6.3 - OPERA DI PRESA DELL’ IMPIANTO CAPRIOLA

6.3 - OPERA DI PRESA DELL’ IMPIANTO CAPRIOLA

premessa

The Glossary of Hydropower Terms – (I) 1989 definisce l’opera di presa come “una struttura per deviare l’acqua in un condotto che la adduce alla centrale idroelettrica”. Seguendo invece le disposizioni del Comitato ASCE per le opere di presa degli impianti idroelettrici, la definizione di opera di presa viene ampliata: essa è una struttura per derivare l’acqua in una via d’acqua, senza specificare il tipo di via d’acqua (un canale o un tubo in pressione). Il termine bacino di carico è stato invece riservato a quelle opere di presa che adducono l’acqua direttamente alla turbina attraverso una condotta forzata.

L’opera di presa deve essere in grado di indirizzare nel canale di carico, o nella condotta forzata, la quantità d’acqua prevista, riducendo al minimo ogni impatto negativo sull’ambiente locale e con perdite di carico ridotte. La presa funge da elemento di transizione tra un corso d’acqua (dal rigagnolo al torrente impetuoso) ed il canale di derivazione, che convoglia una portata controllata sia in quantità sia in qualità. Il progetto della presa, basato su considerazioni geologiche, idrauliche, strutturali ed economiche richiede un’attenzione particolare per evitare problemi di manutenzione e d’esercizio, cui non è facile porre rimedio e che bisogna poi portarsi appresso per tutta la vita dell’impianto.

Nel progettare l’ opera di presa si sono tenuti presenti tre tipi di criteri di progettazione:

• criteri idraulici e strutturali, comuni a tutti i tipi di presa;

• criteri operativi, per esempio la percentuale di acqua derivata rispetto alla disponibile, la sgrigliatura, il dissabbiamento etc., che variano secondo il tipo di presa;

• criteri ambientali: barriere per impedire il passaggio di pesci, scale dei pesci, etc, che sono caratteristiche del singolo impianto.

6.3.1 - TIPI DI PRESA

La prima cosa che il progettista deve stabilire è il tipo di presa adatto all’impianto. Nonostante la notevole varietà delle prese esistenti, esse possono essere

in base ai seguenti criteri:

• la presa alimenta direttamente la condotta forzata (fig. 6.3.1.1): in questo caso si parla di bacino di carico, anche se, in verità, questo termine solitamente indica il manufatto posto alla fine del canale di adduzione;

figura 6.3.1.1

• la presa alimenta altre vie d’acqua a pelo libero (canali di carico, tunnel, etc.) che di solito terminano nel bacino di carico;

• l’impianto non è dotato di prese convenzionali, ma utilizza altri dispositivi (prese a sifone, a trappola, etc.).

6.3.2 - OPERE MOBILI DI SBARRAMENTO

Lo sbarramento è costituito da:

• Un’ opera rigida di sbarramento costituita da una traversa tracimabile di altezza fuori alveo di 2.50 metri con sommità a quota 353.45 mslm. Lo studio della traversa verrà approfondito nel paragrafo 6.4.

• Un’ opera mobile di sbarramento costituita da paratoie a sportelli in moduli indipendenti abbattibili. Un esempio di tale tipologia è rappresentato in figura 6.3.2.1 dove si riporta una paratoia a ventola o sportello tipo Aubert. Le paratoie sono poste sulla sommità della traversa e determinano un

livello di ritenuta massimo a quota 355.10 mslm. Esse si sviluppano fino alla quota di 355.20 con un relativo franco di 10 cm. Tali paratoie determinano uno specchio liquido con superficie di circa 10000 m2 _{e una}

profondità media, ad interrimento avvenuto, di 0.825 m per un volume invasato di circa 8250 mc.

