Das Kleinkraftwerk - Ausgabe Nr. 5

· Interessenverband Schweiz. Kleinkraftwerk-Besitzer (18KB)

DAS KLEINKRAFTWERK

AUSGABE 5 MÄ·RZ 1985

Adressen

Vorstand

ISKB

Präsident

Buntschu Dominik, Mechaniker 3178 Bösingen 031/ 94 78 41

Vice Präsident

Anderes Oskar, Kaufmann Grotzenmühle 8840 Einsiedeln 055/ 53 27 63

Sekretär

Steiner Beat, Elektroniker Postfach 15 6440 Brunnen 043/ 31 36 28

Kassier

Schär Walter, Sägerei 6146 Grossdietwil

063/ 59 11 85

Elektro

Kobel Hans, Elektroapparatebau 3416 Affoltern i.E. 034/ 75 14 13

Mech. & Bau

Rubin Rudolf, Mech. Werkstätte 3714 Frutigen 033/ 71 37 89

Section romande

Bourquin Jean-P ierre, Ingenieur EPF Z Rue Montsalvens 18 1636 Broc 029/ 6 10 04

Offizielles Organ des ISKB Auflage dieser Nummer 500 Stück erscheint 2 mal pro Jahr.

Inseratenpreise: Letzte Umschlagseite l Seite 1/2 Seite 1/4 Seite

Fr. 300.-Fr. 250.-Fr. 135.-Fr. 75.--

Mitglieder erhalten 25 % Rabatt Redaktion

Mugwyler Kurt, Maschinening. HTL Linth-Escher-Str. 4 8865 Bilten 058/ 37 25 54

Redaktionsschluss 15.Febr. und 15.August.

GENERALVERSAMMLUNG DES ISKS

***************************

Samstag den 23.März 1~85 um 13.30 Uhr im Hotel Hof in Erstfeld mit Besichtigung einer kleine~ Anlage (Pelton) von 15 kW und der Zentrale Amsteg der SBB. Mitglieder und Interessenten sind dazu freundlich eingeladen.

Stromrückkaufspreise Die Verhandlungen über Strompreise zwischen VSE und dem ISKB gehen schrittweise voran. Zwar konnte der Terminplan nicht ganz eingehalten werden, aber wi.r sind schon ein gutes Stück vorangeko~en.

Um für unsere Mitglieder gerechtere Rückkaufspreise auszuhandeln ist es notwendig, die regionale Preissituation zu kennen. D~r Vorstand bittet alle Mitglieder, Stromrechnungskopien mit abgedecktem Namen zu machen und diese dem Sekretariat zu senden. Bitte geben Sie noch die Betriebsart an .z.B. Privathaushalt, Mühle, Sägerei, Landwirtschaft, Industrie.

Alle Angaben werden ausgewertet und damit eine Statistik erstellt.

Mit dieser Grundlage kann dann mit den Elektrizitätsgesellschaften gezielt verhandelt werden.

Besten Dank für Ihre Mitarbeit Dominik Buntschu

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CHAPALLAZ

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Microcentrales hydroelectriques Kleinwasserkraftwerke

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1445 ·VUITEBOEUF

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Tel:024 3715 24

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Etude - Fabrication - Modernisation 1

S E C T I O N R OM A ND E

OBJECTIFS DE L'ASSOCIATION SUISSE DES PROPRIETAIRES DE PETITES USINES ELECTRIQUES (ISKB)

Ce texte est avant tout destin~ ä informer Ies nouveaux membres romands.

Notre principal objectif est d'encourager l'exploitation des ~nergies d~centralis~es et renouvelables, en particulier dans le domaine hydrau· lique. Comme Ie gro.upe "turbinettes" de ·1'ADER, form~ en juin 1984, poursuit exactement les memes buts, il fut d~cid~ que les membres du groupe "turbinettes" formeraient la SECTION ROMANDE de l'ISKB. Pour encourager l'exploitation de petites centrales hydrauliques, notre association s'efforce d'oetjvrer dans les domaines suivants : - Mettre ä disposition de l'information technique et juridique - Negocier avec les importantes compagnies d'electricLte de notre pays pour obtenir _des tarifs plus avantageux pour le rachat d'energie des petites centrales (n'oubliez pas de retourner le questionnaire !)

