Penstock

Penstock
1
Positioning and materials
The penstock can be placed underground or above ground depending on
the nature of the soil, the material of the pipeline, the ambient
temperature, the environmental constraints.
A small diameter PVC pipe can be spread on the ground following their
performance after a minimum of adjustment
large pipelines must be buried if there aren’t too many rock excavations
The bed of sand and gravel that lies beneath and around a portion of
the pipe provides good insulation and prevents anchors blocks and
expansion joints.
The underground pipes must be carefully painted and coated to protect
them from corrosion, but if the coating is well done and is not damaged
during installation, do not require further maintenance
from the environmental point of view the solution is optimal because
the soil profile can be restored and the conduct does not constitute a
barrier to the movement of wildlife
Conduct that is above ground can be designed with or without expansion
joints. Changes in temperature are important especially if the turbine
does not operate continuously or when the pipeline is empty for repairs,
since the resulting expansion and contraction of the pipe. Usually the
conduct is made with straight trunks anchor blocks at each change of
slopes and with an expansion joint between each block.
3
4
Blocks must resist the stress of the conduct and to friction caused by
expansion and contraction, which is why whenever possible, they must be
founded on rock. When the nature of the terrain is such that the concrete
blocks are too large and therefore too expensive, an alternative solution is
to delete a block every two, leaving the curves free to move. In this case,
you should support the straight sections with metal saddles; the saddles
must fit the contour of the tube and usually embracing 120° the bottom of
the tube.
5
7
All saddles can be made of sheet steel reinforcement plates and
separated from the tube with Teflon sheets to reduce friction efforts. If
the solution is to conduct jointed glass and O-ring seal, then the
expansions and contractions occur on each joint.
Currently a wide range of materials for pipes is available.
For the high jump steel or cast iron are preferred.
For medium and small diameter:
•  steel with spigot and O-ring rubber restraint, avoiding welds in the
pipeline, or flanged and bolted on site
•  concrete
•  Cast iron spigot and O-rings
•  Glass fiber reinforced plastics (GRP)
•  PVC or polyethylene (PE)
8
PVC
plastic pipes are a widely used solution for medium jumps (a PVC pipe
with a diameter of 400 mm can be used up to a maximum of 200 m jump)
as they often are cheaper, lighter, easier to handle respect to steel tubes;
not require prosthetic coatings against corrosion. PVC pipes are easy to
install thanks to the joints and gasket O-ring. They are usually installed
underground with a minimum of one meter overlap and because of their
low resistance to UV radiation can not be used above ground if not
covered. The minimum bend radius of a PVC pipe it is rather large, about
100 times the diameter, and its coefficient of thermal expansion is five
times greater than steel. PVC pipes are quite fragile and unsuitable for
installation on rocky terrain.
The low or medium density polyethylene (PELD, PEMD) is used in
systems with low jump.
9
recently made its appearance on the market the high-density
polyethylene (HDPE) that can be used to jump up to 150 m.
These tubes are relatively heavy but very robust, they are thermally
welded in place with special machines and withstand without damage
even the freezing of the pipe.
Another possibility is concrete pipes, prestressed with high-strength
strand with internal steel sheet for hydraulic seal -> no corrosion
problems but heavy (problems in transportation and handling)
10
Hydraulic project and structural requirements
•  conduct is defined by material, diameter, wall thickness and the type of
joint
•  the material is chosen based on ground conditions, accessibility,
weight, type and cost of joint
•  the diameter is chosen so as to reduce losses to an acceptable level of
load
•  the thickness of the pipe is chosen so as to withstand the maximum
internal water pressure, including that due to water hammer
11
the diameter of a pipe is the result of a compromise between the cost of
the pipeline and power loss
P = !" HQ
H=net head
The net head is equal to the
gross head minus the sum of all
losses that are proportional to
the square of the velocity in the
duct.
Given a discharge
small diameter ->
higher velocity and greater
losses.
