Uruchomiona w 1970 r. w ramach projektu kaskady dolnej Wisły. Zaprojektowana jako jeden z ośmiu elementów systemu stopni wodnych. Po upływie niemal połowy stulecia nadal stoi na Wiśle jako samodzielny obiekt- elektrownia wodna we Włocławku to wciąż największa przepływowa elektrownia wodna w Polsce.
Podstawowe parametry
Moc zainstalowana Elektrowni Wodnej we Włocławku wynosi 160.2 MW i jest to największa elektrownia przepływowa w Polsce. Termin “przepływowa” oznacza, że bazuje ona na energii przepływającego w danej chwili przez elektrownię strumienia wody, który napływając na łopaty turbin obraca je. Moment obrotowy przekazywany jest poprzez wał na generator synchroniczny, a ten z kolei przetwarza energię mechaniczną na energię elektryczną. We włocławskiej elektrowni pracuje 6 turbin Kaplana. Posiadają one po 4 łopaty, a średnica łopat wirnika ma długości 9 m. Turbiny tego typu mają możliwość zmiany kąta nachylenia łopat podczas pracy, pracują w osi pionowej, regulacja kąta ich nachylenia wpływa na wartość mocy hydrozespołu. “Hydrozespołem” natomiast nazywany jest element mechaniczny oraz napędzany przez niego element elektryczny.
Każda z turbin Kaplana zainstalowanych we włocławskiej elektrowni jest bezpośrednio sprzężona z generatorem synchronicznym na wale w osi pionowej tworząc razem 6 hydrozespołów o mocy znamionowej 26,7 MW każdy. Prędkość obrotowa turbiny i generatora jest jednakowa i wynosi 57,7 obr/min. Para hydrozespołów wraz z transformatorem blokowym tworzy tak zwany blok energetyczny. Schemat blokowy połączenia hydrozespołów przedstawiony jest na rysunku nr 2.
Przepustowość znamionowa każdej z turbin, czyli nominalna ilość wody przepływająca przez turbinę w jednostce czasu ma wartość 365 m3/s, co składa się na całkowity przełyk instalowany elektrowni równy 2100 m3/s. Dopuszczalny spad, czyli różnica między górnym (przed zaporą) a dolnym poziomem wody (za zaporą) waha się w granicach od 5,25 do 12,75 m. Spad znamionowy to 8,8 m. To oczywiste, że im wyższy spad tym większa wartość energii potencjalnej wody, a co za tym idzie więcej energii elektrycznej w etapie końcowym. Istnieją jednak pewne ograniczenia. Praca turbin przy zbyt dużym spadzie prowadzi do zjawiska kawitacji, czyli tworzenia się i zanikania pęcherzyków pary wodnej powodujących przyspieszenie procesu zużycia turbin. Oprócz tego wysokie spady stanowią duże zagrożenie dla środowiska naturalnego. Elektrownia pracuje w sposób ciągły – bez przerwy przez 365 dni w roku. Średnia roczna produkcja energii wynosi 739 GWh. Warto podkreślić, że jest to ekologicznie „czysta” energia, która nie powoduje zanieczyszczenia środowiska naturalnego, ponieważ jej produkcja (w odróżnieniu od energii z węgla) nie powoduje emisji spalin do atmosfery takich jak: dwutlenek węgla, tlenki siarki, tlenki azotów czy pyły. W Polsce w 2015 r. zawodowe elektrownie wodne wytworzyły 2261 GWh energii elektrycznej , co oznacza, że Elektrownia Włocławek miała znaczący około 30% wkład w krajową produkcję energii elektrycznej uzyskiwanej z wody .
Elementy składowe stopnia wodnego
Stopień wodny ulokowany na 675 km biegu Wisły składa się z zapory czołowej, jazu, elektrowni, śluzy żeglugowej, przepławki dla ryb, zbiornika zaporowego po stronie górnej Wisły.
