Hydraulic analysis of Kepez Hydroelectric Power Plant based on site measurements and numerical analysis

Bu tez çalışmasında, Antalya'da bulunan Kepez-1 Hidroelektrik Santrali Rehabilitasyon Projesi'nin kavramsal tasarımı gerçekleştirilmiştir. MİLHES adlı Tübitak Kamag projesinin amacı, santralin tüm bileşenlerini yerli imkanlarla yenileyerek, günümüz tasarım yaklaşımlarıyla yeni bir tasarım yaparak mevcut santralin gücünü ve verimini artırmaktır. Projenin faaliyet alanı, hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) destekli su türbini tasarımını, model üretim ve testini, prototip üretim ve montajını, generatör ve SCADA sistemini kapsamaktadır. Kavramsal tasarım çalışmaları, projenin ilk adımı olup, hidrolik türbin tasarımı, kavramsal tasarım çalışmalarını baz alarak gerçekleştirilmiştir. Mevcut santral, hidrolik türbinin en önemli iki tasarım parametresi olan debi ve hidrolik yük değerleri hedeflenerek modellenmiştir. Modellerde Manning's sürtünme eşitliği kullanılmıştır. Bu modeller, santralin başlangıç noktası olan rezervuardan türbinin girişine kadar olan detayları içermektedir. Bu detaylar için kaynaklar, saha inceleme çalışmaları ve santral teknik resimleridir. Bilgisayar ortamında oluşturulan modellerin doğrulanması için teknik resimleridir. Bilgisayar ortamında oluşturulan modellerin doğrulanması için saha testleri gerçekleştirilmiştir. Bunlar debi, hidrolik yük, verim ve güç ölçüm testleridir. Test sonuçlarının, model sonuçlarıyla karşılaştırılması sonucu literatürde bulunmayan kirecin sürtünme katsayısına bir yaklaşım oluşturulmuştur. Farklı debilerde borularda oluşan kayıp değişeceğinden, türbine kalan hidrolik yükler de değişecektir. Bu sebeple farklı debilerdeki hidrolik yükler doğrulanan modellerle hesaplanmıştır. Debi ve hesaplanan hidrolik yük, hidrolik türbin tasarımında kullanılan iki ana parametredir. Bunların ışığında türbinin çalışabileceği çalışma aralığı eğrisi çıkarılmış, tasarlanacak yeni türbinin tasarım debi ve hidrolik yüksü belirlenmiştir. Bunlara ek olarak doğrulanan modelin zamana bağlı çözümleri gerçekleştirilmiş ve su darbesi etkisi ölçülmüştür. Su darbesi hesabı için kullanılan modellerin doğruluğu için sahada ani kapanma testleri gerçekleştirilmiş ve modelden zamana bağlı basınç eğrilerinin testlerle örtüşmesi beklenmiştir. Saha testleri ve bilgisayar ortamında oluşturulan modelin karşılıklı iterasyonu sonucunda, su darbesi zamana bağlı analiz sonuçları, santralde bulunan PRV'ye (Basınç Düzenleme Vanası) ve türbin önünde bulunan sürgülü vanaya girdiler oluşturmuştur. Tüm bu sonuçlar daha yüksek verimli ve daha yüksek güç üretebilen su türbini tasarımı için temel oluşturmuştur.In this thesis, Conceptual Design of Kepez-1 Hydroelectric Power Plant which is in Antalya, Turkey was studied. The aim of the rehabilitation project called MILHES, financially supported by Tubitak Kamag, is to increase the power and efficiency with state of the art techniques. The scope of the project is Computational Fluid Dynamics (CFD) aided turbine design, model manufacturing and tests , design, production and implementation of the turbine, generator and the SCADA system. Design of the hydraulic turbine is based on the conceptual design performed in this study. The hydroelectric power plant is modeled with two design parameters: head and flow rate. Manning's friction factor is used in the computations. The source for these details is technical drawings and site observations. For verification of the power plant model, field tests are performed as a part of the project. As a result of the comparison of numerical and field test results, friction coefficient of limestone is predicted and used for further computations. The losses in pipeline change with flow rate; therefore, head values are calculated for different flow rates. With the light of this thesis, operation limits of the turbine are determined. Best efficiency and design points of the turbine are obtained, as well as the range of operation for flow rate and head. Transient analysis of the system is also performed to evaluate water hammer characteristics. For the verification of water hammer analysis, instant load rejection tests are conducted. The results of the transient analysis provide the inputs for the design of by-pass pipeline and pressure relief valve. These results provide an idea on the feasibility of the increase in power