possibilities of hydropower potential utilization of the tisa river dam in novi becej

ВИСОКА ТЕХНИЧКА ШКОЛА СТРУКОВНИХ СТУДИЈА- Niš

Naučno istraživački rad:

Mogućnosti iskorišćenja hidroenergetskog potencijala reke Tise na lokaciji brane kod Novog Bečeja

Sadržaj – Brana na Tisi kod Novog Bečeja je objekat izgrađen 1977 godine. Prilikom projektovanja brane, a i kasnije, razmatrana je mogućnost izgradnje hidroelektrane u sklopu tog hidrotehničkog objekta. Potencijal postoji pre svega od proticaja, Qsr, koji iznosi približno oko 800 m3/s i raspoloživog pada, koji se menja od 1,75 do 4,5 metara. Cena električne energije u vreme građenja brane nije bila konkurentna pa se odustalo od istovremenog građenja brane i elektrane. Danas je ta situacija povoljna, a pojavile su se i tehničke mogućnosti, u vidu novih tipova turbina, koje ceo projekat čine finansijski opravdanim.U ovom radu je prikazano jedno od mogućih rešenja hidroelektrane postavljene u prelivnim poljima brane.

Ključne riječi – vodoprivredni sistemi; energetika; male hidroelektrane

1.UvodNagli tehnološki i industrijski razvoj, buran demografski rast i brza urbanizacija, naročito u poslednjih

nekoliko decenija, suočavaju čovečanstvo sa četiri krupna problema: voda, hrana, energija i životna sredina. Problem vode je posebno izražen, jer je implicitno prisutan u ostala tri problema, odnosno proizvodnja hrane i energije odlučujuće zavise od vode. Iako proizvodnja hrane iz godine u godinu raste, glad je globalni problem planete. Prema podacima Organizacije Ujedinjenih nacija za poljoprivredu i hranu iz avgusta 2011. godine preko milijardu ljudi u svetu gladuje. Glad je i uzrok i simptom siromaštva. Smanjenje siromaštva znači intenzivniji razvoj, ali će on uticati na povećanje potrošnje energije. Međutim u pogledu količine energije i sirovina na Zemlji sadašnje procene jasno pokazuju da izvori energije i sirovina nisu neiscrpni i da se raspolaganje prirodnim dobrima u budućnosti mora zasnivati na velikoj racionalnosti. Za stručnjake je ključno rešenje da se odvoji razvoj od povećanja potrošnje energije, pre svega poboljšanjem energetske efikasnosti.

U ovom radu prikazano je rešenje za malu hidroelektranu u težnji da se doprinese boljem, laksem i uspešnijem životu ljudstva u manastiru. Ideja je da se napravi jedna mala hidro elektrana koja bi proizvodila struju za potrebe manastira i prodaju viska struje elektrodistributeru. Za to postoje relativno povoljni uslovi.

2. BRANA NA TISI KOD NOVOG BEČEJAKanala Dunav – Tisa – Dunav je sistem kanala za zaštitu od poplava, odvodnjavanje i navodnjavanje

zemljišta, obezbeđenje plovnog puta, turizam, lov i ribolov. Sistem kanala se proteže na oko 12.700 km², između reka Dunav i Tisa, u Bačkoj i Banatu, na teritorije Vojvodine. Ukupna dužina kanala je 929 km, sa 51 hidrotehničkim objektom (slika 1) i 180 mostova.

1

Aleksandar Živković ,HTS hidro consulting, Niš, Srbija, [email protected] Aleksandar Krstić, Niš, Srbija, [email protected]

Najveći i jedan od najznačajnijih objekata na hidrosistemu Dunav – Tisa – Dunav je brana na Tisi kod Novog Bečeja, koja je izgrađena 1977. godine. Brana je izgrađena sa osnovnom namenom da se podizanjem nivoa Tise uzvodno od brane, omogući gravitaciono snabdevanje banatskog dela HS DTD

vodom. Brana ima i druge namene kao što su održavanje plovnog puta i drumskog saobraćaja.

Slika 1. Karta sistema DTD sa postojećim branama koje

mogu da se koriste za izgradju hidroelektrana.

Slika 3. Izgled Brane na Tisi

Branom se pregrađuje korito Tise za veliku vodu u dužini od 520 m (slika 2 i 3). Sastoji se od betonskog i zemljanog dela i brodske prevodnice za brodove do 1000 t nosivosti. Na stubovima brane projektovan je drumski most širine 10 m, kao saobraćajna veza između Banata i Bačke.

