Su Türbinlerinin Verimliliği ve Saha Testleri
ÖZET
Türkiye’de, devlet tarafından kurulan ve işletilen santraller 40-50 yıllık santraller olması nedeniyle rehabilitasyon gerektiren santrallerdir. Santral kurma ve işletme görevi bulunan DSİ Genel Müdürlüğü ile EÜAŞ Genel Müdürlüğü, 2001 yılında yürürlüğe giren Enerji Piyasası Kanununa göre enerji santrali kurma yerine sadece işletmesi ile görevlendirildiğinden; EÜAŞ Genel Müdürlüğü de işletmekte olduğu santrallerinde rehabilitasyon projelerine ağırlık vermeye başlamıştır.
Rehabilitasyon projelerinde en önemli kısmı türbin teçhizatları almaktadır. Türbin teçhizatlarının değiştirilmesi uzun zaman ve fazla maliyet gerektirdiğinden, santrallerde türbin verimlilik saha ölçümleri yapılarak, ünitelerin daha verimli çalıştırılması araştırmalarına gidilmiştir. Kurulduğundan beri Keban HES hariç (Gibson metodu ile verimlilik ölçümü yapılması–2005), ülkemizdeki hiçbir hidroelektrik santralde saha verimlilik ölçümü yapılmamıştı. Bu yüzden üreticinin garanti ettiği türbin verimlilik değerlerinin doğruluğu kontrol edilmemişti.Günümüzde, başlıca türbin verimliliği ölçme metotları olarak; Gibson metodu, ultrasonik yöntemle debi ölçme ve termodinamik metotla ölçme yöntemleri kullanılmaktadır. 2007 yılından itibaren Karakaya ve Keban HES başta olmak üzere bazı hidroelektrik santrallerinde termodinamik metotla saha verimlilik ölçümü yapılmaya başlanmıştır.
Anahtar kelimeler: Hidroelektrik santral, türbin, türbin verimliliği, verimlilik ölçümü
1. GENEL BİLGİLER
Hidroelektrik santrallerde şartlara göre verim ve performanslarında en çok değişiklik görülen teçhizat türbinlerdir. Türbinlerin verimleri yüke, düşüye, debiye, aşınmaya, vorteks ve tork kuvveti (moment) gibi hidrolik akım olaylarına bağlı olarak hızlı bir değişim göstermektedir. Ayrıca kavitasyon ile oluşan deformasyon da türbin verimliliğini olumsuz yönde etkileyen bir faktördür. Bu nedenlerle türbinlerin verim ve performansları diğer teçhizatlarınkine göre daha dikkatli bir şekilde, sürekli olarak takip edilmelidir [1].
Türbin verimliğini ölçmede en kritik parametrelerden birisi türbinden geçen suyun debisinin ölçülmesidir. Günümüzde ultrasonik yöntemlerle debi ölçümünde de oldukça iyi ilerlemeler sağlanmıştır. Çapı 7-8 m olan oldukça kıvrımlı su yolları için bile % 0.5 doğrulukla debi ölçümü başarılabilmektedir [1].
Kurulduğundan beri Keban hidroelektrik santralinde (HES) Gibson metodu ile verimlilik ölçümü yapılması hariç (2005) hiçbir hidroelektrik santralde saha verimlilik ölçümü yapılmamıştı [4]. Bazı hidroelektrik santrallerde (örneğin Karakaya HES) Winter Kenedy yöntemi kullanılarak türbinden akan su akışı takip edilmeye çalışılmıştır [7]. Bu yöntemde çarkın iki tarafına fark basınç ölçerler yerleştirilerek su akış miktarı düşük doğrulukla (belirsizlik yaklaşık %5) ölçülüp türbin çıkış gücünü de hesaba katarak model verimlilik ölçümlerine göre kalibrasyon yapılıp türbinin verimini ölçmek amaçlanmıştır. Ancak bu basınç ölçüm sistemlerinin çoğu zamanla arızalanmış veya ölçüm hassasiyetleri çok düşük olduğundan yeterli sonuç alınamamıştır. Genel kanıya göre sağlıklı çalışan Winter Kenedy debi ölçüm sistemlerinde kalibrasyonun saha verimlilik test sonuçlarına göre yapılması daha doğru sonuç vermektedir [2].
2. TÜRBİN VERİMLİLİK ÖLÇÜM TESTLERİ
2.1. GİBSON METODU İLE ÖLÇÜM
Saha koşullarında hidrolik türbinlerin verimlilik testlerinin yapılmasında debinin ölçümü çok önemli ve zor bir görevdir. Suyollarına dışarıdan erişim imkânının olmadığı santrallerde bu işlem özellikle daha da karmaşıktır. Bu yüzden birkaç uygun debi ölçüm metodundan biri olan Gibson metodu oldukça kullanışlıdır. Basınç zaman eğrisini elde etmek için geleneksel veri toplama sistemlerinin yerini dijital veri toplama ve kayıt sistemlerinin almış olması bu metodun cazibesini oldukça artırmaktadır.