figura 6.3.2.1

Tale tipologia di paratoie consente la gestione ottimale del livello di ritenuta e quindi del carico idraulico sulle soglie di sfioro verso la derivazione e verso la scala di risalita dei pesci. Esse non richiedono opere civili ausiliarie, quali torrette per gli organi di azionamento, hanno sicurezza e prontezza di funzionamento e richiedono una manutenzione minima. Inoltre non richiedono meccanismi di regolazione del grado di apertura (semplicemente possono essere o alzate o abbassate) poiché essendo costruite in moduli la regolazione di portata rilasciata è

regolazione mobili con il trasporto solido è in generale sempre problematica. Le paratoie possono interferire con il materiale in movimento sia tramite le loro superfici d’intercezione sia tramite gli organi di azionamento, ovviamente con un diverso grado di rischio in funzione della esposizione e della vulnerabilità. Nel caso delle paratoie a sportelli si ha:

• Elevata esposizione all’ azione del trasporto solido sia delle superfici di intercezione sia dei loro organi meccanici, a differenza di quello che accade per le paratoie piane o a settore.

• Di contro c’è la possibilità di utilizzare soluzioni che limitino la vulnerabilità sia delle superfici che degli organi meccanici. La natura stessa del funzionamento a sportello prevede il deflusso del materiale solido sopra la superficie abbattuta ed una eventuale interposizione di materiale non influisce sulle dinamiche di apertura e chiusura; un limite delle paratoie piane o a settore è invece quello di poter vedere compromessa la propria funzionalità da poche quantità di materiale dislocate nei punti critici quali meccanismi di sollevamento o guarnizioni di ritenuta. Nelle paratoie a sportello è la superficie stessa di ritenuta a proteggere abbattendosi i meccanismi di azionamento mentre le guarnizioni tra i singoli moduli e la cerniera di base sono

• In sostanza a fronte di un’esposizione maggiore si ha una sostanziale riduzione della vulnerabilità e quindi una complessiva riduzione del rischio. In conclusione la scelta delle paratoie a sportelli è motivata dalla possibilità di scegliere buone soluzioni di riduzione dei rischi legati al trasporto solido a fronte di una convenienza economica, costruttiva e gestionale senza paragoni.

Il programma di gestione delle paratoie prevede tre diversi assetti:

• portata in arrivo tra 0 e 6.500 mc/s . Paratoie alzate; livello di ritenuta funzione della portata in arrivo e massimo a quota 355.10 mslm; portata in parte derivata alla turbina e in parte rilasciata alla scala di risalita.

• portata in arrivo tra 6.500 e 30.000 mc/s. Paratoie in parte alzate ed in parte abbassate in funzione della diversa portata in arrivo; livello ritenuta pressoché costante a 355.10 mslm; portata derivata alla turbina pari alla massima di progetto, la restante parte è rilasciata alla scala di risalita e sfiorata dalle paratoie abbattute.

• portata in arrivo > 30.000 mc/s. Le paratoie sono tutte abbattute; si blocca il funzionamento dell’ impianto.

In figura 6.3.2.2 è rappresentato un recente brevetto americano della Obermeyer Hydro che prevede l’ utilizzo della tecnologia “ a gommone gonfiabile” supportata da adeguato rivestimento in pannelli incernierati mobili in acciaio. In questo brevetto il consueto gommone è sostituito da cuscini ad aria in materiale Kevlar Dupont come si evidenzia nell’ applicazione di figura 6.3.2.3.

figura 6.3.2.3

6.3.3

DISPOSIZIONE DELLA PRESA

La posizione della presa dipende da molti fattori tra cui le caratteristiche geotecniche

del sito, il tipo di materiali trasportati, i vincoli ambientali (specialmente quelli relativi all’ittiofauna), la formazione di ghiaccio e così via.

L’orientamento della presa rispetto alla corrente è un fattore cruciale per impedire l’accumulo di materiale sulla griglia, fonte di problemi di manutenzione e causa di fermo impianto.