Betonski deo brane ima sedam prelivnih polja širine po 24,5 m sa kotom prelinog praga na 68,00 m.n.m, sa segmentnim ustavama (slika 9). Zemljani deo brane ima tri pomoćna prelivna polja (obložena betonom) širine po 24 m sa kotom preliva na 76,50 m.n.m. Kroz prelivna polja treba da se propusti stogodišnja voda pri koti donje vode od 80,35 m.n.m.

Reka Tisa ima vrlo neujednačen proticaj koji se kreće od 80 m3/s do blizu 4000 m3/s. Karakteristike režima proticaja reke Tise u profilu brane su:

Minimalni zabeleženi proticaj Q = 80 m3/s

Srednji proticaj Q = 803 m3/s

Maksimalni zabeleženi proticaj Q = 3718 m3/s

2


Slika 2. Brana na Tisi u periodu velikih voda

Proticaj verovatnoće pojave 1% Q = 3893 m3/s

Normalni uspor od 74,00 do 75,50 m.n.m.

Kota donje vode od 70,50 do 79,97 m.n.m.

Iz krive trajanja za reku Tisu na lokaciji brane može se videti da postoji denivelacija između gornjeg i donjeg nivoa vode u 305 dana u toku godine, koja se kreće od 0 do 5 metara. U ostalom delu godine brana je otvorena i nema denivelacije.

2.1HIDROELEKTRANA NA BRANI KOD NOVOG BEČEJA

A. Karakteristike usvojenog rešenja male hidroelektranePri usvajanju rešenja male hidroelektrane morali su da budu ispunjeni određeni zahtevi, pre svega da

usvojeno rešenje mora da omogući propuštanje velikih voda. Takođe usvojeno rešenje mora da omogući i održavanje zahtevane kote gornje vode po važećem pravilniku, da se pri njegovoj realizaciji ne menja građevinski deo brane, da je moguća izgradnja u suvom i da elektrana bude finasijski isplativa.

Za postavljanje turbina razmatrano je korišćenje od 3 do svih 7 prelivnih polja na betonskom delu brane. Hidraulički proračun je pokazano da se za postavljanje turbina sasvim sigurno mogu koristiti četiri polja. U tabeli 1 prikazane su kote uspora za slučaj korišćenja četiri prelivna polja za postavljanje turbina.

Predračunom elektrane sa različitim brojem turbina došlo se do zaključka da nije ekonomski isplativo povećavati broj turbina preko 24 sve dok je njihov jedinični proticaj u granicama do 10 m3/s. Povećanje snage, kroz povećanje broja turbina, kada je jedinični proticaj turbine do 10 m3/s, nije isplativo. Povoljnije bi bilo povećanje instalisanog proticaja na turbini.

Uzimajući u obzir ograničenja i finansijske pokazatelje kao optimalna konfiguracija male hidroelektrane usvojeno je rešenje kod koga se koriste četiri prelivna polja sa ukupno 24 turbine.

TABELA I. HIDRAULIČKI PRORAČUN PROTICAJA KROZ BRANU SA ČETIRI ZAUZETA PRELIVNA POLJA [1]

Polje/Turbina

Širi

na p

olja

(m)

Koe

ficije

nt

poto

plje

nost

iC

fK

oefic

ijent

pr

eliv

anja

Cd √2 g

Kot

a do

nje

vode

(m.n

.m)

Kot

a pr

eliv

a(m

.n.m

)

Vis

ina

donj

e vo

de iz

nad

prel

iva

H (m

)U

spor

na

bran

i kod

po

topl

jeno

g

Prot

icaj

pr

eko

prel

iva

Q (m

3 /s)

Kot

a go

rnje

vod

e(m

)

Preliv 1 sa turbinama 24.5 0.96 4.43 80.35 70.5 9.85 0.185 449.72 80.54Preliv 2 sa turbinama 24.5 0.96 4.43 80.35 70.5 9.85 0.185 449.72 80.54Preliv 3 sa turbinama 24.5 0.96 4.43 80.35 70.5 9.85 0.185 449.72 80.54Preliv 4 sa turbinama 24.5 0.96 4.43 80.35 70.5 9.85 0.185 449.72 80.54Preliv 5 24.5 0.96 4.43 80.35 68.0 12.35 0.185 553.47 80.54Preliv 6 24.5 0.96 4.43 80.35 68.0 12.35 0.185 553.47 80.54Preliv 7 24.5 0.96 4.43 80.35 68.0 12.35 0.185 553.47 80.54Pomoćni preliv 1 24.0 0.484 4.43 80.35 76.5 4.04 0.185 161.00 80.54Pomoćni preliv 2 24.0 0.484 4.43 80.35 76.5 4.04 0.185 161.00 80.54