Big diameter-> low velocity,
low losses, greater costs
Losses equal to 3% of H are
usually acceptable
12
5
1
1 A hf 2
Q=
n P
3
Manning equation
n = Manning coefficient
P = wet perimeter [m]
A = Area [m2]
hf = losses
10.29n 2Q 2
hf =
D 5.333
Circular pipe filled of water
Type
n [s/m1/3]
Steel
0.012
Polyethilne (PE)
0.009
PVC
0.009
Concrete
0.014
Cast iron
0.014
Wood
0.012
13
By dividing D for 2 the losses enlarge of 40 times
h f (D = 1m)
0.2389
=
= 40.3
h f (D = 0.5m) 0.0059
If we assume a limit value for hf equal to 0.004H:
! n 2Q 2 L $
D = 2.69 #
&
" H %
0.1875
14
the thickness of the tube depends on:
•  material
•  tensile strength and yield strength of the material
•  diameter of the tube
•  Pressure
In the steady-state case the discharge is constant and pressure is
equal to the load of water above that point, the thickness is:
P1 = pressure
D = internal diameter
σf = allowable tension
For steel pipe:
P1D
e=
2! f
P1D
e=
+ es
2σ f kf
es= pressure due to corrosion
kf = welding efficency
= 1 no welding
= 0.9 x-ray controlled
15
For abrupt closure the increase of pressure in meters of water column
!V
!P = c
g
Variation in velocity
For slow closure the increase of pressure in meters of water column
2
"N
%
N
!P = P0 $$ ±
+ N ''
4
#2
&
" LV0 %
N =$
'
# gP0 t &
V0=velocity [m/s]
L = length of the pipe [m]
P0 = hydrostatic pressure [m]
t = closing time [s]
Total pressure
P1 = P0 + !P
16
Example
Hlordo: 85 m
Q: 3 m3/s
Condotta in acciaio L =173 m
D: 2 m
Raggio curvatura: 4D
Griglia all’imbocco si superficie 6 m2 inclinata 60° dotate di barre d’acciaio
spesse 12 mm e interasse 70 mm. Progettata in modo che la velocità di
imbocco sia compresa tra 0.6 e 1.5 m/s
Velocità in ingresso alla griglia:
1 ⎛ b + a ⎞ Q 1
V =
⎜
⎟
K1 ⎝ a ⎠ S senα
S: Area totale della parte sommersa
Q: portata di calcolo
V: velocità in ingresso
b: larghezza delle barre
a: spazio tra le barre
K1: coeff. Riferito al parziale intasamento griglia
α: angolo inclinazione griglia sull’orizzontale
Nell’esercizio proposto poiché S= 6 m2
⎛ 70 + 12 ⎞ 1 1
V = 3⎜
= 0.7[m / s]
⎟
⎝ 70 ⎠ 6 0.866
Perdite in corrispondenza della griglia:
⎛ t ⎞
hf = K ⎜ ⎟
⎝ b ⎠
4 /3
V2
senα
2⋅ g
4
! 12 $ 3 0.72
h f = 2.4 # &
0.866 = 0.0049[m]
" 70 % 2 ' 9.81
K e = 0.5
K e = 0.8
K e = 0.4
K e = 0.2
Perdite all’imbocco:
U2
0.952
he = K
= 0.8
= 0.03 [m]
2!g
2 ! 9.81
Salto lordo alla partenza della condotta:
85-0.005-0.06=84.935 [m]
Perdite distribuite:
Perdite nelle 3
curve:
10.3 ⋅ 0.0122 ⋅ 32
hf =
⋅ 173 = 2.3[m]
5.333
1
0.952
he = ( 0.3+ 0.5 + 0.8)
= 0.07[m]
2 ! 9.81
Perdite nella valvola a
saracinesca:
0.952
he = 0.15
= 0.06[m]
2 ! 9.81
Perdita totale circa 2.46 m pari a circa 3% del saldo lordo
Salto NETTO = 85-2.46= 82.54[m]
Surge Tank
PRESSURE CONTROL SYSTEMS
Hydraulic transients and pressure changes such as water hammer
can be controlled in several ways. Gate controls and governor
regulation can limit the gate or valve closure time so that there is no
damaging pressure head rise. Pressure regulator valves located near
the turbine can be used. The relief valve can be connected to the
turbine spiral case and controlled by the turbine gate mechanism to
prevent excessive pressure by maintaining a nearly constant water
velocity in the penstock. The relief valve may be designed to close at
a rate which limits pressure rise to an acceptable value
In the case of impulse turbines, a jet deflector linked to the turbine
governor is used to prevent increased pressure rise by permitting
slower movement of the needle valve.
22
Another way that control can be accomplished is with surge tanks.