Zaczynając od lewego brzegu mamy tu śluzę z awanportami, która umożliwia żeglugę jednostkom pływającym. Dalej, w kierunku prawego brzegu zlokalizowana jest elektrownia typu bezhalowego z 6 hydrozespołami. Obok niej jaz, czyli żelbetowa konstrukcja utrzymująca stały poziom wody po stronie wysokiej składająca się z 10 przęseł. W normalnych warunkach eksploatacyjnych jaz jest zamknięty. Otwiera się go, gdy przepływ Wisły jest większy niż przepustowość elektrowni (prowadzi to do zwiększenia poziomu wody po stronie górnej Wisły) lub w razie konieczności przepuszczania lodu przez stopień. Pomiędzy elektrownią a jazem znajduję się niedawno zmodernizowana przepławka typu szczelinowego, by ryby mogły swobodnie przemieszczać się w górę Wisły. Od prawego brzegu umiejscowiona jest w poprzek koryta rzeki ziemna zapora czołowa o długości 650 m, uformowana z piasku pobranego z koryta rzeki. Zbiornik zaporowy nazwany Jeziorem Włocławskim lub także Zalewem Włocławskim powstał w wyniku spiętrzenia wody do rzędnej 57,30 m n.p.m. Jest to największy pod względem powierzchni sztuczny zbiornikiem w Polsce (70,4km2, pojemność 408,4 mln m3 ). Pełni funkcję retencyjną (zabezpiecza przed powodzią w przypadku wezbrań Wisły), energetyczną oraz rekreacyjną. Malownicze krajobrazy Jeziora Włocławskiego doskonale zachęcają do uprawiania sportów wodnych, dlatego regularnie organizowane są tu ogólnopolskie regaty, a ostatnio nawet motorowodne mistrzostwa Europy (2015r.). Niewątpliwie, jest to jedno z bardziej urokliwych miejsc miasta.
W 2015 r. ukończono 2- letni remont generalny przeprowadzony w ramach projektu „Poprawa stanu technicznego i bezpieczeństwa powodziowego Stopnia Wodnego Włocławek”, polegający między innymi na rozbudowie automatycznego systemu pomiarowo-kontrolnego, remoncie jazu, śluzy z awanportami i przepławki dla ryb oraz ubezpieczeń skarpy odwodnej zapory czołowej.
Co dzieje się z wytwarzaną energią i od czego zależy jej ilość?
Źródłem energii elektrycznej jest generator synchroniczny wprawiany w ruch obrotowy przez turbinę wodną. Chłodzenie generatora odbywa się za pomocą powietrza. Wzbudzenie generatora następuje poprzez zasilenie go prądem o napięciu 240 V pochodzącym z tak zwanych szaf wzbudzenia. Jest to układ wzbudzenia statycznego, ponieważ zasilane są szczotki (część nieruchoma generatora). Pierścienie (część ruchoma) stykające się ze szczotkami zwierają obwód elektryczny i przekazują napięcie na uzwojenie wzbudzenia wirnika generatora. Pod wpływem stałych obrotów wirnika generatora i zasilania go prądem stałym w uzwojeniu stojana zaindukuje się napięcie trójfazowe o wartości 10,5 kV. Wytworzony prąd przechodzi mostami szynowymi przez rozdzielnie wewnętrzną elektrowni, a następnie za pomocą 3 transformatorów blokowych podwyższających napięcie z 10,5 kV na 110 kV przesyłany jest poprzez elektroenergetyczne linie napowietrzne do rozdzielni Włocławek Wschód połączonej z Krajowym Systemem Elektroenergetycznym. Część wytwarzanej energii elektrycznej zużywana jest na potrzeby własne do tego celu służy transformator potrzeb własnych 10,5/0,4 kV. Obiekt jest w stanie pracować z nominalną mocą 24 h na dobę, jednak ograniczenie stanowi wielkość przepływu Wisły. Jeżeli ilość wody nie jest odpowiednio duża to uruchomienie wszystkich hydrozespołów prowadzi do osadzania się wody w korycie, dlatego w takiej sytuacji konieczne są przestoje w pracy poszczególnych turbin. Jeśli natomiast przepływ Wisły jest większy od dopuszczalnej przepustowości elektrowni, to nadmiar ten przepuszczany jest górą przez jazy w celu utrzymania stałego poziomu wody po stronie górnej. W tym przypadku należy także zadbać o to, by hydrozespół pomimo dużej ilości czynnika napędzającego nadal obracał się ze stałą prędkością. Realizuje się to poprzez zastosowanie regulatorów napięć i regulatorów obrotów. Regulacja mocy poszczególnych hydrozespołów odbywa się poprzez zmianę kąta nachylenia łopat aparatu kierowniczego. Aparat ten jest niezwykle istotny, ponieważ pozycja ułożenia jego łopat decyduje o zamknięciu (łopaty w pozycji pionowej- zatrzymanie) lub otwarciu (uruchamianiu) danego hydrozespołu. Sterowanie tym układem oraz pozostałymi elementami znajdującymi się w elektrowni (np. transformatory blokowe, pompy olejowe, pompy wody technicznej) odbywa się zdalnie w nowoczesnym stanowisku operatorowym, znajdującym się na górze elektrowni, poprzez program komputerowy obsługiwany przez pracownika monitorującego na bieżąco pracę tych urządzeń.
