Vannveien : fra dam til energiverk 8273452840 [PDF]

Zitiervorschau

Casper Vogt-Svendsen

Vannveien Fra dam til energiverk

^POTBIBUO7BXE7

F= | FORLAGET

© 1998 Elforlaget, Norges Elektroentrepenørforbund 1. utgave, 1. opplag

Læreboka er godkjent av Nasjonalt læremiddelsenter juli 1998 til bruk i videregående skole på studieretning for elektrofag, VK2/lærlinger i faget: Vannveier og dammer. Godkjenningen er knyttet til fastsatt læreplan av juni 1996, og gjelder så lenge læreplanen er gyldig.

Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverksloven og fotografiloven eller i strid med avtaler om kopiering inngått med KOPINOR, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Kopie­ ring i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel. ISBN 82-7345-284-0

Illustrasjoner: Vivi-Ann Hauge Redaksjon: Øyvind Nilsen Originalarbeid: Grafisk Verksted as, 1940 Bjørkelangen

Trykkeri: PDC Tangen, 1998

Forord Folk i Norge har fra gammelt av utnyttet energien i vassdragene. Først til å drive mekaniske pumper, møller og sager. Senere til pro­ duksjon av elektrisk energi til oppvarming og drift av produksjons­ anlegg for varer og tjenester. Tilgangen på billig energi har økt leve­ standarden for folk. Det er ikke til å unngå at vannveien gjør inngrep i naturen, og at den belaster miljøet. Men ved å utnytte vannressursene, har Norge vært skånet for de store forurensningsproblemene. Omsetningen av elektrisk energi forurenser ikke miljøet slik som utnyttelsen av energien i kull, olje, gass og atomenergi.

Denne læreboka gir en grundig innføring i oppbygningen og driften av de anleggene som leder vannet fram til turbinene. Vi håper boka kan være til nytte for alle som har sitt virke innenfor energiproduksjonsmiljøet selv om den er skrevet spesielt for utdannelsen i energioperatørfaget.

Elforlaget, oktober 1998

Innhold 1 1.1 1.2

Innledning............................................................................... Hva er vannkraft?.................................................................... Hva kan du lese om i denne boka?.......................................

7 7 8

2 2.1 2.2 2.3

Vår verdifulle vannkraft.................................................... Historisk oversikt.................................................................... Samfunnsmessig betydning................................................... Vannkraften og andre energikilder......................................

10 10 13 14

3 3.1 3.2 3.3

Naturlige forutsetninger for energiproduksjon ..... Geologi........................................................................................ Meteorologi................................................................................. Energiverkshydrologi..............................................................

15 15 16 17

4 4.1 4.2 4.3 4.4

Vassvegen................................................................................ Stengjeinnretningar for dam, tunnel og turbin.................. Energi og effekt......................................................................... Falltap og verknadsgrad......................................................... Stabilitet og trykkstigning.....................................................

20 21 25 28 37

5 5.1 5.2

Dammer.................................................................................... Oppdemming av vassdrag...................................................... De viktigste damkonstruksjonene ........................................

41 41 43

6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14 6.15 6.16

Luker......................................................................................... Om luker..................................................................................... Ventilar og luker...................................................................... Kriterium for val av konstruksjon........................................ Glideluker................................................................................... Rulleluker................................................................................... Segmentluker............................................................................ Klappluker.................................................................................. Sektor luker................................................................................ Portar.......................................................................................... Varegrinder............................................................................... Grindreinskar............................................................................ Anna lukeutstyr........................................................................ Pakningsprofil........................................................................... Lukestyringar........................................................................... Mekanisk opptrekk.................................................................. Hydraulisk opptrekk................................................................

48 48 50 52 54 60 62 66 68 70 73 76 80 81 82 84 88

6.17 7 7.1 7.2 7.3 7.4

Eksterne komponentar........................................................... Tilløpsrør for turbinar....................................................... Innleiing..................................................................................... Frittliggjande turbinrør.......................................................... Konstruksjons- og dimensjoneringskriterium .................... Turbinrør støypte i fjell...........................................................

92 95 95 97 102 106

8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7

Vedlikehold av luker og rør.................. .......................... Innledning................................................................................. Tilstandskontroll....................................................................... Korrosjonsangrep og beskyttelse.......................................... Vedlikehold av lukeopptrekk................................................. Lukepakninger.......................................................................... Miljøet i lukehus, sjakt og tunnel......................................... Revisjoner og eksperthjelp.....................................................

116 116 116 117 120 122 123 123

9 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9

Ventiler og ventilkomponenter...................................... Innledning................................................................................. De forskjellige ventiltyper...................................................... Kriterier ved valg av ventiltype............................................ Kuleventil med komponenter................................................ Spjeldventil med komponenter............................................. Vedlikehold og reparasjoner................................................... Feilsøking................................................................................... Eksempler på feilsøking av kuleventil................................ Eksempler på feilsøking av spjeldventil..............................

126 126 128 138 142 163 173 176 177 181

10 10.1 10.2

Kavitasjon og kavitasjonserosjon.................................. Innledning................................................................................. Årsaker til kavitasjon.............................................................

184 184 185

10.3 10.4

Kavitasjonsskader på ventiler og turbiner......................... Materialvalg og utbedring av kavitasjonsskader..............

188 191

11 11.1

Oppsummering............................... Faktaruter.................................................................................

193 193

12

Tillegg A.................................................................................... Størrelser, enheter og formler...............................................

196 196

13

Tillegg B................................................................................... Forklaringer av ord og uttrykk............................................

201 201

Ordliste.................................................................................................

205

Stikkord

207

1

Innledning 1.1 Hva er vannkraft? Når sola varmer, fordamper vann fra hav og innsjøer, og luft med vanndamp blir ført opp i høyden. Får lufta tilstrekkelig avkjøling, kondenserer dampen igjen, og det blir nedbør.

Når nedbøren faller ned over land som har en viss høyde over havet, representerer den en energi som vi kan utnytte i form av vannkraft. Vi kan si at sola «løfter» vann opp fra havet og jordoverflaten og et­ terlater noe av energien sin som potensiell energi. Energien er større jo høyere over havet nedbøren blir samlet opp. Dersom vannet kan lagres i naturlige innsjøer eller konstruerte vannmagasiner og se­ nere bli benyttet i elektrisitetsproduksjon, representerer det det vik­ tigste energilageret vi har på jorda i dag. Den potensielle energien blir overført ved at vi leder vannet gjennom en tunnel til en turbin som gir rotasjonsenergi. Rotasjonsenergien blir overført gjennom en aksling til en generator som produserer elektrisk energi. Slike vannkraftanlegg er i hovedsak høytrykksanlegg, fordi det ville kreve enorme landområder å skaffe lagringskapasitet av denne typen i lav­ landet. Det kommer av at den lagrede energien er proporsjonal med høyden over havet. Energien blir distribuert derfra til forbrukerne gjennom ledninger i et energiforsyningsnett. Før eller siden går den energien vi bruker, over til varme som forsvinner over i miljøet vårt. Denne varmen bidrar igjen til oppvarming av vannet i havet. På den måten inngår energiforbruket i den totale energisyklusen.

En tilsvarende prosess gjelder også der nedbøren faller over land, men ikke kan lagres. Da vil vannet enten fordampe igjen eller renne videre ned til en elv og kunne være med i vår kraftforsyning. Men da er vi i større grad prisgitt værforhold og årstider. Disse anleggene er først og fremst lavtrykksanlegg som ikke bidrar mye til vår energi­ forsyning på årsbasis, men som kan tilføre energi i deler av året. Norge står i en særstilling når det gjelder vannkraft. Det har å gjøre med at landet har mye nedbør, at det arealet landet vårt består av, i stor grad ligger høyt over havoverflaten, og at vannmagasinene ligger nær kysten. Derfor er vi ikke bare den nasjonen i verden med relativt størst forbruk av vannkraft i forhold til totalt energiforbruk, men også den nasjonen som har mest utbygd vannkraft i forhold til arealet. Se figur 1.1. (Hele 99 % av vårt elektrisitetsforbruk er dekket av vannkraft!) Av samme årsak er vi i den heldige situasjon 7

:

MWh/km

Figur 1.1 Utbygd vannkraft (1992)

at vannmagasinene våre (det vil si innsjøer og dammer) gir oss noe av den beste reguleringssikkerheten for elektrisk energi i verden.

1.2 Hva kan du lese om i denne boka? Denne boka inneholder stoff som skal bidra til å nå målet i lære­ planen. Der står dette: «Lærlingene/elevene skal ha gode kunnskaper om vannveier og dammer knyttet til et vannkraftverk og kunne utføre nød­ vendig vedlikeholds- og reparasjonsarbeid.»

Når det gjelder dammer, er det lite vedlikeholds- og reparasjonsarbeid, så dette stoffet får liten plass i forhold til resten av lærestoffet.

For øvrig inneholder boka stoff som forklarer hensikten, funksjonen og virkemåten til de forskjellige komponentene, og fagterminologi. I tillegg beskriver den de viktigste vedlikeholds- og reparasjons rutinene.

En del teoretisk stoff er tatt med for å beskrive de viktigste fysiske sammenhengene i vannkraftverkene våre, som sammenhengen mellom energi og effekt, mellom falltap og virkningsgrad og mellom stabilitet og trykkstigning.

8

FAKTARUTE Vannkraft er omdannet solenergi. Sola «løfter» vannet opp fra land og hav, og det kommer senere ned som nedbør på høytliggende områder der det representerer en potensiell energi. Denne energien kan vi utnytte som vann­ kraft.

På grunn av topografien og den rikelige nedbøren har Norge dekket 99 % av sin elektrisitetsforsyning med vannkraft. Når vannet har avgitt energi til turbinen, fordamper det og kommer deretter ned som nedbør igjen. Derfor er vannkraften er en evigvarende energi­ ressurs, og den blir ikke brukt opp, som for eksempel olje og gass.

Kontrollspørsmål 1

Hva skal du kunne når du har lest denne boka?

2

Gi en beskrivelse av det kretsløpet vannet har.

3

Hva er forskjellen mellom et magasinkraftverk og et elvekraftverk når det gjelder reguleringsevne?

9

2

Vår verdifulle vannkraft Tidligere statsminister Kåre Willoch uttalte en gang: «Hva er det vi ønsker at våre barnebarn skal arve: uttømte oljebrønner eller ned­ betalte vannkraftverk?»

2.1 Historisk oversikt Vi skal i dette kapittelet se litt på vannkraftens historiske betydning for landet vårt og på bakgrunnen for den uttalelsen Willoch kom med.

Vannkraft har vært det viktigste grunnlaget for utbyggingen av industrisamfunnet vårt. Vi skal ta for oss hvordan utbyggingen har skjedd i forskjellige perioder.

Disse periodene har vært svært viktige for samfunnslivet vårt og for­ klarer mye av bosettingsmønsteret i landet. For eksempel er Røros det eneste større tettstedet som ikke ligger ved kysten eller et større vassdrag.

Mølleperioden Vannkraften har lenge spilt en viktig rolle i Norge. Kildeskriftene viser bruk av vannkraft allerede før år 1000, men det var cistersiensermunkene som organiserte bruken av vannkraft. Den første dokumenterte bruken gjelder mølla ved Nedre Foss i Akerselva i

Figur 2.1 Kvernkall 10

1160-1170-årene. Møllene ble hovedsakelig drevet av kvernkaller (figur 2.1). Virkningsgraden for en kvernkall ligger på bare 15-20 % (ved spesielt gunstige tilfeller opptil 50 %), mens en moderne vann­ turbin har en virkningsgrad på opp til 96 %. I et gavebrev fra 1312 fra kong Håkon V til svigersønnen på Borregård står det: «La fossen bygges til sin nytte!» Det høres nesten ut som om det skulle være skrevet i vår tid. Ifølge en registrering fra 1919 var det rundt 1000 handels- og bygdemøller og vel 8000 gårdsmøller i Norge. Sagbruksperioden Sagbruksperioden var også en viktig periode da vassdragene våre ble utnyttet. Vi vet at på 1500-tallet var det vanndrevne sagbruk i Norge. I tiden fra 1587 til 1860 var sagbruksvirksomheten regulert gjennom offentlige forordninger, og i 1688 ble det registrert ca. 1200 sagbruk i landet. Antallet sagbruk ble da forlangt redusert til det halve for å verne skogen, fordi det var en altfor stor avvirkning og eksport av trevirke, særlig til Holland. De fleste sagbrukene ble drevet av kvernkaller.

Jernverksperioden Det første jernverket i Norge med hammerverk ble bygd i 1530, og mange nye kom etter hvert, særlig under kong Kristian IV Alle jern­ verkene på denne tiden ble lagt ved et vassdrag der en kunne dra nytte av energien i elva til å drive ulike maskiner. Spinneri- og veveriperioden Denne industrien kom tidlig i 1840-årene og ble alltid bygd opp ved et vassdrag. Der vokste det med tiden opp et lite industrimiljø med arbeiderboliger. Dette har vi mange eksempler på rundt omkring i landet. Spinneriene og veveriene ble bygd som sinnrike fabrikker med lange gjennomgående mellomakslinger og reimoverføringer drevet av vannkraft. Sliperiperioden I 1868 ble de første større tresliperiene bygd for cellulose- og papirproduksjon. Det var riktig nok bygd noen mindre sliperier tidligere, men de hadde liten kapasitet. Tresliperiene var også avhengig av vannkraft, og de ble ofte bygd ved fossene sammen med møllene, sagbrukene og spinneriene. Det oppstod «industribyer».

Elektrisitetsverkene Norge var tidlig ute med å ta i bruk elektrisiteten, og de rike vannkraftkildene våre har spilt en stor rolle. De første elektrisitets­ verkene ute i Europa var dampdrevne, og her kan vi nevne 1882 1883 1884

New York 8 dynamoer Milano Berlin 6 dynamoer, hver på 100 kW 11

Det første lysverket i Norge ble bygd på Lisleby Brug ved Fredrik­ stad i 1877. Stasjonen hadde en liten dynamo som gav strøm til to buelamper! I begynnelsen ble nemlig elektrisiteten bare brukt til lys, og det ble bygd mange lysverk. I tiden fra 1877 til 1885 ble det bygd minst tretti små lysverk i Norge, de fleste basert på vannkraft. På Senja i Troms kom et av verdens første vannkraftverk i drift i 1882. Det var et lysverk som drev fire buelamper.

Det første elektrisitetsverket for alminnelig energiforsyning ble bygd i 1885 ved Laugstol Brug i Skien. Verket var knyttet til tresliperiet og hadde to dynamoer på 10 kW som ble drevet av vannturbiner. Hammerfest var den første kommunen i Norge som fikk et vannkraftdrevet elektrisitetsverk. Det var i 1890. Det første aggregatet var på 8,8 kW og var bare beregnet for gatelys. Året etter ble det in­ stallert et nytt aggregat på ca. 38 kVA, enfase, 125 Hz og 1,1 kV. Det ble lagt opp ca. 2 km høyspentledninger med transformatorer for 1,1 kV/55V. Lillehammer fikk sitt første elektrisitetsverk i 1894.

Byer som ikke hadde tilgang på vannkraft i nærheten, fulgte sine utenlandske forbilder med dampdrevne aggregater: 1892 1896 1896

Oslo Tromsø Ålesund

1 1899 bygde Oslo Lysverker ut Hammerfossen i Nordmarka. Stasjonen var på 1800 kW, et anlegg som faktisk ikke bare er i bruk den dag i dag, men som nylig er blitt oppgradert til dobbelt ytelse. Dette er i korthet de største kraftverkene som ble bygd før århundre­ skiftet. Vi kan konstatere at elektrisitetsforsyningen bare er omtrent 100 år gammel!

På denne tiden tenkte en lite på standardisering, og det var ulike spenningsnivåer og frekvenser som ble brukt. Dagens samkjøring var den gang helt utenkelig. Vi kan nevne at Hammerfest elverk brukte frekvensen 125 Hz. I Østfold var det et lite lokalt område som hadde 45 Hz. I Sauda og Glomfjord har de hatt 25 Hz på nettet. Valget av 25 Hz har sammenheng med de tekniske kravene fra den lokale storindustrien. Trondheim elverk hadde 150 V/50 Hz på deler av sitt fordelingsnett helt til midten av 1950-årene.

Denne mangelen på standardisering gjorde selvsagt produksjonen av forbruksapparater problematisk.

12

Figur 2.2 Kapasiteten på utbygd produksjon av elektrisk effekt i Norge Mange kraftstasjoner ble dessuten bygd for likestrøm. Likestrøm­ men lar seg som kjent ikke transformere, og også på grunn av det store spenningstapet ble disse verkene brukt i lokalforsyning innen­ for en radius på noen få kilometer.

Felles for de fleste av disse kraftutbyggingene var enkle tekniske løsninger med små magasiner og små dammer uten store inngrep i naturen. Grovt regnet kan vi si at den leverte effekten fra vannkraft har fordoblet seg hvert tiår fra år 1900 fram til 1980, se figur 2.2.