|
Kesit 1-1 |
|
4 noktadan basınç ölçümü |
|
Salyangoz |
|
Basınç Fark ölçümü ∆P= P2-P1 |
|
Kesit 2-2 |
Şekil 1. Gibson Metodunun Türbin Cebri borularda uygulanması. [5]
Q : Volumetrik Akış Oranı (Debi)
A : Kesit Alanı
L : Segment Uzunluğu
1-1 ve 2-2 kesitleri arasında; yoğunluk ve kesit alanları su hamleleriyle değişmeyeceğine göre, Enerji eşitliği denkleminden;
ρQ2 ρ Q2 L
α1_________ + p1 + ρgz1 = α2_________ + p2 + ρgz2 + ∆Pf + ρ ∫ dx/A(x) . dQ/dt (1)
2A12 2A22 0
ρ : Su yoğunluğu, p1 ve p2 statik basınçlar, z1 ve z2 hidrometrik seviye ∆Pf : basınç kaybı
α1 ve α2 : Coriolis Katsayısı veya kinetik enerji düzeltme katsayısı (1.04 ve 1.11 limitleri arasında)
∆Pf (t) = Kf Q(t) │Q(t)│, Kf = sbt (2)
2-2 ve 1-1 kesitleri arasında ölçülen statik basınç farkı, referans seviyesi (z) ile ilişkilidir.
∆P= P2 + ρgz2 – P1 - ρgz1 (3)
2-2 ve 1-1 kesitleri arasındaki dinamik basınç farkı;
(4)
L
C = ∫ dx/A(x) (5)
0
Buradan diferansiyel denkleme ulaşılır:
dQ
ρC ______ = - ∆P -∆Pd - ∆Pf (6)
dt
(t0, tk) zaman aralığı için denklem integre edilirse;
(7)
Q0 : İlk durumdaki volumetrik akış oranı
Qk. : Son durumdaki volumetrik akış oranı
Cebri boruya dışarıdan ulaşımın olabildiği durumlarda bu metodu kullanıma hazırlamak, diğer metotlara göre daha basittir, ancak dışarıdan erişimin olmadığı durumlarda cebri boru içindeki basınç ölçüm sisteminin daha karmaşık oluşu düzenlemedeki zorluğu artırır. [5]
|
Hava ventili |
|
Basınç transduceri |
|
Basınç transduceri |
|
Cebri boru |
|
Basınç orifisi |
|
Bağlantı boruları |
|
Manifold |
|
Basınç orifisi |
|
Su drenajı |
|
Cebri boru |
|
Ring manifoldu |
|
Hava ventili |
Şekil 2. Cebri boru üzerindeki 4 basınç noktasının görünüşü. [5]
Keban HES’de rehabilitasyon ihtiyacı ortaya çıktığı için Şubat 2005 tarihinde 4’cü ünite üzerinde Gibson metodu ile bir verimlilik ölçüm testi yapılmıştır. 133 m net düşüde, 161 MW çıkış gücünde ölçülen verim % 90 bulunmuş, ölçüm belirsizliği ± % 2.5 olarak belirtilmiştir. Ancak bu ölçüm raporlarında ölçüm doğruluğu yetersiz olduğundan doğruluğu daha yüksek başka bir metotla ölçüm yapılarak değerlendirme yapılması önerilmiştir [4].
Dünyada oldukça fazla HES’de saha verimlilik ölçümü uygulama örneği mevcuttur. Bunlardan Norveç’te Svean HES’de yapılan saha verimlilik ölçümü termodinamik metotla Gibson metodunu karşılaştırmak için iyi bir örnektir. Hem Gibson hem de termodinamik metotla saha verimlilik ölçümü yapılarak bu iki metot karşılaştırılmış, testler üç ünitede de uygulanmış, ancak Gibson metodu sadece bir ünitede başarılı olmuş, diğer ünitelerde kısmen başarılı olmuştur [8].
2.2. ULTRASONİK METOTLA ÖLÇÜM
Şekil 3. Bir yatay eksenli hidroelektrik ünitesi türbininde ultrasonik metotla verimlilik
ölçümü prensip şeması.
Bir ünitenin verimliliği ( ) (türbin-generatör birlikte) ultrasonik metotla aşağıdaki eşitlik (8) ile hesaplanır [7].
(8)
Burada; (Pa) elektriksel güç, (Ph), hidrolik güçtür. Elektriksel güç generatörün çıkışından doğrudan ölçülebilir. Dolayısıyla trafo kayıplarının hesaba katılması da gerekmez. Hidrolik güç (Ph) aşağıdaki ifade ile bulunabilir.
(9)
Net düşü ( ); pi, ölçülen giriş basıncı, po, ölçülen çıkış basıncı olmak üzere suyun aktığı alan (A) ve yükseklik (Z) parametrelerine de bağlı olarak eşitlik (10) ile hesaplanır.
(10)
Yükseklik farkı (Z) eşitlik (11) ile hesaplanır.
(11)
Burada Zi, Türbin giriş seviyesi, Zo, Türbin çıkış seviyesidir.
Verimlilik ölçüm işlemi şöyle yapılır: Ultrasonik sensörlerden suyun akış hızı sinyalleri bir saniyelik periyotlarla işlem ünitesine toplanır. Düzenlenmiş sinyaller buradan analiz bilgisayarına aktarılır. Analiz bilgisayarı SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) sistemi kullanır. Alınan sinyallerin veya değerlerin dakikalık aralıklarla ortalaması alınır. Daha sonra bu ortalama değerlerle gerekli bütün hesaplamalar yapılır [7].
