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Small Hydroelectric Engineering Practice
发布日期:2015-12-18  浏览

Small Hydroelectric Engineering Practice

[Book Description]

Small Hydroelectric Engineering Practice is a comprehensive reference book covering all aspects of identifying, building, and operating hydroelectric schemes between 500 kW and 50 MW. In this range of outputs there are many options for all aspects of the scheme and it is very important that the best options are chosen. As small hydroelectric schemes are usually built against a limited budget it is extremely important that the concept design is optimum and every component is designed to maximise the benefi t and minimise the cost. As operating costs are often a high proportion of the income it is very important to make sure that everything is designed to be simple, reliable and long lasting. The book is based on the experience gained over 45 years on the overall and detailed design, construction and commissioning of more than 30 small hydropower schemes. It includes contributions from experts in the field of intakes, water diversion structures, geology, canals, painting and other aspects of hydropower development. It is intensely practical with many drawings and photographs of schemes designed and commissioned by Leyland Consultants and others.There are also sections on preparing specifi cations, tender assessment and operation and maintenance. The book includes a CD with spreadsheet programs for analysing aspects of small hydropower development and many arrangement drawings and detail designs for gates, penstocks, electrical systems and control systems. Typical specifi cations for generating plant are also included. The spreadsheets will be useful during the feasibility stage and the drawings will enable designers to scale the designs as needed for their own projects. Consultants, developers, designers, builders and operators of small hydroelectric schemes will find this book invaluable.