- Defendre les interets de l'ISKB envers Ies autorites, dans !'immediat pour le projet de revision de la loi federale sur la protection des eaux, en particulier au sujet du debit minimum des cours d'eau - Diffuser les possibilites d'obtenir des aides financi~res pour Ia mise en exploitation de petites centrales, !'Administration federale des bles, par exemple, octroie des subventions pour l'alimentation en energie hydraulique de moulin ä farine.

Le succ~s de notre association ne depend pas uniquement de l'efficacite de son comite, mais d'une participation accrue et d'un nombre croissant de ses membres. L'union fait la force ! Nous vous proposons de contacter des proprietaires de petites usines pour les convaincre de joindre notre association dans Ieur propre interet. Votre representant romand se fera un plaisir de vous faire parvenir Ia documentation necessaire.

Jean-Pierre Bourquin

ASSEMBLEE GENERALE ISKB Samedi, 23 mars 1985, Erstfeld Hotel Hof, 13 h 30 avec visite d'une petite centrale (Pelton) de 15 kW et de la centrale CFF d'Amsteg. Tous les membr~s et sympatisants de l'ISKB et de l'ADER sont bienvenus.

2

COMMENT

DETERMINER

LA

PUISSANCE

INSTALLEE

D'UNE

TURBINE

J.-M. Chapallaz, ingenieur EPFL, Vuiteboeuf

Larsqu'un proprieteire decide de canstruire au de moderniser une micro-centrale hydraulique, il est place rapidement devant le probleme du dimensiannement de la turbine. Bien que seuls deux parametres, la chute et le debit, inierviennent pour definir la puissance hydraulique

a

disposition, le choix n'en est pas ¡ pour

autant rendu plus simple.

En effet, si la chute ou difference de niveau entre la prise d'eau et le canal de fuite, est relativement constante, le debit est fortement variable au cours de l'annee. En gros, il est soumis et

a des variations saisonnieres (fonte des neiges) assez a des fluctuations plus rapides dues aux precipitations

lentes (pluies,

orages).

Faut-il choisir une turbine absorbant un gros debit mais avec le risque d'une mise hors service en periode de basses eaux, ou une machine

a

faible debit produisant sur taute l'annee une quantite

1

d energie limitee?

Debits

de-

Avant taute decision, il est donc important de connattre les bits

a

disposition et leur repartition annuelle sur plusieurs

annees afin d'obtenir une moyenne statistique.

Pour les petites centrales, les mesures de debit pluriannuelles ne . sont souvent pas disponibles et seraient longues

a

etablir,

seuls les cours d'eau d'une certaine importance etant soumis

a

des controles reguliers.

Comment proceder? 11 est recommande, avant d'avancer dans le detail d'un projet, d'effectuer des mesures de debit sur le cours d'eau pendant une annee complete au minimum. Ces donnees ne sont pas suffisantes etant donne leĂ&#x; Variations possibles d 1 une annee

a

l'autre, mais elles pourront etre ajustees par comparaison

avec un ou plusieurs cours d'eau soumis

a

controles dont les

bassins versants ont des caracteristiques similaires.

3

Courbe des debits classes Sur la base des debits moyens instantanes (Fig. 1), on etablira une courbe dite courbe des debits classes (Fig. 2).qui represente les debits en fonction de leur duree cumulee. Cette courbe, ajustee eo tenant compte des donnees des bassins voisins et apres deduction du debit reserve qui doit etre maintenu en tout temps dans la riviere,

permettra un dimensionnement correct de la ou des tur-

bines.

Temps ·

Temps Janv.

0

Dec.

