Hidrolik Santrallerde Kavitasyon Olayının Neden Olduğu Arızalar ve Çözüm Yöntemleri

Abstract

Hidrolik enerji, Dünya’ daki en zengin ve en kullanışlı yenilenebilir enerji kaynaklarından biridir. Bu nedenle enerjinin sürekli üretilebilmesi için hidrolik türbinler faydalı ömürlerini kısaltan ve yorgunluk hasarlarına neden olan başlatma ve durdurma gibi birden fazla geçici durumlara karşı optimum değerlerde en iyi verimlilik düzeyinde çalıştırılmalıdır. Optimal tasarım dışı kısmi yüklerde çalışan Francis türbinlerde akış düzensizliklerinden dolayı basınç değişimleri meydana gelir. Bu basınç değişimleri hidrolik, mekanik veya yapısal bir bileşenin doğal frekansı ile çakışması durumunda rezonans nedeniyle yüksek titreşimler oluşturarak türbinin dengesiz (balanslı) çalışmasına sebep olmaktadır. Bu çalışmada, Francis türbinin yüksek titreşimleri, türbin ayar kanadına montaj edilen kavitasyon sensörü aracılığıyla sürekli (online) titreşim izleme sistemi yardımıyla izlenerek dengesizlik durumunda çalışmasının kavitasyon titreşim etkileri ile dengesizlik giderildikten sonraki durumda kavitasyon titreşim etkileri incelenmiştir. Hidrolik türbinlerin farklı işletme şartlarında kavitasyon olayının sebep olduğu titreşim grafiksel olarak gösterilmiştir. Makalenin son kısmında verilen grafikte yatak arızası giderildikten sonra titreşim büyüklüğünün 2 mm s-1’den 0,5 mm s-1’ye düşürüldüğü görülmektedir. Bu durum hidrolik türbinlerin güvenli kavitasyon bölgesinde çalıştırılarak yüksek titreşim seviyelerinden kaçınmak için önemli bir sonuç oluşturmaktadır.

Keywords

• hidroelektrik santral
• kavitasyon
• yenilenebilir enerji

Faults Caused by Cavitation in Hydraulic Power Plants and Solution Methods

Abstract

Hydraulic energy is one of the richest and most useful renewable energy sources in the world. For this reason, hydraulic turbines must be operated at optimum efficiency levels against multiple transient situations such as starting and stopping that shorten their useful life and cause fatigue damages in order to generate energy continuously. Pressure variations occur due to flow irregularities in Francis turbines operating at non-optimal partial loads. If the sepressure variations coincide with the natural frequency of a hydraulic, mechanical or structural component, they create high vibrations due to resonance, causing the turbine to operate in an unbalanced (balanced) manner. In this study, the high vibrations of the Francis turbine were monitored with the help of a continuous (online) vibration monitoring system via the cavitation sensor mounted on the turbine adjustment blade and the cavitation vibration effects of the operation in the case of unbalance and the cavitation vibration effect after the imbalance was eliminated. Vibration caused by the cavitation phenomenon in different operating conditions of hydraulic turbines has been shown graphically. In the the graphic given in the last part of the article, it is seen that vibration magnitude is reduced from 2 mm s-1 to 0.5 mm s-1 after the bearing failure is eliminated. This is an important consequence for the hydraulic turbines to be operated in the safe cavitation zone to avoid high vibration levels.