Verim ölçümünün yapılabilmesi için aşağıdaki koşullar gerçeklenmelidir. Türbinin net düşüsü mümkünse tasarım değerine yakın olmalı, bütün verimlilik ölçümü sırasında türbinin frekansı sabit olmalı, ölçüm boyunca güç faktörü (cos φ) generator verimliliği özelliklerine göre sabit olmalıdır. Ölçülen suyun sadece türbinin üzerinden geçtiğinden emin olunmalıdır. Normalde verimlilik ölçümü sadece bir ünitede bir kere yapılır. Bu yüzden ölçüm yapılırken diğer ünitelerin duruyor olması gereklidir ve üzerlerinden herhangi bir su akışının olmadığından emin olunmalıdır. Varsa bu kaçak miktarlar hesaba katılmalıdır. Ayrıca, türbinde verimlilik ölçümünün yapıldığı gün türbini değişik güçlerde çalıştırmak mümkün olmalıdır. En az % 80 ile % 100 arasında seçilen güçlerde 10 dakika çalıştırılma imkânı olmalıdır.
Böylece ağırlıklı türbin verimi ( ) eşitlik (12) ile hesaplanabilir.
(12)
Burada; , Nominal net düşüde garanti edilen 80 [%] yükteki verim
, Nominal net düşüde garanti edilen 90 [%] yükteki verim
, Nominal net düşüde garanti edilen 100 [%] yükteki verimdir.
Debi ölçümü, dikkat ve hassasiyet isteyen oldukça zahmetli bir çalışma gerektirir. Bu nedenle debi ölçümlerinde kullanılan debimetre veya akışmetre olarak adlandırılan cihazlar ile bunların hassasiyetleri de önem kazanır. Ultrasonik geçiş zamanlı debi ölçümünde, su içindeki askıda kalan katı parçalar ve hava kabarcıkları sinyal algılamalarında sıklıkla problemlere sebep olur. Hidrolik akım şartları ölçümleri çok büyük oranda etkilediklerinden dolayı ölçüm metodu ve ölçüm noktalarının belirlenmesine dikkat etmek gerekir. Ayrıca borunun geometrik şekli ve transdüserlerin doğru yerleştirilmesi de ölçüm hassasiyetini büyük ölçüde etkiler.
Ultrasonik metotla ölçüm sistemlerinde transdüserlerin yer ve pozisyonlarının dikkatli bir şekilde tespit edilmesi, cebri boruların kesitlerinin tam olarak belirlenmesi ve transdüserlerin nihai pozisyonları yüksek hassasiyetli ölçüm doğrusallığı için çok önemlidir. Montaj esnasında boru içine girecek şekilde monte edilen trandüserlerin akışkan akımını olumsuz yönde etkileyeceği göz önüne alınmalıdır.
Ultrasonik debi ölçerlerin hassasiyeti % 0.5 ile % 2 arasında değişmektedir. Ultrasonik adım sayısı 1-16 yola kadar ayarlanabilir, yol sayısı artırılarak daha hassas ölçme yapılabilir. Bu metot çapı 250 mm den 14.000 mm’ye kadar olan borularda uygulanabilir. 20 m/s’ye kadar akışkan hızlarının aynı hassasiyette ölçülmesini sağlar. Ultrasonik sensör ile transdüser arasındaki mesafe, 300 metreye kadar ulaşabilir. Genellikle analog çıkış 4-20 mA’dir. 4-20 mA çıkışın olması, ölçüm bilgilerinin PC ortamına taşınmasına kolaylık sağladığı gibi bu bilgilerin uzak istasyonlara taşınmasını da kolaylaştırır. Böyle bir durum hassas bir ölçümün yanında çevrimiçi bir algoritmayı da mümkün kılar [2].
2.3. TERMODİNAMİK METOT
Termodinamik metotla verimlilik ölçümü esas olarak iki tiptir [9].
Kısmi Genleşme Metodu (partial expansion, zero method): Hidrolik türbinin verimliliğini bulmak için kısmi genleşme metodu kullanılarak yüksek basınçlı su çıkarılır ve daha sonra genleştirilerek üst akış kısmı sıcaklığı T11 ve alt akış kısmı sıcaklığı T21 ‘e eşit olması sağlanır.
Avantajları; basit ekipman gerektirir ve uzun ölçüm deneyimi vardır. Dezavantajları ise; bir ölçüm noktası için uzun ölçüm süresi gerektirir, kısıtlı bir sürede otomatik veri toplamaya uygundur ve sadece bir ölçüm kısmı için tek termometre kullanmaya müsaade eder.
Direkt metot: Bazı kısımlarda ölçüm ekipmanları kısmi genleşme metodunda kullanılanlarla aynıdır. Örneğin üst akış probu tamamen aynıdır. İki metot arasındaki tek fark, iki ölçüm kısmı arasındaki sıcaklık eşitliği yerine mutlak sıcaklıkların ölçülmesidir. Verimliliğin değerlendirmesi için ölçülen sıcaklıklar farkı hesaba katılmıştır. Direkt metot ayrıca alt akış kısmında serbest bir yüzeye birden fazla termometre yerleştirilmesini mümkün kılar. Ölçüm bölümünde farklı sıcaklıkları kaydetmek ve bu şekilde değerlendirmede daha doğru değerler elde edebilmek için üç veya daha fazla termometre kullanılabilir.