La migliore disposizione è quella con l’asse maggiore della presa parallela allo scarico di superficie (figura 6.3.1) cosicché durante le piene la corrente trascina il materiale sullo scarico di superficie. È bene che la bocca di presa non sia collocata in una zona d’acqua morta lontana dallo scarico di superficie, perché i vortici e le correnti parassite, tipiche di queste zone, fanno accumulare materiale davanti alla bocca di presa. Se per qualsiasi ragione si debba disporre la presa

parallela allo scaricatore di superficie, è preferibile che sia vicino a quest’ultimo, in modo che l’operatore possa sospingere il materiale depositato nel filo della corrente che passa sopra lo scaricatore.

Le principali opere complementari della presa sono:

• una griglia per minimizzare l’ingresso nell’impianto di materiale grossolano; • un dissabbiatore per eliminare la frazione fine trasportata dal fiume (all’incirca fino 1 mm di diametro delle particelle);

• un sistema di sghiaiamento per allontanare tutto il materiale depositato a tergo delle griglie e del dissabbiatore (sabbia, ghiaia, ciottoli) con la minima perdita di acqua captata;

• uno scaricatore di superficie per smaltire le acque derivate in eccesso.

Sentite le indicazioni dell’ azienda produttrice delle turbine si ha: dimensione massima di un corpo che può attraversare la turbina 24 mm; dimensione minima del materiale fine che può provocare usura 1 mm. Nell’ impianto in studio si pensa di installare 2 griglie: una grossolana davanti alla bocca di presa ed una fine di passo 24 mm all’ inizio della vasca di carico. Si è inoltre dimensionato un dissabbiatore in grado di sedimentare le particelle di 1 mm. Riguardo agli ultimi due punti precedenti si fanno le seguenti considerazioni:

• Non si ritiene opportuno inserire dispositivi di sghiaiamento a fronte della bocca di presa poiché la soglia di presa è posta a quota superiore alla sommità della traversa; una volta abbattute le paratoie mobili si ha lo sfioro del materiale solido eventualmente depositatosi.

• Un eventuale dispositivo idraulico di allontanamento delle sabbie sedimentate richiederebbe costi ingenti poiché il dissabbiatore è interno al bacino creato dalla traversa con paratoie. Si opta per un sistema di pompe draganti.

• Per il motivo sopra esposto non è possibile prevedere uno scaricatore di superficie per le acque derivate in eccesso. Le quote di invaso e quelle di derivazione possono essere regolate con l’ apertura parziale di alcune delle paratoie mobili.

6.3.4

SOGLIA DI SFIORO

La soglia di sfioro è disposta a quota 354.62 con l’ asse maggiore parallelo alla linea delle paratoie mobili. Tale quota garantisce un franco di 117 cm rispetto alla sommità tracimabile della traversa e consente quindi di prevenire qualsiasi eventuale ingresso di materiale solido trasportato al fondo. La soglia è sagomata con profilo Creager avente coefficiente di efflusso µ = 0.48. Noto il carico H la larghezza è dimensionata di conseguenza come sotto esposto.

Dato:

H = 0.49 m . carico di monte sulla soglia

µ _{= 0.48 coefficiente di efflusso dello stramazzo Creager.} s

L = larghezza della soglia sfiorante. Fissata in 8 m. g = 9.81 _m/s2 Si ha: 834 . 5 H g 2 H L Q= µ ⋅ _s⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = mc/s

In accordo con la portata massima di progetto della turbina e pari a 5 mc/s.

6.3.5

CONTROLLO DEI SEDIMENTI

La vasca di sedimentazione è stata dimensionata con 2 metodi diversi applicati utilizzando un foglio di calcolo di Mathcad 11:

• Dimensionamento tramite il concetto di carico idraulico.

• Formula sperimentale di Eghiazaroff.

