Francis Tipi Türbinlerde Aeration Sistem Optimizasyonu

Selim Saçma, Özcan Oruç, Cevden Miraç Şireci, Umut Bat, Murat Duran, Beste Erduran, Mahmut Çevik, Enes Uğurlu, Yakup Yanmaz, Hakan Başaran, Osman Öztürk

Özet: Alçak ve orta düşülü Francis türbinlerinin kısmi yüklerdeki dinamik davranışları önde gelen sorunlarındandır. Optimal tasarım bölgesi dışındaki kısmî yüklerde çalışma sırasında emme borusundaki akış düzensizlikleri nedeniyle meydana gelen döner girdap halatı (vortex rope - draft tube swirl) olgusu, çark devir hızının 0.2 – 0.4 katı aralığında düşük frekanslı basınç dalgalanmalarına neden olur. Bu dalgalanmaların hidrolik, mekanik veya yapısal bir bileşenin doğal frekansı ile çakışması durumunda rezonans adı verilen yüksek titreşimler oluşmaktadır. Söz konusu titreşimleri azaltma yöntemlerinden birisi de emme borusuna hava girişinin izin verilmesidir (Aeration). Bu makalede aeration sisteminde yapılan iyileştirmeler ile sağlanan katkılar ortaya konulmuştur.

Hidroelektrik santraller, suyun potansiyel enerjisini mekanik enerjiye, buradan elde edilen mekanik enerjiyi de elektrik enerjisine dönüştürmek için yapılan tesislerdir. Hidroelektrik santraller, düşü değerine, ürettikleri enerjinin karakter ve miktarına, kapasitesine, yapılış şekillerine ve üzerine kuruldukları su yapısının özelliklerine göre sınıflandırılmaktadır. [1]

Ürettikleri güç aralığı, uygulanabilirliği, küçük ve büyük debi seçenekleri, geniş düşü spektrumu bakımından Francis tipi türbinler en yaygın kullanılan hidro-türbin tiplerinden biridir. Yüksek verimliliği ve yüksek düşü gibi durumlarda uygulanabilirliği bakımından baraj tipi santrallerde genellikle Francis tipi türbinler karışımıza çıkmakta olup, özellikle hat dengelenmesi, elektrik iletim hatlarındaki frekans kontrolü ve dengelenmesi hususunda çok önemli sistemler olmaktadır. [2]

50 metre ile 500 metre arası orta düşülerde kullanılan Francis türbininin temsili kesit resmi Şekil 1’de görülmektedir. Salyangozda yönlendirilen su akışı açısal momentumla çark girişindeki sabit kanatlara ve ayar kanatlarına ulaşır. Ayar kanatlarının açıklık miktarı çarka giren akışın debisini kontrol eder. Akışın açısal momentumu çark kanatları tarafından mekanik momentuma dönüştürülür. Çarkı terk eden akış emme borusundan geçer ve kinetik enerjisi statik geri basınca dönüştürülür. [3]

Kavitasyon olgusu pompaların ve reaksiyon türbinlerinin (Francis tipi türbinler) son derece yatkın olduğu istenmeyen bir olay olup, türbin çarklarında vibrasyon, performansta azalma ve türbin-generatör ekipmanlarının zamanla hasarlanması şeklinde karşımıza çıkabilmektedir. [4]

Akışkan, hidrodinamik basıncının buhar basıncının altına düşmesi sonucunda buhar fazına geçer. Bu durumda oluşan küçük kabarcıkların yüksek basınç bölgesine geçtiğinde ani olarak (içeri çökerek) patlaması ile oluşan fiziksel olayın ve bu olayın bitişik malzemede oluşturduğu hasara kavitasyon denir.
Francis tipi türbinler için farklı farklı kavitasyon tipleri bulunmaktadır. Bunlardan bazıları aşağıdaki gibi sıralanabilir:

• Ön kenar kavitasyonu (Leading edge cavitation)
• Gezer kabarcık kavitasyonu (Travelling bubble cavitation)
• Çark kanatları arası vorteks kavitasyonu (Inter-blade vortex cavitation)
• Von-Karman vorteks kavitasyonu (Von-Karman vortex cavitation)
• Kavitasyonlu döner girdap halatı (Cavitating draft tube swirl)

Bahsi geçen çark kavitasyonlarını önlemek için ünitenin tasarım sürecinde başlamak üzere birçok önlem alınabilmekte ve tasarımlar yapılabilmektedir. Kavitasyonlu döner girdap halatı önlemi için de doğal aeration dediğimiz çarkın orta kısmından doğal havalandırma yapma yöntemi uygulanmaktadır. Buradaki örnek olarak kullanılan ünitede doğal aeration için ünitenin işletme durumlarına göre açılan veya kapanan aeration vana bulunmaktadır.

Bu çalışmada döner girdap halatı kavitasyon tipi ile türbin-generatör sistemlerinde oluşan titreşimin nasıl azaltıldığı anlatılmaktadır.
Döner girdap halatı, çark koniği altında ve draft tube merkezinde vorteks oluşumu şeklindedir. Bu kavitasyonun miktarı Tahoma sayısı veya santral kavitasyon sayısı olarak bilinen σp değerine bağlı olup, kısmi yük (partial load) ve debinin, artan dairesel hızından kaynaklı aşırı yükleme (overload) durumlarında oluşmaktadır. [1]

Sistem veriminin maksimum olduğu debi değerinin %50 ile %80’i civarında girdap helisel bir şekil alır (Şekil 2) ve çark hızının 0.25 - 0.35 katı olacak şekilde yalpalama-dönme şeklinde kendisini gösterir. Araştırmacılar döner girdap ve sebep olduğu titreşimlerin etkisini azaltmak için çeşitli yöntemler ileri sürmüşlerdir. Bunlardan en yaygını, emme borusuna hava girişinin izin verilmesidir (Air Admission). Francis türbinleri için yapılan çalışmada, kısmi yüklerde oluşan döner girdap halatının titreşimlere etkileri incelenmiş, generatör kapasitesine olan olumsuz etkileri ortaya konulmuş ve hava girişine izin verilmesi (air admission) ile sorunun maksimum düzeyde çözülmesi sayesinde jeneratörde %11,11 oranında kapasite artışına gidilebildiği de görülmüştür [1].

Draft tube bölgesindeki oluşan girdap halatlarını yok etmek için basınçlı hava beslemesi sayesinde de çeşitli çözümler bulunabilmektedir. Fakat draft tube bölgesinde yüksek basınç oluşturulması, türbin çarkı üzerinde tersine basınç oluşturabilmekte ve verim kayıplarına neden olabilmektedir. Buradaki çalışmada ise ekstradan bir basınçlı hava beslemesinden ziyade doğal hava beslemesi ile enerji-verim kayıpları oluşmadan çark bölgesindeki kırbaç halatlarının yok edilmesi ve ünite titreşimine etkisi anlatılmaktadır.

Dış firmadan türbin tedariki yapılan üç Hidroelektrik santralimizde aeration sistemleri otomatik olarak kontrol edilen aeration vana üzerinden yapılmaktadır. Başka bir firmanın santrallerinde ise, hava emiş özelliği olan vantuz uygulaması ile aeration yapılmaktadır. Çalışmamızda Hidroelektrik santrallerimizde aeration vananın operasyonu ve bu operasyon sayesinde vibrasyon değerlerine etkileri gösterilmektedir. Özellikle bir santrelimizde Ünite-2 için yaşanan bir aeration vana pozisyon probleminde ünitedeki vibrasyon değişimi Şekil-3’te görülebilmektedir.