Her iki termodinamik metotla yapılan ölçümlerde düşüsü 100 m den daha az olan hidroelektrik ünitelerde belirsizlik yüksek olduğundan IEC 60041 standardında bu metotlar 100 m den daha az düşülü santrallerde önerilmemektedir [6]. Termodinamik metodun temel avantajı debi ölçümünü gerektirmemesi olarak ifade edilebilir. Termodinamik metot akışkan üzerinden enerjinin sudan türbine aktarıldığı enerjinin korunumu yasasının (termodinamiğin 1. yasası) bir uygulamasıdır. Şekil 4’de termodinamik metotla ölçüm düzenlemesi görülmektedir.
Hidrolik kayıplar geçen suyun ısınmasına neden olur ve bu ısı, suyun özgül ısıl kapasitesi yardımı ile hesaplanabilir. 1 kg suyu 1K ısıtmak için gerekli ısı 4188 J’dür. Kısaca termodinamik metot, bu gerçeğe dayandırılarak bir iç verimlilik hesaplama metodudur. Örneğin 427 m düşü ile % 90 verimli bir türbinde su 0.1 K ısınır. Daha düşük düşülerde bu farklar daha da azdır. Buradan görüleceği üzere çok küçük sıcaklık farkları ölçülmek zorundadır. Yani yüksek çözünürlüklü termometreler gereklidir.
Bu metotta genel olarak verimlilik giriş ve çıkıştaki sıcaklık ve basınç değerleri ile değerlendirilmektedir. Ölçüm yapılırken yüksek basınç tarafında statik basınç ölçülür ve ilave bir örnekleme probu kullanılır. Bu prob cebri boruya girer ve bir miktar su alır. Probun içinde bir boğaz kısmı ve takiben kısmi genleşen suyun yukarı sıcaklığı ölçen bir termometre bulunur. Termodinamik metotla verim hesabı aşağıdaki denklemlere göre yapılır:
Özgül mekanik enerji;
(13)
Özgül hidrolik enerji;
(14)
Francis türbinlerde kuyruk seviyesi serbest olduğundan p2 basıncı sıfır olarak alınabilir.
Özgül hız eşitlik (15) ve (16) ile hesaplanan basınç ve sıcaklık değerlerine göre bulunur.
ve T = T1 (15)
Etkin sıcaklık (T1) ölçülen sıcaklık (T11) daha küçük olur.
(16)
ve cp değerleri (18) eşitliğinden hesaplanan sıcaklık ve basınç değerlerine göre bulunur.
ve T = T1 (17)
(18)
Ölçülen basınç p11m ölçülen yer ve sensör (algılayıcı) arasındaki yükseklik ile düzeltilmelidir.
(19)
Çıkış suyu basıncı atmosfer basıncına eşit olan Francis türbinlerde p21 = 0 bar kabul edilebilir. Üst akış probunun genleştirici kabı içindeki hız de çok düşük olduğundan burada ihmal edilebilir. Suyun eş sıcaklık faktörü ( ) ve suyun özgül ısısına (cp) karar vermek için eşitlik (20) ve (21) den faydalanılır.
(20)
(21)
Sonuçta; Termodinamik yöntemde türbin verimliliği aşağıdaki bağıntıyla hesaplanır:
(22)
ex: Özgül iç kayıplar (ihmal edilir).
Su debisi Q = 0 ile Q = Qmax = 1,3 Qn değerleri arasında değişir.
ηi : Türbin verimliliği cp : Suyun özgül ısısı
V : Suyun hızı, em : Özgül mekanik enerji
eh : Özgül hidrolik enerji ex : Özgül iç kayıplar
p : Basınç Z : Yükseklik fark
δem : em için düzeltme faktörü T : Sıcaklık
: özgül hacim : Suyun eş sıcaklık faktörü
Şekil 4. Termodinamik metotla ölçüm düzenlemesi.
3. ÖLÇÜM BELİRSİZLİKLERİNİN ANALİZİ
Belirsizlikler daha ziyade girişteki düzgün olmayan sıcaklık dağılımına, suyollarının hidrolik tasarımına, çevre ile olan ısı değişimine, ölçüm kısmındaki hıza ve hız dağılımına bağlıdır. Özellikle alçak basınç ölçüm kısmı belirsizliğinin nasıl bulunacağı önemlidir. Burada dikkat edilecek önemli iki husus şunlardır:
1- Bir istatistiksel analizde kullanılacak veri olması için ölçülen enerji dağılımını kullanarak her ölçüm kısmındaki belirsizliği hesaplamak mümkün olmalıdır. Girişte iki veya daha fazla örnekleme probu gerekli olabilir. Çıkıştaki örnekleme tertibatının tipi istatistiksel değerlendirmeyi etkileyebilir.
2- Örneğin sıcaklık terimi toplam belirsizlik hesaplamasında baskın terim olduğundan her iki ölçüm kısmında da sıcaklık dağılımın belirsizliği olarak ifade edilen enerjinin mutlak sabit büyüklüğünü kullanmak mümkün olmalıdır.
Girişte 1- 2 mK çıkışta 2- 3mK belirsizlik olması koşuluyla 50 m den 1200 m ye kadar olan düşülerde belirsizlik hesaplaması yapılabilir. Yapılan hesaplamalarda alçak düşülerde hatalı tahmin, yüksek düşülerde daha yüksek doğrulukla tahmin edilebilmektedir.