Entrambe le formule concordano nel dire che per sedimentare le particelle di 1 mm occorrono all’ incirca 25 m di vasca larga 4 m. In accordo con gli esempi di impianti già realizzati.

geometria vasca:

L := 23m lunghezza

H := 2.743m profondità acqua B := 4m larghezza

A := B L⋅ Area sezione vasca Q 6 m 3 s := portata V Q B H⋅ := V 0.547m s = velocità orizzontale Returb vturb 2 V2 + ⋅ ρd⋅ a µ

:= Returb = 314.673 numero di Reynolds

6.3.6 - DIMENSIONAMENTO VASCA DISSABBIATURA

diametro massimo particelle per prevenire usura: 1 mm

ρs 1500 kg m3

:= densità materiale in sospensione densità acqua

ρa 1000 kg m3

:=

d := 0.001m diametro particelle per verifica sedimentazione

Formula della sedimentazione in acqua ferma

La vasca è dimensionata confrontando il carico idraulico con la velocità di sedimentazione di un certo diametro perfissato.

viscosità dinamica a 0° C che sono le condizioni più gravose per la sedimentazione

µ 1.77 10⋅ − 3 N s⋅

m2

⋅ :=

Cd := 0.585 coefficiente di resistenza. Il suo valore dipende dal numero di Reynolds e quindi è calcolato iterativamente.

vturb 4⋅

(

)

L2 = 24.926 m L2 H V⋅

vturb w− :=

affinchè avvenga la sedimentazione si deve avere la lunghezza minima di: w 0.046m s = w V 5.7 2.3 1 m ⋅ ⋅H + :=

velocità di traslazione V, secondo Eghiazaroff, è data da:

La componente verticale della velocità di agitazione in seno ad una corrente con velocità orizzontale V 0.547m s = V Q B H⋅ :=

turbolenza del moto.

La vasca è dimensionata con una formula sperimentale che tiene di conto della

Formula sperimentale di Eghiazaroff

vp 0.106m s = vp 4⋅

(

)

La rimozione totale avviene fino a circa d = 0.005. tutte le particelle con vp>Ci sono rimosse.

carico idraulico Ci 0.065m s = Ci Q A := coeff di resistenza Cdn = 0.585 Cdn 24 Returb 3 Returb + + 0.34 :=

6.3.7

Una delle principali funzioni delle prese è di minimizzare l’ingresso del materiale trasportato dall’acqua in arrivo; a questo scopo all’ ingresso della vasca di carico di presa viene collocata una griglia per evitare appunto che corpi galleggianti possano entrare nell’impianto. La griglia è realizzata in più elementi costituiti da una serie di barre con spaziatura costante. Si ricordi che visto il rischio che il corso d’acqua durante la stagione delle piene, specie in autunno con la caduta delle foglie, possa trasportare grandi quantità di materiale, è stato installato a monte della griglia usuale, un griglione amovibile con barre spaziate di 150 mm e un carico necessario esiguo. Esso consente di migliorare l’efficienza dello sgrigliatore automatico a valle. Le griglie vengono realizzate con barre di acciaio inox; queste ultime possono essere facilmente costruite con diversi profili, nel nostro caso quello circolare, che consentono di conseguire minor insorgenza di fenomeni turbolenti e minori perdite di carico. La spaziatura ha una luce netta di 24 mm, come indicato dal costruttore della turbina. Questa è, infatti, la dimensione massima che può passare attraverso la girante senza alcun rischio di ostruzione. La griglia deve avere un’area netta, data dall’area totale meno l’ingombro frontale delle barre, tale che la velocità dell’acqua in griglia non superi 1 m/s per evitare il rischio di trascinamenti di materiale e per non aumentare eccessivamente le perdite di carico. Le griglie possono essere imbullonate al telaio di supporto con bulloni d’acciaio inox oppure alloggiate in fessure verticali, in modo da poter essere rimosse e sostituite con panconi quando sia necessario fermare l’impianto per manutenzioni o riparazioni. Nel calcolo statico di grandi griglie si deve ipotizzare che la griglia possa essere completamente intasata e quindi si deve calcolare la struttura di sostegno in modo che resista senza eccessive deformazioni ad un carico pari alla pressione totale dell’acqua esercitata sull’intera area della griglia.