Juin

Figure 1: Courbe des debits instan-

180

Figure 2: Courbe des debits classes

tanes mesures

L'energie

a

disposition est proportionnelle

a

la surface de la

courbe si 1 1 on admet une chute constante. En effet, la puissance vaut

P

=f•

ou Q= debit

g·Q•H

et l'energie

H= chute

p=

E =JP•dt

=[J•&•HJQ•dt

masse specifique de l'eau = 1000 k~/m3

g= coefficient de gravitation = 9,81 m/s2 et /Q•dt= integrale debit-temps = surface de la courbe des debits classes moins le debit reserve Pour la suite des operations, il est important de considerer deux facteurs:

4

365

a) le type de service de la centrale - en parallele sur le r6seau ou autonome b) le rendement

a

charge partielle du type de turbine choisi.

Micro-centrale autonome, independante du reseau Dans - ce cas, la turbine doit couvrir les besoins 6nerg6tiq~es, aucune source d'6nergie de remplacement n 1 6tant

a

disposition.

La turbine est alors dimensionn6e pour le debit dispcinible dur~nt env. 2~0

.a

300 jours par ann6e.

O'.

E

250-300 j.

Figure 3: Debits class6s Marche autonome, independ~nte reseau

Micro-centrale en parallele sur

r::

CU •CU ~

.C cd) 1-t ... ::, 1-t µ nj

utilisee

-------.~-

=

OJ •rl

50-60 j.

Figure 4: Debits classes Harche en parallele sur le reseau

le ·reseau

Sur la Fig. 3, nous observons que le debit

a

250-300 jours ne per-

met pas l 'utilisation complete du potentiel d 'energie

a

dispos-ition.

En fonctionnant en parallele ~ur le reseau, il est poss1ble de choisir une puissance de turbine plus elevee, quitte

a

arr~ter

1 1 installation pendent quelques mois en periode de basses eaux •.

L'utili~ation du po~entiel du site sera beaucoup plus intere~sante (Fig. 4).

5

11 est

a

noter que pour une installation en parallele sur le

reseau, il y a des periodes excedentaires lorsqu~ la puissance de la turbine depasse la consommation propre, le courant en surplus etant renvoye sur le reseau, et des periodes de manque, ou le courant devra etre achete.

La rentabilite de ce systeme sera donc particulierement dependante du tarif applique par le distributeur d'electricite pour le rachat du courant excedentaire.

Rendement

a

charge partielle du groupe turbo~generateur

Le rendement total d'une ihstallation est le produit des rendements de la turbine, de la transmissio~ et du generateur; il est represente schematiquement sur la Fig. 5. generateur_>- __ -

,I.J

c::

-- ------

II)

/

II)

"O

c:: Q)

I

0::

/

P maximum

/

total

/ Figure 5: Courbes de rende-

I

ments d 1 une mini-centrale

I

I

I

+-plage ¡ de fonctionnement de la turbine---------

.___ _....:....---1---------------+--d_e_bi t Q

Q

minimum

En pratique, le rendement total chute rapidement lorsque le debit est inferieur

a

un pourcentage de sa valeur maximale, variable

selon le type de turbine: Pelton, Kaplan Flux traversant

a

double reglag~:

a

env. 15

1 chamb~e, Francis: env. 30

Helice (pales fixes):

env. 60

a a a

25% Q max.

40% Q max .

70% Q max.

Au-dessous des valeurs indicatives ci-dessus, la puissance produite sera insuffisante et l'installation mise hors service. Au moment du choix de la turbine, il est donc important de considerer son rendement i

charge partielle, qui fixere la limite inferieure de ~on

utilisation.

6

Unterhalt und Reparaturen Reparaturen, Neuwicklungen an elektrischen Maschinen und Apparaten. Kundendienst für Störungsbehebungen

Modernisierung von Wasserkraftwerken Elektrische Maschinen und Schaltanlagen

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Buchbesprechung

Im Rahmen der Veröffentlichungen des Bundesamtes filr Wasserwirtschaft über Kleinwasserkraftwerke in der Schweiz ist seit November 1984 der Studienbericht Nr. 2 "Kleinwasserkraftwerke in der Schweiz Teil Ila, Oberes Toggenburg" erhältlich.