2.2 Samfunnsmessig betydning De virkelig store utbyggingene har imidlertid foregått fra 1950-årene og fram til i dag, og fra 1950 til begynnelsen av 1970-årene var mange av utbyggingene lite preget av hensynet til miljøet og det estetiske. Derfor kan vi helt fra begynnelsen av denne perioden også i dag se mange stygge inngrep i naturen, med helt tørrlagte elver og tunneltverrslag som har rasert den flotte naturen. Denne politikken var med på å skape en kraftig opinion mot vannkraft, med Mardølaaksjonen og Alta-aksjonen som de viktigste hendingene. Senere har utbyggingene blitt mye mer skånsomme, og det er verdt å merke seg at Norge er det landet i verden som har flest underjordiske kraft­ anlegg. Hele 80 % av effektproduksjonen vår blir levert av under­ jordiske anlegg. Utbyggingen har vært basert på regulering av store vassdrag og i enkelte tilfeller reguleringer der en foretar neddemming, såkalte «takrenneprosjekter». Takrenneprosjektene kan bestå av et tunnelsystem som samler flere elver og vassdrag for å få stor nok vannføring til en lønnsom energiproduksjon. 13

2.3 Vannkraften og andre energikilder Selv om opinionen mot videre vannkraftutbygging fremdeles er sterk, er det grunn til å tro at utbyggingen igjen vil skyte fart i landet vårt når folk flest blir klar over ulempene med andre typer energi­ verk. Vannkraftanlegg er svært langsiktige investeringer med en levetid som langt overstiger andre alternativer. Vind- og bølgekraftverk som ikke er luftforurensende, har utbyggingskostnader som er det mangedobbelte av de rimeligste vannkraftverkene. Samtidig vil de virke skjemmende på naturen dersom anleggene skal kunne måle seg med vannkraftverk. For eksempel måtte et vindkraftverk til­ svarende Kvilldal kraftstasjon bestå av 420 vindmøller av de største som er i kommersiell drift i dag! Foreløpig er imidlertid effektivisering av eksisterende anlegg det mest regningssvarende for energi­ produsentene. Det er likevel verdt å merke seg at i forhold til regulering og drifts­ sikkerhet, er vannkraften overlegen alle andre alternativer, inklusive alle typer varmeenergiverk. Det kommer av at dersom et varmeenergiverk skal delta i den hurtige reguleringen som forbruksendringene våre krever, må forbruket av brensel økes, slik at kraftverket til enhver tid forbrenner mer enn det som er nødvendig. Det vil i praksis si et stadig tap av energi eller en reduksjon av anleggets totale virk­ ningsgrad. Men vannkraftverkene våre regulerer energiproduksjonen umiddelbart og i takt med forbruksendringene bare ved at en dreier på ledeapparatet som kontrollerer den nødvendige mengden vann inn til turbinen. Dette skjer nesten uten tap.

Økonomisk utbyggbare vannkraftressurser i Norge

Vernet ■ Utbygd

Rest

Utbygd 110TWh

Figur 2.3 Økonomisk lønnsomme vannkraftressurser i Norge

Det økonomisk utbyggbare vannkraftpotensialet er i Norge beregnet til ca. 176 TWh, der 35 TWh ligger i vernede områder (se figur 2.3). 14

3

Naturgitte forutsetninger for energiproduksjon Vi har i de foregående kapitlene forklart hvorfor Norge er i en sær­ stilling med så mye v annkraftenergi, og vi skal i dette kapittelet forklare hvordan naturen har lagt disse ressursene til rette for oss.

3.1 Geologi Fjellene i Norge er svært gamle. Alt fjell er naturlig nok dannet av den opprinnelige massen jorda bestod av. En teori om jordas opprin­ nelse er at den en gang var en gassky som ikke fulgte solmassen da den trakk seg sammen, men ble liggende i bane rundt den. Etter hvert som jorda kjølnet, dannet det seg en skorpe på overflaten. I millioner av år var det en intens vulkansk virksomhet som brøt opp overflaten. Veldige forkastninger i jordskorpen var med på å danne fjellkjedene. Vi regner med at det er ca. 1,5 milliarder år siden elvene dannet de første avleiringene av slam ved utløpene. På den tiden var de eldste fjellene dannet, og vi kaller derfor tiden for jordas grunnfjellstid eller den arkeiske tid. Jorda var fremdeles uten liv. For flere hundre millioner år siden ble den norske fjellkjeden foldet opp. Det er en av de tydeligste formasjonene på jordas overflate; en forkastning som går fra Skottland, over Norge og videre nordover til Svalbard og Øst-Grønland. Her har det en gang vært høye fjellkjeder, slik Alpene og Kaukasus er i dag. Men i tidens løp er topper og tinder tæret ned, først og fremst av istidene, men også av nedbør, elver og vind.

Landområdene i Norge ligger for det meste på høyder over 500 m o.h. Landskapet er formet av isen, for istidens breer skapte fjorder, daler, innsjøer og fosser. Samtidig ble all gammel morenejord kjørt ut av landet og avsatt i Mellom-Europa og England. Et resultat av isens nedbrytende arbeid er at de løse bergartene er ført bort. Skiferlagene som en gang i tiden lå utover det meste av landet, er skrapt bort, og det harde grunnfjellet har kommet fram i dagen. Vi ser ikke dette i de høyeste fjellkjedene i verden i dag, for de er geologisk sett mye yngre. Derfor finner vi også de hardeste og seigeste bergartene som de høy­ este fjellene, noe som også er en fordel for vannkraftutbyggingen vår. Ikke bare gjør det at tunneldrivingen blir enklere, men det er sann­ synligvis hovedgrunnen til at vi har en så stor del av verdens under­ jordiske kraftstasjoner. 15

Alt det materialet som i tidens løp er tæret bort fra landskapet, er brakt ut i havet. I andre land er det lagdelte bergarter fra yngre tid, tykke lag av løs sandstein, mergel osv. som fyller slettelandet. Til­ svarende avsetninger mangler i Norge, for de ligger på havbunnen som kystbanker. Under siste istid stod havet opptil 240 m høyere enn nå. Det kom hovedsakelig av isens tyngde, og etter at isen smeltet, har landet litt etter litt hevet seg til den høyden det har i dag.

Til sammen har disse hendelsene gjort landet vårt til en av verdens fremste vannkraftnasjoner: - At landskapet nær kysten ligger høyt over havet, gjør at den fuktige havlufta blir presset opp og avkjølt. Vanndampen i lufta konden­ seres og blir til nedbør. Den blir så samlet opp og blir liggende i stor høyde. - Isens bearbeiding av landskapet har fjernet løsmasser og løst fjell og skapt fordypninger som er naturlige vannmagasiner. - Det solide grunnfjellet er velegnet når vi skal bore tunneler, bygge underjordiske kraftstasjoner og lage fundamenter til dammer. - Mangel på løsmasser gir oss rent vann, minimal erosjon og liten slitasje på vannkraftmaskinene våre.

3.2 Meteorologi Meteorologi er vitenskapen om atmosfæren og omfatter vanligvis studiet av lufthavet opp til et nivå omtrent 100 km over havet. Den delen av meteorologien vi kommer inn på her, er hydrometeorologi, det vil si de meteorologiske forutsetningene for vannets forekomst på jorda. Vannet kommer fra atmosfæren som nedbør. Det som ikke fordamper igjen, renner ned til havet, stort sett som overflatevann i elver og bekker og i mindre grad som grunnvann. Sola sørger for at noe vann fordamper fra havet og kommer opp i atmosfæren igjen.

Fordi havoverflaten er nesten tre ganger så stor som landjordas overflate, foregår det meste av vannets kretsløp fra hav til atmo­ sfære og tilbake til havet igjen. Av den nedbøren som faller over land, fordamper ca. 65 %, og derfor er det bare ca. 9 % av vannet i det totale kretsløpet som kommer til elvene. Vi må understreke at dette forholdet kan være svært ulikt i forskjellige områder i verden. For eksempel kan vi nevne at i områder rundt ekvator er det bare 3-10 % av nedbøren som når havet uten å fordampe, mens det i vårt land er 90-95 %. Dette er enda en grunn til at vannkraften har en overlegen stilling i Norge. Den evnen lufta har til å holde på vanndamp, er temperaturav­ hengig. For eksempel er det jevnt over større absolutt fuktighet i Sahara enn på Vestlandet. Derfor bruker vi ofte begrepet relativ 16

fuktighet, en størrelse som ikke endrer seg selv om lufttemperatur, lufttrykk og luftvolum forandrer seg. Nedbør er vann som faller fra atmosfæren til jorda i flytende eller fast form.

Nedbøren kan bare dannes på én måte: ved at lufta blir nedkjølt til under duggpunktet, det vil si den laveste temperaturen som lufta kan ha uten at dampen kondenseres. Hvis kondensasjonen ikke begynner før temperaturen kommer under 0 °C, fryser den konden­ serte vanndampen til is (eller snø eller rim). For at dråpene skal falle også når lufta er i bevegelse oppover, må de ha en viss størrelse. Små dråper kan holde seg svevende som tåke, mens litt større dråper faller langsomt som duskregn. Blir dråpene større enn 5 mm, deler de seg som regel mens de faller. Vi har tidligere nevnt at nedbør dannes når lufta blir presset til værs når den blåser inn mot en fjellkjede. Vi skal videre se på noen andre måter lufta kan avkjøles på slik at det blir nedbør:

1. Avkjøling ved stråling og ledning, ved kontakt med kald jordover­ flate. Dette fenomenet er mest kjent som varmedis og frostrøyk, men det er også slik dugg og rim blir dannet og dessuten noen former for tåke. Det blir likevel ikke nedbørsmengder av betydning på denne måten. 2. Dersom lufta en varm sommerdag blir så sterkt oppvarmet ved bakken at den stiger til høyder der trykket er lavere, vil lufta utvide seg og temperaturen falle. Faller temperaturen under duggpunktet, får vi en eller flere regnskurer, det vi kaller ettermiddagsbyger. 3. Syklonene er imidlertid årsaken til de største nedbørmengdene. I syklonene dras luftmasser fra forskjellige kanter og med for­ skjellig temperatur sammen mot et senter, og den varmeste lufta går til værs omkring senteret, avkjøles og gir nedbør. Det detaljerte årsaksforløpet til syklonene er komplisert, så vi skal ikke gå inn på det her. Men hovedforutsetningen for at en syklon oppstår, er at det danner seg et lokalt kraftig undertrykk, for eksempel en høy oppvarmet fjellvegg mot kjølig havvann.

3.3 Energiverkshydrologi Hydrologi betyr i ordets videste forstand læren om vannet. Det van­ lige innholdet i ordet slik vi bruker det, er nedbørsfordeling, for­ dampning, avrenning, vannforekomster, vassdrag og deres vann­ føring gjennom året. Hydrologien gir grunnlag for utnyttelse av vass­ dragene for vannforsyning og kraftutbygging og av resipienter og grunnvann. I Norge er det Norges vassdrags- og energiverk (NVE) og Norges geologiske undersøkelse (NGU) som står for undersøkelser av 17

de hydrologiske forholdene, men de er godt hjulpet av flere energi­ verk som av egen interesse tar seg av registreringen av de tilhørende vassdragene. Hydrologiske undersøkelser kom for alvor i gang om­ kring 1890 her i landet, og de foregikk mest i større vassdrag den første tiden. Hovedinteressene var knyttet til arbeidet med å gjøre vassdragene farbare, forebygge flomskader og senke vannstanden for å vinne dyrkbar mark. Undersøkelsene var ofte begrenset til vannstandsobservasjoner. Men interessen for energiproduksjon tvang etter hvert fram utvidede og mer fullstendige undersøkelser. Med de høye kraftprisene og dagens frie marked for elektrisk energi er det stadig flere energiverk som av egen økonomisk interesse utfører målinger. Meteorologiske målinger alene har vist seg lite egnet for bedømmelsen av avløpet. Målingene gir ofte en avløpshøyde ved elvene som er vesentlig mindre enn den virkelige. Vi skulle også tro at en del av vannet forsvinner som grunnvann og ved fordampning. Men den viktigste årsaken til at vannstanden er høyere, er at nedbøren i høyden gjennomsnittlig er langt større enn ved målestasjonene. Før et vassdrag kan bygges ut, må vi kartlegge flere forhold. For det første må vi vite hvor mye vann (og dermed energi) som er til rådighet, for at vi skal kunne prosjektere vannveien, stasjonen, maskinene og det elektriske anlegget. Dernest må vi registrere mulighetene for regulering og magasinering. Mange av disse målingene bør gjøres over flere år slik at vi kan ta hensyn til de naturlige års variasjonene i nedbør og finne fornuftige verdier for beregningene. Mange av målingene er kompliserte, og vi skal i det følgende bare konsentrere oss om noen av de forholdene som har betydning for resultatet.

Den gjennomsnittlige årlige nedbørmengden varierer mye her i landet. Vadsø har ca. 360 mm og Oslo og Trondheim 750 mm, mens Bergen har 2300 mm. Det er imidlertid ikke bare de gjennomsnittlige årlige verdiene som har betydning for dimensjoneringen av et kraftverk. Måneds variasjoner og også døgnvariasjoner er viktige parametre; det siste er av størst betydning når en skal dimensjonere avløps­ nettet, for eksempel kloakken. Den største nedbøren målt i ett døgn i Norge falt på Matre, som hadde 230 mm i 1940, mens det høyeste som er målt i verden, er 1168 mm, i Bagnio i Filippinene i 1911! Karakteristisk for de hydrologiske forholdene i Norge er at nedbøren i en halvdel av året kommer som snø og blir liggende slik til varmen kommer om våren. Det må vi ta hensyn til når vi beregner størrelsen på vannmagasinene. I hovedsak gjør vi dette med oppsamlede data om avløpet i hvert vassdrag i snøsmeltingsperioden.

Et viktig område som ikke direkte har betydning for kraftproduksjon, er flomsituasjoner. Vi har tidligere vært inne på at vannkraftutbygging til en viss grad kan bidra til å redusere ødeleggelser ved flommer. Det skjer på to måter :

18

1 Dersom flommen er ventet eller varslet av meteorologene, kan en rydde plass ved sterk tapping av magasinene i forveien og på den måten ta av for noe av flommen. 2 Dersom det er plass i magasinene, kan noe av vannet holdes til­ bake når flommen er sterkest, slik at en får utjevnet vannstrømmen og dermed redusert den maksimale vannstrømmen. Meteorologenes varsler om snøsmelting og nedbørmengder er av vel så stor betydning. Dersom hele vassdrag er regulert med flere maga­ siner og energiverk, er det mange muligheter for å regulere flom­ toppen til områder der den gjør minst skade. Det er likevel verdt å merke seg at dette bare gjelder flommens maksimum. Uavhengig av energiverk og magasiner er det den samme vannmengden som skal ned avløpene!

Uten regulering ville minstevannføringen vært bestemmende for energiverkets ytelse, og det ville ha vært svært vanskelig å takle variasjonene i vannføring i forhold til driften. Med vassdragsregulering øker minstevannføringen ved at en samler opp vann i overskuddsperioder for bruk i underskuddsperiodene. Det skal bare et lite magasin til for å oppnå en forbedring av vassdragets minstevannføring. Ved større grad av regulering stiger kravene til magasinet, og det blir vanskeligere å holde en jevn vannstand i magasinet gjennom hele året, noe som er viktig av miljøhensyn. Det er også umulig å komme til en høyere regulert vannføring enn det som tilsvarer det midlere tilløpet. Av den grunn er det viktig at magasinet ikke blir større, for det vil føre til for store variasjoner i vannstanden. Vanlig praksis i Norge er å dimensjonere magasinene slik at de er store nok i 90 % av tiden.

Dersom det er flere energiverk etter hverandre i den samme elva, er forholdet mer komplisert. Hvis magasinet øverst er felles for alle kraftverkene, passerer den samme tappingen alle, mens det natur­ lige tilløpet øker nedover vassdraget. Hvis en regulerer med hen­ blikk på det øverste, blir det en underregulering, i hvert fall i Norge der fordampningen er liten. Derfor bør vassdraget reguleres under ett og sikre at den samlede produksjonen tilsvarer den målsettingen som er satt for utbygging av vassdraget. Det er dårlig totaløkonomi å la ett energiverk gå for fullt i perioder med høy energipris og samtidig la andre gå med overløp. På den andre siden er det tegn som tyder på at energiverkets effekt på et tidspunkt med lav energidekning vil bli mer verdsatt i tiden som kommer. Derfor kan det være aktuelt å bygge ut eller utvide det største energiverket i et vassdrag med et aggregat som tar seg av et slikt effektbehov. Disse verkene blir kalt effektverk ettersom de er dimensjonert ut fra et effektbehov og ikke et energibehov. Topografiske og geografiske forhold sammen med kvaliteten på fjellet og miljøhensyn er også forhold som spiller inn når vi skal dimensjonere magasiner, maskiner og elektriske anlegg. 19

Vassvegen Når du har lese dette kapittelet, bør du forstå og kunne forklare funk­ sjonen til og formålet med dei komponentane som ein bruker mellom overvatnet, det vil seie «magasinet», og undervatnet, det vil seie «av­ løpet». Det same gjeld omgrepa stabilitet, trykkstigning, falltap og verknadsgrad. Du skal også kunne rekne ut effekten og årsproduksjonen til eit kraftverk når du har fått dei nødvendige opplysningane.

Den strekninga vatnet blir transportert frå overvatn til undervatn (sjå figur 4.1) i eit kraftanlegg, kallar vi vassvegen. Lengda, breidda, djupna og forma på denne vegen kan variere mykje frå anlegg til anlegg, avhengig av fallhøgda, vassføringa, dei topografiske forholda, avstanden mellom overvatn og undervatn og bruksområda. Ytter­ punkta er anlegg med store fallhøgder, små vassføringar, store av­ standar mellom reservoar og undervatn og reine elveenergiverk for vassdrag med små fallhøgder og stor vassføring. Fordi vi i Noreg har flest høgtrykksanlegg, tek vi i dette kapittelet for oss eit typisk høgtrykksenergiverk med francisturbin.

Figur 4.1 Prinsippskisse av vassvegen

20

4.1 Stengjeinnretningar for dam, tunnel og turbin Figur 4.1 viser ei prinsippskisse av vassvegen til eit normalt norsk anlegg med ein høgtrykksfrancisturbin. Frå overvatnet og nedover ser vi grovvaregrind, inntaksluke, tilløpstunnel, svingesjakt, sandfang, finvaregrind, rørbrotsventil med luftinnsleppsventil, trykksjakt, kuleventil, turbin, sugerør, sugerørsluke, avløpssvingesjakt og avløp.

Growaregrinda skal hindre større gjenstandar, som tømmer, kvister og steinar, i å komme inn i tunnelsystemet. Da hindrar vi skadar på ventilar og turbin. Inntaksluka skal opne ved fylling av tilløpstunnelen og trykksjakta og stengje for vatnet ved revisjon og inspeksjon av tilløpstunnelen og svingesjakta.

Tilløpstunnelen er vassvegen frå inntaket fram til rørbrotsventilen og bør av ulike årsaker ha så stort tverrsnitt som råd (sjå avsnitt 4.2). Dette blir først og fremst eit økonomisk spørsmål. Svingesjakta sørgjer for at trykkstøytar og trykkstigningar i vass­ vegen held seg på eit akseptabelt nivå. Du kan lese meir om dette i avsnitt 4.3. Sandfanget er i prinsippet ei utviding av tverrsnittet i tilløpstunne­ len i den nedste delen. Det er forma som eit rektangulært basseng og er plassert rett oppstraums for rørbrotsventilen. I sandfanget blir far­ ten til vatnet redusert slik at sand som har følgt med vatnet, kan sige ned og samle seg i dette «bassenget». På den måten hindrar vi til ein viss grad sanderosjon på mekaniske delar i ventilar og turbin. Bassenget bør tømmast med jamne mellomrom. Kor ofte det skal tømmast, er avhengig av sandinnhaldet i vatnet og må koordinerast med resten av drifta og vedlikehaldet av anlegget.