La superficie totale della griglia sarà data dalla relazione: ) ( sen 1 1 V Q a a b K 1 S 1 α ⋅ ⋅ + ⋅ = dove:

S= area totale sommersa della griglia a= spazio tra le barre, 24 mm.

1

V = velocità di attraversamento, al max 1 m/s. Q= portata di calcolo, 6 mc/s.

1

K = coefficiente riferito al parziale intasamento della griglia: 0,2-0,3 in assenza di sgrigliatore automatico; 0,40-0,60 per sgrigliatori automatici con intervento temporizzato; 0,80-0,85 per sgrigliatori automatici con sensori differenziali di livello e temporizzatore.

α = angolo di inclinazione della griglia sull’orizzontale, pari a 80°. Si avrà dunque una superficie pari a circa 15.71 mq.

La perdita di carico attraverso la griglia è calcolata con la formula di Kirschmer, che è valida solo nel caso che la corrente sia perpendicolare alla griglia. Le perdite sono: ) ( sen g 2 Vo a b K h 3 2 4 2  ⋅ _⋅ ⋅ α     ⋅ = ∆ dove: h

∆ = perdita di carico in griglia misurata in metri di colonna d’acqua. a= spazio tra le barre

b= larghezza delle barre

Vo= velocità di ingresso, cioè a monte della griglia.

1

K = coefficiente di forma delle barre, 1.79 per sezioni circolari. Avremo i seguenti valori:

Portata (mc/s) Velocità (m/s) Perdita carico (m)

max: 6 0.427 0.04

media: 2.346 0.167 0.006

min: 0.400 0.028 trascurabile

Le perdite a griglia sporca sono di difficile valutazione; esistono dei coefficienti correttivi della perdita di carico che variano da 1.2 per griglie con apparecchi di pulizia automatici a 2-4 per griglie pulite a mano, si assume un fattore 2 di amplificazione del carico che porta il valore a griglia sporca, per la Qmax, a circa 11 cm.

La griglia è bene sia rimovibile in caso di riparazioni e di manutenzioni, oltreché dotata di sistemi di pulizia. L’ impianto non è presidiato e sarà quindi installato uno sgrigliatore automatico. Esso può essere progettato in modo da intervenire o ad intervalli di tempo prestabiliti o quando si verifica a cavallo della griglia una perdita

di carico superiore ad una soglia preimpostata. In questo secondo caso un sensore misura la perdita attraverso la griglia; quando un accumulo di materiale contro la griglia provoca un aumento della differenza di livello a cavallo della griglia, interviene lo sgrigliatore automatico.

Un tipo di sgrigliatore adottabile è rappresentato in figura 6.3.7.1 Una catena azionata oleodinamicamente fa passare dei denti metallici tra le barre della griglia. I denti, raggiunta la sommità della griglia, scaricano il materiale in un nastro trasportatore che automaticamente li allontana.

figura 6.3.7.1

Il bacino di carico è collocato alla fine del canale di carico. La sua progettazione, dal momento che deve alimentare direttamente la condotta forzata in pressione è soggetta a vincoli idraulici stringenti. Il progetto della camera di carico è diverso a seconda che essa sia parte di un impianto ad alta o a bassa caduta: in questi ultimi una progettazione idraulica accurata (solitamente più costosa di una scadente) ha senso, perché le perdite di carico alla presa sono confrontabili con il salto lordo.

Negli impianti ad alta caduta il valore dell’energia perduta alla presa è piccola rispetto al salto totale ed il costo di un aumento delle dimensioni del bacino di carico per ridurre la velocità è migliorare l’idraulica del sistema può essere non giustificato.

In un bacino di carico è bene distinguere i seguenti componenti:

• il profilo delle sponde e delle platee che adducono alla griglia, progettati in modo da minimizzare le perdite di carico;

• la transizione dalla sezione rettangolare in griglia alla sezione della condotta forzata;

• le pile di sostegno delle opere elettromeccaniche (griglie, sgrigliatori, paratoie, etc.);

• dispositivi per la soppressione dei vortici e per rendere uniforme il flusso in ingresso.