Surge tanks are vertical standpipes that act as a forebay and shorten
the distance for relief from the pressure wave of water hammer. A
surge tank serves a threefold purpose in a hydropower plant. It
provides (1) flow stabilization to the turbine, (2) water hammer relief or
pressure regulation, and (3) improvement of speed control. In a
practical sense, a rule of thumb that might be applied to determine
whether a surge tank or a relief valve may be needed is that extra
caution should be exercised to evaluate pressure rise or decrease in
systems where the water conduit total length equals or exceeds the
head by a factor of 3. Surge tanks are usually not economical unless
most of the drop in elevation in the penstock occurs near the turbine.
Different types of surge tanks are used:
23
A simple surge tank is a vertical standpipe connected to the penstock with an
opening large enough so that there is no appreciable loss in head as the water
enters the surge tank. This is the most efficient surge tank to provide a ready
water supply to the turbine when it is being accelerated, and especially when
the initial loading is being applied. However, it is the most hydraulically
unstable.
24
A restricted-orifice surge tank is connected in such a way that there is a
restricted opening between the tank and the penstock that develops
appreciable head loss in the water that flows into or out of the tank. Thus the
orifice tank does not supply or accept excess penstock flow, but it is more
hydraulically stable.
25
The differential surge tank is a combination of a simple tank and a
restricted-orifice tank. An internal riser of smaller diameter than the full
connection to the penstock is built to extend up through the tank while an
outer tank is connected by a simple pipe connection to the penstock. The riser
may also have a flow restrictor or orifice inside. Thus one part of the tank
responds with a minimum of head loss while the outer tank offers resistance to
rapid flow into the tank.
26
The chamber surge tank consists of a double top and bottom chamber
connected by a vertical tank: It is especially convenient in systems that
have high-level variation to the intlet.
The bottom of the upper chamber is higher than the maximum static level,
the bottom of the lower one is usually at least one meter above the gallery
of arrival, with the condition that the chamber remains completely below
the minimum static level;
27
Organi di chiusura e di regolazione
Sono organi di semplice chiusura quelli atti al funzionamento on-off, ossia in
posizione di completa apertura o completa chiusura.
Sono organi di regolazione quelli atti a funzionare anche solo parzialmente
aperti. Per prese, canali a pelo libero e scarichi superficiali si impiegano
paratoie di diversi tipi sia per la chiusura semplice sia per la regolazione.
Per la chiusura delle tubazioni in pressione si impiegano:
valvole a saracinesca, che sono indicate per chiusura di condotte in
pressione, con carichi sino a 1000 m e oltre. Esse non sono adatte ad essere
manovrate con squilibrio di pressione tra monte e valle e sono perciò dotate
di bypass, sono costose e di notevole ingombro e pertanto sono adatte per
condotte di piccolo diametro.
28
valvole a farfalla, che sono indicate in impianti con salti fino a 150 m e
tubazioni di diametro fino a 7 m. Sono costituite da una lente circolare,
munita di guarnizioni di tenuta, che può essere ruotata, tramite servomotore,
attorno ad un perno girevole ad asse perpendicolare alla tubazione in cui la
valvola è inserita.
29
valvole cilindro-sferiche o rotative, che sono indicate solo per
condotte in pressione con salti fino a 1500. Raggiungono diametri fino a 4
m e sono costituite da un corpo sferico all’interno del quale si muove un
otturatore rotante tramite servomotore. L’otturatore è un tronco di tubo
montato su due perni, che in posizione di apertura elimina ogni ostacolo e
stabilisce una perfetta continuità nel condotto, mentre in chiusura è
ruotato di 90° e presenta alla sede, contro cui viene spinto, un piatto di
tenuta.
30
valvole a fuso, costituite da un corpo-valvola che ha la forma di un fuso,
immerso nel fluido e dotato di un otturatore a stantuffo comandato
idraulicamente in pressione. In chiusura il fuso viene spinto contro la sede,
attuando la tenuta della valvola. Le valvole a fuso sono ottime sia per la
chiusura che per la regolazione di condotte di presa o di scarico da serbatoi
e di condotte in pressione sotto alti carichi, sino a 1200 m.
31
I sistemi di manovra più comunemente usati per gli organi di chiusura sono:
a) a mano, mediante manovelle o rotismi: la manovra è lenta e pertanto è
indicata solo per piccoli sforzi, o come riserva;
b) a motore elettrico: il comando può essere diretto, a distanza, o anche
automatico. Questo sistema è indicato specialmente per paratoie e
saracinesche;
c) idrodinamico: può essere realizzato mediante servomotore idrodinamico
azionato da olio in pressione o dall’acqua in pressione della condotta, oppure
mediante azione diretta dell’acqua sull’otturatore.