Finvaregrinda. For høgtrykksanlegg har ein gjerne ei finvaregrind etter sandfanget. Denne grinda skal hindre gjenstandar over ein viss storleik i å følgje med vasstraumen ned til turbinen. Dette gjeld først og fremst steinar som har følgt med vasstraumen i tilløpstunnelen. Finvaregrinda har mykje mindre avstand mellom grindstavane enn growaregrinda. Rørbrotsventilen er oftast ein spjeldventil og skal stengje automatisk dersom farten til vatnet kjem over ein viss verdi, ofte om lag 1,25 gonger farten ved full belastning. Da får ein redusert skadane ved eit eventuelt rørbrot på frittliggjande rør eller turbintromme. Figur 4.2 viser dei konsekvensane eit rørbrot kan få.

21

Figur 4.2 Rørbrot ved Bjølvefossen i 1919

22

Vi skal merke oss at ein ved nyare anlegg i samband med trykksj akter ofte bruker stengjeinnretningar som ikkje er laga for eventuelle rørbrot. Ventilen skal også isolere trykksjakta og kraftstasjonen frå overvatn og stengje av tilløpsrør ved inspeksjon og kontroll. Spjeldventilen er utstyrt med ein opne- og lukkemekanisme, eit hydraulisk pådrag. Ein luftinnsleppsventil eller vakuumventil slepper luft inn i trykk­ sjakta ved tømming. Vidare har spjeldventilen eit omløpssystem (også kalla eit omløp) som skal gi ei kontrollert fylling av trykksjakta og setje henne under trykk før spjeldventilen opnar seg. Vakuumventilen slepper lufta ut ved fylling av trykksjakta. Trykksjakta er sambandet mellom rørbrotsventilen og kuleventilen. Avhengig av høgda og kvaliteten på fjellet kan trykksjakta vere råsprengd eller heilt eller delvis stålfora.

Kuleventilen har som oppgåve å isolere turbinen når han ikkje er i drift. Ventilen har to tettingar, ei hovudtetting og ei revisjonstetting. Ved revisjon og kontroll av turbinen bruker ein hovudtettinga som er dropetett, med den føresetnaden at tettinga ikkje er sliten. På grunn av tryggleiken bør begge tettingane vere sette på ved inspeksjonar og kontroll av turbin og spiraltromme. Revisjonstettinga blir også brukt ved revisjon av hovudtettinga. Ventilen er utstyrt med eit omløp som ein bruker for å utlikne trykkskilnaden mellom oppstraums- og nedstraumssida på ventilen før kuleventilen opnar seg. Vidare har ventilen ein opne- og lukkemekanisme, som vi kallar eit pådrag. Du kan lese meir om dette i avsnitt 9.4. Turbinen. I ein francisturbin strøymer vatnet frå kuleventilen gjen­ nom spiraltromma og stagringen. Her fordeler vatnet seg jamt over turbinomkrinsen til leieapparatet som gir den ønskte vassføringa inn på løpehjulet til turbinen. I løpehjulet blir energien i vatnet forma om til rotasjonsenergi på akselen, og rotasjonsenergien blir forma om til elektrisk energi av generatoren. Dei ulike turbintypane og bruks­ områda deira blir tekne opp i læreboka om turbinar.

Sugerøret. Dersom vatnet frå turbinen hadde rent rett ut i avløpet utan å gå gjennom eit sugerør, ville høgdeskilnaden mellom senterlinja i turbinen og vasspegelen i undervatnet vere eit tap i fallhøgd. Når ein plasserer eit rør mellom turbinen og avløpet, blir vatnet «soge» gjennom turbinen, slik at ein ikkje får dette tapet. Av dette kjem ordet sugerør. Sugerøret leier vatnet frå løpehjulet til avløpet. Den omvende trektforma sørgjer for å redusere farten på vatnet nokså mykje og er ein hydraulisk komponent som minimaliserer energitapet. Sugerørsluka har som oppgåve å isolere turbinen og sugerøret frå undervatnet ved revisjonar, inspeksjonar og kontrollar av anlegg lågare enn undervatnet. Eit anlegg der turbinen ligg lågare enn 23

undervatnet, seier vi er dykka. Ein gjer det slik for ikkje å få kavitasjon, og dette skal vi sjå nærmare på i kapittel 10. For dykka anlegg har ikkje sugerøret den tidlegare nemnde «sugande» effekten.

Avløpssvingesjakta. Ved rask avstenging av vassføringa til aggre­ gatet kan det bli kraftige trykkstøytar i avløp, sugerør og turbin. Grunnen til det er at sugerøret blir tømt for vatn slik at det kjem eit undertrykk. Det fører til at vatnet i avløpet snur og strøymer tilbake mot løpehjulet slik at det blir slag og trykkstøytar. Fenomenet gjer seg først og fremst gjeldande dersom avløpet frå sugerørsutløpet til undervatnet er langt. I slike tilfelle bruker ein helst ei avløpssvingesjakt for å dempe undertrykket og ikkje få problemet. Svingesjakta hindrar også for høgt overtrykk i sugerøret dersom pådraget til turbinen aukar for fort. Når vi ser bort frå turbinen, er den vassvegen vi har gjort greie for her, representativ for dei fleste norske energiverka. Likevel har verk med små fallhøgder og store vassføringar oftast ein kortare vassveg, og behovet for stengjeinnretningar er da tilsvarande mindre. Såleis er vassvegen til eit lågtrykks elveenergiverk ofte berre varegrind, inntaksluke, trykksjakt, turbin, sugerør med sugerørsluke og avløp, eventuelt med svingesjakt.

Ei luke og ein ventil har oftast same funksjon, nemleg å stengje av vatnet. Dersom trykket er stort, er det vanskeleg å konstruere ei luke som er kraftig nok. Ein ventil blir altfor kostbar dersom han skal byggjast for store vassføringar. Derfor bruker vi gjerne luker for låge trykk og store vassføringer og helst ventilar der trykket er høgt og vassføringa lita.

Kontrollspørsmål

24

1

Ta utgangspunkt i figur 4.1 og for­ klar funksjonen til dei ulike kompo­ nentane i vassvegen.

2

Kva skal til for å gi rørbrotsventilen automatisk lukkeimpuls? Kvifor er dette viktig?

3

Kva for ei energiform lagar tur­ binen energien i vatnet om til?

4

Kva slags energi tek sugerøret hand om?

4.2 Energi og effekt Vasskraft er omlaga solenergi: Sola «lyfter» vatn opp frå jord- og havoverflata ved fordamping. Vatnet fell så ned som nedbør. Kjem nedbøren ned over land, er han ei form for potensiell energi som blir større di høgare over havet han råkar bakken.

Fysikken gir oss denne formelen for potensiell energi:

W = m ■g•h der

m h g W

= = = =

masse [kg] høgd[m] tyngdeakselerasjon [m/s2] energi [J]

Formelen gir oss den energien vi må tilføre ein masse m for å lyfte han opp ei høgd h, og kan også nyttast dersom vi ønskjer å rekne ut energien i eit vasskraftmagasin som har ei høgd h over eit under­ vatn. Sjå figur 4.3.

Figur 4.3 Energioverføring i eit energiverk

I staden for elektrisk energi bruker vi gjerne omgrepet elektrisk effekt med eininga watt (W). 1W = 1 J/s, og 1 J = IWs.

I ein time er det 3600 sekund, det vil seie 1 s = 1/3600 h.

Uttrykt i wattimar (Wh) kan vi skrive formelen for potensiell energi slik: W=

m'8'h

[Wh]

25

Eininga wattimar er ein liten storleik, så til dagleg snakkar vi helst om kilowattimar (kWh), megawattimar (MWh), gigawattimar (GWh) eller terawattimar (TWh). Samanhengen mellom desse storleikane er slik: 1 TWh = 103 GWh = 106 MWh = 109 kWh = 1012 Wh Samanhengen mellom massen mv [kg], tettleiken pv [kg/m3] og volumet Vv [m3] til vatnet er slik: mv = Pv • Vv

Skal vi rekne ut kor mykje energi som er lagra i eit vassreservoar, W=

m'g'h

[Wh]

3600

bruker vi formelen for potensiell energi på denne måten: W=

Pv ’

[Wh]

3600

h er høgdeskilnaden mellom overvatn og undervatn. Om vi ønskjer å vite energimengda per år, er Vv tilsiget av vatn som volum til reservoaret på eitt år. Av formelen kan vi slutte at Noreg på grunn av topografien er i ei særstilling når det gjeld vasskraft. Takk vere rikeleg med nedbør som fell ned i nokså stor høgd (Æ er stor), er vi eit av dei fremste landa i Europa når det gjeld vasskraft. Nedbøren som fell over til dømes Danmark (der h er liten), gir lite energi.

Som ein kuriositet kan vi nemne at dersom vi utnytta all nedbør som fall over Noreg på eit år til energiproduksjon, ville vi ha fått om lag 560 TWh. I 1995 var vasskraftproduksjonen her i landet 112 TWh. Den samla nyttbare vasskraftreserven er i Noreg på rundt 176 TWh.

Formelen for effekten frå vatn som blir tappa frå eit magasin, er (sjå figur 4.3):

P der

= Pv' Qy'g'h

P = effekt [W] Qv = VN/t = volumstraum [m3/s]) t = tid [s]

(I tillegg kjem effekttapet til omgivnadene.) 26

Effekten som kan produserast, blir fastsett av storleiken på det mas­ kineriet som er installert i kraftstasjonane. Er det installert maski­ nar med stor kapasitet, kan energien frå magasinet leverast innan­ for ein kort periode, til dømes i ein kuldeperiode når effektbehovet er stort. Det vil på den andre sida seie at maskinane må stå om somma­ ren dersom vatnet er oppbrukt.

Somme stader har vi kraftoverskot om sommaren. Det kjem av at re­ servoara er små, slik at vatn frå snøsmelting og nedbør må nyttast direkte til energiproduksjon fordi vi manglar stader å lagre det. Samtidig er etterspurnaden etter energi liten. Da kan denne ener­ gien overførast til andre område som har ledig kapasitet i magasina. Der kan han drive pumper som pumpar vatn opp att i magasina. Når vinteren kjem, kan ein bruke dette vatnet til energiproduksjon att. Sommarenergi har på denne måten vorte verdifull vinterenergi. Sjå elles kapittelet om pumpeturbinar i læreboka om turbinar.

Øvingsoppgåver Sverige har eit flateinnhald på om lag 486 000 km2. Dersom vi går ut frå at årleg nedbør er 500 mm, og at han fell ned på ei høgd på gjennomsnittleg 150 m, kor stort er det samla vassenergipotensialet i landet?

Det disponible vassenergipotensialet (det som kan byggjast ut) er vurdert til 171 TWh. Kor stor del av det samla vassenergipotensialet er dette?

FAKTARUTE Energi som er lagra, er ein storleik som kan omsetjast i arbeid, varme eller elektrisitet. Vi snakkar da om mekanisk, termisk eller elektrisk energi.

Effekt er ein storleik som definerer kor fort energien blir omsett. Effekten kan også vere mekanisk, termisk eller elektrisk. Utrekning av energien i eit magasin eller ein dam: Pv •

•9•h

1/1/ =------------------- [Wh] 3600 Effekten under drift av eit energiverk (tapsfri prosess):

P = P, • K • 9 • h [W]

4.3 Falltap og verknadsgrad Frå det førre avsnittet har vi formelen for potensiell energi lagra i eit vassreservoar: P*'Vv'h [Wh]

W=

3600 h er den statiske trykkhøgda, eller brutto fallhøgd, det vil seie høgdeskilnaden mellom overvatn og undervatn. Men det er eit tap i alle delar av vassvegen når anlegget er i drift. Desse tapa kallar vi fall­ tap eller tapshøgder. Den fallhøgda som gjeld for turbinen, kallar vi effektiv fallhøgd, og vi kan setje det opp slik:

Brutto fallhøgd - falltap (= Æbr - hj

Det er to typar av falltap: viskøse og singulære. Viskøse falltap. Når vatnet strøymer gjennom luker, rør og ventilar, blir farten til vatnet heilt inne ved rørvegger og faste flater null. Det kjem av viskositeten (seigleiken) til vatnet, og det lagar seg eit sjikt (lag) med gradvis aukande fart innover i røret frå veggen. Denne fartsreduksjonen blir eit viskøst tap.

Singulære falltap kjem når vatn i strøyming råkar faste gjenstandar, som til dømes spjeldet i ein spjeldventil eller sprinklane i ei varegrind. Litt av vatnet stoppar heilt opp, og dette blir eit singulært tap. Når vassmolekyla slepper slike gjenstandar, kallar vi det avløysing. Det blir danna kvervlar i vassstraumen, og denne kvervelenergien kan ikkje utnyttast. Dette tapet er også singulært. Verknadsgrad er definert som forholdet mellom nytteenergi og tilført energi. Nytteenergien er skilnaden mellom tilført energi og energitapet i eit system.

W-W t n *1 =------------- =-------W W

Her er r] W Wt Wn

= = = =

verknadsgrad energi i magasinet energitap nytteenergi

Dersom vi i formelen inkluderer tapa i turbinen og generatoren, får vi den samla verknadsgraden for anlegget. Vi har effekten frå eit energiverk ved denne formelen:

P = *T Pv-Qvg-h 28

Her er 77 den samla verknadsgraden og er definert som produktet av alle verknadsgradene:

n = W der

7]v = verknadsgraden for vassvegen 7]g = verknadsgraden for generatoren T]t = verknadsgraden for turbinen

Normalt ligg verknadsgraden for energiverk på omkring 0,85. Vi går ut frå at verknadsgraden for turbinen er 0,92 og verknadsgraden for generatoren er 0,98. Det vil seie at om lag 5 % av den potensielle energien i magasinet går bort i falltap. Vi skal sjå på korleis tapet fordeler seg, og kva ein kan gjere for å minimalisere det. Falltapet over inntakslukene er avhengig av innstrøymingsforholda og utforminga av lukeføringar og lukeproppar. Det er viktig å ikkje få kvervlar og innsuging av luft fordi det kan føre til eit stort og unødvendig falltap. Ein kvervel i vasstraumen inneheld fartsenergi som ikkje kan attvinnast til nyttbar energi i turbinen. Han dreg ofte med seg luft som kan bli liggjande oppunder taket i tilløpstunnelen. Ei luftlomme vil i praksis seie at gjennomstrøymingsarealet til tunnelen er redusert og verkar som ein reduksjon av tverrsnittet i tunnelen. Vi skal seinare sjå at dette gir tap på grunn av auka fart. Men vi kan hindre dette ved riktig utforming og plassering av inntaket.

Det kan også bli laga kvervlar med luftinnsuging på grunn av hin­ dringar i vassvegen som kvister og tømmer på varegrinda. Men slike problem kan vi i visse tilfelle løyse med enkle middel. Derfor er det viktig med kontroll med jamne mellomrom. Falltapet over varegrinder kan til tider vere stort. Det er av­ hengig av lysopninga i grinda, vassføringa og ikke minst kor mykje det tettar seg til. Figur 4.4 viser tetting ved tre ulike lysopningar under elles like forhold. Generelt kan vi seie at avstanden mellom grindstavane bør vere så stor som forholda tillet.

Falltapet over varegrindene er svært lett å observere eller måle. Det er skilnaden i vasstand mellom oppstraums- og nedstraumssida av grinda. Nedanfor viser vi eit reknedøme på kva ei moderat tetting av ei varegrind kan ha å seie økonomisk.

29

Figur 4.4 Tetting av grinder med ulike opningar Døme Eit kraftanlegg har maksimal vassføring Qv = 25 m3/s og ei brukstid per år tb = 5 500 h. Skilnaden i vasstand ved rein grind er 10 cm. Etter eit år er skilnaden 90 cm. Utrekna gjennomsnittleg falltap på grunn av tetting:

90 cm - 10 cm t ----------------------- = 0,4 m 2

Vi set energiprisen til 20 øre/kWh. Vi reknar med at verknadsgraden til turbinen er nadsgraden til generatoren 7]g = 0,98.

= 0,92 og verk-

Årleg auke i energitapet blir: W = nt-ie- p-,-Q,-g-HLm-tb

W = 0,92 • 0,98 • 1000 kg/m3 • 25 m3/s • 9,81 m/s2 • 0,4 m • 5500 h = 490 MWh

Det gir eit årleg tap på om lag 97 000 kr.

30

Vi bør nemne at dette langt frå er eit ekstremt døme. Ved elveenergiverk er det ikkje sjeldan at falltapa over varegrindene kan komme opp i 1 m, spesielt i flaumperiodar, og det er målt falltap på heile 7 m! Figur 4.5 viser to dårleg reinska finvaregrinder.

Figur 4.5 Grinder som treng reinsking

Sidan vassføringa ved desse energiverka er stor, kan dei økonomiske tapa bli store. Vi kan hindre dette på ulike måtar: - Grindene blir forma slik at det er lett å reinske dei og lett å halde dei ved like. - Måleutstyr blir installert slik at ein kan kontrollere falltapet over grinda med jamne mellomrom. - Inntaka blir plasserte slik at det ikkje er lett for kvister, tømmer og is å samle seg opp. - Reinskeutstyr er tilpassa grinda og driftsforholda. - Rutinane for reinsking blir koordinerte med drifta og kontrollen av falltapet.

Falltapet i ein sirkulær tunnel kan vi rekne ut ved hjelp av Mannings formel:

der

Hl = falltapet [m] vy l r M

= = = =

farten til vatnet [m/s] tunnellengda [m] tunnelradien [m] ruleikskoeffisient (Mannings tal) [m1/6s-1/2]

Mannings tal har ein verdi på 30-37 nr1/6s’1/2 for tradisjonelle, sprengde tunnelar og er større di finare den indre flata i tunnelen er. 31

Dei siste åra har det vorte meir og meir vanleg å fiillprofilbore tunnelar. For slike tunnelar ligg M mellom 60 og 70 m1/6s1/2. Tverrsnittet kan såleis reduserast i høve til sprengde tunnelar. Verdiane for M baserer seg på erfaring, ikkje på målingar, og dei er nokså usikre. Diagramma på figur 4.6 viser falltap per kilometer i to tunnelar som ikkje er like rue.

