich rekonstrukce. Jejich montáž byla poměrně složitá, bylo nutné použít autojeřáb.
Obr.24: Montáž Francisových turbín
- 46 -
V dalším kroku byl instalovány asynchronní generátory spojené s turbínami řemenovým převodem. Nakonec byly provedeny veškeré elektroinstalační práce – elektrické instalace, vybudování elektrické rozvodny, provedení revize a konečné připojení MVE k síti. Po dokončení přestavby bylo třeba objekt zkolaudovat a získat autorizaci na výrobu elektřiny od Ministerstva průmyslu a obchodu a také licenci od Energetického regulačního úřadu.
Obr.25: Asynchronní generátory ve strojovně Průběh všech prací si pan König řídil sám. Celkové náklady byly 80 000,- Kč, roční příjem z prodeje eletrické energie činí přibližně 50 000,- Kč, doba návratnosti jsou tedy necelé dva roky, takže investici výstavby MVE lze hodnotit jako velmi dobrou. V současné době kupuje společnost ČEZ od pana Königa 1 kilowatthodinu za 2,23 Kč. Údržba MVE zahrnuje některé speciální úkony. Kromě obvyklých věcí, jako je například čištění česlí či kontrolu řemenů, se jedná například o vyvažování řemenic, nebo nástřik oběžných kol. Tyto úkony bývají nákladné, protože je u nás provádí jen několik firem. Řemeny mají poměrně dlouhou životnost; MVE je v provozu 13 let a jsou ještě pořád původní, i když už začínají vykazovat známky opotřebení. Provoz MVE je řízený průmyslovým počítačem, který v případě poruchy okamžitě odstaví obě turbíny a po jejím odstranění je opět - 47 -
uvede do provozu. Otevírání turbín je řešeno hydraulicky. Spád MVE je 4,8 m, výkon 45 kW a maximální průtok 1,2 m3s-1. Samotná řeka může mít větší průtok, ale na ten již není MVE dimenzována. Největšího průtoku je dosahováno ve 180 dnech - na jaře a na podzim, v létě a v zimě průtok klesá. Při maximálním průtoku jsou v činnosti obě turbíny, při sníženém průtoku jen větší turbína o hltnosti 0,8 m3s-1 a při minimálním průtoku (například v období sucha, kdy v řece teče málo vody) menší turbína o hltnosti 0,4 m3s-1.
7. Závěr Cílem této práce bylo získání základní představy o malých vodních elektrárnách, jejich provozu a údržbě. Nejdříve jsem se věnoval obecnému výkladu o malých vodních elektrárnách, a poté konkrétně MVE Crhov a její přestavbě. Jsem toho názoru, že nejdříve jsou nutné určité obecné znalosti o MVE, jejich stavebním řešení a strojním vybavení, z důvodu lepšího porozumění pasáži o přestavbě. Nabízí se otázka, jaká budoucnost čeká malé vodní elektrárny. Věřím tomu, že budou hrát v energetice stále významnější roli, a že se jejich počet bude zvyšovat. Tím hlavním důvodem je podle mého názoru jejich ekologický přínos, tento důvod je v dnešní době důležitější než kdykoli jindy. V minulosti bylo v provozu velké množství mlýnů, pil, hamrů a ostatních vodních děl a vodní energie tak byla využívána podstatně víc než dnes. Jedná se také o mnohdy pracně nabyté zkušenosti našich předků, které by neměly upadnout v zapomnění. Dobrým signálem je, že vodní energie nyní zažívá svou renesanci a že se mnohá vodní díla dočkala rekonstrukce a jsou tedy nyní v dobrém technickém stavu. Pokud nebude zanedbána jejich údržba, mají před sebou velmi dlouhou životnost. MVE Crhov nečeká v nejbližší době mnoho změn, nepočítáme-li nenadálé poruchy. Jedná se o výměnu řemenů ve strojovně a vyčištění náhonu. Litinová oběžná kola Francisových turbín jsou sice stará přes dvacet let, ale pořád jsou v dobrém stavu a zatím není potřeba je vyměňovat. Až bude výměna aktuální, bylo by vhodné použít opět Francisovy turbíny. Pro daný průtok a spád by bylo možné použít i Kaplanovy turbíny, i když by to znamenalo nutnost částečně přestavět strojovnu. Možné jsou obě varianty, ale to již přesahuje rámec této práce.
