Αριθμητική επίλυση της ροής σε υδραυλική διάταξη αναστρέψιμης μονάδας αντλίας-υδροστροβίλου και βελτιστοποίηση υδροδυναμικού σχεδιασμού της

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών Ε.Μ.Π. και ως αντικείμενο είχε την αριθμητική επίλυση της ροής σε μία υδραυλική διάταξη διανομής μιας αναστρέψιμης μονάδας αντλίας-υδροστροβίλου με αντλησιοταμίευση. Η διάταξη αυτή έχει σχεδιαστεί στα πλαίσια των μελετών για την κατασκευή του συστήματος αντλησιοταμίευσης ενός υβριδικού υδροηλεκτρικού έργου στο νησί El Hierro και επιτρέπει την ταυτόχρονη λειτουργία άντλησης και παραγωγής ισχύος με την χρήση ενός αγωγού προσαγωγής μεταξύ άνω και κάτω ταμιευτήρα. Πρωταρχικός στόχος της εργασίας ήταν η αριθμητική επίλυση της ροής στη διάταξη με τη βοήθεια του εμπορικού υπολογιστικού πακέτου FLUENT για διάφορες περιπτώσεις λειτουργίας του υβριδικού σταθμού παραγωγής. Με βάση τα αποτελέσματα αυτά υπολογίστηκαν οι συνολικές απώλειες σε περίοδο ενός έτους για δεδομένη χρονοσειρά παροχών αντλιών και υδροστροβίλων που αντιστοιχεί σε μελετώμενο υβριδικό σταθμό παραγωγής από ΑΠΕ σε ελληνικό νησί. Στην συνέχεια έγινε μια παραμετρική διερεύνηση της επίδρασης των βασικών γεωμετρικών παραμέτρων σχεδίασης της διάταξης στις συνολικές ενεργειακές απώλειες. Μέσα από αυτήν την διαδικασία βρέθηκε η βέλτιστη γεωμετρία της διάταξης η οποία ελαχιστοποιεί τις συνολικές ετήσιες απώλειες ενέργειας στη διάταξη διανομής για δεδομένη χρονοσειρά παροχών και προέκυψαν χρήσιμα συμπεράσματα που αφορούν τα χαρακτηριστικά της ροής. Τα αποτελέσματα έδειξαν μεγάλη εξάρτηση των συνολικών ετήσιων απωλειών ενέργειας από την διακινούμενη παροχή και από την γωνία αλλαγής κατεύθυνσης της ροής. Τέλος βρέθηκε και για τυχαία χρονοσειρά παροχών μια διαφορετική βέλτιστη γεωμετρία που ελαχιστοποιεί τις συνολικές απώλειες.

This diploma thesis developed at the School of Mechanical Engineering of NTUA and had an object of study the numerical solution of a flow through a hydraulic distribution system which is used in a reversible pumped storage hydroelectric plant. This distribution system is designed as part of studies of the construction of a hybrid pumped storage hydroelectric plant on the island of El Hierro and allows simultaneous operation of pumps and turbines using only one penstock between the upper and lower reservoir.

The primary objective of this work was the numerical solution of the flow through the distribution system using the commercial software package FLUENT for various cases of operation of the hybrid power plant. Based on the results the total losses of energy in one year were calculated for a given time series of volume flow which is used in a hybrid pumped storage hydroelectric plant on a Greek island.

Then there was a parametric study of the effect of basic geometric design parameters of the distribution system on the total energy losses. Through this process the optimum geometry of the distribution system which minimizes the total annual energy losses was found and there were extracted many useful conclusions about the characteristics of the flow. The results have shown great dependence of the total annual energy losses by the volume flow and the angle of the direction change of the flow. Finally a different geometry that minimizes the total loss was found for another time series of volume flow.