Falltap m/km

M=32,7

Fart m/s

Fart m/s

Figur 4.6 Normalt falltap i tunnelar med ulik ruleik. A er verkeleg areal I mange tilfelle er falltapa i tilløpstunnelen dei største i vassvegen, og dei er svært viktige for den samla verknadsgraden for anlegget. Vi ser av figur 4.6 at tapa kan komme opp i fleire titals meter dersom tilløpstunnelen er lang nok. Derfor er det heilt nødvendig, særleg på prosjektstadiet, å redusere desse tapa så mykje som råd.

Som det går fram av Mannings formel, er falltapet i tilløpstunnelen avhengig av lengda, radien og ruleiken til tunnelen. Vidare er tapet proporsjonalt med kvadratet av den farten vatnet har i tunnelen. Dersom ein ønskjer å redusere falltapet i ein tunnel, seier det seg sjølv at lengda er den faktoren det er vanskelegast å gjere noko med. Tunnelen blir i dei aller fleste tilfella laga så kort som dei topogra­ fiske forholda gjer det mogleg. Vi ser av formelen at ein auke av Mannings tal reduserer falltapet i tunnelen. Dette vil i praksis seie ei glatting av overflata i tunnelen. Dette kan ein gjere med betong eller asfalt eller ved at ein reinskar manuelt. Men det er først og fremst ein auke av tunneltverrsnittet som kan minke falltapet. Med den føresetnaden at maskinane i kraftstasjonen ikkje blir bytte ut, fører ein auke av tunneltverrsnit­ tet til ein lågare strøymingsfart. Med eit reknedøme skal vi sjå kva 32

ein auke av radien i ein viss sirkulær tunnel med 25 % får å seie for falltapet:

Indeks 1 : før tversnitts auke Indeks 2 : etter tversnittsauke Da er :r2 = 1,25 • rr Vi går ut frå at Mannings tal og lengda har same verdi før og etter tverrsnittsauken:

= M2 = ^2

Vidare har vi den same vassføringa (volumfluksen): QV1

der

=>

~ ^v2 = V vl ’ ^1 = Vv2 ’ ^2

A = tunneltverrsnittet [m2] "vl ' "l2 = "v2 ' U-25 ' r?2

"vl • 71 ' ri2 = "v2 ' " ' r22

=>

i>vl = 1,5625 ■ vv2

uv2 = 0,64 ■ uvl

=>

Vi set inn utgangsverdiane og dei utrekna verdiane for fart, lengd, ruleik og radius i Mannings formel og får falltapet etter tverrsnitts­ auken: (0,64 • yvl)2 • lr

_

M* • (1,25 • r/2)473 "

0,642

V25473

•HJL-L T1 = 0,304

0,642 • uvl2 •

M* • 1,254/3 • (r/2)473

.LI

Forholdet mellom falltapet før og etter tverrsnittsauken blir:

H,/H,c = 3.3 1j±

JLjZ

Det vil seie at dersom falltapet i tilløpstunnelen var 10 m, blir det 3,04 m etter tverrsnittsauken. Vi kan seie at den einaste avgrensande faktoren for tverrsnittet til tunnelar er utbyggingskostnadene. Eldre tilløpstunnelar er ofte drivne med små tverrsnitt og gir store tap. Da kan det vere lønnsamt å auke tverrsnittet anten ved at ein strossar ut tunnelen eller byg­ gjer ein ny tunnel parallelt. Ved utbygging av nye anlegg er det alltid økonomiske omsyn som avgjer valet av tunneldiameter. Grundige kostnadsanalysar som tek omsyn til falltapskostnader, utbyggings­ 33

kostnader og vedlikehaldskostnader, må liggje til grunn for valet. Vi kan seie at både falltapet og utbyggingskostnadene er ein funksjon av tunneldiameteren. Derfor aukar ein denne diameteren inntil re­ duksjonen av falltapsutgiftene ikkje lenger er større enn auken av utbyggingsutgiftene for tunnelen. Liknande analysar der ein også vurderer tapa ved aggregat stopp, er nødvendige for å finne ut om tverrsnittsauken av ein eksisterande tunnel er lønnsam. Generelt kan vi seie at dersom vi finn at ein tverrsnittsauke er forsvarleg reint økonomisk, bør vi gjere det på denne måten: - Dersom tilsiget kan magasinerast, bør den eksisterande tunnelen strossast ut. - Er det ikkje mogleg å magasinere, bør utvidininga skje ved at vi byggjer ein ny parallell tunnel. - Tverrsnittsutvidinga bør gjerast samtidig med anna omfattande revisjonsarbeid ved energiverket. Ras i tunnelar kan også føre til store falltap. Det blir ei vurdering av økonomi og driftstryggleik som avgjer om det lønner seg å stoppe kraftverket for å fjerne rasmassen, eller om han bør bli liggjande til tunnelen skal tømmast i samband med anna arbeid. Der det er installert måleutstyr, kan vi fort finne ut kor mykje ekstra falltap raset fører til. Måleutstyret kan til dømes vere ein flottør i svingesjakta, slik at ein kan måle endringar i vasstanden mellom overvatn og svingesjakt.

Dersom det ikkje fmst måleutstyr i tunnelen, kan vi finne fram til falltapsauken ved at vi les av manometeret føre turbinen. Vi må kor­ rigere for den energien farten i tilløpsrøret står for. Denne energien kan vi uttrykkje ved fartshøgda (i?/(2 • #)) og rekne ut tilnærma for dette formålet.

34

Sandfang byggjer ein stort sett på to måtar, som ope sandfang eller som ribbesandfang. Sjå figur 4.7. Jamvel om tapa over sandfanga aldri er særleg store, bruker ein helst ribbesandfang av fleire grunnar. Forutan at det gir mindre tap, er det også meir effektivt. Men uavhengig av kva slags sandfang som vi bruker, bør vi finne ut korleis avleiringa av sedimenta skjer, og lage rutinar for reinsking. Ved somme energianlegg der vatnet inneheld kvartshaldig sand, har ein etter kort driftstid observert omfattande sanderosjon på turbinar og ein markert reduksjon av verknadsgraden deira. Derfor er det svært viktig for levetida og verknadsgraden til det hydrauliske utstyret at sandfanget blir tømt med jamne mellomrom, og før det er fullt av sand. Falltapet over rørbrotsventilen kan vere stort, særleg der vatnet har stor fart. Det kjem først og fremst av singulære tap på grunn av spjeldet. I avsnitt 9.3 har vi eit reknedøme som viser kva dette fall­ tapet kan ha å seie økonomisk.

Vi kan finne falltapet i trykksjakta med Moodys formel:

Her er Å = falltapskoeffisienten (som står i tabellar og kurver eller er erfaringsverdiar) l = trykksjaktlengda [m] d = trykksjaktdiameteren [m] g = tyngdeakselerasjonen [9,81 m/s2]

Falltapet vil vere mindre fordi sjakta oftast er mykje kortare enn til­ løpstunnelen. Der reguleringsstabiliteten av turbinaggregata ikkje krev større sjaktdiameter, finn vi denne storleiken ved økonomiske utrekningar. Vi skal også vere merksame på eventuelle ruståtak og tilgroing av den stålkledde delen. Desse forholda har negativ inn­ verknad på sjaktstyrken og gir større falltap. Diameteren i trykk­ sjakta finn vi ut frå liknande kostnadsanalysar som vi bruker for trykksjakta. Tapet i kuleventilen kan vi rekne for å vere det same som for eit rør av same dimensjon og lengd, og det er derfor lite samanlikna med andre tap.

Verknadsgraden for turbinar ligg for dei fleste nye turbinar på 0,92-0,96 ved gunstig drift. Tapet i turbinen blir ikkje rekna med i falltapet. Verknadsgraden for turbinar kan du lese om i læreboka om turbinar. 35

Tapet i sugerør og avløp er avhengig av rørdimensjonen, lengda og farten til vatnet. Vi kan finne verdien for energitapet på same måten som for rør og tilløpstunnel. Spesielt bør vi vere på vakt overfor ras i avløpstunnelen. Det er fornuftig å ha måleutstyr i avløpssvingesjakta for å halde kontroll med eventuelle endringar i vasstandsnivået mellom svingesjakt og undervatn. Dette dømet viser kva ein generell falltapsauke kan ha å seie for eit energiverk: Vi tek for oss eit anlegg med tre mellomstore turbinar, kvar med ei middelvassføring Qv = 50 m3/s og brukstid tb = 6 000 h. Verknadsgraden for turbinen er 0,92 og for generatoren 0,98. Det har gått eit mindre ras i tilløpstunnelen som gir eit falltap på 10 cm. Vidare har varegrinda tetta seg under vårflaumen, og driftspersonellet har ikkje reinska grinda. Falltapet er 80 cm. Det er mange år sidan det har vore inspeksjon av trykksjakta, og det er store ruståtak der. Fall­ tapet er 10 cm. Auka tap i sugerør og avløpstunnel på grunn av manglande vedlikehald er også 10 cm. I alt blir falltaps auken da:

Hl = 0,1 m + 0,8 m + 0,1 m + 0,1 m + 1,1 m = 2,2 m Energitapet blir:

w =

W = 0,92 • 0,98 • 1000 kg/m3 • 150 m3/s • 6 000 h • 9,81 m/s2 • 2,2 m = 17,5 GWh

Reknar vi med ein energipris på 20 øre/kWh, blir årleg økonomisk tap: Ktap = 17,5 Gwh • 70,2 kr/kWh = 7 3,5 Mkr = 3 500 000 kr ’

Kvar centimeter i auka falltap blir da 3 500 000 kr/220 cm = 16 000 kr per år! Vi ser at også ein liten auke av falltapet kan ha store økonomiske konsekvensar. Det er svært viktig at vi er merksame på dei verdiane som ligg i eventuelle falltap, og at vi tek fast kontroll, inspeksjon og vedlikehald med tanke på dette.

36

Oppgåver om effekt, energi og vernadsgrad Ranaverka har fire turbinar med ein nominell effekt på 121 MW kvar. Ned­ børsfeltet er på 1227 km2. Gjennom­ snittleg effektiv fallhøgd gjennom året er 490 m. Turbinen har ein verknadsgrad på 0,94.

a) Eitt år er produksjonen 1900 Gwh dersom vi går ut frå at alle turbi­ nane berre har gått ved nominell effekt. Kva er gjennomsnittleg driftstid? b) Dersom vi går ut frå at magasinet har same fyllingsgrad ved byrjinga som ved slutten av året, kva er netto nedbørsmengd dette året?

c) Gjennomsnittleg vasstand er: Overvatn: 518 m Undervatn: 3 m Dersom vi set at generatoren har ein verknadsgrad på 1, kva er da den samla verknadsgraden til anlegget? d) Fordi varegrinda har tetta seg ved inntaket og det har vore mangl­ ande vedlikehald, har det gjennom­ snittlege falltapet vore 0,4 m eitt år. Kor stort er det økonomiske tapet dersom vi går ut frå ein energipris på 20 øre/kWh?

FAKTARUTE Verknadsgrad - Potens'e" ener9‘ “ energitap potensiell energi Verknadsgrad er definert som forholdet mellom utnytta energi og utnyttbar energi for eit system.

Verknadsgrad: Tj = l/l/n/W Samla verknadsgrad for eit energiverk er produktet av verknadsgraden for kvar eining. Samla verknadsgrad: T) = r^- Tjx- rj

4.4 Stabilitet og trykkstigning I hus med gamle rørsystem opplever ein av og til smell og dunk i røra. Stundom kan dunka komme att med få sekunds mellomrom i lengre tid. Når vi stengjer vasstraumen med ei kran, stig trykket i røra; røra utvidar seg, og vatnet blir trykt saman. Dersom stenginga skjer snøgt, blir trykkstigninga stor nok til at det blir trykkstøytar. Det er det som skjer når vi høyrer at det smell i røra. Trykkstøyten får i stand trykkbølgjer som byrjar ved den stengde krana, går vidare i rørsystemet og blir reflekterte. På den måten kan det bli svingingar, og dette høyrer vi som stadige dunk eller smell.

37

Det same kan skje i eit rør- og tunnelsystem i eit vassenergianlegg. I staden for krana har anlegget eit turbinpådrag og ein kuleventil. Ein trykkstøyt kan føre til store mekaniske belastningar på rør og meka­ niske delar, og det er derfor svært viktig at støyten ikkje blir for kraftig. Når det kjem eit lastavslag på ein turbin, er desse forholda avgjerande for trykkstøytar og svingingar:

- Rørkarakteristikken, som vi finn ut frå farten til vatnet og trykket i tunnelar og rør (sjå kapittelet om regulering i boka om turbinar) - Lukketida for leieapparatet (eventuelt kuleventilen) - Dempinga i systemet, på grunn av friksjon i rør og tunnelar, og svingesjakteffekten - Rørtidskonstanten, det vil seie den tida det tek å akselerere vatnet i rørleidningen frå stillstand til den farten vatnet har ved full belastning. Dersom systemet hadde vore utan demping, ville det ha vorte ståande svingingar, det vil seie like kraftige trykkstøytar med jamne mellomrom.

Avstanden frå den nærmaste vasspegelen til turbinen og lukkefarten for pådraget avgjer kor stor trykkstigninga blir etter eit lastavslag. Ei rask stenging eller ein lang vassveg gir større trykkstigning enn sakte stenging eller kort vassveg. For at vi skal få ei stabil turbinregulering og kunne redusere trykkstigninga til et akseptabelt nivå, er derfor alle mellomtrykks- og høgtrykksanlegg bygde ut med svingesjakt eller luftputekammer. Avstanden mellom den nærmaste vass­ pegelen og turbinen blir dermed redusert, og vi kan auke lukkefar­ ten utan at trykkstigninga blir større. Ei svingesjakt eller eit luftpu­ tekammer har også noko å seie for kor stabilt anlegget blir, men desse forholda er kompliserte, og vi skal ikkje sjå nærmare på dei her.

I eit stabilt anlegg får vi dempa dei svingingane raskt nok som kjem ved lastendringar. Figur 4.8 viser korleis svingingane blir ved eit stabilt, eit labilt og eit ustabilt anlegg.

38

TRYKK

TRYKK

Figur 4.8 Svingingskurver

Dei siste åra har luftputekammer til ein viss grad erstatta svingesj akter i høgtrykkstunnelar som stabiliserande og dempande element. Eit luftputekammer er ei hole i fjellet med samband til ei trykksjakt. Sjå figur 4.9. Ein kompressor pumpar luft inn i kammeret, og denne komprimerte lufta fungerer da som ei pute som tek imot trykket frå den stigande vasspegelen ved trykkstøytar. 39

Figur 4.9 Tilløpstunnel med luftputekammer

Eit lufteputekammer krev mykje mindre rom enn ei svingesjakt og blir derfor billigare. Det er heller ikkje synleg i naturen. Men det kan bli luftlekkasjar i fjellet, som kan øydeleggje den dempande og stabiliserande effekten til luftkammeret. Derfor bør vi undersøkje fjellet før vi vel svingesjakt eller luftputekammer. Topografien og plasseringa av trykksjakta i fjellet har også noko å seie for valet, fordi røret fram til ei eventuell svingesjakt kan bli så langt at sjakta mister den stabiliserande verknaden. Stabiliteten i vassvegen er for­ klart i læreboka om turbinar i kapittelet om turbinregulatoren.

FAKTARUTE Lengda frå den nærmaste vasspegelen til turbinen og lukkefarten til pådraget avgjer kor stor trykkstigninga blir etter eit lastavslag.

Eit stabilt vassenergianlegg er avhengig av at svingingar som kjem ved lastendringar, blir dempa raskt nok.

Kontrollspørsmål

40

1 Kva forhold påverkar trykkstøytar og svingingar?

3 Kva for ein funksjon har svinge­ sjakta?

2 Kva er rørtidskonstanten?

4 Kva karakteriserer eit ustabilt anlegg?

5

Dammer I motsetning til det som blir hevdet i mediene, har ikke vår verden energimangel, men mangel på muligheter for lagring av energi. Vi har tidligere nevnt vannkraftens overlegenhet i forhold til andre energiformer mår det gjelder reguleringsevne. Den langsiktige reguleringsevnen er knyttet til magasinstørrelsen eller lagringskapasiteten, og da inngår dammene som en viktig komponent.

Når du har lest dette kapittelet, skal du forstå hensikten med dam­ mene, kjenne til de viktigste damtypene og vite hvilke belastninger de er utsatt for. Du skal også vite hva som er viktig når det gjelder vedlikeholdet av dem.

5.1 Oppdemming av vassdrag Hvis vi bare hadde utnyttet elver til energiforsyningen vår, hadde vi kommet sørgelig til kort. De aller fleste elver har en kort flomperiode med stor vannføring som kommer i en periode av året når energi­ behovet er forholdsvis lite. I løpet av vinteren når energibehovet er størst og elvenes vannføring er minst, ville vi ha fått et stort behov for annen energi. Men dette problemet omgår vi, dels ved hjelp av de mange høytliggende innsjøene som istidene har skaffet oss, dels ved å bygge demninger. Fordelene ved at magasinene ligger høyt, er åpenbar. Hver liter vann lagret i 1000 meters høyde lagrer 100 ganger så mye potensiell energi som ved 10 meters høyde. Det er også behov for demninger for lavtrykks- og elveenergiverk, men i landet vårt har disse dammene hatt små dimensjoner. Dam­ mene i elvekraftverk brukes også som festegrunnlag for flomluker, inntaksluker, varegrinder, grindrenskere og til og med også som den øverste delen av fisketrapper. Ikke sjelden kan de i større kraftan­ legg også fungere som en del av kraftstasjonen. Felles for alle er at de er betongkonstruksjoner.