Il primo metodo è particolarmente indicato per paratoie piane, saracinesche,
valvole a farfalla, valvole cilindro-sferiche. Il secondo metodo è normalmente
impiegato per valvole a fuso.
Il comando può essere diretto, a distanza o automatico, ed agisce su
apposite valvole che permettono la messa in pressione dei circuiti di
comando.
E’ buona norma prevedere, per ogni organo di chiusura o di regolazione,
almeno due sistemi di manovra indipendenti fra loro con più dispositivi di
comando.
32
Opere di restituzione
Le opere di restituzione hanno la funzione di restituire nell’alveo naturale la
portata derivata dall’impianto ed utilizzata per la produzione di energia. In
generale sono costituite da un canale a pelo libero, dimensionato in modo da
permettere lo scarico delle acque nel corso d’acqua anche quando
quest’ultimo è in piena.
La sezione deve essere abbondantemente dimensionata in modo da non
superare la velocità di 1÷1,5 m/s. Il manufatto di sbocco nel corso d’acqua
dovrà essere costituito in modo da raccordarsi gradualmente all’alveo
naturale al fine di evitare erosioni.
Per lunghi canali di restituzione in galleria, quali si hanno talora nelle centrali
in caverna, e nei casi in cui si adotta per l’opera di scarico una tubazione in
pressione, è necessario prevedere a valle degli scarichi delle turbine una
vasca di espansione, atta ad attenuare le oscillazioni di livello conseguenti a
brusche variazioni di portata.
Nel caso di impianti con portata rapidamente variabile, per evitare
perturbazioni e danni nel corso d’acqua naturale, viene inserito allo scarico
un piccolo lago artificiale, detto bacino di compenso, che con la sua capacità
è in grado di regolare la portata a valle.
33
Scelta dell’ubicazione della centrale
Per le centrali idroelettriche il problema si pone in forma molto limitata, una
volta effettuata la scelta delle modalità di utilizzazione del corso d’acqua e
dello schema dell’impianto idroelettrico. La posizione resta praticamente
fissata nel caso di impianti direttamente connessi a dighe di ritenuta e di
impianti fluviali senza canale derivatore. Invece nel caso di impianti con
condotte forzate, una volta stabilite le quote di presa e di restituzione,
l’ubicazione dell’edificio contenente il macchinario idraulico ed elettrico deve
essere tale da rendere minima la lunghezza complessiva delle opere di
adduzione e di restituzione: occorre in questo caso tenere presente che
aumentare la lunghezza delle opere di scarico a pelo libero riducendo galleria
e condotta forzata, se da un lato riduce il costo globale dell’impianto,
dall’altro sottrae costantemente al salto le perdite di carico del canale di
scarico anche a carichi ridotti, poiché la pendenza motrice del canale deve
essere dimensionata per la portata massima.
34
Centrali all’esterno
Nelle centrali all’esterno il macchinario idraulico ed elettrico, le
apparecchiature e i servizi sono ubicati in un apposito fabbricato in cemento
armato e muratura situato all’aperto. Questa soluzione è d’obbligo per gli
impianti fluviali, mentre negli impianti ad alta caduta, ubicati in zone
montane, si pone sovente al progettista la scelta fra il tipo all’esterno e
quello in caverna. Allo scopo di ridurre il costo del fabbricato è stata talora
adottata la soluzione con centrale all’aperto, costituita dalle opere di
fondazione, da una copertura amovibile per i gruppi generatori e da una gru
a portale per il montaggio e lo smontaggio delle macchine.
Negli impianti di tipo fluviale il costo della centrale vera e propria rappresenta
il 40÷60% del costo totale; di conseguenza ogni provvedimento inteso a
ridurre tale costo ha una notevole influenza sul costo totale dell’impianto.
Sono stati a tale scopo introdotti i cosiddetti gruppi-bulbo, nei quali
l’alternatore, racchiuso in un opportuno involucro stagno a profilo
idrodinamico, è immerso nell’acqua all’interno della tubazione ed è
direttamente accoppiato alla girante della turbina, del tipo a elica o Kaplan;
ne deriva un minore ingombro del macchinario e quindi una riduzione delle
dimensioni della centrale con conseguente sensibile diminuzione del costo.