Geçmiş dönemlerdeki ünitede olan titreşimler incelendiğinde ise, 30.10.2016 tarihinde saat 04:30 civarlarında ünite sabit yükte iken (yaklaşık 30MW civarları) titreşim olduğu görülmektedir. Bu titreşimin nedeni aeration vananın doğru pozisyonda olmayıp ara pozisyonda kalmış olmasıdır. Bazı Hidroelektrik santrallerimize ait türbinler kısmi yüklerde çalışma durumlarında ve ayar kanat açıklık durumuna göre aeration vana açık-kapalı pozisyonları SCADA’ya ve kontrol sistemine eklenmiştir. Tablo-1’de aeration vana açık ya da kapalı kalma durum-şartları belirtilmektedir. Burada WGWicket Gate (ayar kanadı) açıklık bilgisine göre Aeration vana otomatik olarak çalışmakta olup, olası ara pozisyonlarda kaldığında vibrasyon yaşanabilmektedir. Olası vibrasyon kaynaklı durumlar ya da duruşlar olması durumundaki saat içerisinde SFK ya da PFK kaynaklı üretim kaybı olmaktadır.

Tablo 1 Santral Bazlı Aeration Vana Pozisyon Bilgisi

Bahsi geçen vana Şekil-4’te gösterilmektedir. Vana sadece tam açık ya da tam kapalı pozisyonlarda çalışabilmektedir. Ekipmanda günümüze kadar herhangi bir direkt arıza yaşanmamış olsa da geçmiş yıllarda vananın arada kalma durumlarında vibrasyon alarmı ve duruşlar yaşanmıştır. SCADA sistemi üzerindeki aeration vana pozisyon bilgisi Şekil-6’da gösterilmektedir. Alarm ve duruşlar sonrasında vana fonksiyon testleri yapıldığında herhangi bir sorun görülmese de vana kullanım kılavuzlarının tavsiyeleri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Olası vana ara pozisyonlarda kalma durumlarını mekanik açıdan önlemek için vana dişli kutusu yağ değişimi de yapılmıştır. Şekil-5’te çalışma görülebilir.

Tüm bu kazanımlarla beraber vananın ara pozisyonda kalması durumları için de Senkron ekipleri ile görüşerek PI-VISON üzerinden ara pozisyonlarda uyarı vermesi sağlanarak, vananın saha ekiplerine bilgi verilerek manuel olarak açması ya da kapatılması sağlanabilecektir. Ek bilgi olarak da aeration vananın ünite çalışırken manuel bir şekilde açılması ya da kapatılması direkt olarak ünite duruş ya da alarmlarına neden olmamaktadır. Bu işlem yapılırken vibrasyon kaynaklı duruş ya da alarmların olabileceği göz önüne alınmalıdır.

Buradaki çalışmada herhangi bir masraf olmayıp, Enerjisa personelinin teknik becerileri sayesinde hiçbir maliyet olmadan bu tip arızi durumların önüne geçilebilmektedir. Yapılan çalışma, ayrıca sık duruş ve devreye almaların önüne geçmektedir.

Bu sayede projenin uzun dönemde malzeme yorulmaları nedeniyle tesis ekipmanlarında olabilecek büyük çaplı arızaların ve duruşların önüne geçme boyutu da göz önünde bulundurulmalıdır.

[1] Hidroelektrik Santraller Hesap Esasları ve Projelendirilmesi, DSİ Barajlar ve HES Dairesi, Kadir Yıldız, Ankara, 1992.
[2] Francis Türbinlerinde Döner Girdap Halatının Titreşim Ölçümleriyle Belirlenmesi, Selim SAÇMA, Talip ESKİKALE, B. Emre ORHON, Makina Mühendisleri Odası, 2018
[3] Favrel, A. 2016. Dynamics of the cavitation precessing vortex rope for Francis turbines at part load operating conditions, Ph.D., EPFL, Lausanne.
[4] Gohil P.P., Saini R.P. 2016. “Numerical study of cavitation in Francis turbine of a small hydro power plant”, International Journal of Applied Fluid Mechanics, 9 (1), pp. 357-365.
[5] Guide on How to Develop a Small Hydropower Plant, 2004, ESHA.
[6] Aeration – AUMA vana kullanım kılavuzu.