En viktig funksjon ved alle dammer er at de skal kunne benyttes til flomavledning. Dersom vannet ved en flom går over selve damkronen, kan dette føre til dambrudd på grunn av erosjon og trykkpulsasjoner. Derfor må alle dammer utstyres med flomløp der vannet ved en viss vannstand kan slippe forbi før det når damkronehøyden. Det en­ kleste flomløpet er et fritt overløp. Utenom flommene kan vannet demmes opp i høyde med overløpskanten, som dermed blir høyeste regulerte vannstand. Betingelsen er at dammen har tilstrekkelig 41

«fribordshøyde» over flomvannstanden. Det vil være en dyr løsning for større dammer. Ikke bare blir dammens kapasitet mindre, men den blir også dyrere å bygge på grunn av fribordshøyden.

Derfor benytter vi flomluker til nesten alle store dammer og dammer i større vassdrag (se kapittel 6). Flomlukene kan også benyttes til å regulere vannstanden i magasinet, noe som er en stor fordel dersom magasinet står i et vassdrag med flere andre magasiner og kraftan­ legg. Ved å samordne reguleringen av de forskjellige magasinene har vi unngått eller redusert skader under flom. Når en flom er ventet, har vi også mulighet til å tappe magasinene, men det kan vi ikke gjøre ved et fritt overløp. Alle dammer bør ha en vei slik at vi kan komme fram med materiell for vedlikehold og reparasjoner. Dersom dammen er for liten, må det være mulig å komme over på annen måte for å få utført det nødven­ dige tilsynet og arbeidet. Dammen må også ha det nødvendige fribordet slik at bølger ikke slår over. Bølger vil alltid erodere dammene. Størst risiko for skader er det for jorddammer.

De kreftene som virker på en dam, er vist på figur 5.1.

Figur 5.1 Belastninger på en dam

Ifølge damforskriftene skal dammene bygges på en slik måte at de kan tåle de belastningene og påkjenningene som har betydning for dammens sikkerhet, funksjon og holdbarhet.

42

Egenvekten er vekten av dammen. Den har betydning for friksjonen eller glidemotstanden mot grunnen som skal motstå horisontalkomponenten av trykket fra vann og is og hindre at dammen glir. Vanntrykket er den kraften som blir dannet av vannet mot dam­ men. Den er null ved overflaten og øker lineært med dybden. Istrykket skriver seg fra is- og værforhold. I noen situasjoner kan denne belastningen bli svært stor, spesielt hvis magasinet har et frittliggende isflak som blir drevet mot dammen av vind og strøm.

Opptrykket kommer fra vann som står under trykk i bunnfugen. Det er alltid litt lekkasje fra en dam, og hvis strømningsforholdene er ensartede langs hele lekkasje veien, avtar trykket fra full verdi ved vannsiden til null ved luftsiden.

5.2 De viktigste damkonstruksjonene Gravitasjonsdammen, se figur 5.2, motstår vanntrykket på grunn av sin vekt.

Figur 5.2 Gravitasjonsdam Dette er en enkel dam som blir bygd i massiv betong. Den blir dimensjonert med en tykkelse på fundamentet som er 0,8 ganger høyden. Det er en viss usikkerhet med hensyn på stabiliteten til dammen, fordi det er vanskelig å angi hvor stort opptrykket er. Store dammer blir forholdsvis dyre fordi betong er et dyrt materiale. Platedammen, se figur 5.3, blir tettet med en armert betongplate som støtter seg på skiveformede vertikale pilarer.

43

Figur 5.3 Platedam Den har mindre vekt enn gravitasjons dammen. Derfor må den ha en skrå forside slik at den får en vertikalkomponent av vanntrykket som veier opp for den lavere vekten. Siden det blir svært høy tempe­ raturforskjell med 0 °C på vannsiden av tetningsplata og flere kulde­ grader på luftsiden, må en isolasjonsvegg eller frostvegg bygges mel­ lom pilarene i dammens bakkant slik at vi unngår sprekkdannelse.

Hvelvdammen eller buedammen, se figur 5.4, egner seg bare for smale dammer der vanntrykket kan overføres via dammen til dal­ sidene. Buedammen er billig. Den krever lite byggemateriale siden vi utnytter terrenget, men er vanskelig å utføre på grunn av en komplisert form.

Figur 5.4 Hvelvdam

44

Av fyllingsdammer er det fire hovedtyper:

Jordfyllingsdammen, se figur 5.5, er den enkleste og består av en jordvoll som stenger vannet. I de fleste tilfeller er det nødvendig å tette ekstra, slik at det må bygges inn en tetningskjerne. Lekkasjer i en jordfyllingsdam kan være farlige om de får utvikle seg. Vi har gjort greie for tetningskjernen i de neste damtypene.

Figur 5.5 Jordfyllingsdam

Steinfyllingsdammen med morenekjerne, se figurene 5.6 og 5.7, er den av de store damtypene som det er flest av i Norge i dag. Fyllingsdammen er en gravitasjonsdam der hver enkelt stein eller hvert sandkorn blir holdt på plass av massen omkring. Morenen in­ neholder stein fra bergarter som finnes på stedet, og som er slitt løs og transportert med bre-isen. Massen må være finkornet i midten, og det blir stilt store krav til tettheten og komprimeringen av den.

Figur 5.6

(T)

Morene

@

Siktet grus

@

Grus

@

Siktet grus

(4)

Bruddstein

@

Tunnelstem

@

Bruddstein

@

Grov bruddstein

(?)

Grov bruddstein

Figur 5.7 Steinfyllingsdam med morenekjerne 45

I steinfyllingsdammer foregår det en langsom transport av vann gjennom kjernen, men fordi massen er så fin, blir strømningsmotstanden svært stor og lekkasjen liten.

Steinfyllingsdammen med asfaltkjerne, se figurene 5.8, 5.9 og 5.10, er i prinsippet lik den foregående, men her er kjernen er tynnere, og den er laget av asfalt.

Figur 5.9

46

Figur 5.10 Steinfyllingsdam med asfaltkjerne Steinfyllingsdam med frontaltetning, se figur 5.11, består bare av materialer som tåler de mekaniske belastningene som kommer på vannsiden av dammen. Det vil si bølger og is og i tillegg det materialet som befinner seg i damskråningen. Betong, forankret treplank og asfalt eller asfaltbetong vil i praksis stå imot disse påkjenningene.

Figur 5.11 Steinfyllingsdam med frontaltetning

Felles for alle damtypene er at de ikke krever daglig vedlikehold. Men fordi konsekvensene blir så store ved et eventuelt dambrudd, må vi likevel være på vakt mot lekkasjer. Dersom en lekkasje er opp­ daget, er det særdeles viktig å følge utviklingen nøye slik at vi kan stoppe en eventuell utvidelse i tide.

47

6

Luker Når du har lese dette kapittelet, skal du ha oversikt over dei ulike lukekonstruksjonane, kjenne den viktigaste delen av terminologien og forstå kva som er viktig for tryggleik og økonomi.

6.1 Om luker

cha?1350 x J500 % .

v øy

n» 1

Figur 6.1 Treluke

48

1" (9/T-5/K4-UU W4I

Dei første lukene i Noreg var små og vart gjerne laga i ein kombina­ sjon av stål og tre. Figur 6.1 viser ei slik luke frå 1905. Flaumluker og andre luker som er større, vart på denne tida produserte i Tysk­ land, men etter kvart vart norsk industri også i stand til å levere store luker. Etter krigen var det få eller ingen leveransar frå utlandet. Utviklinga seinare gav større einingar og tillet høgare vasstrykk på lukene. To epokegjerande hendingar har hatt mykje å seie for ut­ viklinga av lukekonstruksjonane etter krigen: Innføring av sveising Før sveising vart vanleg, vart dei fleste lukekonstruksjonane klinka eller skrudde saman. 1 1950-åra vart sveising stadig meir vanleg, noko som førte til nye metodar for å utvikle konstruksjonane. Både vekt og styrkeforhold for lukene og arbeidsmengda under produksjonen vart reduserte.

Vassdrags- og hamnelaboratoriets (VHLs) rapport frå 1972 Fram til om lag 1972 auka ein lukedimensjonane og lukekapasiteten mykje og til dels ukritisk. Glideluker erstatta etter kvart ventilar som stengjeinnretning, og ein kunne bruke dei ved stadig høgare vasstrykk. Men det skjedde utan at ein tok godt nok omsyn til for­ hold som til dømes vibrasjonar og kavitasjon. Som ein konsekvens av dette skjedde det eit havari med ei tappeluke tidleg i 1970-åra, og det viste at det var nødvendig å få utgreidd desse forholda nærmare. Det førte til at Vassdrags- og hamnelaboratoriet laga ein rapport i 1972, og denne rapporten har vorte retningsgivande for seinare ut­ vikling og konstruksjon. Figur 6.2 viser formgivinga av ei tappeluke før og etter VHLs rapport. Legg merke til forma på innløpet og ut­ løpet. Det er særleg utløpsforholda som er endra.

Figur 6.2 Gammal og ny utforming av platekledningen på tappeluker 49

For opptrekk og lukestyringar har særleg utviklinga av hydraulikk hatt mykje å seie. Tannstongspel, skruespel og kjedespel som tidlegare var om lag 90 % av opptrekksinnretningane, har etter kvart vorte erstatta med hydraulisk opptrekk, som for nye leveransar no utgjer rundt 95 %. Ein har gått heilt bort frå tannstongspel, mens skrue- og kjedespel blir nytta av og til. Sjå elles avsnitt 6.15.

6.2 Ventilar og luker Stengjeinnretningar kan delast inn i to kategorier, ventilar og luker. Nokon klar prinsipiell skilnad mellom dei er det vanskeleg å sjå si­ dan dei har same hovudfunksjon, nemleg å stengje av og opne for ein vasstraum. Vi kan til dømes hevde at ein sluseventil er ei vidareutvi­ kla glideluke. Men det er likevel visse forhold som gjer at både funk­ sjon, konstruksjon og bruksområde er ulike for dei to kategoriane:

- Ventilen er ei integrert eining med tettingsflater, pådrag og føringar. Ei luke har prinsipielt (minst) tre einingar: lukeføring/tettingsflate, opptrekk og lukelem. - Ventilar er samansette og blir produserte med meir presise mål (snevrare toleransar). Luker blir derfor rimelegare der begge typar er akseptable ut frå krava til funksjon og tryggleik. Vi har tidlegare nemnt at luker har erstatta ventilar fordi lukene no er utvikla for å dekkje fleire funksjonar. - Der vatn med fri overflate skal stengjast av, bruker ein nesten berre luker. - På grunn av konstruksjonen har luker ei øvre grense for vasstrykk, som i dag er på 2,5 MPa (250 m vassøyle), men kan truleg setjast litt høgare. Ventilar kan leverast for mykje høgare trykk. - Ventilar har i dag ei øvre grense på 5 m i diameter. Ei tilsvarande avgrensing nedover finst ikkje i praksis. Vi kan seie at lukekonstruksjonar i dag liknar meir og meir på venti­ lar. Den største skilnaden er at lukekonstruksjonen tillet større kla­ ring mellom dei rørlege delane som er under vatn. Derfor høve luker betre når vatnet inneheld sand, silt eller andre ureiningar.

Lukeutstyr, som også blir kalla inntaksmaskineri, stengjeinnretning eller stengjeorgan, kan nyttast til desse oppgåvene: - Stenging av vatn og magasinoppdemming. Eit døme på det er ei segmentluke i ein dam. Eit glide- eller rullelukearrangement for oppdemming av høgtrykksmagasin er eit anna døme. Det siste inkluderer inntaksluker. - Flaumavleiing. Ei luke som har som oppgåve å leie bort overskytande vatn for å hindre skadeflaum i eit lågtrykksanlegg, er med i denne kategorien. For lågtrykksanlegg blir ofte flaum­ avleiing kombinert med stenging av vatn og magasinoppdemming.

50

- Tømmerfløyting. Formålet er å leie tømmeret forbi dammen. Sektor- og klappeluker blir vanlegvis nytta. Tømmerfløytinga her i landet har vorte historie, så desse lukene finst berre i eldre anlegg. - Revisjonsstenging. Formålet med revisjonsstenging er å tørrleggje ei luke, ein turbin osv. ved revisjonar. Ei ekstra luke (revisjonsluke) som er plassert oppstraums for hovudluka, eit bjelke- eller nålestengsel oppstraums for luka eller stenging av ei varegrind med planker føre ei inntaksluke, er døme på dette. - Tappeinnretning. I høgtrykks vasskraftanlegg kan det vere aktuelt å tappe vatn frå eit magasin til eit anna. Ofte blir ei luke plassert i ein tunnel som knyter dei to magasina saman. Luker til dette for­ målet blir kalla tappeluker. - Vassavleiing. Mens eit elveenergiverk blir bygt, er det nødvendig å få leidd vatnet utanom dammen for å halde området tørt mens ein arbeider. I den perioden trengst det luker. - Omløpsinnretning. Dersom inntaksluka i eit vasskraftanlegg er ei glideluke, er det nødvendig å ha likt trykk på begge sider før ho kan opnast. Grunnen til det er friksjonskreftene som ville ha vorte for store til at luka kunne opnast med normalt opptrekk. For å ut­ likne trykket er det installert eit omløpsarrangement med ventil eller luke som stengjeinnretning. Også for revisjonsstenging og sugerør sluker nyttar ein omløp. - Fisketrappregulering. Ved dei aller fleste elveenergiverka er det installert fisketrapper for at fisken skal kunne komme opp i elva for å gyte. For å regulere vassføringa eller stengje fisketrappa bruker ein ofte ei enkel glideluke.

Om stengjeinnretninga skal kallast ein ventil eller ei luke, har å gjere med både typen og funksjonen, men utan at det er nokon presis regel for når vi skal bruke den eine eller den andre nemninga. På eit kraftanlegg er det såleis ofte funksjonsnemninga som blir brukt, mens typenemninga dominerer hos produsentar og konsulentar. Vi har no gjennomgått dei viktigaste funksjonane som ventilar og luker har i kraftanlegg, og vi skal frå avsnitt 6.3 og utover konsentrere oss om typenemningane.

Kontrollspørsmål 1 Kva er skilnaden mellom ventilar og luker?

4 Forklar omgrepet omløpsinnretning.

5 Kva er fisketrappregulering? 2 Til kva funksjonar nyttar vi luker? 3 Kva er formålet med revisjons­ stenging?

51

6.3 Kriterium for val av konstruksjon Vi skal no sjå på dei kriteria ein legg til grunn for lukevalet. Til slutt i kapittelet følgjer det ei oversikt over dei relative totalkostnadene ved bruk av ulike luketypar. Dersom to eller fleire luker oppfyller krava til funksjon og tryggleik, vel ein det billigaste alternativet ut frå ei total­ vurdering. Vi klassifiserer luker i to hovudgrupper; høgtrykksluker og lågtrykksluker.

Høgtrykksluker blir nytta ved vasstrykk i området 500 kPa til 2,5 MPa (50 til 250 m vassøyle). Det som er viktig ved val av luketype, er korleis reguleringa går for seg. For regulering i mellomstillingar bør vi velje ei glideluke. Dersom luka berre skal stå i open eller lukka stilling (til dømes omløpsluker og inntaksluker), avgjer storleik, vasstrykk og kostnader luketypen. Alternativa er glideluke, rulleluke og i spesielle tilfelle segmentluke.

Lågtrykksluker blir nytta ved vasstrykk under om lag 500 kPa (50 m vassøyle) og blir delte inn i to grupper: lukeutstyr i vassvegen og damluker. Lukeutstyr i vassvegen er varegrind, grindreinskar, inntaksluke og sugerørsluke. Sjå figur 6.3.

Figur 6.3 Luker i vassvegen

Til varegrinder finst det naturleg nok ikkje noko alternativ. Grindreinsking kan anten skje manuelt, ved heising av grinda eller ved hjelp av ein grindreinskar. Inntaksluka er oftast ei rulleluke med hurtiglukkande hydraulisk opptrekk. Slike luker, som også blir kalla falluker, har ei lukketid på frå eit halvt til 5 minutt og blir nytta som ekstra sikring ved nødstopp av aggregatet. Ved mindre anlegg bruker 52

ein ofte ei glideluke som inntaksluke med mykje lengre lukketid. Segmentluker kan i visse tilfelle vere eit alternativ.

Sugerørsluker er oftast glideluker av ulik type alt etter storleik og vasstrykk. Damluker har til hovudoppgåve å vere til hjelp ved flaumavleiing, flaumregulering og tømmerfløyting. For dei to første formåla vel vi klappluke, sektorluke eller segmentluke. Desse er likeverdige for flaumregulering, men segmentluka er billigast. Til tømmerfløyting vart det berre nytta klapp- og sektorluker fordi dei kan sleppe vatnet over. Tidlegare vart det nytta spesielle fløytingsluker. Sektorluka er den dyraste og blir brukt meir sjeldan. Men ho er den beste luka for fløyting. Klappluker blir ofte nytta dersom anlegget har ei konsesjonsbunden minstevassføring. I slørstilling renn vatnet flatt over avløpskanten på luka. På denne måten blir det visuelle inntrykket eit breitt vassfall jamvel om det er låg vassføring. Eldre anlegg manglar ofte damluker, men har i staden ei enklare stengjeinnretning, gjerne eit bjelke- eller nålestengsel. Reguleringa av desse innretningane er omstendeleg og oppfyller ikkje krava vi set i dag. Ved renovering av anlegget kan dei erstattast av segmenteller klappluker.

Tilleggsoppdemming for å auke fallhøgda er ofte aktuelt for gamle og nye anlegg ved - installering av ekstra aggregat - installering av minikraftverk - ønske om å auke effekten på eksisterande aggregat

Figur 6.4 viser eit døme på det. Her gir klappluker med ei samla lengd på 325 m ei tilleggsoppdemming på 75 cm. Sjå også figur 6.23, avsnitt 6.7 for nærmare detaljar.

Figur 6.4 Klappluker for tilleggsoppdemming 53

Priser på luker og totale kostnader Når vi skal vurdere prisen på luker, må vi også ta omsyn til dei kost­ nadene til sjølve produksjonen av dei. Som ein rettleiande grunn­ regel for totalkostnader har vi denne prisskalaen, frå den billigaste til den dyraste: -

Glideluke Rulleluke Segmentluke Klappluke Sektorluke Vaggluke Sektorluke Valseluke

Dei tre siste luketypane har vi ikkje nemnt tidlegare. Dei er ikkje så aktuelle i dag, men finst på fleire gamle anlegg. Ei valseluke er vist på figur 6.41 i avsnitt 6.12.