Sul macchinario dei gruppi-bulbo si registra un’economia del 7÷15%, mentre
nelle opere civili si può arrivare a riduzioni del 25÷35%. Sul complesso
dell’impianto si arriva a riduzioni dell’ordine del 15÷20%.
35
Centrali in caverna
Per esse è necessaria la realizzazione, nell’interno dello scavo in roccia, di
un fabbricato di caratteristiche funzionali simili a quelle delle centrali
all’aperto. Dato il rilevante costo degli scavi, devono evidentemente essere
adottati tutti gli accorgimenti atti a ridurre il volume di fabbricato
necessario.
L’ubicazione della centrale deve tenere conto delle condizioni della roccia,
della necessità di assicurare un efficiente drenaggio delle infiltrazioni
d’acqua e dell’opportunità di ridurre la lunghezza della galleria di accesso,
che deve avere una sezione tale da consentire l’ingresso del macchinario.
Si dovrà inoltre tenere presente che il costo unitario dello scavo della
galleria, nella quale dovrà essere ubicata la galleria forzata, è minimo per
una pendenza di 45÷60° sulla orizzontale e che il montaggio della
condotta sarà difficoltoso per pendenze assai elevate. Non mancano
comunque alcuni esempi di impianti con condotta forzata verticale (in
pozzo).
Nel vano così ricavato viene installato il macchinario idraulico ed elettrico
con tutte le apparecchiature accessorie e viene predisposto il locale per il
quadro di comando. I trasformatori elevatori possono essere installati
all’esterno oppure in caverna: in quest’ultimo caso occorre scegliere se
installarli nello stesso vano dei generatori o in una caverna separata
ricavata sui fianchi della galleria di accesso. La seconda soluzione è
preferita quando la roccia è abbastanza consistente da non rendere troppo
costoso lo scavo e la sistemazione delle caverne.
36
La scelta fra l’ubicazione dei trasformatori all’interno o all’esterno è anche in
funzione della potenza dei generatori e quindi della necessità di trasportare
per un certo tratto tale potenza alla tensione di generazione, con fortissime
correnti in gioco e quindi perdite considerevoli. La capitalizzazione di tali
perdite può compensare il maggior costo iniziale della soluzione in caverna.
Un problema importante nelle centrali in caverna è quello del
condizionamento dell’ambiente: infatti il funzionamento dei gruppi produce
calore che tende ad elevare la temperatura ambientale; inoltre deve essere
evitato un eccesso di umidità, che potrebbe derivare dalle infiltrazioni
d’acqua attraverso le murature di rivestimento. In pratica il problema è stato
risolto con la costruzione di un vero e proprio edificio della centrale
distanziato dalle pareti della caverna tramite un’intercapedine di 0,5÷0,6 m.
La ventilazione è ottenuta facendo entrare l’aria fresca in sala macchine
attraverso la galleria di accesso e scaricando l’aria calda nell’intercapedine,
da cui esce all’esterno per mezzo di un opportuno cunicolo. La circolazione
dell’aria è attivata per mezzo di ventilatori. Solo in casi particolari si ricorre
ad un vero e proprio impianto di condizionamento, limitato alla sala quadri
nella quale il personale addetto permane più a lungo.
37
Il confronto economico fra la soluzione in caverna e la soluzione all’esterno
deve essere impostato considerando i seguenti elementi favorevoli alla
soluzione in caverna:
a) riduzione della lunghezza della condotta forzata con conseguente
diminuzione del costo di installazione e delle perdite di carico e
miglioramento della stabilità del sistema idraulico;
b) maggiore durata della tubazione che, essendo in galleria, è protetta
contro gli agenti atmosferici;
c) minor costo delle fondazioni del macchinario, che si appoggiano alla
roccia nella quale la caverna è scavata;
d) minime alterazioni dell’ambiente dal punto di vista paesaggistico. Per
contro i seguenti elementi influiscono a sfavore della soluzione in caverna:
a) maggior lunghezza del canale di scarico, con conseguente perdita di
carico; b) maggior costo della centrale dovuto allo scavo e al rivestimento
della caverna, solo in parte
compensato dalla maggior semplicità dell’edificio vero e proprio; c)
necessità di prevedere la galleria di accesso ed i cunicoli per i cavi di
trasporto dell’energia; d) maggior costo dell’impianto di aerazione e di
illuminazione; e) maggior consumo di energia per la ventilazione e
l’illuminazione diurna.
Il confronto dovrebbe essere eseguito valutando economicamente tutti
questi elementi caso per caso.
38