Hulaas H., Bryhni T. ve Dahlhaug O. G., çalışmalarında [10] emme borusu çıkışındaki enerjinin detaylı araştırması için birkaç tane termometre ve hız ölçer kullanarak yapılmış verimlilik ölçümünün sonuçlarını göstermişler, belirsizlik seviyelerinin hesaplanması için bir öneri de oluşturarak enerji dağılımını tartışmışlardır. Belirsizlik, % 95 güvenilirlik seviyesinde bir istatistiksel yaklaşımla hesaplanarak türbin çıkışındaki probların yeri ve sayısının bir fonksiyonu olarak daha ileri bir seviyede göstermişlerdir. Geleneksek kollektör kullanarak da bir ölçüm yapılmış ve diğer bütün araştırma ölçümleriyle bu ölçümü karşılaştırmışlardır. Bu ölçümlere göre; su hızı ile ilgili olarak ağırlıklı ve ağırlıksız verim arasındaki fark önemli değildir. Beş seviyede çaprazlanmış geleneksek kolektör ile aynı seviyelerde çaprazlanmış 6 farklı termometreli ölçümler arasındaki fark, sürekli durumda sıcaklıktaki değişim seviyesi ± 1 mK olması koşuluyla % 0.2 civarındadır.
Emme borusu kıvrımı içindeki etkin yayılımının yetersizliği yüzünden, özgül enerjinin değişimi en iyi verim noktasından kat kat daha büyüktür. Emme borusu çıkışındaki enerji dağılımı ile ilgili belirsizlik seviyesi prob yerlerinin sayısı artırılarak etkin bir şekilde azaltılabilir. Ancak çok noktadan ölçümün bütün belirsizlikleri büyük ölçüde azaltıp azaltmadığı hala bir problemdir. Ancak çok noktadan ölçüm bir yandan özgül enerjinin dağılımı ile ilgili hata seviyesini düşürürken diğer yandan maliyeti artırmaktadır. Çıkışta bir termometre yerine altı adet termometre ve altı adet hız probu kullanılarak ölçüm sistemine yeni hata kaynaklarının eklendiği göz önünde bulundurulması gereken bir durumdur
Verim ölçüm belirsizliklerinin analizi için kullanılan ifade eşitlik (17) ile verilmiştir [6].
(23)
: Ölçülen verim için toplam sistematik belirsizlik
eη : Verim belirsizliği
: Hidrolik enerji için göreceli sistematik belirsizlik
: Mekanik enerji için göreceli sistematik belirsizlik
|
Toplam Belirsizlik |
|
IEC 41 Yüksek basınç ölçüm kısmı - / + 0.2 % Alçak basınç ölçüm kısmı - / + 0.6
|
|
Yüksek basınç ölçüm kısmı - / + 1 mK Alçak basınç ölçüm kısmı - / + 3 mK
|
|
Düşü (m) |
|
[%]
|
|
Yüksek basınç ölçüm kısmı - / + 2 mK Alçak basınç ölçüm kısmı - / + 3 mK
|
Şekil 5. Türbin verimlilik ölçümü için toplam belirsizlik [8].
4. KEBAN HES’DE TERMODİNAMİK METOTLA YAPILAN TEST ÇALIŞMASI
Bu çalışmada; Keban HES’deki 4 ve 5 nolu ünitelerde saha verimlilik ölçümü uygulaması yapılarak, verimlilik eğrisinin gerçek seviyesi ve şekli ile orijinal garanti edilen verimlilik seviyesi ve şekli karşılaştırılmış, zamanla çalışan bu hidrolik türbin çarklarının verimlerinin ne kadar ve nasıl değiştiği incelenmiştir.
Bu çalışma kapsamında Keban Hidroelektrik Santralinde iki kez termodinamik metotla test uygulaması yapılmıştır. İlkinde test uygulanan ünitenin alt akış yani çıkış tarafında sıcaklık sensörlerinin sabitlendiği ekipmanın, vorteksten kaynaklanan çok kuvvetli titreşime maruz kaldığı gözlenmiştir. Ölçümde kullanılan Pt 2000 termometrelerin kabloları veya kendileri kısa zamanda kullanılmaz hale geldiğinden sağlıklı sıcaklık ölçümü yapılamamış ve test başarısızlıkla sonuçlanmıştır. İkinci testte ise bu problemin çözümü için yeni metotlar geliştirilerek alçak basınç tarafındaki sıcaklık ölçüm probu ve termometrelerin yerleştirildiği odundan tutucular titreşimin etkilerine karşı daha fazla dayanıklı hale getirilmiş ve test başarı ile yapılmıştır. Bu çalışmada, yapılan ikinci testin sonuçları dikkate alınmıştır.
Ölçüm Ekipmanları
1. Yüksek Basınç Tarafı Ölçüm Probu
Örnekleme probu yüksek basınç tarafında menhol kapağına türbin ekseninden 15 m uzağa yerleştirilmiştir. Prob tüpüne genleşme kabı ve termometre ile birleşmektedir. Kısmi genleşme kabı iki katmanlıdır. Doğruluğu etkileyebilecek olan termal radyasyonu önlemek için dış prob izole su ile çevrilidir. Şekil 6 ’da çizim detayı gösterilen prob cebri boru içine yerleştirilmiştir. Borudan suyu uzatılmış bir delik sayesinde alır.