6.4 Glideluker Figurane 6.5 og 6.6 viser to ulike bruksområde for glideluker, den eine med ei opptrekksinnretning nede i sjakta og den andre med opptrekket i toppen av sjakta.

Figur 6.5 Glideluke med opptrekk nede i sjakta 54

Treluke

Figur 6.6 Glideluke med opptrekk øvst i sjakta Som nemnt i innleiinga vart dei første lukene laga av tre. Luka blir lyft og senka med ei gliderørsle i ei føring. Denne rørsla har gitt glideluka namn.

Figur 6.7 viser utviklinga frå treluke over luke laga i støypejern til dei siste års sveiste konstruksjonar.

55

Figur 6.7 Luker i ulik utforming

Ønsket om å redusere nisjebreidda og samtidig få ein rimeleg kon­ struksjon har i det siste ført til at glidelukene blir laga av stålplater. Sveisearbeidet blir mykje mindre slik at materialmengda kan aukast innanfor rammene for eit rimeleg produkt. Men dette blir avgrensa av dei maksimale platedimensjonane i stålverka. Figur 6.8 viser eit døme på ei glideluke som er laga med heil stålplate.

Figur 6.8 Glideluke med heil stålplate 56

Denne luka er brukt som tappeluke ved eit vasstrykk på 850 kPa (85 m vassøyle). Pakningane ligg på nedstraums side og er dobbelte i toppen og på sida for å tette mot vatn frå begge sider. Botnen har ei rustfri ståltetting. Det har to hovudårsaker. For det første må vass­ trålen ved tapping ha eit visst avløysingspunkt for å hindre vibrasjo­ nar. For det andre ville ei gummipakning på denne staden bli utsett for stor slitasje. Vilkåret er at ein skal kunne tappe ved alle lukestillingar. Lukebotnen må ha ei form som ikkje forstyrrar vasstraumen. Luftebehov for tappeluker Den store farten til vatnet som kjem ved tapping gjennom luker, gjer at vatnet riv med seg luft slik at det kan bli eit stort undertrykk ned­ anfor lukene. For å hindre at undertrykket blir for stort, må det blir tilført nok luft. Dersom ikkje det blir gjort, kan farten til vatnet sa­ man med eit stort undertrykk føre til kavitasjon, og det kan bli kavitasjonsskadar. Det er svært komplisert å finne fram til behovet for tilført luft, og vi skal ikkje komme inn på det her.

På figur 6.9 ser vi ei glideluke som er brukt som høgtrykks tappe­ luke. Det høge trykket krev ein spesiell tettingskonstruksjon.

Figur 6.9 Snitt gjennom luke og føring

Ein kanal fører vatn mot pakninga for å sikre eit stort nok trykk mot tettingsflata. Det er også høve til å tilføre smørjemiddel til glide­ flatene på luka. 57

Skalluka er ein annan type glideluke, sjå figur 6.10. Som namnet seier, liknar konstruksjonen eit skal.

Figur 6.10 Skalluke Skalluker blir særleg nytta i avløpet til turbinen. Denne luketypen gir lette konstruksjonar i høve til det arealet han skal stengje av, og har også ei gunstig form for å kunne tole vasstrykket. Skalluka blir manøvrert ved utjamna vasstrykk på oppstraums og nedstraums side på luka. Utjamninga av vasstrykket skjer anten med ein omløpsventil eller ein ventil som er bygd inn i luka. På figur 6.11 ser vi eit døme på ein slik innebygd ventil.

58

Figur 6.11 Ventil som er innebygd i ei luke Ventilen opnar seg ved at lukespelet lyfter ein ventiltallerken om lag 10 cm. Når vasstrykket er utjamna, kan luka opnast.

Bruksområde Glideluker vart opphavleg nytta ved moderate vasstrykk og dimen­ sjonar. Ved einsidig vasstrykk krev luka stor opptrekkskraft på grunn av høg friksjon (det vil seie dyre opptrekksspel). Fordi luka i dette tilfellet også må trykkjast ned når ho skal stengje, må ho ha ei opptrekksstong som ikkje kan knekke. Dette må vi også ta omsyn til når vi vurderer ei totalløysing. I dag har vi hydraulisk opptrekk. Det gir ikkje den same avgrensinga som før med omsyn til opptrekkskraft. Derfor kan glideluka no nyttast ved større trykk enn før.

Pakningsprofil skal vi ta for oss i avsnitt 6.13.

FAKTARUTE Glideluka er den billigaste luketypen og blir tilrådd dersom ikkje behovet skulle tilseie at andre luketypar bør nyttast.

Tunnelstenging, tapping og revisjonsstenging er noko av det glideluka høver til. Dersom glideluka skal brukast ved trykk av ein viss storleik, må ho trykkutjamnast før ho blir opna, slik at det ikkje blir for stor friksjon.

På grunn av friksjonskreftene ved opning og lukking må hydraulikkstenger (stempelstenger) dimensjonerast slik at dei ikkje knekk.

59

6.5 Rulleluker Ei typisk rulleluke er vist på figur 6.12.

Hydraulisk opptrekk Føring Hydraulisk aggregat

Toppstokk og topptetting Stempelstong

Hjul

Rulleluke med fire boggiar

Frontplate

Hevarm Botnstokk og botntetting

Figur 6.12 Rulleluke med hovudkomponentar

Den første rulleluka vart laga her i landet omkring 1910. Der det er behov for å dekkje eit stort areal og samtidig tilfredsstille krav om å kunne stengje raskt, bruker vi ei rulleluke. Med ei glideluke blir opptrekkskreftene på grunn av friksjonen store, og i tillegg må ho trykkjast ned for å bli stengd. Friksjonen er redusert når ein konstruerer ei luke med rullar. Moderne rulleluker har oftast enkeltverkande hydrauliske opptrekk. Hjula i føringane gjer luka sjølvlukkande. Ved til dømes lastavslag for turbinen kan luka stengje for vatnet på frå eit halvt til 5 minutt. Tida kan justerast avhengig av behovet og lukestorleiken. Lukerullane er vanlegvis monterte ytst på lukesidene. Sjå figur 6.13.

60

Figur 6.13 Snitt gjennom rulleluke med føring

Som vi ser av skissa, blir luka styrt sidevegs ved hjelp av styrerullar. For å sikre at alle hovudhjula ligg mot rullebanen, er akselen lagra eksentrisk. Det gjer at det er enkelt å justere hjula rett ved monte­ ring av anlegget. Dei smørjefrie lagerforingane ligg pressa inn i hjula. Figur 6.14 viser ei rulleluke i verkstaden.

Figur 6.14 Rulleluke i verkstaden 61

Luka går i vertikale eller litt skråstilte føringar. Føringane skal vere omtrent dobbelt så høge som luka. Dersom dimensjonane er store, blir luka laga i fleire seksjonar, som vi kallar boggiar.

Bruksområde Rulleluka blir brukt som flaumluke i dammar. (Dette er vanlegare i utlandet.) Luke typen blir også nytta ved høgt trykk, ved inntak til kraftstasjonar, ved tunnelinntak og oppstraums inntakskonusar i turbinrør. Ulempa ved å bruke rulleluke er store nisjar (breie føringar) som fører til avvik i vasstraumen.

Kontrollspørsmål 1 Kva fordelar har rulleluka framfor glideluka?

3 Kva oppgåve har rullane på luka?

2 Kva bruker vi glidelukene til?

6.6 Segmentluker Figur 6.15 viser hovudkomponentane i ei segmentluke.

Figur 6.15 Segmentluke med kjedespel Dei første segmentlukene vart leverte i 1937. Figur 6.16 viser ei slik luke som er klinka av plater og profilstål.

62

Figur 6.16 Segmentluke frå 1937

Luka blir manøvrert av eit tannstongspel som er fest til midten av luka. For breiare luker er det nytta to tannstenger der spela på kvar side er samankopla mekanisk. Denne luka har rette bein, og beina er parallelle med pilarane. Frå om lag 1960 vart lukene sveiste og laga i breidder opptil 20 m. Dei hadde vanlegvis eit kjedespel som opp­ trekk i kvar ende. Figurane 6.17 og 6.18 viser sveiste luker av denne typen. Lukehuset er innfelt i pilarane og ikkje plassert over damkrona, noko som elles er vanleg.

Sidetetting

Botntetting

Figur 6.17 Segmentluke med teitingar

63

Figur 6.18 Segmentluker i dam Lukene vart konstruerte med skrå bein, for det gir ei gunstig for­ deling av belastninga og små dimensjoner. Kjedespela vart tidlegare samankopla mekanisk. Seinare vart dei leverte med «elektrisk aksel». Det vil seie at synkroniseringa skjer elektrisk. Sjå elles avsnitt 6.15.

I dag lagar ein segmentluker med torsjonsstiv lukekropp, slik det er vist på figurane 6.19 og 6.20.

Figur 6.19 Torsjonsstiv segmentluke 64

Figur 6.20 Segmentluke, opptrekksende med sylinder For desse lukene bruker ein mest einsidig opptrekk med ein hydrau­ lisk sylinder. Luke og føringar har vanlegvis oppvarming med termo­ statstyrte varmekablar. Vanleg effekt er om lag 200 W/m2 for lukeskjold og 600 W/m2 for føringane. Lukeskjoldet blir ofte isolert på luftsida. Både varmeelementa og isolasjonen er installerte for å hindre at det lagar seg is.

Bruksområde Segmentluka blir brukt i dammar ved flaumregulering og flaumavleiing. Luka kan styrast automatisk av vasstanden eller frå kontrollrommet. Segmentluka blir også nytta som tappeluke ved middels vasstrykk og som inntaksluke. Figur 6.27 viser ei segmentluke som er brukt som botnluke i ein dam. På figur 6.24 ser vi at luka er brukt som tilleggsoppdemming saman med ei sektorluke. Fordelar og ulemper Segmentluka dekkjer bruksområdet til flaumluka til lågast mogleg pris bortsett frå for mindre dammar, der vi til dømes kan ha ei glide­ luke.

Som tappeluka har segmentluka den fordelen at ho ikkje har nisjar som glideluka og rulleluka. Derfor gir ho ein betre vasstraum. Ulempa er at framande gjenstandar kan bli klemde under luka og skade botnpakninga.

65

Kontrollspørsmål 1 Kvifor har eldre segmentluker ofte tosidig opptrekk? 2 Til kva formål bruker vi segment­ luker? 3 Kva funksjon har varmeelementa?

4 Ei segmentluke er 20 m lang og 2 m høg. Lukeføringane er ein halv me­ ter breie. Kor stor effekt trengst det til å varme opp luka? Dersom beho­ vet for oppvarming varer 4 månader per år, kva er da det årlege energi­ behovet?

6.7 Klappluker Klappluka erstatta i 1950-åra valseluka, sektordammen og sektorluka (sjå avsnitt 6.8). Luketypen som er vist på figurane 6.21 og 6.22, har opptrekk berre på den eine sida. Sjølve lukekroppen må derfor gjerast torsjonsstiv (vridingsstiv). Derfor blir luka også kalla torsjonsluke. Toppdam

Botntetting

Figur 6.21 Klappluke med teitingar Vatnet blir sleppt over luka i motsetning til til dømes segmentluka. Klappen har derfor tettingar langs sidene og på botnen, slik figur 6.21 viser. Tettingane er av gummi (neopren). Flaumluka er utsett for store temperaturvariasjonar som fører til endringar i dimensjo­ nane. Derfor er det viktig å ha rett forspenning på sidepakningane. Langs botnen er luka opplagra for kvar andre eller tredje meter. Lagra har smørjefrie foringar i moderne konstruksjonar. På eldre anlegg finn vi framleis smørjerør som går opp til toppen av dammen. For å hindre at luka får vibrasjonar, blir det plassert strålebrytarar 66

på toppen for kvar andre eller tredje lukebreidd. Sideforingar og lukeskjold blir oftast varma opp med termostatstyrte varmekablar med same elektriske effekt som det segmentluka har for å hindre islaging og fastfrysing. Lukeskjolda blir isolerte mot luftsida. Luka har som nemnt opptrekk i den eine sida. I dei eldre opptrekksinnretningane finn vi tannstongsspel og skruespel. Som opptrekk i dag har vi berre hydraulisk opptrekk. Dei skal vi sjå på i avsnitt 6.16. Det er laga klappar som er inntil 25 m breie og har oppdemmingshøgder på opptil 6,0 m.

Figur 6.22 Klappluker

Bruksområde - Klappar blir nytta i dammar for flaumavleiing og flaumregulering. Hydraulikken er ofte slik laga at han kan styre luka automatisk etter ein vasstand som er innstilt på førehand. Klappane kan også vere ijernstyrte frå kontrollrommet i kraftstasjonen. - På eldre anlegg har klappluka gjeme vore i bruk som tømmerluke, men etter at tømmerfløytinga tok slutt, blir ho brukt som flaumluke.

Tilleggsoppdemming er vist på figur 6.23. Figuren viser eit snitt gjennom ei klappluke i ein serie av klappluker med ei samla lengd på 325 m. Serien er på i alt 53 einskildluker. Oppdemmingshøgda som er 75 cm, gir eit tilleggsmagasin for eit minikraftverk og er også vist på biletet på figur 6.4

Figur 6.23 Klappluker for tilleggsoppdemming 67

Fordelar og ulemper Denne luketypen slepper vatnet over luka. Det gjer at luka høver godt som reguleringsluke. Opptrekket i den eine enden gir sikker manøvrering. Men luka kan byrje å vibrere dersom strålebrytinga ik­ kje er tilfredsstillande. Det kjem av at det fine sløret med vatn krev tilførsel av luft for ikkje å gi ustabil strøyming. Tømmerstokkar og andre gjenstandar kan lage vanskar dersom dei kiler seg fast i opptrekkssida på luka.

6.8 Sektorluker Figur 6.24 viser ei sektorluke med kjedeopptrekk.

Figur 6.24 Sektorluke

Dei første sektorlukene vart leverte til Noreg frå Tyskland i 1920åra. Dei blir kalla sektordammar og vart manøvrerte med eiga opp­ drift. Dei første norskproduserte lukene av denne typen vart leverte til Embretsfoss i Drammensvassdraget i 1947. Men opptrekksmekanismen og luka krev eit komplisert og kostbart vedlikehald og er i nye anlegg erstatta av sektorluker med mekanisk spel. Figur 6.25 viser ei slik sektorluke.

68

Figur 6.25 Sektorluke av gammal type

Figur 6.26 viser den største sektorluka som er levert i Noreg med mekaniske spel. Lengda er 25 m. Ho har ei opptrekkskraft på 2,4 MN (svarer til 250 tonn) og blir manøvrert av to skruespel som er elektrisk synkroniserte, kvar med ei trekkraft på 1,2 MN (125 tonn).

Figur 6.26 Sektorluke med skruespel 69

Eit lukearrangement der ein har kombinert bruk av sektorluke, seg­ mentluke og glideluke er vist på figur 6.27. Sektorluka har ei opptrekkskraft som svarer til 100 tonn i to 50 tonns kjedespel. Desse spela har planetgir, og det er berre kjedehjulet som er ope. Segmentluka blir brukt som botnluke og glideluka som revisjonsluke for botnluka.

Figur 6.27 Sektorluke og segmentluke i dam

Bruksområde Sektorluka er den beste luka for tømmerfløyting. Når det gjeld regulering, er ho like god eller betre enn segmentluka og klappluka. Sektorluka gir betre strøymingsforhold enn alle andre luker.

6.9 Portar Portar blir nytta som ei stengjeinnretning mellom inngangstunnel (eller tverrslagstunnel) og tilløpstunnel. Dei blir monterte fordi ein sidan skal ha høve til å komme inn i tilløpstunnelen for å inspisere og reinske tunnelen og for å tømme sandfang. Porten blir laga så stor at det er mogleg å ta inn utstyr for opprydding etter ras i tunnelen. Figur 6.28 viser ein typisk port.

70

Endebotn port

DETALJ Skruesamband; Flens

Figur 6.28 Sirkulær port

Portkonstruksjonane kan delast inn i to hovudgrupper: runde og fir­ kanta. For runde portar bruker ein ofte ein endebotn som stengjeinnretning, slik det er vist på figurane 6.28 og 6.29. På den siste figuren er porten vist frå begge sider, mens han står på ei tralle i eit målarkabinett.

Figur 6.29 Port med diameter 3500 mm laga for 600 m vassøyle

Firkanta portar er sveiste konstruksjonar. Porttypen er vist på figur 6.30. Figuren viser også døme på at stengjeinnretninga er montert inn i tunnelforinga.

71

DETALJ

Figur 6.30 Port for firkantopning i ein skalkonstruksjon Små portar kan byggjast av ei heil plate. Konstruksjonen er vist på figur 6.31. Rør med ribber

Figur 6.31 Port av heil plate 72

Kontrollspørsmål 1 Kva er hovudskilnaden mellom klappluker og segmentluker?

2 Kva oppgåve har strålebrytarane på klappluka?

4 På kva område bruker vi portar? 5 Gjer greie for ein situasjon der det er ønskjeleg å kunne regulere ei luke. Kva for ein luketype ville du ha brukt? Grunngi svaret ditt.

3 Gjer greie for ein situasjon der det kan vere ønskjeleg ned tilleggsopp­ demming. Kva luketyparer aktuelle?

6.10 Varegrinder Varegrinder blir nytta for å halde tilbake gjenstandar som blir førte med vasstraumen, og som kan skade turbin, pumper eller ventilar. Ei typisk varegrind er vist på figur 6.32.

73

Ei grind blir bygd opp av panel i breidder frå 0,8 m til 1,2 m. Panela er flattstål med breisida i straumretninga. Varegrindene kan delast inn i to kategoriar: grovvaregrind og finvaregrind.

Growaregrind Growaregrindene har ein avstand mellom stavane på frå 7 til 12 cm. I elvekraftverk bruker ein berre denne typen. Grinda er plassert i inntaket på tunnelar for å hindre større gjenstandar, til dømes tøm­ merstokkar eller isflak, i å følgje vasstraumen.