- 48 -
8. Seznam použité literatury 1. Gabriel, P. - Čihák, F. - Kalandra, P.: Malé vodní elektrárny, 1.vydání, ČVUT Praha, 1998 2. Melichar, J. - Vojtek, J. - Bláha, J.: Malé vodní turbíny (konstrukce a provoz), 1.vydání, ČVUT Praha, 1998 3. Severomoravská energetika, a.s.: Technické podmínky pro provoz a obsluhu MEZ, 1995 4. Okresní úřad Šumperk, referát životního prostředí: Vodoprávní rozhodnutí dle §§ 8,9 a 13 zákona č. 138/73 Sb. o vodách, 1993
9. Použité bibliografické citace Obr.1: URL:
cit. [2008 – 04 – 07] Obr.2: [1], str. 86 Obr.3: URL: cit. [2008 – 04 – 07] Obr.4:URL: cit. [2008 – 04 – 07] Obr.6: [1], str.109 Obr.7: URL: cit. [2008 – 04 – 07] Obr.8: [1], str. 133 Obr.9: [1], str. 166 Obr.10: [1], str. 167 Obr.11: URL: cit. [2008 – 04 – 07] Obr.12: URL: cit. [2008 – 04 – 07] Obr.13: [1], str. 173 Obr.14: URL: cit. [2008 – 04 – 07] Obr.15: [2], str. 53 Obr.16: [1], str. 212 Obr.17: [1], str. 216 Obr.18: [2], str. 90 platné k 12.05.2008
- 49 -
10. Seznam použitých symbolů a zkratek b[mm]........................................................................................světlá vzdálenost mezi česlicemi c[m.s-1]..............................................................................................................................rychlost D[mm]....................................................................................................................průměr potrubí E[J.kg-1].......................................................................................................měrná energie turbíny g[m.s-2]..................................................................................................................tíhové zrychlení h[m].......................................................................................................................................výška hv1[m]...........................................................................kinetická energie vody vztažená na výšku hzc[m]..................................................................................................hydraulické ztráty v česlích hzv[m]...........................................................................hydraulické ztráty vtokem do profilu česlí hzvt[m]...................................................................................celkové ztráty ve vtokovém objektu kp[-]..................................................................................koeficient vyjadřující vliv podpěr česlí kd[-]..........................................................................koeficient zahrnující šikmost obtékání česlí m[-]..........................................................................................koeficient závislý na typu zeminy Mk[Nm]................................................................................................................kroutící moment n[min-1]....................................................................................................................otáčky turbíny P[W].........................................................................................................................výkon turbíny p[Pa].........................................................................................................................................tlak Q[m3s-1]..................................................................................................................průtok turbínou S[mm]..............................................................vnější průměr česlic (průměr trubky), šířka česlic v0[ms-1].............................................................................střední rychlost proudění v profilu česlí Yz[J.kg-1]....................................................................................................ztrátová měrná energie α[deg]...............................................................................úhel roviny česlí od vodorovné roviny β[-]...........................................................................................tvarový součinitel obtékání česlic ξ[-]....................................................................................................................ztrátový součinitel ξm[-]..........................................................................ztrátový součinitel vlivem zakřivení proudu ξt[-]...............................................................................................ztrátový součinitel vlivem tření ξ0[-]..............................................................................ztrátový součinitel vtoku do profilu česlí η[-].......................................................................................................................účinnost turbíny ηvt [-] ..................................................................................................účinnost vtokového objektu - 50 -
λ[-].......................................................................................................stupeň reaktivnosti turbíny ρ[kg.m-3].............................................................................................................................hustota ω[rad.s-1]...............................................................................................................úhlová rychlost ČEZ.......................................................................................................České energetické závody JME........................................................................................................Jihomoravská energetika MVE............................................................................................................malá vodní elektrárna SME....................................................................................................Severomoravská energetika VČE.......................................................................................................Východočeská energetika
11. Seznam příloh 1. Rozhodnutí o udělení licence 2. Rozhodnutí o udělení autorizace 3. Zpráva o revizi elektrického zařízení 4. Katastrální mapa 5. Podélný profil 6. Nárys a půdorys strojovny
- 51 -