3


Pomoćni preliv 3 24.0 0.484

4.43

80.35 76.5 4.04 0.185 161.00 80.54Ukupno 3942.29

TABELA II. HIDROENERGETSKI POTENCIJAL MALE HIDROELEKTARNE – HE TISA 2, QMAX = 240.0 M3/S, HMAX = 4.5 M, 24 X BULB 10 [1]

Peri

od

u go

dini

Tra

janj

e(d

an)

Tra

janj

e(s

at)

Ras

polo

živi

pr

otic

aj(m

3 /s)

Prot

icaj

jedn

e tu

rbin

e

Prot

icaj

svih

tu

rbin

a(m

3 /s)

Kot

a go

rnje

vo

de Kot

a do

nje

vode B

ruto

pa

d (m)

Net

o pa

d (m)

Mog

uća

snag

a na

Stva

rna

snag

a na

Snag

a na

ge

nera

tor

Proi

zvod

nja (k

Wh)

130-170 40 960 380.00 10.00 240.00 75.5 73.75 1.75 0.00 0

0 0 0

170-210 40 960

380.00 10.00 240.00

75.573.15 2.35 2.25 5297

4503 4098 3933637

210-260 50 1200

380.00 10.00 240.00

75.573.00 2.50 2.40 5651

4803 4371 5244850

260-310 50 1200 330.00 11.00 264.00

75.572.00 3.50 3.30 8546

7265 6611 7932835

310-350 40 960 250.00 10.42 250.00

75.571.45 4.05 3.85 9442

8026 7303 7011344

350-365 15 360 140.00 10.00 140.00

75.571.00 4.50 4.30 5906

5020 4568 1644479

Suma 5640 1720.00 1234.00 18.65 24596 25767146Sr. vred. 286.67 205.67 3.11 2074000

TABELA III. PREDRAČUN MALE HIDROELEKTRANE SA 24 TURBINE SA INSTALISANIM PROTICAJEM OD 240 M3/S [1]

Naziv Količina Jedinična cena Suma za pozicijuVodozahvat

4100.000,00 400.000,00

Kanal 0 0,00 0,00Turbina i oprema

24450.000,00 10.800.000,00

Elektrika1

200.000,00 200.000,00

Mašinski prostor4

240.000,00 960.000,00

Projektovanje 1 45.000,00 45.000,00Merenja 1 15.000,00 15.000,00Administrativni troškovi 1 35.000,00 35.000,00Zemljište 0 0,00 0,00Nepredviđeni troškovi

1100.000,00 100.000,00

4


Ukupno materijalne investicije (€)

12.555.000,00

Ukupno finansijske investicije (€)

120 142.560,00

17.107.200,00

Slika 2. Izgled Hydromatrix turbine

Slika 3. Izgled instalirane Hydromatrix turbine

Prema krivi trajanja pad koji može da se iskoristi za rad turbina je u rasponu od 2,0 do 4,5 m i traje u periodu od 200 dana. Hidroenergetski potencijal male hidroelektrane za slučaj korišćenja četiri prelivna polja sa po 6 turbina u polju (ukupno 24 turibine) svaka sa proticajem od 10 m3/s, prema raspoloživim padovima dat je u tabeli 2. Na osnovu podataka u tabeli evidentno je da stvarna snaga na turbinama, odnosno stvarna proizvodnja električne energije iznosi oko 70% od moguće snage na turbinama, odnosno moguće proizvodnje električne energije u periodu od oko 200 dana u godini. Obzirom da elektrana, zbog malih padova u toku godine neće raditi oko 47% vremena, faktor iskorišćenja instalisane snage elektrane na godišnjem nivou iznosiće nešto manje od 40%.

Usvojene tehničke karakteristike male hidroelektrane sa 4 prelivna polja sa 6 turbina po polju (ukupno 24 turbine) sa proticajem od 10 m3/s po turbini su [1]:

Instalisani proticaj elektrane 240 m3/s

Maksimalni nivo gornje vode 75,50 m.n.m

Minimalni nivo donje vode 71,00 m.n.m

Minimalni pad potreban za rad 2.0 m

Maksimalna snaga elektrane 8025 kW5


Slika 4. Način postavljanja Hydromatrix turnine

U tabeli 3 je prikazana predračunska vrednost male hidroelektrane navedenih tehničkih karakteristika prema [1]. Jedinične cene turbina i opreme dobijene su od proizvođača Andritz Hydro, Austrija, dok su ostale jedinične cene usvojene iskustveno, prema definisanom obimu radova za pojedine pozicije [1]. Finansijski pokazatelji su:

Cena instalisane snage 1kW materijalno 1.565 €

Cena instalisane snage 1kW finasijski 2.132 €

Godišnja proizvodnja 25.767.000 kWh

Godišnji bruto prihod 1.520.253 €

Godišnji neto prihod 1.336.682 €

Period povraćaja investicije 9,40 godine

Cena za 1kWh 0,059 €

B. Izbor turbineIzbor turbine direktno zavisi od uslova i zahteva koji su morali da se ispune pri usvajanju rešenja male

hidroelektrane. Poštujući postavljene zahteve i ograničenja usvojene su Hydromatrix turbine firme Andritz Hydro, Austrija (slika 4, 5 i 6).

Hydromatrix je relativno novi inovativni koncept proizvodnje energije, koji kombinuje prednosti dokazane tehnologije i niske troškove instalacije i koji omogućava laku integraciju na postojeće brane, prelive i druge hidrotehničke strukture. Pošto nisu potrebne nove građevinske strukture, Hydromatrix tehnologija omogućava instaliranje hidroelektrane sa daleko konkurentnijim troškovima u odnosu na konvencionalna postrojenja.

Hydromatrix koncept se sastoji od fabrički montiranih modula koji sadrže propelernu turbinu i mogu se fleksibilno grupisati u različitim aranžmanima hidroelektrane. Turbine su potopljene u vodi sa mogućnošću da se liftuje u remontni položaj.

Slika 4. Poprečni presek preliva sa instaliranom Hydromatrix turbinom

6


Slika 6. Pogled nizvodno na preliv sa instaliranom Hydromatrix turbinom

Slika 7. Segmentna ustava na prelivnom polju betonskog dela brane na Tisi

Usvajene se sledeće karakteristike turbine:

Instalisani kapacitet turbine 10,0 m3/s Bruto pad od 2 do 5 m Instalisana snaga turbine 360 kW Brzina obrtanja 300 o/min Prečnik turbine 1300 mm

Predturbinsko kolo fiksno bez zatvaranja

Osa turbine horizontalna Propeler sa tri fiksne

lopatice Generator permanent

magnet synhronous

Turbina nema mogućnost rada sa promenljivim proticajima. Instalisani proticaj turbine je od 10 do 11 m3/s i turbina ili radi ili ne radi. Promene proticaja na prelivima se rešavaju brojem turbina koje istovremeno rade. Ukupan broj od 24 turbine je dovoljan za finu regulaciju.

C. Tehničko rešenje male hidroelektranePogodnost Hydromatrix turbina ogleda se pre svega u načinu njihovog postavljanja. Uštede vremena

tokom instalacije i puštanja u rad se ostvaruje pomoću unapred sastavljenih i fabrički testiranih turbina za Hydromatrix postrojenje. Turbine nisu zahtevne za postavljanje, paralelno mogu da se postave dve ili više turbina u nizu i za njihovo postavljanje je potreban samo pravougaoni kanal.

Tehničko rešenje male hidroelektrane na brani na Tisi podrazumeva postavljanje Hydromatrix turbina u prelivno polje na dnu prelivnog praga. Zahvatanje vode za turbine se vrši kroz betonski propust dimenzija 24,5 x 2,0 metara koji se gradi preko prelivnog praga (slika 5 i 6). Postojeća ustava služi za stvaranje uspora.

Turbine su postavljene na krajevima propusta koji je za svaku turbinu dimenzija na zahvatu 3,5 m širine i 2,0 m visine, a na ispustu 3,5 m širine i 3,0 m visine (slika 7 i 8). Iza turbine je metalni sifon dužine 4 metara. Brzina vode je 1,3 m/s za instalisani proticaj na turbini od 10 m3/s.

Hidraulički gledano prelivno polje zauzeto turbinama i kada su turbine u radnom položaju, sposobno je da propusti velike vode, osim ekstremno velikih voda,. Kada se turbine izdignu u remontni položaj praktično nema razlike u proticaji između slobodnog prelivnog polja i prelivnog polja zazuzetog turbinama.

Betonski propust i turbine se nalaze u prostoru prelivnog polja gde sa uzvodne i nizvodne strane postoje utore za remontne ustave (slika 9) tako da izgradnja i postavljanje turbina može da se radi u suvom. Na brani postoji pokretni kran potrebne nosivosti koji služi za remont segmentnih ustava. On se može koristiti i za podizanje turbina na suvo u remnotni položaj.