[Table of Contents]
Preface                                            xiii
Acknowledgements                                   xv
About the author                                   xvii
List of figures                                    xix
List of abbreviations                              xxiii
1 Introduction                                     1    (4)
  1.1 Key features of small hydro schemes          3    (2)
2 Scheme identification                            5    (6)
  2.1 Preliminary study                            5    (1)
    2.1.1 Cost estimates                           6    (1)
  2.2 Feasibility study                            6    (5)
    2.2.1 Site survey                              6    (1)
    2.2.2 Hydrology                                7    (1)
    2.2.3 Geology                                  8    (1)
    2.2.4 Environmental assessment                 8    (1)
    2.2.5 Preliminary estimates                    9    (1)
    2.2.6 Preliminary report                       10   (1)
3 Refining the design                              11   (14)
  3.1 Hydrology                                    11   (1)
  3.2 Geology                                      12   (1)
  3.3 Headworks                                    12   (4)
    3.3.1 Spillway options                         13   (1)
    3.3.2 Intakes                                  13   (1)
    3.3.3 Canal design                             14   (2)
  3.4 Penstocks and intakes                        16   (1)
    3.4.1 Penstock intakes                         16   (1)
    3.4.2 Steal penstocks                          16   (1)
    3.4.3 Wood stave penstocks                     16   (1)
    3.4.4 Plastic and GRP penstocks                17   (1)
  3.5 Turbine selection                            17   (3)
    3.5.1 Low head turbines                        17   (2)
    3.5.2 Medium head turbines                     19   (1)
    3.5.3 High head turbines                       19   (1)
  3.6 Powerhouse arrangement                       20   (1)
  3.7 Useful spreadsheets                          20   (1)
  3.8 Preliminary financial analysis               21   (1)
  3.9 Outside financing                            21   (4)
    3.9.1 "Bankable" feasibility study             22   (1)
    3.9.2 Economic and financial analysis          22   (3)
4 Detailed design of intake works, canals and      25   (48)
penstocks
  4.1 Environmental factors                        25   (2)
  4.2 Final optimisation                           27   (2)
    4.2.1 Technical optimisation                   28   (1)
    4.2.2 "Alab" computer program                  28   (1)
    4.2.3 "Hydrohelp" computer program             29   (1)
  4.3 Intakes at low weirs                         29   (6)
    4.3.1 Coanda screen                            29   (3)
    4.3.2 Streambed intake                         32   (1)
    4.3.3 Bypassing                                32   (1)
    4.3.4 Settling basin                           33   (2)
  4.4 Conventional intakes                         35   (9)
    4.4.1 Screen cleaners                          37   (1)
    4.4.2 Intake gates                             38   (4)
    4.4.3 Penstock filling                         42   (1)
    4.4.4 Additional information on intakes        43   (1)
  4.5 Spillways                                    44   (8)
    4.5.1 Flap (fish belly) gates                  44   (1)
    4.5.2 Obermeyer gates                          45   (1)
    4.5.3 Radial gates                             46   (6)
  4.6 Bypass gates                                 52   (1)
  4.7 Stoplogs and bulkheads                       53   (1)
  4.8 Canal regulating gates                       54   (2)
  4.9 Additional information on gates              56   (1)
  4.10 Canals                                      56   (3)
    4.10.1 Controlling leakage                     58   (1)
    4.10.2 Small unlined canals                    58   (1)
    4.10.3 Canal linings                           58   (1)
    4.10.4 Under drainage                          59   (1)
    4.10.5 Further information                     59   (1)
  4.11 Penstocks and water hammer                  59   (13)
    4.11.1 Water hammer                            60   (2)
    4.11.2 Steel penstocks                         62   (6)
    4.11.3 Glass reinforced plastic (GRP)          68   (3)
    penstocks
    4.11.4 HDPE and PVC penstocks                  71   (1)
  4.12 Surface treatment and painting of           72   (1)
  steelwork
5 Turbine selection                                73   (52)
  5.1 Introduction                                 73   (1)
  5.2 Number of turbines                           73   (1)
  5.3 Particulate erosion                          74   (1)
  5.4 Kaplan and Francis turbines                  75   (12)
    5.4.1 Guide vanes                              78   (3)
    5.4.2 Guide vane actuation                     81   (2)
    5.4.3 Cavitation                               83   (3)
    5.4.4 Hydraulic stability and rough running    86   (1)
  5.5 Low head turbines                            87   (11)
    5.5.1 Dimensions of Kaplan turbines            88   (1)
    5.5.2 Vertical Kaplan turbines                 88   (3)
    5.5.3 Bulb turbines                            91   (1)
    5.5.4 Pit turbines                             92   (1)
    5.5.5 Matrix turbines                          93   (2)
    5.5.6 Axial Kaplan turbines                    95   (1)
    5.5.7 Open flume Kaplan turbines               95   (3)
    5.5.8 Very low head turbines                   98   (1)
    5.5.9 Stoplogs and emergency isolation         98   (1)
  5.6 Medium head turbines                         98   (17)
    5.6.1 Dimensions of Francis turbines           99   (3)
    5.6.2 Air admission                            102  (1)
    5.6.3 Vertical Francis turbines                103  (1)
    5.6.4 Horizontal Francis turbines              104  (3)
    5.6.5 Twin horizontal Francis turbines         107  (4)
    5.6.6 Inlet valves                             111  (2)
    5.6.7 Relief valves                            113  (1)
    5.6.8 Bypass valves                            114  (1)
  5.7 Pelton turbines                              115  (6)
    5.7.1 Dimensions of Pelton turbines            115  (1)
    5.7.2 Pelton turbine arrangement               115  (2)
    5.7.3 Pelton turbine runners                   117  (2)
    5.7.4 Pelton turbine options                   119  (2)
    5.7.5 Turgo turbines                           121  (1)
  5.8 Governing systems                            121  (4)
6 Generators                                       125  (16)
  6.1 Overspeed                                    125  (1)