Der Bericht liefert vorab eine generelle topographische, geologische und wirtschaftliche Beschreibung des rd 200 km2 umfassenden Testgebietes mit voralpinem Charakter, worauf eine hydrologische Untersuchung anhand der im Gebiet vorhandenen Abflussmengen- und Regenmessstationen folgt. Diese Untersuchung vermittelt die hydrologischen Grundlagen für die in der Folge dargestellten 20 Neuanlagen und 3 Erweiterungsmöglichkeiten bestehender Anlagen.

Die insgesamt 23 Kleinkraftwerke werden sowohl unter technischen wie auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten beurteilt. Die Studie zeigt, dass die heutige Produktion im Testgebiet von rd 10 Mio kWh/Mitteljahr auf circa 80 Mio kWh gesteigert werden könnte, wobei jedoch mehrere Anlagen einbezogen sind, die für heutige Verhältnisse zu hohe Energiegestehungskosten aufweisen.

Die wirtschaftlich interessantesten Anlagen der Untersuchung weisen Energiegestehungskosten auf, die im Rahmen heutiger Neubauten liegen.

8

Im weiteren zeigt die Studie anhand der Beispiele, dass erste Untersuchungen für eine mögliche Anlage mit rela.tiv bescheidenen Mittel durchgeführt werden können und die nötigen Beurteilungsgrundlagen liefern.

Im Frühjahr 1985 wird das Bundesamt für Wasserwirtschaft den Teil II b des Studienberichts,der das Glarnerhinterland und das Sernftal in analoger Weise behandelt, veröffentlichen.

Beide Studienberichte wurden von der AG Ingenieurbüro Maggia, Locarno zu Handen des Bundesamtes für Wasserwirtschaft erstellt.

Bezugsquelle: Bundesamt für Wasserwirtschaft Effingerstrasse 77 Postfach 2743 3001 Bern

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II p.us,.-iucn\e_n a.ul fl\O

.

10

'

Sandabscheider und deren Auslegung Fast alle Gewässer führen mehr oder weniger Geschiebe und Sand mit. Die Schwebefracht schneller Gebirgsbäche, besonders der scharfe feinkörnige Sand greift die Druckrohrwandungen und die mit dem Wasser in Berührung kommenden Turbinenteile an. Diese Sanderosion kann einer noch so guten Turbine in kuizer Zeit schweren Schaden zufügen. Die Folge davon sind beträchtliche Wirkungsgradverluste und sogar vollständige Zerstörung der Turbine.

Je grösser die Druckhöhe, desto grösser ist der Verschleiss an Einlauf und Turbine. Bei Druckhöhen

über 100 m ist eine sehr sorg-

fältige Entsandung unbedingt notwendig, über 200 m sollte auch der feine Schlamm mit Korngrössen um 0,1 mm möglichst ferngehalten werden.

Das ganze Problem der Feststoffausscheidung ist sehr vielfältig und von den örtlichen Gegebenheiten sehr stark abhängig. So gibt es Bäche und Flüsse, die kaum Steine oder grobes Kies mitführen, aber dafür sehr feiner Sand und organische Schwimmstoffe wie Laub, Holz usw. selbstverständlich muss die Wasserfassung für die in jedem Falle herrschenden Verhältnisse ausgelegt werden. Hier sollen deshalb nur einige grundsätzliche Probleme der Sandausscheidung erläutert werden .

Allgemeinnnordnung der. WasserfMsung

11

Spezielle Abscheiderausführungen und Abscheider für Laub und Holz werden zu einem späteren Zeitpunkt speziell behandelt.

Der Entsander hat die Aufgabe, den vom Wasser . mitgerissenen Sand und Schlamm möglichst auszuscheiden. Dies geschieht meist in einem Kanalförmigen Becken. Du!ch die niedere Fliessgeschwindigkeit des Wasser hat der feine Sand Zeit, sich zu setzen und am Grund des Beckens zu sammeln.

