Προσομοίωση και ανάλυση της ροής στο τμήμα διανομής του νερού αναστρέψιμης μονάδας αντλίας - υδροστροβίλου και διερεύνηση της επίδρασης της στρατηγικής λειτουργίας στον βέλτιστο σχεδιασμό του

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η προσομοίωση και η ανάλυση της ροής στο τμήμα διανομής του νερού αναστρέψιμης μονάδας αντλίας – υδροστροβίλου και η διερεύνηση της επίδρασης της στρατηγικής λειτουργίας στον βέλτιστο σχεδιασμό του. Στην πράξη: Η προς μελέτη υδραυλική διάταξη διανομής δύναται να αποτελέσει μέρος της υδραυλικής εγκατάστασης ενός αναστρέψιμου υδροηλεκτρικού εργοστασίου. «Πηγή έμπνευσης» της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελούν τα υβριδικά ενεργειακά έργα που κατασκευάζονται αυτή τη στιγμή στο νησί “El Hierro” που ανήκει στα Κανάρια νησιά στην Ισπανία και στο νησί της Ικαρίας στην Ελλάδα. Μεθοδολογία: Στην αρχή, με το λογισμικό “Gambit” σχεδιάζονται οι προτεινόμενες γεωμετρίες της υδραυλικής διάταξης και κατασκευάζονται τα αντίστοιχα υπολογιστικά πλέγματα αυτών. Στη συνέχεια, με το υπολογιστικό πακέτο “Fluent CFD” της “ANSYS Inc” επιλύεται αριθμητικά η ροή για οκτώ δεδομένα σενάρια λειτουργίας του υβριδικού ενεργειακού έργου για κάθε μία από τις δώδεκα προτεινόμενες γεωμετρίες της υδραυλικής διάταξης. Επιπλέον, με το “Fluent CFD” εξάγονται αποτελέσματα βάση των οποίων υπολογίζονται οι συνολικές ενεργειακές απώλειες σε διάστημα ενός έτους για διαφορετικές δεδομένες χρονοσειρές λειτουργίας των αντλιών και των υδροστροβίλων. Ακολούθως, γίνεται σύγκριση στις συνολικές απώλειες ενέργειας και προκύπτει η βέλτιστη - από άποψη μικρότερων απωλειών - γεωμετρία της υδραυλικής διάταξης για την εκάστοτε χρονοσειρά λειτουργίας των αντλιών και των υδροστροβίλων. Μέσω του βέλτιστου υδροδυναμικού σχεδιασμού της υδραυλικής διάταξης μπορεί να επιτευχθεί μείωση του κατασκευαστικού και του λειτουργικού κόστους της υδραυλικής εγκατάστασης του αναστρέψιμου υδροηλεκτρικού εργοστασίου. Με το πρόγραμμα “Excel” του πακέτου “Microsοft office” των “Windows” κατασκευάζονται οι πίνακες δεδομένων και αποτελεσμάτων. Τέλος, με τα πακέτα “Tecplot 360”, “Matlab 7.1”, “Paint” και “Microsoft Office Picture Manager” σχεδιάζονται οι γραφικές παραστάσεις και διαμορφώνονται οι σχηματικές απεικονίσεις. Αποτελέσματα: Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο βέλτιστος υδροδυναμικός σχεδιασμός της διάταξης διαφέρει ανάλογα με το σενάριο λειτουργίας του αναστρέψιμου υδροηλεκτρικού έργου.

The aim of the present diploma thesis is the simulation and flow analysis through a hydraulic distribution system which is used in a reversible pumped storage hydroelectric plant, as well as the investigation of the effect of the operational strategy in the optimal design. In practice: The hydraulic distribution system can become part of a reversible hydroelectric plant. Our “source of inspiration” for the present diploma thesis is the reversible hydroelectric plants that are being manufactured in the islands of El Hierro in Spain and Ikaria in Greece. Methodology: At first, Gambit is used to draw the proposed geometries of the hydraulic distribution system and construct the computational meshes of these. Then, Fluent CFD of ANSYS Inc is used to solve numerically the flow for eight different scenarios of operation of the reversible hydroelectric plant for each one of the twelve proposed geometries of the hydraulic distribution system. Also, Fluent CFD is used to produce results in order to calculate the total annual energy losses for specific time series of pumps and turbines operation. Then, the total energy losses are compared so to find the optimal, in respect of the minimum energy losses, geometry of hydraulic distribution system for every time series of pumps and turbines operation. The optimal hydrodynamic design of the hydraulic distribution system can reduce the operational cost of the reversible hydroelectric plant. Excel of Microsοft office of Windows is used to create data and results tables. Finally, Tecplot 360, Matlab 7.1, Paint and Microsoft Office Picture Manager are used to draw the graphs and customize the draws. Results: The results show that the optimal design of the hydraulic distribution system differs and depends on the scenario of operation of the reversible hydroelectric plant.