Hidroelektrik Sistemlerde Kullanılan Türbinler ve Regülasyon

Hidroelektrik sistemlerde kullanılan türbinler ve regülasyon

Türbinler, akışkanın hidrolik enerjisini mekanik enerjiye çeviren makinalardır Herhangi bir yer için en uygun türbin tipinin seçimi, yerin karakteristik özelliklerine bağlıdır Ayrıca, düşü ve debi değerine bağlı olarak hesaplanan özgül hız değerlerine bakılarak da türbin tipi belirlenir Bir türbinin ns özgül hızı, o türbine benzer olan ve aynı cins akışkanla 1 m net düşü altında çalışıp en iyi verimle milinden 1 BG güç veren türbinin dakikadaki devir sayısı olarak tanımlanır Tablo 21'de özgül hıza bağlı olarak türbin tipleri görülmektedir (Özgül hız bağıntısı şu şekilde verilmektedir ns = n Pe 05 / Ho 125 )

Türbin tipi seçiminde türbin veya jeneratörün hızı da önemlidir Diğer bir kriter ise türbinin kısmi debi koşullarında çalıştırılıp çalıştırılmayacağıdır Tüm türbinler, bir güç-hız ve verim-hız karakteristiğine sahiptir Türbin tarafından döndürülen jeneratörler, tipik bir türbinin optimum hızından daha yüksek bir devirde dönerler Bu bağlantı kayış kasnak, dişli mekanizması veya bir kavrama yardımıyla sağlanır Burada hız oranının minimum olması tercih edilir Bu durumda bağlantı daha kolay ve maliyet daha düşüktür Kural olarak 3:1 oranından kaçınmak gerekir en azından 25:1 oranı veya altı tercih edilmelidir Şayet 1500 d/d ile dönen bir jeneratör varsa seçilecek türbinin hızı en az 500 d/d veya üzeri olmalıdır Türbin hızının jeneratör hızında olması durumunda jeneratör direkt olarak türbin miline bir kavrama ile bağlanır Üreticiler bunu tavsiye ederler Genellikle, mikro türbin yerleştirmelerinde üniteleri ayrı olarak satın almak daha ucuzdur ve daha sonra bağlantı sistemiyle onlar yerlerine monte edilirler Hidroelektrik sistemlerde kullanılan türbin tipleri yüksek, orta ve alçak düşü makineleri olarak sınıflandırılır Şekil 29'da 50kW-2000MW güç bölgesi için, Şekil 210'da ise 1kW-1000kW güç bölgesi için farklı düşü ve debi bölgelerinde hidroelektrik santrallerde kullanılan türbinler gösterilmiştir

Türbinler çalışma prensibine göre de sınıflandırılırlar Aksiyon türbinlerinde türbin giriş ve çıkışında basınçlar atmosfer basıncına eşittir Burada suyun kinetik enerjisinden faydalanılır Reaksiyon türbinlerinde ise çark giriş ve çıkışı arasında basınç farkı vardır Tablo 22'de aksiyon ve reaksiyon türbinleri düşü bölgelerine göre verilmiştir

Aksiyon türbinleri reaksiyon türbinlerinden daha ucuzdur Micro hidrolik sistemler için tasarlanan türbinler değişken debiler için uyum sağlayacak sistemlere sahip değildir Büyük makinelerde bu ayar mekanizmaları mevcuttur Örneğin çok püskürtücülü Pelton türbinlerinde bazı püskürtücü girişleri kapatılarak debi ayarı yapılır Cross flow veya Francis türbinlerinde ayar kanatları vardır Tek püskürtücülü Pelton türbininde ise iğne hareketiyle püskürtücünün kesiti değiştirilerek debi ve güç ayarı yapılır Şekil 211’de kısmi yüklerde türbinlerin verim eğrilerinin değişimi verilmiştir Pelton ve Cross flow türbinleri dizayn değerlerinin dışında farklı değerlerde de çalışmaları durumunda

oldukça yüksek verim vermektedirler Francis türbinlerinde kısmi yükler karşısında verim düşmektedir Hatta Uskur türbinlerinde, tasarım debisinin %80 ve üstü haricindeki debi bölgesinde çok düşük verim elde edilir Francis türbinleri büyük hidrolik sistemlerde oldukça popüler bir türbin olmasına karşılık karmaşık bir yapıya sahip olmaları ve kısmi yüklerdeki davranışı nedeniyle mikro hidrolik sistemlerde fazla kullanılmazlar

Büyük hidroelektrik sistemlerde 150 m brüt düşünün üzerinde Pelton türbini uygulaması yapılmaktadır Mikro hidrolik sistemlerde daha alçak düşülerde de bu türbin kullanılabilir Örneğin yüksek hızda dönmekte olan küçük çaplı bir Pelton türbini, 1 kW güç üretmek için 20m’nin altında düşülerde kullanılabilir Yüksek güç ve düşük debide hız çok azalır bu da türbin boyutunu artırır Şekil 212’de bir Pelton türbini görülmektedir Güç artıkça bu tip türbinlerin çarkının çapı büyür ve türbin yavaş döner Eğer çarkın çapı ve düşük hızı bir problem olarak kabul edilmezse Pelton türbini rahatlıkla alçak düşülerde kullanılabilir Alçak düşü ve küçük güç ünitelerinde kullanılacak olan türbinlerin, merkezi sistemden bağımsız yerel kuruluşlarca işletilmesi nedeniyle bakım ve onarımlarının kolaylıkla yapılabilir olması çok önem taşımaktadır Ayrıca, tesis aksamının da piyasadan kolay temin edilebilen parçalardan oluşması gereklidir Bu açıdan Cross-flow türbinleri bu çalışma bölgelerinde çok avantajlıdır Konstruksiyonları diğer bütün türbin tiplerine göre son derece basittir Bu nedenle türbin, ucuz olarak küçük atölyelerde kısıtlı olanaklarla imal edilebilir Türbin başlıca; giriş ağzı , çark ve gövdeden oluşmaktadır Şekil 213'de bir cross-flow türbini görülmektedir