Für die hydraulische Bemessung des ' Entsanders müssen folgende Punkte abgeklärt werden. a) Die Beschaffenheit und Menge des mit dem Wasser durch den Grobabscheider geführten Feststoffes. Die in den Entsander gelangenden Schwebestoffe setzen sich meist aus Teilchen verschiedener Grössen zusammen. Von kolloidalen Teilchen (Durchmesser kleiner als 0,002 mm) über Sand bis zu Kiesfraktionen mit Korngrössen von 2 bis sogar 10 mm kann ~lles in den Entsander gelangen.

Die Menge der Schwebstoff-Fracht wird durch die spezifische Schwebstoffmenge, die sog. Schwebstoffkonzentration gekennzeichnet. Sie ist nicht nur von Ort zu Ort verschieden, an derselben Entnahmstelle kann diese Konzentration bei Hochwasser ein Vielfaches der sonst üblichen Konzentrationen betragen.

3 Diese Schwebstoffkonzentration (in kg. Feststoff pro m Gesamtvolumen) ist die Massgebende Grösse für die Bemessung des Sandfangraumes. And~rs ausgedrückt sagt dies Grösse aus, wieviel Wasser durch einen ·bestimmten Entsander fliessen kann bis der Sandfangraum gefüllt und wieder gespült werden muss. b) Das Mass der Entsandung muss durch die an das Triebwasser gestellten Anforderungen bestimmt werden. Diese hängen von Druckhöhe, Maschine und der mitgeführten

Gesteinsart ab.

Allgemein gültige Vorschriften gibt es nicht. Man versucht, den eben noch zulässigen Korndurchmesser mit Grenzkorn zu bezeichnen. Bei Niederdruckanlangen soll das Grenzkorn nicht über 0,5 mm sein. Wird mit dem . Wasser scharfkörniger Quarzsand mitgeführt, können schon Korngrössen von 0,25 mm der

12

Maschine beträchtlichen Schaden zufügen. Be i grosser Druckhöhen soll die zulässige Korngrösse sogar aut 0,1 - 0,2 mm reduziert werden.

Neben der Grenzkorngrösse ist der Entsandungsgrad ein wichtiges Mass zur Beurteilung. Ist die Schwebstoffkonzentration des nicht entsandeten Wassers C, jene des entstandeten Wasser C zul. so gibt der Prozentsatz 100 • C zul C

[ % ]

1)

den Entsandungsgrad an. Einfacher ausgedrückt gibt der Entsandungsgrad an, wieviel von der ganzen Schwebestoff-Fracht eine kleinere Körnung als das Grenzkorn hat und damit nicht abgeschieden werden kann.

Mit den aus a) und b) bestimmten Daten kann nun die eigentliche Auslegung des Entsanderbeckens beginnen. Durch theoretische Berechnung oder durch Versuche muss zunächst die Sinkgeschwindigkeit der auszuscheidenden kleinsten Korngrössen ermittelt werden.

Für die Berechnung muss mit zwei dimensionslosen Kennza h len oper i ert werden.

Arch i medes zahl

Ar

Reynoldzahl

Re 2)

Ar

do

Korndurchmesser [m]

Vw

Kinemat.Viskosität von Wasserfn

gF

Dichte des Feststotfes

gw

Dichte des Wassers

Für

Ar

<.. 34

Für

Ar

34

Für

Ar

>

ist bis

Re 8400

8400

ist

2

1s]

Ar

18 ist Re

Re

= 1,74

(~ )°'71 Pr 13, 9

Mit der Reynoldzahl kann nun die Sinkgeschwindigkeit errechnet werden. w

Re ·

Yiv do

3)

13

Besteht der Sand nicht aus streng kugelförmigen Körnern, was bei Sand sicher immer der Fall ist, so muss das in der Rechnung mit

r

dem Faktor

berücksichtigt werden.

Form kugelig

1

gerundet

0,8

eckig

0,7

länglich

0,6

plattenförmig

0,4

Damit folgt aus Gleichung · 3)

.