Keywords

• Hidroelektrik santraller
• kavitasyon
• yenilenebilir enerji

References

1. Rahi, O.P., Kumar, A., 2016. Conomic analysis for refurbishment and uprating of hydro powerplants. Renewable Energy, 86:1197-1204.
2. Jawahara, C.P., Michael. P.A., 2017. A review on turbines for micro hydro power plant. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 72:882-887.
3. Moran, E.F., Lopez, M.C., Moore, N., 2018. Sustainable hydropower in the 21st century. Proceeding of the national academy of sciences of the United States of America, 115(47):11891–11898.
4. Qadir, Z., Abujubbeh M., Mariam A., Fahrioglu, M., Batunlu, C., 2019. Hydropower Capacity of Different Power Sectors in Pakistan. 1st Global Power, Energy and Communication Conference (GPECOM), Nevşehir, Turkey, 12-15 July.
5. Valentín, D., Presas, A., Valero, C., Egusquiza, M., Egusquiza, E., 2019. Detection of Hydraulic Phenomena in Francis Turbines with Different Sensors. Sensors, 19(18):1-25.
6. Unterluggauer, J., Doujak, E., Bauer, C., 2019. Fatigue analysis of a prototype Francis turbine based on strain gauge measurements. Wasser Wırt Schaft, 109(1):66-71.
7. Brezovec, M., Kuzle, I., Krpan, M., Holjevac, N., 2019. Analysis and treatment of power oscillations in hydropower plant Dubrava. IET Renewable Power Generation The Institution of Engineering and Technology, 14(1):80-89.
8. Zhang, L., Wu, Q., Ma, Z.,Wang, X., 2019. Transient vibration analysis of unit-plant structure for hydropower station in sudden load increasing process. Mechanical Systems and Signal Processing, 120:486-504.

9. Kahraman, G., Yücel, H.L., Taşgin Y., 2019. Identification of optimum working conditions in hydroelectric power plants for cavitation. Engineering Failure Analysis, 96:168-174.
10. Zhang, M., Valentín, D., Valero, C., Egusquiza, M., Egusquiza, E., 2019. Failure investigation of a Kaplan turbine blad. Engineering Failure Analysis, 97:690-700.
11. Presas, A., Luo, Y., Wang Z., Guo B., 2019. Fatigue life estimation of Francis turbines based on experimental strain measurements. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 102:96-110.
12. Gondal, T.M., Hameed, Z., Shah, M.U., Khan, H., 2019. Cavitation phenomenon and ıts effects in Francis turbines and amassed adeptness of hydel power plant. International Conference on Computing, Mathematics and Engineering Technologies İCOMET, NCKU, Tainan, Taiwan, June 24-29.
13. Zhang, M., Valentín, D., Valero. C., Egusquiza, M., Egusquiza, E., 2019. Failure investigation of a Kaplan turbine blad. Engineering Failure Analysis, 97:690-700.
14. Tiwaria, G., Kumara, J., Prasad, B., Patel, K.V., 2020. Derivation of cavitation characteristics of a 3MW prototype Francis turbine through numerical hydrodynamic analysis. Proceding on Science Direct, 26(2):1439-1448.
15. Yu, A., Zou, Z., Zhou, D., Zheng, Y., Luo, X., 2020. Investigation of the correlation mechanism between cavitation rope behavior and pressure fluctuations in a hydraulic türbine. Renewable Energy, 147(1):1199-1208.
16. Escalera, X., Egusquizaa, E., Farhat, M., Avellan, F., Coussirat, M., 2006. Detection of cavitation in hydraulic turbines. Science Direct, 20:983-1007.
17. Saçma, S., Eskikale,T., Orhon, B.E., 2017. Francis türbinlerinde döner girdap halatının titreşim ölçümleriyle belirlenmesi. VIII.Bakım Teknolojileri Kongresi ve Sergisi, Denizli, 28-30 Eylül.
18. Başeşme, H., 2003. Hidroelektrik Santrallar ve Hidroelektrik Santral Tesisleri, DSİ Yayınları, Ankara.
19. Dorji, U., Ghomashchi, R., 2014. Hydro turbine failure mechanisms. Engineering Failure Analysis, 44:136-147.
20. Abbas, I.A., Qandil, D.M., Al-Haddad, R.M., Amano, S.R., 2019. Performance ınvestigation of very-low-head kaplan hydro-turbines. AIAA SciTech Forum, San Diego California, Unıted States, January 7-11.
21. Mohanta, R.K., Chelliah, T.R., Allamsetty, S., Akula, A., Ghosh, R., 2017. Sources of vibration and their treatment in hydro power stations. Engineering Science and Technology, an International Journal, 20:637-648.