Zmiany w sposobie eksploatacji oraz zarządzanie obiektem
Kilkanaście lat wstecz elektrownia pracowała w trybie podszczytowym i interwencyjnym (w sposób nieciągły). W nocy, czyli w godzinach najmniejszego zapotrzebowania na energię elektryczną, produkcję ograniczało się do pracy z minimalnym przepływem. W tym czasie woda była zbierana na poziomie górnej Wisły. W czasie zwiększonego zapotrzebowania, tak zwanych „szczytów”, następował zrzut nagromadzonej wody, a elektrownia pracowała wtedy z maksymalną mocą. Badania wykazały, że nieregularne, nagłe zrzuty tak ogromnej masy wody do stanowiska dolnego stopnia oraz brak budowy zaplanowanego stopnia poniżej, są przyczyną przyspieszonej erozji koryta Wisły i transportu porwanego stąd rumowiska na dalsze odcinki. Zaprzestano więc tego typu działań i aktualnie już od 15 lat włocławska elektrownia pracuje jedynie w trybie przepływowym, wykorzystując przepływ jakim w danej chwili dysponuje naturalny czynnik roboczy, czyli Wisła.
Od strony zarządzania za Elektrownię Włocławek odpowiedzialna jest grupa ENERGA, a dokładniej spółka ENERGA Wytwarzanie SA. Za pozostałe elementy stopnia odpowiada Regionalny Zarząd Gospodarki Wodnej Warszawa. Instytucje te współpracują ze sobą ze względu na położenie w jednym obiekcie. Pozostałe jednostki podlegające pod spółkę ENERGA Wytwarzanie to elektrownia szczytowo-pompowa Żydowo, 45 małych elektrowni wodnych (MEW) o łącznej mocy 42,36 MW, 4 farmy wiatrowe (łącznie 185 MW) oraz 2 instalacje fotowoltaiczne, w tym największa w Polsce w gminie Czernikowo pod Toruniem o mocy 3,77 MW. Niestety nadal brakuje wsparcia w postaci kolejnych stopni wodnych, które odciążyłyby włocławską zaporę. Mogłaby wtedy pracować znacznie efektywniej i być eksploatowana w taki sposób, jaki pierwotnie zakładano podczas jej projektowania. Aktualnie trwa zbiórka podpisów w sprawie poparcia budowy kolejnych elementów kaskady. Organizatorzy tej akcji zapewniają, że przyczyni się to do poprawy bezpieczeństwa energetycznego i przeciwpowodziowego. Budowa nowego stopnia wodnego uzyskała poparcie ministra środowiska, wojewody kujawsko-pomorskiego oraz marszałka województwa kujawsko-pomorskiego.
Podsumowując, należy podkreślić fakt, że analizy wykonane w latach 70. wykazały, iż włocławska elektrownia wodna, poprzez produkcję energii spłaciła koszty swej budowy w okresie 5,5 roku. Warto więc inwestować w kolejne elektrownie tego typu, korzystając w ten sposób z naturalnych, wodnych źródeł energii.
Ciekawostki
Z wodowskazów umiejscowionych na odcinkach Wisły poniżej Włocławka odczytywana jest ilość przepływającej wody. Na tej podstawie tworzy się krzywą uporządkowanych przepływów oraz krzywą spadów dla danych przepływów. W ten sposób prognozuje się dokładny harmonogram pracy elektrowni na kolejny dzień. Moc jaką w danej chwili będzie dysponować elektrownia jest proporcjonalna do objętościowego natężenia przepływu oraz wysokości spadu. Oblicza się ją ze wzoru:
Nel=Q*H*9,81 [kW] gdzie:
Nel–moc elektrowni [kW], Q-przepływ elektrowni [m3/s], H-spad [m], 9,81– wartość przyspieszenia ziemskiego [m/s2]
Dane te są przekazywane do Centralnej Dyspozycji Mocy. Możliwość sporządzenia harmonogramu pracy z tak dużą dokładnością jest niewątpliwie ogromną zaletą tego typu elektrowni.
Autor: Konrad Majewski