':f • Re

w

jw ~

4)

Zur Ermittlung der Beck~n-Hauptabmessungen können drei grundlegende Beziehungen aufgestellt werden. m3 Es sei: Q Wasserstrom in /sek b

Beckenbreite

h

Beckentiefe

v

Fliessgeschwindigkeit

Q

b. h.

V

[

m • ms · m

5)

Die zweite Beziehung ist zwischen der Senkgeschwindigkeit w, der Wassertiefe h im Becken und der Sinkzeit t gemäss der Formel t

h w

6)

zu finden.

Schliesslich ergibt sich die dritte Beziehung aus der Forderung, dass das Grenzkorn den Beckenboden vor dem Ende des Beckens erreichen muss.

14

j Anders ausgedrückt heisst das, dass die Sinkzeit e~nes Grenzkornes kleiner sein muss als die Durchflusszeit eines Wasserteilchens.

Die erforderliche Beckenlänge L

V•

t

L

ist somit

(m]

7)

Aus den beiden Gleichungen 6) und 7) kann nun t eleminiert werden.

Somit ergeben sich für die Bemessung zwei Beziehungen mit sechs Grössen. h,v

L•W

8)

=b•h,v

Q

Es müssen vier Grössen bekannt sein, um das Gleichungssystem lösen zu können. Der Wasserstrom Q kann als gegeben betrachtet werden.

Die Sinkgeschwindigkeit w lässt sich aus dem vorgegebenen Grenzkorngrösse errechnen oder durch Versuche ermitteln. Auch die zulässige höchste Durchflussgeschwindigkeit muss aus der Forderung gegeben sein, dass das abgesetzte Gut nicht wieder fortgeschwemmt werden darf.

Nach Camp beträgt diese kritische Geschwindigkeit V

=

a

9)

100

·wobei der Korndurchmesser d in mm einzu.s etzen ist, während der Beiwert a = 36, wenn d grösser als 1 mm a = 44, wenn d zwischen

o,i

und 1 mm

a = 51, wenn d kleiner als 0,1 mm Die vierte im Voraus anzunehmende Grösse ist eine der Hauptabmessungen des Beckens. Da eine Vergrösserung der Tiefe viel kostspieliger ist als eine Verlängerung oder Verbreitung, geht man von der praktisch erforderlichen kleinsten Beckentiefe aus.

15

Interessant ist, dass man durch Eliminieren von v in Gleichung 6) und 7) zu der Beziehung gelangt

10) Dieser Ausdruck macht klar, dass die während der Sinkzeit t

zu-

fliessende Wassermenge dem Fassungsvermögen des Beckens gleich sein muss.

Diese Berechnungsunterlagen gelten nur, wenn sich die Wasserströmung bis zum Entsanderbecken geAUgend beruhigt hat. Gegebenenfalls sind spezielle Beruhigungselemente einzubauen. Damit kann erreicht werden, dass die Strömung im Entsander Ober den ganzen Querschnitt gleichmässig ist. zu beachten ist noch, dass die Viskosität und die Dichte des Wassers stark von der Wassertemperatur abhängen.

Jedenfal 1 s soll die effektive Beckenlänge das 1 ,2 bis l.; s· - f ac.he der errechneten Länge sein.

Kurt Mugwyler Maschinening. HTL 8865 Bilten GL

Not•tromanlagen ·

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5-10 5-11

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l l

5-4

5-13 5-14 5-15 5-16

5-17 5-18 5-19

5-20 5-21

5-22 3-21

2.5 -3.5 m Q= 500 - 2600 1/s 5-23 Banki- Turbine H Q Francisturbine H 11 m 250 1/S 5-24 Pelton~urbine H = 30 m Q = 400 1/s 2 Düsen 5-25 Auskunft gibt die Geshäftsstelle

SULZER ESCHER WVSS Sulzer-Escher Wyss AG Produktebereich Hydraulik, Zentrale Service-Abteilung · CH-8023 Zürich, Schweiz Telefon 01-246 27 50/54, Telex 822-90011 sech