Il profilo di transizione influenza in modo decisivo l’efficienza del sistema. La velocità nel bacino di carico varia da 0,8-1,0 m/s davanti alla griglia fino a 3,0-5,0 m/s nella condotta. Un buon profilo garantisce un’accelerazione uniforme del flusso minimizzando le perdite di carico. Un’improvvisa accelerazione o decelerazione della corrente provoca turbolenza e la separazione della vena fluida, inoltre accresce le perdite di carico. Purtroppo un’accelerazione costante con piccole perdite di carico richiede una presa complessa costruttivamente e lunga, e perciò troppo costosa. Si deve quindi raggiungere un compromesso tra costo dell’opera e la sua efficienza. Le massime velocità ammissibili in condotta ne condizionano il diametro, mentre una velocità ragionevole della portata in ingresso alla griglia sarà il vincolo da rispettare per il dimensionamento della sezione rettangolare.

presa su bassi salti in modo da fissare delle linee guida nella selezione della geometria ottima del bacino di carico.

I risultati hanno dimostrato che il risparmio ottenuto con bacini più corti e compatti è superiore alle perdite in fase d’esercizio dovute alle maggiori perdite di carico. L’analisi costi/benefici suggerisce pertanto il progetto di un bacino compatto (è risultato che la lunghezza del bacino non pesi molto tra i fattori che determinano le perdite di carico totali) con zone di transizione composte da uno o due piani. Il coefficiente k di perdita di questo profilo è di 0,19. Le perdite di carico, in metri, nel bacino di carico sono date da:

g 2 V 19 . 0 h= ⋅ 2 _⋅ ∆

dove V è la velocità nella condotta (m/s).

Una buona camera di carico non deve solo minimizzare le perdite di carico, ma anche evitare lo sviluppo di vortici, poiché influenzano negativamente le prestazioni delle turbine, specialmente di quella a bulbo e a pozzo. Di fatto i vortici: • Generano condizioni di flusso non uniforme.

• Immettono aria nella corrente liquida con effetti dannosi sulle turbine: vibrazioni, cavitazione, carichi non equilibrati, etc.

• Aumentano le perdite di carico.

• Trascinano materiale dentro la camera di carico.

I criteri da seguire per evitare la formazione di vortici sono ben lungi dall’essere chiaramente definiti, e non esiste una singola formula che tenga adeguatamente conto dei possibili fattori che incidono sul fenomeno. Secondo il Comitato ASCE per le opere di presa degli impianti idroelettrici, quei fattori di disturbo che introducono non uniformità nelle velocità sono fonte di vortici. Tra questi ci sono: • Condizioni asimmetriche d’arrivo dell’acqua.

• Sommergenza insufficiente.

• Separazione della vena fluida e formazione di correnti parassite. • Velocità in arrivo superiori a 0,65 m/s.

• Bruschi cambi nella direzione del flusso.

La sommergenza insufficiente e l’asimmetria della corrente in arrivo sembrano essere le cause più comuni di formazione di vortici. Una configurazione asimmetrica genera più facilmente vortici di una simmetrica (figura 6.3.8.1.a e

6.3.8.1.b). Pertanto, se l’imbocco è sufficientemente profondo e la corrente è uniforme, viene ridotta la formazione di vortici.

Secondo gli studi condotti da Gulliver, Rindels e Liblom (1986) ai laboratori d’idraulica di St. Anthony Falls, i vortici non si formano se (figura 6.3.8.1.c):

S>0,7 D e NF = V _g⋅D < 0.5

Se, pur mettendo in pratica le raccomandazioni descritte sopra, si verifica la formazione di vortici alla messa in servizio dell’impianto e se non fosse possibile procedere ad un maggior scavo per aumentare la sommergenza dell’imbocco della condotta forzata o aumentare il diametro, la situazione può essere migliorata installando una zattera galleggiante che annulla il momento angolare della corrente sulla superficie dell’acqua (figura 6.3.8.1.d).