Development of a software for the design and optimization of low head hydro power plants

The present study deals with the critical issues in the optimal choice of the hydraulic machine to be included in a hydroelectric plant, analyzing both the technical aspects of sizing that the economic ones necessary for the evaluation of investment feasibility, with the aim of developing a software that guides and directs the user in this difficult process. In particular, this work is focused on the study of three types of turbines suitable for low head plants: Banki Cross Flow, Archimedes Screw and Kaplan turbines. For each type of machine have been analyzed in detail the critical aspects of the design process, always considering the optimal case. The study started with a data collection from various manufacturers companies, not always easily available with completeness because of commercial confidentiality strategies, with the end to obtain a part of the analytical model structure, then integrated with models taken from literature and adapted to be implemented in software. Then it was developed an algorithm to be able to correlate the various models and give as a response not only the best type of turbine to that particular case requested by the user, but also equally usable neighboring types. Moreover the focus was based on, in addition to discriminating turbine size and attached organs, the analysis of expected energy efficiencies according to the main operating parameters. The analysis has also been extended to the operation of partialization conditions, studying the behavior of the turbine and all the electromechanical components included in the drivetrain. Thanks to this, the software allows to calculate with high accuracy the annual plant producibility and to realize a preliminary. The calculation model developed was finally validated by a comparison between the numerical results obtained and the experimental data of existing turbines test setup shown in Lombardy.

Il presente elaborato tratta delle criticità nella scelta ottimale della macchina idraulica da inserire in un impianto idroelettrico, analizzando sia gli aspetti tecnici di dimensionamento che quelli economici necessari per la valutazione di fattibilità dell’investimento, con la finalità di sviluppare un software che guidi e direzioni l’utente in questo difficile iter. In particolar modo questo lavoro si è focalizzato sullo studio di tre tipologie di turbine adatte ad impianti a basso salto: turbine Banki Cross Flow, Coclea Idraulica e Kaplan. Per ciascuna tipologia di macchina sono stati analizzati in dettaglio gli aspetti critici della procedura di progettazione, considerandone sempre il caso ottimo. Lo studio è iniziato con una raccolta dati dalle varie aziende di costruttori, non sempre facilmente reperibili con completezza a causa di strategie commerciali di riservatezza, con il fine di ricavare parte della struttura del modello analitico, integrato poi con modelli derivanti dalla letteratura e adattati per essere implementati nel software. Si è sviluppato poi un algoritmo per poter correlare i vari modelli e dare come risposta non solo la miglior tipologia di turbina per quel caso specifico richiesto dall’utente, ma anche tipologie limitrofe ugualmente utilizzabili. Ci si è quindi concentrati, oltre che sul dimensionamento delle turbine e degli organi annessi, sull’analisi dei rendimenti attesi in funzione dei principali parametri operativi. L’analisi è stata inoltre estesa al funzionamento in condizioni di parzializzazione, studiando il comportamento della turbina e di tutti i componenti elettromeccanici inclusi nel drivetrain. Grazie a questo, il software sviluppato consente di calcolare con elevata precisione la producibilità annua dell’impianto e di effettuare un’analisi economica preliminare, altro parametro reputato importante per la scelta della turbina. Il modello di calcolo sviluppato è stato infine validato mediante un confronto tra i risultati numerici ottenuti e i dati sperimentali dei test di installazione di turbine esistenti presenti in Lombardia.