Düz bir düzlemde bulunan ayarlanabilir valf ile çekilen su atmosferik basınca tabi tutulur. Valf ayarlamak suretiyle çekilen su miktarı değiştirilerek genleşme kabındaki genleşme, yüksek basınç ve alçak basınç tarafındaki sıcaklık farkı sıfır olacak şekilde ayarlanabilir.
Keban HES türbinleri verim ölçümünde 600 mm uzunluğunda menhol (çıkış) kapağı olduğundan toplam 1100 mm örnekleme probu hortumu kullanılmıştır. Prob çevresindeki cebri boru çapı 5200 mm dir. 4650 mm uzunluğunda salyangoz kısmında yüksek basınç probunun 10 m altında toplam basınç (giriş basıncı) P1 ölçüldü.
Şekil 6. Yüksek basınç probu
2. Kullanılan Termometre
Alt akış ve üst akış sıcaklık ölçümleri için Pt-2000 kullanıldı. Termometrenin hassasiyeti 0.001oK dir. Kullanılan Pt 2000 termometrelerin her biri aynı şekilde kalibre edildi ve 4-kablo bağlantı tekniği uygulandı. Ölçümün IEC 60041 standartlarına uygun olması için ölçüm başladıktan ve bittikten sonra Pt 2000 termometreler değişik sıcaklıklarda sıfırlanarak hassasiyetin uygun olup olmadığı kontrol edildi.
3. Basınç Ölçümü
Yüksek Basınç Ölçümü: Üst kısım basınç ölçümü için (pı, pıı) Baumer (40 bar) marka basınçölçerler kullanıldı. Sistem basınç bilgisini yüksek basınçlı ortama direkt bağlanmış bir tanktan almaktadır.
Mansap (çıkış) Suyu Seviye Ölçümü: Çıkış suyu seviyesini (z20) ölçmek için Wika, 891.13.530 tipi ölçüm aralığı 0-0,25 bar olan basınç ölçerler kullanıldı. Ölçüm yapılmadan önce kalibre edildi.
Güç Ölçümü: Generatör gücü, cos = 1,0 olacak şekilde kWh sayacına foto elektrik sensör yerleştirilerek ölçüldü. Ancak gerçekte ünite cosφ = 0,9 olarak çalışmaktadır. Gerçek verimlilik burada okunan değerlerden biraz daha yüksek olabilir. Bu yüzden buna ek olarak generatör kontrol panosundan da güç bilgisi okundu.
Atılan Suyun Debisinin Ölçümü: Atılan suyun debisini ölçmek için yüksek basınç tarafına Winter Kennedy yöntemiyle debi ölçen bir debimetre yerleştirildi. Bu debimetre model test verilerine göre kalibre edildi.
Ölçüm esnasında aşağıdaki işlemler takip edilmiştir:
Ø Yüksek basınç probu 1 ½ inch kaynakla menhol kapağına (cebri boruya giriş kapağı) sabitlenmiştir.
Ø Beş adet olan Pt 2000 termometreden biri yüksek basınç probuna, diğer 4 tane termometre batardo kapağına sabitlenmiş alçak basınç probuna yerleştirilmiştir.
Ø Üzerine alçak basınç ölçüm sensörleri yerleştirilen batardo (çıkış suyu tarafı) kapağı belirli bir seviyeye indirilmiştir.
Ø Generatör ve türbin kayıpları hesaplamalarda göz önüne alınmıştır.
Ø Ölçümler her farklı yükte 6 ile 8 defa yapılmıştır.
Ø Ölçümlerin sonunda sensörlerin sıfırlamaları kontrol edilmiştir.
Türbin verimliliğinin hesaplanmasında kullanılan varsayım ve kabuller şunlardır:
Ø Bu çalışmada termodinamik metot ile hidrolik verim (iç verim), yani suya ısıveren kayıplar hesaplanmıştır.
Ø Türbinin yataklarındaki, salmastradaki ve hız regülatöründeki sürtünmeden kaynaklanan kayıplar göz önüne alınmamıştır.
Ø Ölçülen basınç değeri P11m ölçüm pozisyonu ve basınç sensörü arasında kalan yükseklik ile düzeltilmiştir.
Ø Çıkış suyu basıncı atmosfer basıncının altında olduğundan Francis türbinde P21=0 olarak alınmıştır.
Ø Basıncın düzeltilmesi için özgül hacim hesaplanan basınç ve sıcaklık değerlerlerine göre hesaplanmıştır.
Ø Termodinamik faktörler ve özgül ısı cp Nguyen Dınh Lan ve Borel Lucıen (EPF Lausanne, institute of thermodynamique) bağıntısına göre oluşturulmuş tablodan hesaplanmıştır ( = 0,984358 *10-3[m³/kg], cp = 0,999734 *10-3[m³/kg]) [6].
Ölçüm sonuçları IEC 60041 Standardına (hidrolik türbinlerin performans testleri ile ilgili standartlardan en yaygın kullanılan uluslararası standarttır ve hidroelektrik santrallere ait türbin ve generatörler için TSE tarafından hazırlanan herhangi bir standart yoktur) uygun olarak 145 m net düşüye indirgenmiştir. 4. ünitede 100 MW ile 160 MW arasında, 5. ünitede 100 MW ile 175 MW çıkış güçleri arasında ölçümler yapılmıştır.