Figur 6.33 Grind under montering

Finvaregrind Finvaregrindene har ein stavavstand frå 3 til 10 cm. Grindene blir plasserte føre innløpskonusen til turbinrør for å verne mot stein frå tilløpstunnelen. Sjå også figur 4.1. Falltap over tilstoppa grinder gir store energitap. Figur 6.34 viser eit grindpanel som er demontert frå ei grind. Det er lenge sidan grinda vart reinska. Vasstrykket var om lag 150 kPa (15 m vassøyle) og grindhøgda om lag 9 m. Vi går ut frå at farten til vatnet ligg på det tilrådde nivået med om lag 1 m/s, og det gir ei vassføring gjennom ei ren grind på om lag 50 m3/s. Dersom vi har dei same føresetnadene som i oppgåva i avsnitt 4.3 og reknar med eit gjennomsnittleg falltap i brukstida på 3 m, får vi eit årleg energitap på 1 500 000 kr for grinda som er vist på figur 6.34. 74

Figur 6.34 Eit tilstoppa grindpanel Vi rår til at det blir installert måleutstyr for rutinekontroll av fall­ tap. Det finst mange instrument for vasstandsmålingar i elvar og magasin. For måling av falltap over grinder har ein prøvt ut ulike system:

1 Direkte måling av vasstrykket føre og bak grinda ved avlesing av manometer. 2 Undersøking ved hjelp av ekkolodd. Sondar er plasserte over vasspegelen. 3 Limnigrafar som er baserte på flottør og mekanisk overføring. 4 Elektroniske limnigrafar med signalkabellengder inntil 10 m. 5 Trykksondar som er plasserte i rør, og som gjennom kabel over­ fører signal til ein måleverdiomformar med rekneeining. Islaging Dersom vatnet strøymer med stor fart mot kraftanleggsinntaket, kan det hindre at det legg seg is på dammen. Men når det er kaldt, kan det føre til underkjøling og til at det blir laga sarr som heilt eller delvis blokkerer varegrinda. Det er svært viktig at toppen av grinda blir plassert eit stykke under vassflata. Det gjer at det blir rolege forhold i overflata, og at det legg seg is på inntaksmagasinet.

I Noreg har det også vore levert grinder med elektrisk oppvarming. Dette hindrar at vatnet frys på grindstavane. Normalt er det ei spenning på under 40 V og ein effekt på frå 0,5 til 1,0 kW per kvadratmeter.

75

6.11 Grindreinskar Figur 6.35 viser den eldste forma for grindreinsking.

Figur 6.35 Manuell grindreinsking før i tida

Behovet for grindreinsking auka etter kvart som ein fekk kunnskap om kva falltapet har å seie og dermed om det økonomiske tapet for anlegget. Dette har vi sett på i kapittel 2. Figur 6.36 viser ein grindreinskar som vart levert i 1960-åra.

Figur 6.36 Grindreinskar frå 1960-åra Konstruksjonen som er vist på figur 6.37, er opphengd i to vaierar for å gjere reinskaren meir stabil.

76

Figur 6.37 Standard grindreinskar

Ein standard grindreinskar har ei lyfteevne på 30 kN (svarer til 3 tonn) brutto og ei reinsebreidd på 4 m. Reinskaren opnar automa­ tisk når han går ned, og lukkar seg tilsvarande ved oppkøyring. Grinda blir reinska i breiddefelt på frå 3 til 4 m. Når tilstoppinga er stor, bør vi reinske i etappar også ved nedkøyring. Reinskaren blir køyrd sidelengs av ein elektrisk framdriftsmotor.

Dei første reinskarane vart leverte med skjener i same plan og utan betongbrystning. Under arbeidet var det ikkje noko vern mot å falle i vatnet. Eit slikt fall er dramatisk fordi det er vanskeleg å redde ein person som blir sogen inn mot grinda. Behovet for sikring vart heilt tydeleg etter eit par uhell, og dei nye konstruksjonane har brystning, sjå figurene 6.37-6.39.

77

Figur 6.38 Hydraulisk grindreinskar som kan svingast

Figur 6.39 Hydraulisk grindreinskar som kan svingast

Det spesielle med denne konstruksjonen er at styringa er steglaus ved hjelp av hydraulikk. Reinskaren kan svingast slik at ein kan tippe avfallet på nedstraums side. Alle funksjonar blir styrte frå 78

førarhuset. Reinskaren er einmannsstyrt. Dei andre typane krev minst to mann for å kunne styrast. Figur 6.40 viser ei forenkla ut­ gåve som er mykje billigare, og som dekkjer dei viktigaste funk­ sjonane for den store reinskaren.

Figur 6.40 Motordriven grindreinskar

FAKTARUTE Grindreinsking er ei svært viktig oppgåve i alle kraftanlegg. Derfor er det viktig å finne ut dette:

1 Kor stort er falltapet? 2 Kor mykje representerer dette i tapt inntekt per år? 3 Kva slags gjenstandar blir førte med vasstraumen? Ut frå desse kriteria vel vi korleis grindreinskinga skal gå for seg.

Tilstoppinga av grinda kan altså føre til store økonomiske tap. Vanlegvis er dette problemet enkelt og billig å løyse. Med omsyn til energisparing er grindreinsking første bod. I eldre anlegg er ein ofte ikkje klar over kor stort falltapet er.

79

6.12 Anna lukeutstyr

Figur 6.41 Valseluke

Av lukeutstyr som er i lite bruk, og som vi derfor ikkje har sett nær­ mare på, kan vi nemne desse: - Valseluke, sjå figur 6.41. - Bjelkestengsel er horisontalt plasserte bjelkar som blir førte ned i føringar som står plasserte i vassvegen. Bjelkane er ofte laga ved at ein har kombinert stål og tre, og dei blir nytta som revisjonsstengsel føre ei anna luke. Dei kan også vere av betong. På gamle anlegg vart bjelkestengselet nytta som ei vanleg luke. Minimumsutstyret for å kunne manøvrere bjelkane er ei automatisk lyftesaks. - Nålestengsel har same funksjon som bjelkestengsel, men er vertikalt plasserte bjelkar av stålprofil, firkantrør eller trebjelkar. Nålene ligg mot ein kant i botnterskelen og på ein bjelke som er horisontalt plassert på toppen. 80

- Fermettedam kallar vi det når nålene har feste på ein fagverkskonstruksjon som er fest til botnterskelen. Denne utforminga finn vi berre på gamle anlegg. Ein variant er ein hengsla berekonstruksjon som normalt ligg på botnterskelen, men som blir heist opp når han skal brukast. - Flygelvogn er ei ramme som kan heisast, og som går i føringar. Til ramma fester ein flygel som måler farten på vatnet.

Oppgåver 1 Lag ei liste over dei viktigaste luketypane vi bruker i dag.

4 Kvifor vil ein i visse tilfelle velje ei rulleluke framfor ei glideluke?

2 Kva oppgåver kan luker ha i eit vass­ kraftanlegg?

5 Lag ei teikning av ei glideluke og før på namn på hovuddelane.

3 Kva er eit omløp, og kva funksjon har det?

6.13 Pakningsprofil Figur 6.42 viser dei mest brukte typane av pakningar.

Omegapakning med hol

Flatpakning 170

120

Notepakning med hol

Lita notepakning med hol

Figur 6.42 Pakningsprofil 81

Til gummikvaliteten i pakningar er det sett krav til hardleik, strekkfastleik, strekkfastleik etter oksygenaldring, brotfastleik, vassabsorpsjon og elastisitet. Toleransekrava er avhengig av kor tjukke og breie pakningane er. Normalt er hardleiken på pakningane frå 60 til 70 gradar shore.

6.14 Lukestyringar Lukestyringar er rørlege delar som skal overføre store krefter. Dei er meir utsette for slitasje enn lukene og krev derfor eit mer omfattande vedlikehald. I dette avsnittet skal vi sjå på prinsippet for dei mest brukte styringane.

Med lukestyring meiner vi den mekanismen som gir signal til at luka skal stengje eller opne, og den mekanismen som gjer lukerørsla, og som vi frå no kallar opptrekk. Opptrekket er mekanismen som lagar og overfører den nødvendige krafta som opnar eller stengjer luka. Av lukeopptrekk er det to hovudtypar:

- Mekaniske opptrekk (spel) er vanlegvis drivne av ein elektrisk motor og har utveksling (gir) for å gjere om den raske, roterande motorrørsla (om lag 1 500 r/min.) og det låge dreiemomentet til ei rettlinja rørsle med stor kraft. Denne rørsla har låg fart: frå 0,2 til 2,0 m/min. Alternative kraftkjelder er forbrenningsmotorar og handkraft. - Hydrauliske opptrekk er ein hydraulisk servomotor med ei oljetrykkskjelde. Siste ledd i kraftutvekslinga er festet til luka. Dette leddet kan vere bøyeleg (ståltau eller kjede) eller stivt (tannstong, skruespel eller stempelstong).

Er leddet bøyeleg, kan det berre overføre trekkraft. Motorkrafta til lukeopptrekket kan da berre nyttast til å heve luka. Senkinga av luka må skje ved hjelp av tyngdekrafta og eventuelt vasstrykket som belastar luka. Vekta av luka kan aukast med ein ballast av betong dersom det er nødvendig (av og til med skrapstål i tillegg). Eit lukeopptrekk som berre er i funksjon ved einvegsrørsle, blir kalla enkeltverkande lukeopptrekk. Er leddet stivt, kan det forutan trek-

82

kraft også overføre trykkraft, slik at motorkrafta til opptrekket også kan senke luka. Eit slikt opptrekk blir kalla dobbeltverkande lukeopptrekk. Ved dobbeltverkande lukeopptrekk blir «kraftleddet» ut­ sett for ei knekkbelastning som ein må ta omsyn til både når luka blir forma, og når ho er i bruk, for å hindre knekking. Den enklaste konstruksjonen får vi dersom vi kan feste opptrekket midt på luka. Luker som står nede i ei sjakt eller i ein tunnel, blir laga slik. For damluker som står mellom to pilarar på toppen av ein dam, må lukeopptrekket plasserast i pilaren ved sida av luka. Når det er opptrekk på kvar side av luka, kallar vi det tosidig opptrekk. Dersom luka har opptrekk berre på den eine sida, er det einsidig opptrekk.

For større damluker byrja utviklinga med tosidig mekanisk opptrekk av to grunnar:

-For mekaniske opptrekk er det ein fordel både økonomisk og når det gjeld konstruksjonen, å dele ei stor opptrekkskraft på to spel. -Når luka blir belasta symmetrisk, blir spenningsfordelinga i luka betre og konstruksjonen enklare. Luker med einsidig opptrekk vart innførte etter at ein hadde utvikla hydrauliske opptrekk, fordi det er ei betre løysing å ha den hydrau­ liske opptrekkskrafta samla på ein stad. Utvikling Før krigen var dei fleste opptrekksspela gjerne tannstongspel, men seinare kom skruespel, tauspel (vaierspel) og kjedespel. Dei tidle­ gaste spela hadde lita lyftekraft og var handdrivne. Seinare vart dei elektrisk drivne. Etter krigen vart tannstongspelet for dyrt og tung­ vint, mens dei andre typane utvikla seg vidare. Desse er oftast ut­ styrte med ei heimelaga snekkeutveksling og med opne tannhjulsutvekslingar. Moderne kjede- og tauspel har innelukka planetgir.

Hydraulisk drift av luker for vasskraft ved norske kraftverk vart innført i åra etter krigen. Kraftsylinderen vart laga av eit umaskinert stålrør. Kraftstempelet hadde stor klaring i sylinderen og lérmansjettar som tetting. Stempelstonga vart ikkje overflatebehandla.

I 1950-åra vart det utvikla, konstruert og produsert ein hydraulisk ventil for å manøvrere damluker der dei viktigaste ventilane var samla i ei blokk. Den sist utvikla modellen kom i 1958, og den siste eininga vart levert i 1975. Prinsippet for denne ventilen blir framleis nytta i ventilkonstruksjonar. Sjå figur 6.43.

83

Figur 6.43 Fjernstyrt styreinnretning med blokkventil

6.15 Mekanisk opptrekk Tannstongspel Tannstongspelet har ei tannstong fest til luka. Tannstonga er ofte laga av to kanalstål med rundståltenner som er feste mellom desse. Tannstonga har inngrep med eit drev som blir drive av eit tannhjul som er fest til ei sveiv eller ein motor. Dette spelet er lite aktuelt i dag, men det finst mange som framleis er i drift.

Skruespel Skruespelet finst i ulike utgåver frå handdrivne på 10 kN (1 tonn) til elektrisk drivne på opptil 1,2 MN (125 tonn). Grovt sett er eit skrue­ spel ein skrue som blir driven av ein bronsemutter. Til bronsemutteren er det fest eit tannhjul eller snekkehjul som blir drive av ein mo­ tor gjennom ei utveksling.

84

Figur 6.44 50-tonns skruespel frå 1940-åra Skruespelet har opne utvekslingar og stor friksjon på grunn av - friksjonen mellom bronsemutteren og skruespindelen - friksjonen mellom bronsemutteren og det faste underlaget - friksjonen mellom snekkehjulet og snekka eller tannhjulsvekselen

Samla verknadsgrad på eit slikt spel blir berre 0,25. Farten blir sett lågt slik at motoren ikkje blir for stor.

Opptrekkskruen får knekkpåkjenning og er vanskeleg å sikre mot overbelastning når luka tettar i botnstilling. I dag nyttar ein spelet der det er lita opptrekkskraft, og til luker som ikkje er så viktige.

Tauspel Tauspel er leverte med opp til 500 kN lyfteevne, og dei er elektrisk drivne. Spelet er ein trommel med vaier og ein motor med snekkeveksel og tannhjulsoverføring. Vaieren er i dei fleste tilfella galvani­ sert og kan gå frå trommelen over leieskiva til luka i ein eller fleire partar. Ein eller to partar blir nytta for små opptrekkskrefter. Ved større krefter bruker vi fire eller seks partar. Det gir mindre kraft ved trommelen, men til gjengjeld må meir vaier spolast på tromme­ len. Trommellengda må avpassast slik at vinkelen for vaieren til leieskiva eller luka ikkje blir for stor. Dette er særskilt viktig der to tromlar er samankopla. Tauspel kan nyttast til glide- og rulleluker når ein har sugerørsluker og revisjonsluker. Tauspel blir også brukt til segmentluker og sektor­ luker når dei blir nytta som flaumluker. Dei høver godt for store heisehøgder og blir nytta når ei luke skal heisast opp i ei høg sjakt. 85

1 2 3 4 5 6

Ramme Vaiertrommel med aksel Brakett med lagerhus og lager Planetgir med motor og brems Endebrytar med kjedehus og kjede Elektrisk apparatskap

Figur 6.45 Moderne 5-tonns vaierspel

Figur 6.46 Tauspel for segmentluke frå 1970, 2 • 33 tonn opptrekkskraft 86

Kjedespel Kjedespel er leverte med opptil 500 kN (50 tonn) kraft på ei enkelt kjede. For små luker bruker ein ei kjede på midten av luka, mens det for større luker er ei kjede på kvar side. Kjedene er av typen Galls kjede med fleire lenkjer og boltar som går på eit kjedehjul. I lågaste lukestilling går kjeda frå festepunktet på luka og litt framom kjedehjulet. Når luka blir heist, må den ubelasta delen av kjeda hengjast opp i sløyfer eller fangast opp i ein kanal. Spelet blir i dag bygt med planetgir. Vanlegvis nyttar vi tosidig opptrekk, og spela blir sam­ køyrde ved at omdreiingstalet for motorane blir synkronisert elektrisk. Kjedespel er ofte nytta på flaumluker. For sektorluka finst det neppe noko alternativ.

Tidlegare vart kjedene feste til vassida på lukeskjoldet for å få minst mogleg opptrekkskraft. Sjå figur 6.15 i avsnitt 6.6. Dette har etter kvart vist seg å vere uheldig på grunn av korrosjon. I dag blir kjedene derfor lagde på luftsida til luka. Sjå figur 6.17 i avsnitt 6.6.

Figur 6.47 50-tonns kjedespel. Venstre side av tosidig opptrekk for segmentluke (1970-åra)

87

Figur 6.48 Kjedespel med planetgir for segmentluke (1970-åra)

6.16 Hydraulisk opptrekk For eit hydraulisk lukeopptrekk er det trykkmediet mineralolje som overfører krafta frå pumpemotoren til kraftstempelet i sylinderen. Stempelstonga flytter luka. Krafta aukar med stempelarealet og med oljetrykket. Stempelfarten aukar med volumkapasiteten til pumpa.

Figur 6.49 50-tonns enkeltverkande hydraulisk opptrekk for segment­ luke med einsidig opptrekk i eit utandørs pumpeaggregat 88

Pumpa og kraftsylinderen er kopla til kvarandre med rørleidningar. Det trengst ein retningsventil for å leie oljestraumane og ein sikringsventil for å hindre overbelastning. For å hindre ureining av oljen har ein installert filter. Trykkbrytarar gir signal når luka er lukka. Dessutan kan det vere signalgivarar for oljestand og tempe­ ratur. Styringa av eit hydraulisk lukespel kan vere frå få og enkle komponentar til kompliserte anlegg. Også dei hydrauliske lukeopptrekka blir delte inn i kategoriane enkeltverkande og dobbeltver­ kande opptrekk.

Enkeltverkande hydraulisk opptrekk For eit enkeltverkande hydraulisk opptrekk hevar luka seg ved at pumpemotoren blir starta og olje pumpa inn på stempelstongsida til kraftsylinderen. Ein eventuell manuell stengjeventil må vere open og omløpsventilen vere stengd. Sjå figur 6.50. Luka senkar seg av si eiga vekt når ein trykkjer på ein trykknapp, slik at magneten i manøverventilen får spenning og opnar ventilen. Oljen blir sleppt over til stempelbaksida. Luka kan lukkast ved fjernstyring dersom det er nettspenning eller spenning frå eit batteri. Utan spenning kan luka lukkast manuelt ved at ein ventil blir opna. Sidan luka heng på olje­ trykket, kan luka sige. Sigekontaktar sørgjer for at luka blir ført til­ bake i øvre posisjon. Manøverventil

Hydraulisk pumpeaggregat

Endebrytar

Figur 6.50 Skjema for enkeltverkande hydraulisk lukespel Enkeltverkande sylindrar blir vanlegvis nytta for segmentluker, klappeluker og inntaksluker. Inntaksluka er gjerne ei rulleluke og eit nødstengjeinnretning for turbinen. Ho har hurtiglukking og kan lukke seg på frå 0,5 til 3 minutt. Dersom driftstunnelen har vore tømd, skal opptrekket heise luka til «fyllestilling» (om lag 5 cm lukeopning) under fullt einsidig vasstrykk. 89

Pumpeaggregat

Dobbeltverkande hydraulisk opptrekk For eit dobbeltverkande hydraulisk opptrekk avgjer posisjonen til manøverventilen om luka blir heva eller senka. I begge tilfella må ein starte pumpa. Ved omkopling frå heving til senking av luka må oljestraumane mellom pumpe og kraftsylinder krysse kvarandre. Manøverventilen er laga som sleideventil. Ein sleide fungerer som eit stempel i eit ventilhus der det er boringar som gjer at «stempel»stillinga avgjer kvar trykket og trykkavlasta olje tek vegen. På grunn av klaringa mellom sleiden og ventilhuset er det alltid litt lek­ kasje ved overtrykk. For å hindre lukesig på grunn av dette er det ofte montert ein seteventil i tillegg til sleideventilen. Ved lukking av luka opnar seteventilen seg og kontrollerer senkefarten til luka. Op­ ning av seteventilen blir styrt av trykket i oljen på stempeloversida. Sjå figur 6.51.