Giriş ağzı kaynak tasarımı, beton veya çok düşük debilerde tahtadan imal edilebilir Döküm veya özel malzemeye gerek yoktur Burada en önemli husus, giriş ağzının iyi bir yönlendirici olarak yapılmasıdır Bunun için giriş ağzının her iki yan cidarı çark çevresel hızıyla 16 derece açı yapacak şekilde dizayn edilir Ayar mekanizması olarak bir kolla kumanda edilebilen klape, kanat veya sürgü kullanılır Bu türbinlerinde giriş ağzı içerisine yerleştirilmiş uygun kesitli bir ayar kanadı yardımıyla debinin tamamen de kesilmesi sağlanır (Şekil 213) Böylece, ayrıca bir giriş vanasına da gerek kalmaz Ekonomik ve emniyetli bir otomatik kontrol küçük tesislerde türbin tipinden ayrı, başlı başına bir sorundur Debinin otomatik kontrolü pahalı bir çözüm olduğu için küçük santrallerde gittikçe daha az kullanılmaktadır Çark, kaynak konstruksiyonu olarak yapılmaktadır Çark içerisinden boydan boya mil geçirilebildiği gibi milli flanşlara da çarkı bağlamak mümkündür Kanatlar, diğer türbin tiplerinde olduğu gibi dönük değil, silindirik borulardan kesilerek veya presle şekillendirilerek yapılır

Reaksiyon türbinleri aynı düşü ve debi değerinde aksiyon türbinlerinden daha hızlı döner Burada kullanılan türbinler Francis, Uskur ya da Kaplan türbinleridir Şekil 214’de bir Kaplan türbini Şekil 215’de ise bir Francis türbini görülmektedir Kaplan türbinleri Francis türbinlerine nazaran daha hızlı dönerler Bu büyük avantaj nedeniyle Jeneratöre arada kayış kasnak veya dişli olmadan da direkt bağlanabilir, Francis türbinleri orta düşüşler için Kaplan türbinleri ise alçak düşüler için daha ekonomiktir Yapımları aksiyon türbinlerine göre daha zordur, Bu nedenle mikro hidrolik sistemlerde daha az kullanılmaktadır Ayrıca bu türbinlerde kavitasyon tehlikesi de vardır Değişken debilerde de düşük verim verirler

Regülatörler türbin hızını kontrol etmek için kullanılırlar Son yıllara kadar hidrolik sistemlerde kullanılan bütün regülatörler, türbine giden suyu ayarlayarak güç değişimi sağlamaktaydı Regülatörün görevi ister mekanik ister elektriksel olsun türbin milindeki hızı ayarlamaktır Daha fazla güce ihtiyaç duyulduğunda türbin girişine daha fazla su verilir, benzer olarak daha az güce ihtiyaç duyulduğunda ise türbin girişi kısılarak daha az miktarda suyun türbine girişi sağlanır Kırsal bir bölgede elektrik üretiliyorsa senkronize jeneratör kullanılır Jeneratörün frekansı ise jeneratörün hızına ve kutup sayısına bağlıdır Örneğin 4 kutuplu bir jeneratör 50 Hz için 1500 d/d ile dönmelidir Bu hızın artma veya azalması durumunda üretilen frekans da artar veya azalır Hidrolik sistemde kullanılan regülatörler İki grupta incelenir Bunlar geleneksel ve geleneksel olmayan regülatörlerdir Geleneksel olanlar, yüksek standartta olup tüm sistem boyutlarında kullanılırlar Karmaşık ve pahalıdırlar Son zamanlarda küçük sistemler için daha fazla yük kontrol regülatörleri kullanılmaya başlanmıştır Bunların yapısı çok daha basittir Maliyetin düşük olması istenen bütün mikro hidrolik sistemlerde yük kontrol regülatörleri tercih edilir

Yük kontrolü bir elektronik cihaz olup kullanıcı yükünün değişmesinde dahi jeneratörde sabit bir elektrik yükü sağlar Türbinde debi akış kontrol cihazına ve regülatör sistemine ihtiyaç duymaz Türbin debisi sürekli aynı sabit değerinde tutulur Yük kontrolü jeneratörde daima sabit bir elektrik yükünü garanti eder Türbin çıkış gücü sabittir dolayısıyla hız da sabit olacaktır Yük kontrolü, ana yük tarafından istenmeyen ikinci bir safra yükü sağlayarak sabit bir jeneratör çıkışı sağlar Çalışma prensibi ise kısaca şu şekildedir: Daha az yüke ihtiyaç olduğu anda türbin hızı ve frekans düşmeye başlayacaktır, bu durum yük kontrolü tarafından algılanacak ve ilave safra yükünü sağlamak üzere dirençler devreye girecektir, böylece kullanıcı yükünün değişmesi durumunda da jeneratördeki toplam yük sabit kalacaktır Yük kontrolü normalde frekansı veya voltajı sürekli ölçerek türbin hızını kontrol edecektir Bu sistemin en büyük avantajı ucuzluğu ve basitliğidir Tamir ve hareketli parça gerektirmez