Svaki slot od 6 turbina ima svoj trafo, a oni su vezani na postojeću elektro energetsku mrežu preko zajedničke trafo stanice.

Usvojeno rešenje male hidroelektrane na brani na Tisi kod Novog Bečeja ispunjava postavljene zahteve, kako u pogledu nesmetane funkcije postojećeg hidrotehničkog objekta, tako i u pogledu izvođenja male hidroelektrane i predstavlja finasijski isplativo tehničko rešenje koje na skladan način spaja vodoprivredne, energetske i ekološke funkcije.

7


3. ZAKLJUČAK

Poseban značaj, danas u svetu se pridaje malim hidroelektranama, kao veoma značajnim i vrlo atraktivnim objektima, koji, kao obnovljivi izvori mogu predstavljati značajan dopunski resurs električne energije jedne države. Od svih alternativnih izvora električne energije malim hidroelektranama se u evropskim zemljama posvećuje najveća pažnja.

U tom smislu u sklopu integralnog, kompleksnog i jedinstvenog upravljanja režimom voda, potrebno je realizovati iskorišćavanje svih racionalno iskoristivih hidropotencijala. To podrazumeva, pre svega, poboljšanje performansi postojećih hidroenergetskih objekata, kao i racionalno iskorišćenje značajnih mogućnosti realizacije malih hidroelektrana sa malim padovima, kao i malih hidroelektrana na brojnim višenamenskim vodoprivrednim sistemima. Kod akumulacija koje se koriste za različite namene, trebalo bi postojeće namene učiniti održivim i eventualno proširiti korišćenjem akumulacije za proizvodnju električne energije izgradnjom malih hidroelektrana.

U ovom radu je prikazano jedno od mogućih rešenja male hidroelektrane postavljene u prelivnim poljima brane na Tisi kod Novog Bečeja, kojom bi se ostvarila značajna produkcija električne energije uz znatno manje investicione troškove nego u slučaju izgradnje konvencionalne male hidroelektrane.

Izloženi primer pokazuje da je u cilju podsticanja izgradnje malih hidroelektrana u smislu promovisanja tog vida energetske proizvodnje i sasvim novog pristupa njegovom razvoju, potrebno detaljno sagledavanje mogućnosti izgradnje ovih objekata u okviru postojećih višenamenskih vodoprivrednih sistema, posebno kada se imaju u vidu značajne prednosti i znatno niže investicije po instalisanom kW u takvim slučajevima.

LITERATURA1. Studija o mogućnosti iskorišćenja hidroenergetskog potencijala reke Tise na lokaciji brana na Tisi kod

Novog Bečeja, HTS hidro consulting Niška Banja, 2013. godine2. Hydromatrix - Andritz Hydro, http://www.andritz.com/hydro/hy-others-andritz-hydro/hy-

hydromatrix.htm [pregledano u 3.20 h, 05.02.2014]3. Hydromatrix Innovative hydropower solutions, Andritz Hydro, http://www.andritz.com/hy-hydromatrix

[pregledano u 3.23 h, 04.02.2014.] 4. Hydromatrix product presentation - Water Power Hydromatrix, Andritz Hydro,

http://www.andritz.com/hy-hydromatrix [pregledano u 3.43 h, 04.02.2014.]5. Mihajlović M.: Inženjering malih hidroecentrala - Istraživanje, projektovanje i gradnja, Beograd, 1990[1] Milićević S., Milićević D., Milićević R.: Male hidroelektrane u sistemima za vodosnabdevanje, Voda i

sanitarna tehnika, vol. 39, br. 3 (2009), ISSN 0350-5049, str. 11-18

ABSTRACTThe dam on the Tisa River in New Becej was built in 1977. When designing the dam, and later the

possibility of building a hydroelectric power plant, as part of the hydraulic structure, was discussed. The potential exists primarily from runoff, Qsr, which amounts to approximately 800 m3/s and available head, which varies from 1.75 to 4.5 meters. The price of electricity during the construction of the dam was not competitive, and for this reason the idea for parallel construction of the dam and power plant was abandoned. Today the situation is favorable, and there have been technical capabilities, some new types of turbines, which make the entire project financially justified. This paper presents one possible solution of hydropower installation in the dam spillways.

POSSIBILITIES OF HYDROPOWER POTENTIAL UTILIZATION OF THE TISA RIVER DAM IN NOVI BECEJ

8


possibilities of hydropower potential utilization of the tisa river dam in novi becej

Engineering