Figur 6.51 Dobbeltverkande hydraulisk lukespel Dobbeltverkande sylindrar blir nytta for tappeluker (glideluker) og omløpsluker (rulle- og glideluker) på grunn av den store friksjonen ved lukking.

90

Kontrollspørsmål 1 Kva slags hovudtypar av opptrekk finst det?

4 Lag ei liste over dei mekaniske opp­ trekka som er i bruk.

2 Kva er eit enkelverkande opptrekk?

5 Kva for ein funksjon har lukestyringa?

3 Når bruker vi hydrauliske opptrekk framfor mekaniske?

FAKTARUTE Fordelar og ulemper ved hydrauliske opptrekk

Fordelar • Krafta blir overført frå ei elektrisk driven pumpe til eit kraftstempel ved hjelp av ei væske i staden for ein mekanisk aksel. Dermed slepp vi det høge startmomentet som kjem i eit mekanisk spel der kvilefriksjonen og masseakselerasjonen må overvinnast med eit kraftig rykk. • I eit hydraulisk lukeopptrekk er det lite friksjon, og dermed er verknadsgraden høg. • Eit hydraulisk opptrekk er driftsikkert fordi det er få og enkle mekaniske delar. Det er enkelt å montere fleire pumper (reservepumpe) for ei luke. • Pumpeaggregatet for det hydrauliske lukeopptrekket kan stå på ein annan stad enn sylinderen og eventuelt plasserast der forholda er betre. Eitt pumpeaggregat kan ta seg av fleire luker. • Luka og den hydrauliske sylinderen kan stå nede i ei sjakt, mens pumpe­ aggregatet står øvst. Dersom sjakta blir fylt med vatn, kan luka likevel manøvrerast.

Ulemper • Tilstanden til hydraulikkoljen kan føre til lekkasjar i dei komponentane som inneheld hydraulikkolje. For eit rett montert hydraulisk opptrekk er dei innvendige og utvendige lekkasjane små, men over lengre tid fører dei til lukesig. Lukesiget kan ein korrigere ved manuell eller automatisk start av pumpa eller ved ei mekanisk forrigling i heilt open lukestilling. • Det er vanskeleg å vise lukesti11inga når opptrekket har hydraulisk kraft­ overføring. Som lukestillingsvisar må ein montere ei uavhengig stong eller ein stålvaier med eit lodd fest til luka. (Ved eit mekanisk lukespel kan lukestillinga i motsetning til dette lett visast ved at ein koplar ein liten skruespindel eller ei enkel kjede eller ein tannhjulsveksel til drivmotoren.( Ein driv med utvikling av nye målemetodar no. Her kan vi nemne digitale vinkeltransduserar (sensorar) for dreibare luker og elektroniske måle­ system. • Når det av arkitektoniske grunnar ikkje er tillate at noko av utstyret er høgare enn damkrona, kan det vere vanskeleg å montere ein hydraulisk sylinder. Sylinderen må ha slaglengd og byggjehøgd som svarer til lukehøgda. Han kan oftast monterast i ei skråstilling.

91

Når bruker vi hydrauliske opptrekk? -

kraftbehovet er stort, opptil 6 MN (600 tonn) det må vere store slaglengder, opptil 12 m (enkeltverkande) det må vere nedtrykkskraft (dobbeltverkande) det er fjernstyring og automatisk styring det må vere finregulering det må vere hurtiglukking, frå eit halvt til 3 minutt det må vere svært påliteleg drift

6.17 Eksterne komponentar Ved låge opptrekkskrefter er prisen for eit hydraulisk lukeopptrekk høgare enn for eit tilsvarande mekanisk lukespel. Ved krefter over 1 MN er eit hydraulisk lukeopptrekk rimelegare. Oppbygging av eit hydraulisk opptrekk Eit hydraulisk opptrekk kan vi dele inn i desse einingane:

- pumpeaggregat med oljetank og armatur og dessutan rørleidning fram til kraftsylinderen - kraftsylinder montert på ei stålramme med festeboltar - lukestillingsvisar, eventuelt med elektriske brytarar - elektrisk apparatskap med leidningar fram til pumpemotorar og armatur Pumpeaggregat Pumpemotorane for hovudpumpa og reservepumpa er monterte på toppen av oljetanken. Pumpene kan stå oppå eller under tanklokket. Ventilar og annan armatur er feste på tanklokket eller eit panel montert på tanklokket. Rørsambanda mellom pumper, ventilar og kraftsylinder er stålrør, helst med veggtjukkleik på frå 1,5 til 3 mm. Det vi kallar snittrings- eller klemringskoplingar i rørleidningane, har forskruingar med metallisk tetting. For større rørdimensjonar eller rustfrie rør kan det vere flenssamband med O-ringar som tetting. Kraftsylinder Moderne kraftsylindrar er innvendig hona. Det vil seie at overflata er slipt glatt. Stempelet med tettingsringar av kunststoff har nokså lita klaring i sylinderen. Ved hurtiglukkande luker har stempelet ei dempingshylse og botnlokket ei tilsvarande fordjuping for å bremse rørsla før luka kjem borti botnterskeien. Stempelstonga er av karbonstoffstål eller rustfritt stål og er alltid hardforkromma. Stempel­ stonga har eit øyre eller ein gaffel med eit hol som høver til eit til­ svarande hol i luka eller i opptrekkstonga til luka. I holet er det drive inn ein bolt som er sikra med aksellås.

92

Dersom kraftsylinderen er fast opplagra, som til dømes for ei glide­ luke eller ei rulleluke, har sylinderrøret ein påsveist flens. Dersom kraftsylinderen er dreibart lagra, som til dømes ved ei segmentluke eller ei klappluke, har sylinderrøret eit påsveist åk med to tappar og glidelager, eller det har eit øyre på baklokket.

For å overføre lasta frå kraftsylinderen til fundamentet trengst det ei stålramme som er bolta til fundamentet. I eit dobbeltverkande hydraulisk opptrekk får boltane til fundamentet strekkbelastning i tillegg til forspenninga.

Lukestillingsvisar Ved ei tappeluke eller ei reguleringsluke må ein montere ein drifts­ sikker lukestillingsvisar i nærleiken av kraftsylinderen eller luka. For luker med lita høgd kan lukestillingsvisaren vere ei stong som er fest til luka eller opptrekkstonga, og ei styring for stonga som er fest til stålramma. For luker med stor høgd kan lukestillingsvisaren vere eit lodd som blir trekt av ein tynn vaier med ein eller fleire partar. Lukestillingsvisaren må også fungere for eventuelle endebrytarar. Inntaksluker som berre skal stå i heilt open eller heilt lukka stilling, treng vanlegvis ikkje ein kontinuerleg stillingsvisar. I heilt open stil­ ling kan luka skyve på ei stong som regulerer ein signalbrytar, ein endebrytar og ein brytar for korreksjon av lukesig. I lukka lukestilling er det vanskeleg å få ein mekanisk brytar til å gi signal. Da kan vi montere ein trykkbrytar som er kppla til oljetrykket under kraftstempelet, innstilt på 500 kPa (5 bar). Når luka er heilt lukka, fell trykket ned til 500 kPa (5 bar), og trykkbrytaren gir signal fordi belastninga frå lukevekta skifter frå kraftstempelet over til luke­ terskelen.

93

Figur 6.52 Sylinder med utstyr

Elektrisk apparatskap Det elektriske apparatskapet er vanlegvis montert på veggen. Det inneheld sikringar, startkontaktorar for motorane, relé for styrekrinsane og eit varmeelement. I skapdøra er det innfelt brytarar og tryk­ knappar for manøvrering av luka. Der kan det også vere eit ampere­ meter, ein timeteljar for driftstida til pumpa og ein teljar som tel kor mange pumpestartar det har vore.

94

7

Tilløpsrør for turbinar Når du har lese dette kapittelet, skal du kjenne terminologien for turbinrør og forstå kva som er viktig for dimensjonering, tryggleik og økonomi når det gjeld komponentane.

7.1 Innleiing Tilløpsrøret for turbinen er vassvegen heilt eller delvis frå inntaket ved vassmagasinet til stengjeinnretninga føre turbinen. Kanalisering av vatnet frå magasinet til ei innretning som kan gjere om energien i vatnet til rotasjonsenergi, har utvikla seg frå dei opne rennene i gamle dagar, som leidde det rennande vatnet mot blada på drivhjula, til dei mange bygdemøllene og sagene. Med desse gamle innretning­ ane kunne ein berre utnytte rørsleenergien i vatnet. Men da folk lærte seg å byggje rør som kunne tole nokså høge innvendige trykk, kunne dei leie vatnet til turbinar som utnytta trykkenergien i det. Dermed kunne eit vasskraftanlegg utnytte energien i høgdeskilnaden mellom overvatn og undervatn.

Bygging av rør for vasskraftformål har utvikla seg frå bandasjerte trerør, klinka stålrør og bandasjerte sveiste stålrør til elektrisk sveiste stålrør utan bandasjering. Bandasjerte rør er rør med ut­ vendige, tettsitjande ringar av stål. Når det gjeld trerør, blir heile påkjenninga frå det innvendige vasstrykket teke opp av stålringane. For bandasjerte stålrør tek også sjølve rørmaterialet opp sin del av dei same påkjenningane, slik at stålringane er ei forsterking av røret. Også glasfiberarmerte plastrør har dei siste åra vore ein del nytta for trykk opp til 2 MPa (200 m vassøyle) ved småkraftverk.

95

Bygging av trerør

Klinka stålrør (venstre)

Bandasjert stålrør (høyre)

Elektrosveisa stålrør

Figur 7.1 Utviklinga av rør til vasskraftformål Vi skil mellom to hovudtypar av turbinrør.

Den eine typen er det vi kallar frittliggjande turbinrør, der røra ligg synleg i terrenget (rørgater). Den andre typen er turbinrør som er 96

innstøypte i fjell (trykksjakt eller tunnelutforingar), der røra ligg i sjakter som er sprengde ut i fjell, og der klaringa mellom det mon­ terte røret og sjaktveggen blir fylt med betong. Vi skal gå nærmare inn på dei to hovudtypane som er laga i stål og elektrisk sveiste.

7.2 Frittliggjande turbinrør Før 1950 vart så å seie alle tilløpsrør for norske vasskraftanlegg monterte frittliggjande. Men dei siste åra har dette berre vore aktuelt for små anlegg.

Figur 7.2 Frittliggjande turbinrør ved Nore I kraftanlegg

Frittliggjande turbinrør blir vanlegvis lagde som lange, rette rørstenger mellom knekkpunkt der terrengformene gjer dette nødven­ dig. I knekkpunkta blir røra feste i klossar av betong. Sjå figur 7.4. Mellom festeklossane kviler røra på støtter som gjer at dei kan ha ei aksiell rørsle. Nedanfor kvar festekloss får røret ein ekspansjonsboks. Denne leggjemåten av frittliggjande turbinrør er vanleg i Noreg. Slike turbinrør kan også leggjast utan ekspansjonsboksar, men det skal vi ikkje ta opp her. Hovudkomponentar Eit frittliggjande turbinrør med ekspansjonsboksar har desse ho vudkomponent ane: -

inntakskonus rør i ventilkammer rørstreng mellom to knekkpunkt ekspansjonsboks flensrør 97

Vi skal no sjå nærmare på kvar av desse delane. Inntakskonus Inntakskonusen er overgangspartiet frå dammen eller tunnelen til rørleidningen. Han blir alltid støypt inn i betong, anten i ein betongdam eller ein betongpropp i tunnelen. Konusen blir produsert med utvendige, tverrgåande plateringar som har desse oppgåvene:

- å hindre gjennomstrøyming av vatn mellom røret og betongen - å stive av konstruksjonen for eit eventuelt utvendig vasstrykk - å feste konstruksjonen Inntakskonusen kan ha eit sirkulært tverrsnitt eller føre over frå eit firkanta til sirkulært tverrsnitt. Rør i ventilkammer Stuss for utløysar av rørbrotsventil Inntakskonus overgang frå firkanta til rundt tverrsnitt

Stusser for omløpsrør

Stuss for vakuumventil

Oppstraumsdel

Nedstraumsdel

Mannholstuss

Rørbrotsventil

Mannholstuss Demonterings- og ekspansjonsboks

Figur 7.3 Inntakskonus og ventilkammer

Flensane til røret oppstraums rørbrotsventilen er slik dimensjonerte at dei kan ta opp krafta frå ventilen når han er stengd ved fullt vass­ trykk. Denne krafta blir overført gjennom røret og inntakskonusen til betongen. Nedstraums er rørbrotsventilen plassert i ein kombinert ekspan­ sjons- og demonteringsboks og skal gjere det mogleg å montere eller demontere rørbrotsventilen på ein enkel måte. Han skal også ta opp lengdeendringar og sørgje for at det ikkje kjem større aksielle krefter i røret mellom ventilen og opplagringa nedenfor. Røret nedstraums ekspansjonsboksen er utstyrt med fleire stussar for mellom anna om­ løpsrør, vakuumventil, utløysar for rørbrotsventil og mannlokkstussar.

98

Rørstreng mellom to knekkpunkt (festepunkt)

Rørstrengen blir lagd i rett linje mellom knekkpunkta og fest i dei med festeklossar av betong som er fundamenterte i fjell. Der fjellet ligg for djupt, må ein leggje desse klossane djupt nok. For å sikre godt feste i betongen utstyrer ein den delen av røret som skal støypast inn, med festeringar. Rørdelen har rørbend i knekkpunkta og eventuelle delar av rette parti oppstraums og nedstraums. Festet må dimensjonerast etter dei kreftene som rørstrengen som ligg ovanfor, verkar med på fundamentet. Det kjem vi tilbake til i eit seinare av­ snitt. Mellom festeklossane legg ein rørleidningen på mellomfundament med glidesadlar eller pendelbukkar, som tillet ei aksiell rørsle av røret. Sjå figur 7.4. Nedanfor kvar festekloss byggjer ein inn ein ekspansjonsboks på rørstrengen som skal ta opp dei same aksielle rørslene. Årsaka til den aksielle rørsla er utviding eller samantrekking av rørmaterialet på grunn av endringar i temperaturen eller det innvendige trykket. Formelen for lengdeutviding ved temperaturendringar er

Al = Z • oq • (Z2 - Zx) der

l t1 t2 cq Al

Døme Vi bruker l tx Z2 a±

= = = = =

lengda av rørstreng [m] lågaste temperatur, tomt rør (vinter) [°C] høgaste temperatur, tomt rør (sommar) [°C] utvidingskoeffisient [m/(m • °C)] lengdeendring i [m]

desse verdiane: = lengda frå ekspansjonsboks til festekloss = 100 m = -20 °C = 50 °C (ved sterkt sollys) = utvidingskoeffisient for stål = 0,000 011 m/(m • °C) 99

Utrekninga blir da: AZ = 100 m • 0,000 011 m/(m • °C) • (50 °C - (-20 °C)) = 0,077 m = 77 mm

Det vil seie at røret er 77 mm lengre ved 50 °C enn ved -20 °C og er heilt avhengig av ekspansjonsboksen for å hindre «solslyng» på røret. (Solslyng er eit kjent problem når det gjeld jernbaneskjener.) Ekspansjonsboksar Dømet viser kor nødvendig det er med ekspansjonsboksar. Desse boksane kan leverast i mange ulike utgåver. Vi skal her sjå på to vanlege typar, som begge kan ta opp store nok lengdevariasjonar. Dei fungerer i prinsippet likt, men er konstruerte litt ulikt.

Utform ing A Nedstraumsdel

Utforming B Figur 7.5 Ekspansjonsboksar

Utgåve A: Pakningstype: pakning av hamp som er talga Pakninga krev ikkje maskinerte anleggsflater for montering. Ho tolererer ujamne parti på anleggsflatene og er lett å skifte. Pakninga

100

høver godt til frittliggjande turbinrør og kan leverast for flenssamband eller sveisesamband til rør.

Utgåve B: Pakningstype: gummi Pakninga må ha ei maskinert anleggsflate og er meir følsam enn ut­ gåve A for ujamne parti på anleggsflatene, men gir mindre friksjon.

Flensrør

Figur 7.6 Flensrør for frittliggjande turbinrør

Flensrøret er overgangen mellom turbinrøret og stengjeventilen for turbin. Det blir dimensjonert slik at det har ein del å gå på for å hindre brot, sidan det munnar ut i sjølve kraftstasjonen. Eit brot her kan føre til at stasjonen «druknar». Flensrøret er gjerne utstyrt med fleire kraftige festeringar og ligg med oppstraumsenden innstøypt i ein solid festekloss. Akkurat som oppstraumsdelen av rør i ventilkammer overfører flensrøret krafta frå ein stengd ventil ved fullt vasstrykk til festeklossen. Både flensen og røret må derfor dimensjonerast for å kunne overføre denne aksialkrafta.

Flensrøret er utstyrt med dei nødvendige stussane for mellom anna omløpsrør, tømmerrør og mannhol og dessutan med eventuelt uttak for styrevatn for ventil, manometer og andre instrument.

101

7.3 Konstruksjons- og dimensjoneringskriterium Godstjukkleiken til røret Når vi skal rekne ut kor tjukt godset må vere av omsyn til innvendig trykk, bruker vi denne formelen: p •d s =---------2 •