4.1. ÖLÇÜM SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ
Keban HES’te yapılan ölçümlerden her ölçüm noktası için elde edilen veriler kullanılarak değerlendirme yapılmış ve her nokta için türbin verimliliği bulunmuştur. Her ölçüm noktası için belirsizlik hesaplanmasında kullanılan temel veriler de kullanılarak belirsizlikler hesaplanmıştır.
|
Türbinin garanti edilen verim değerleri · Bulunan verim değerleri Bu noktalara göre ortalama eğri Bu noktalara göre ortalama eğri |
Şekil 7. Keban HES ünite-4 ölçülen verim grafiği.
|
Türbinin garanti edilen verim değerleri · Bulunan verim değerleri Bu noktalara göre ortalama eğri Bu noktalara göre ortalama eğri |
Şekil 8. Keban HES ünite-5 ölçülen verim grafiği.
Keban HES üniteleri; ilk dört ünite (ünite1-4) 1976 da son dört ünite (ünite 5-8) 1982 de hizmete girmişlerdir. Buna rağmen tamamen aynı karakteristik özelliklere sahip olarak imal edilmişlerdir. Ancak ölçülen türbin verimleri farklı bulunmuştur. Muhtemelen emme borusu şeklinin ve çark biçimlerinin gerçekte farklı olmasından kaynaklanmaktadır. Suyollarının detaylı incelenme neticesinde farkın sebebi ortaya çıkarılabilir. 120 MW’tan daha büyük güçlerde belirsizlik ±% 1.6 değerine ulaşılmıştır. Kısmi yüklerde, örneğin 120 MW’ın altında, ünite daha az kararlı çalıştığından ve değer okuma hassasiyeti azalmış ve belirsizlik daha yüksek çıkmıştır.
Dinamik gerilmelerin seviyesini, su geçişindeki enerji kayıpları belirlemektedir. Bundan, güvenilirliğe bağlı verim artış değerinin doğrulanmasına ilişkin basit bir kural ortaya çıkmaktadır. Artan verim modlarında su geçişi boyunca enerji kaybı, proje işletme esnasında su geçişi boyunca oluşan enerji kayıplarından fazla olmamalıdır.
Su sıcaklığında meydana gelen büyük değişimler nedeniyle ölçmeler, IEC (International Electrotechnical Commission) standartlarına tamamen uygun olmamaktadır. IEC Standardına göre sıcaklığın bir çalışma periyodu içinde yavaş ve devamlı değişimi 0.005 K/dak değerini geçmemelidir. Keban HES örneğinde sıcaklık düzenli olarak artma veya eksilme yerine dalgalı bir seyir çizmiştir. 4 ve 5 no.lu ünitelerde 145 m düşüde sahada ölçülen maksimum verim değerleri şöyle olmuştur:
Tablo 1. Keban HES’de ölçülen güç ve verim değerleri
|
Ünite |
Net düşü[m] |
Güç P [MW] |
Verim h [%] |
|
4 |
145 |
153 |
91.3 |
|
5 |
145 |
165 |
92.4 |
Keban HES için 1968 yılında yapılan prototip testlerinde maksimum garanti edilen verim değeri % 95 bulunmuştur. Tasarımları aynı olmasına rağmen ünite 4 ile ünite 5’in verimleri arasındaki farkların nedeni bu çalışma ile tam olarak izah edilememiştir. Ancak ünitelerin hidrolik olarak aynı olup olmadıklarının araştırılması söz konusu olabilir ve bu fark altı sene sonra imal edilen ünite 5’ de kullanılan teknolojinin ünite 4’e göre daha yeni ve daha gelişmiş olmasından kaynaklanıyor olduğu düşünülebilir. Model test raporuna göre, en yüksek verim, 130-135 m arasındaki düşülerde elde edilmektedir. Bulunan sonuçlara göre yaklaşık 30 yıldır çalışan türbinlerde garanti edilen verim değerinden anormal bir sapma olmamıştır. (Keban HES türbin verimi: % 95.18 -model verime göre-) Ancak alçak ve düşük yüklerde garanti edilen verim değerlerinden sapmalar artmaktadır.
5. SONUÇ
Türbin çark verimlerinin tam olarak bilinmemesi, İlk çark tasarımlarının kötü oluşu (eski teknoloji), Defalarca yüzey kaplaması yapılmış olması yüzünden mevcut çark şeklinin bozulmuş olması, Yavaş bozulum, Labirentlerin aşınmış olması gibi sebeplerin olumsuz etkilerinden dolayı türbin çark verimleri günümüzde üretilebilen türbin çark verim değerlerinin altında olabilir, bu değerlerin ne kadar altında olduğunun tespiti için türbin çarkı saha verimliliği ölçülmesine ihtiyaç vardır.
Türbin verimliliği ölçümü için uygun metodun her santral için belirlenmesi gerekir. Santralın düşüsü, santraldeki türbinlerin tipi, ölçüm maliyeti ve metodun uygulanabilirliği v.s. özellikleri dikkate alınarak uygun metot belirlenmelidir. Verimlik ölçümü yapılacak üniteler belirlenirken santraldeki tüm ünitelere örnek teşkil edecek çalışma saati ve aşınma yönünden diğer ünitelerle aynı olma kriterleri göz önüne alınarak seçim yapılması, Türbin verimliliği ölçümünün belirlenen metoda göre gerçekleştirilmesi, Verimliliğin düşüklüğünden dolayı oluşan ekonomik kayba ve çark değişim maliyetine göre (yatırımın geri dönüş süresi) santrallerin sıralanması gerekir.