  6.2 Synchronous generators                       126  (15)
    6.2.1 Stators                                  127  (2)
    6.2.2 Corona                                   129  (1)
    6.2.3 Excitation systems                       129  (1)
    6.2.4 Neutral earthing                         130  (1)
    6.2.5 Lightning protection                     131  (1)
    6.2.6 Generator cooling                        132  (3)
    6.2.7 Overspeed testing                        135  (1)
    6.2.8 Increasing generator inertia             136  (1)
    6.2.9 Bearings                                 136  (2)
    6.2.10 PTFE bearings                           138  (1)
    6.2.11 Bearing cooling and monitoring          138  (1)
    6.2.12 Induction generators                    139  (2)
7 Electrical systems                               141  (12)
  7.1 Single line diagram                          141  (4)
    7.1.1 Transformers                             142  (1)
    7.1.2 Station earthing                         143  (1)
    7.1.3 Transmission                             144  (1)
  7.2 Control                                      145  (5)
    7.2.1 Control philosophy                       145  (1)
    7.2.2 Communications                           146  (1)
    7.2.3 Programmable Logic Controllers           147  (1)
    7.2.4 Programming instructions                 148  (2)
  7.3 Protection and instrumentation               150  (2)
  7.4 Synchronising                                152  (1)
8 Auxiliary plant                                  153  (4)
  8.1 Auxiliary AC power supplies                  153  (1)
  8.2 DC power supplies                            153  (1)
  8.3 Water piping                                 154  (1)
  8.4 Sump pumping                                 155  (2)
9 Specifications and contracts                     157  (14)
  9.1 Conditions of contract                       158  (2)
    9.1.1 General Conditions of Contract           158  (2)
  9.2 Specifications for major generating plant    160  (7)
    9.2.1 Turbine specifications                   161  (3)
    9.2.2 Governing systems                        164  (1)
    9.2.3 Inlet and bypass valves                  165  (1)
    9.2.4 Generator specifications                 165  (1)
    9.2.5 Tender schedules                         166  (1)
    9.2.6 Sample specifications                    166  (1)
  9.3 Specifications for other mechanical and      167  (1)
  electrical plant
  9.4 Surface preparation and painting             167  (2)
    9.4.1 Background                               167  (1)
    9.4.2 Specification requirements               168  (1)
  9.5 Assessment of tenders                        169  (2)
10 Powerhouse layout and design                    171  (4)
11 Construction and commissioning                  175  (4)
  11.1 Project construction                        175  (1)
  11.2 Commissioning                               176  (3)
12 Operation                                       179  (4)
  12.1 Generating plant                            179  (2)
  12.2 Civil works                                 181  (1)
  12.3 Safety and environmental requirements       181  (2)
13 Lessons from failures                           183  (8)
  13.1 Civil engineering failures                  183  (3)
    13.1.1 Ruahihi canal collapse                  183  (1)
    13.1.2 Wheao canal and head-pond breach        184  (1)
    13.1.3 Aniwhenua canal leak                    185  (1)
    13.1.4 Lessons from civil engineering          186  (1)
    failures
  13.2 Generating plant failures                   186  (5)
    13.2.1 Station in the Pacific, 1990            186  (2)
    13.2.2 Mangahao power station                  188  (1)
    13.2.3 Tuai power station                      189  (1)
    13.2.4 Duffers power station                   190  (1)
14 Appendix 1: Useful spreadsheets and computer    191  (6)
programs
  14.1 Hydro scheme data and cost estimates        191  (1)
  14.2 Intake screen head losses                   192  (1)
  14.3 Turbine dimensions                          192  (1)
  14.4 Cost estimates for turbines and             193  (2)
  generators
  14.5 Financial analysis                          195  (2)
15 Appendix 2: Financial and economic              197  (4)
considerations
  15.1 Objectives of financial analysis            197  (1)
  15.2 Objectives of economic analysis             197  (1)
  15.3 Approach and methodology                    198  (3)
    15.3.1 Financial evaluation                    198  (1)
    15.3.2 Levelized Cost of Electricity           199  (1)
    15.3.3 Overview of economic cost benefit       200  (1)
    analysis
16 Appendix 3: Environmental issues with two       201  (4)
hydropower schemes
  16.1 Aniwhenua                                   201  (1)
  16.2 Onekaka                                     202  (3)
17 Appendix 4: Making the most of hydro            205  (14)
specifications
  17.1 Introduction                                205  (1)
  17.2 The tenderer/contractor - an interesting    206  (1)
  species
  17.3 Specifications                              207  (5)
    17.3.1 Performance specifications              207  (1)
    17.3.2 Performance specification vs            207  (1)
    prescriptive specification
    17.3.3 Getting the "A" team                    208  (1)
    17.3.4 Life cycle cost analysis                209  (1)
    17.3.5 Is the specification tough enough?      209  (1)
    17.3.6 Interfacing with existing equipment     209  (1)
    17.3.7 Warranties                              210  (1)
    17.3.8 Drawings                                210  (1)
    17.3.9 Innovation vs conservatism              210  (1)
    17.3.10 Contract inspection                    210  (1)
    17.3.11 Works acceptance vs Site acceptance    211  (1)
    17.3.12 Project schedule                       211  (1)
  17.4 Looking beyond the specification            212  (4)
    17.4.1 Educating our masters                   212  (1)
    17.4.2 Legal advice                            212  (1)
    17.4.3 Commercial advice and instruction       213  (1)
    17.4.4 General Conditions of Contract          213  (1)
    17.4.5 Special Conditions of Contract          213  (1)
    17.4.6 Instructions to tenderers               214  (1)
    17.4.7 Partnering                              215  (1)
    17.4.8 Tender evaluation                       215  (1)
  17.5 Conclusion                                  216  (3)
References                                         219  (2)
Subject index                                      221  (4)
Contents of CD                                     225

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