80-200 m aralığındaki düşülerde 500 mm çapında türbin modeli yaklaşık % 93-94 verime sahip iken prototipte (ölçek etkisi dikkate alındığında) verim % 95-96 mertebesine ulaşabilir. Çark kanat sisteminde, türbin su geçişinin ve yeni çark, yeni hız regülatörü, aşınan parçaların değiştirilmesi, su ile temas eden yüzeylerin tamiri gibi elemanlarında iyileştirme işleri sayesinde verim % 1.5-2.0’dan daha fazla oranında artırılabilir [3].
Hidrolik türbinlerde meydana gelecek olan enerji kayıplarını hesaplama olanağı tam olarak bulunamadığından, kayıpların küçük olmasını sağlamak için projelendirme, model deneyleri, imalat ve işletme esnasında çok özen gösterilmelidir. Bu kayıpları termodinamik metotla en yüksek doğrulukla ölçmek mümkün olabilir.
Keban HES için 1968 yılında yapılan prototip testlerinde pik garanti edilen verim değeri % 95 bulunmuştur. Gibson metodu ile yapılan ölçüm ile model test ölçümleri arasında büyük fark olduğu görülmektedir. Yapılan bu çalışmada bu fark % 1 kadar prototip test sonuçlarına yakın olmakla beraber garanti edilen verim değerinden % 3 ile % 4 daha düşüktür. Bulunan sonuçlara göre yaklaşık 30 yıldır çalışan türbinlerde garanti edilen verim değerinden anormal bir sapma olmamıştır. Ancak alçak ve düşük yüklerde garanti edilen verim değerlerinden sapmalar artmaktadır.
Türbin verimlilik testleri her on yılda bir, aşınma sorunu olan ve ağır aşınma tamiratı geçiren ünitelerde daha sık periyotlarla, mümkünse onarımlar sonrasında yapılmalıdır. [3] Verim ve performans değerlerini güvenilir olarak elde etmenin yolu usulüne ve standartlara uygun olarak yapılan testlerdir. Rehabilitasyon öncesi ve sonrası testlerden güvenilir bir sonuç almak için bir kaç metot aynı anda kullanılmakta veya aynı metot iki ayrı bağımsız uzman kuruluşa aynı şartlarda yaptırılmaktadır. Zira verimlilik ölçümünde en önemli husus ölçmenin belirsizliğidir. Ölçmenin güvenilirliği ölçme metoduna verilecek belirsizlik değerine ve bu değeri verenlerin ne kadar tecrübeli olduklarına bağlıdır.
6. KAYNAKLAR
1. Başeşme H. Hidroelektrik Santraller ve Hidroelektrik Santral Tesisleri, EÜAŞ Genel Müdürlüğü Ankara, 2003.
2. EÜAŞ Hidroelektrik Santraların Verimliliğinin Araştırılmasına Yönelik AR-GE Komisyonu Raporu, Ankara, 2004.
3. Delort Marc, Waldura L., General Description of Turbine Efficiency Improvement Project Preliminary Report, Paris, 2004. www.ighem.org
4. Toribio J., L., Report Keban HEPP Efficiency Measurement of Unit 4, Paris, 2005- 21 Avenue De L’Europe B.P. 41 38040 Paris Tel: (33) 476 20 21 93
5. Adamkowski A., Janicki W., Kubiak J., Gustavo U., Sierra F., Fernández J. M., Water Turbıne Effıcıency Measurements Usıng The Gibson Method Based On Specıal İnstrumentatıon İnstalled İnside Pıpelınes, 6th International Conference on Innovation in Hydraulic Efficiency Measurements(İGHEM), Portland, Oregon, USA, 2006. Adamkowsli A., Janicki W. ‘Szewalski Enstitüsü, Gdansk Polonya’, Kubiak J., Gustavo U., Sierra F. ‘Fen Bilimleri Araştırma Merkezi, Cuernavaca Meksika’ Fermandez J. M., Meksika. www.ighem.org
6. IEC 60041 Field Acceptance Tests To Determine The Hydraulic Performance of Hydraulic Turbines, Storage Pumps and Pump-Turbines, Geneva, Switzerland, 1991.
7. Rittmeyer A.G., System Specification Efficiency measurement HEPP, Zug-Switzerland, 2009, http://www.rittmeyer.com
8. Bokko E.,Nilsen E., Vinnogg L. Norconsult AS, Sandvika, Norveç firmapost@norconsultçno phone: 47 67 57 11 00, Thermodynamic Efficiency Measurements The Uncertainty Of Efficiency Versus The Hydraulic Head, 2000.
9. Faast R., Kundt M., Maier W., Thermodynamic Efficiency Measurement-Method of Partial Expansion and Direct Method, 6th International Conference on Innovation in Hydraulic Efficiency Measurements (IGHEM), Portland, Oregon, USA, 2006 www.ighem.org
10. Hulaas H., Statkraft Mühendislik-Norveç, Bryhni T., SINTEF Enerji-Norveç, Dahlhaug O. G., Norveç-Fen ve Teknoloji Üniversitesi, www.ighem.org Multipoint Thermodynamic Measurements A Statistical Approach to Uncertainty Levels, Paper submitted to the IGHEM Seminar in Kempten, Germany, 2000
