mhp development refresher training

MHP Development Refresher Training SRSP – 2012 

For EU DELEGATION TO PAKISTAN By Nijaz Lukovac 

Oldest micro hydropower 

• What is important? • Essential: 

– Determining the available head – Determining locations of major structures (intake, sandtrap, 

headrace canal, forebay, penstock, powerhouse, tailrace) – Base for power calculations and cost estimate 

• Would be beneficial: – Surveying local maps at structures – longitudinal profile  – characteristic cross sections 

• Essential part would be necessary for ALL MHPs and the rest should be required at least for MHPs with P>100kW.  

Survey 

• Location and dimensions of main structures: – Intake  – Sandtrap (if any) – Canal (if any) – Forebay – Powerhouse 

• Available gross head • More detailed survey data should also provide (if possible): • More detailed maps around the structures • Longitudinal profile  • Several cross sections 

Survey 

Multiple frequency GPS 

“Traditional” methods of “quick” Survey 

• Dumpy levels and theodolite 

• Sighting meters • Water‐filled tube and 

pressure gauge • Water filled tube and 

rod • Spirit level and plank • Maps • Altimeters • Mountaineers' GPS 

Hydrology 

Hydrology • What is important? • Essential: 

– Determining the mean flow rate (discharge) = available water which is a “row material” for Hydropower generation. 

– Estimating flood discharge in order to safely place required structures 

– Base for power calculations and cost estimate • Would be beneficial: 

– Establishing water gauging station(s) – Determining flow rating curve(s) (FRC) – Determining flow duration curve (FDC) – Determining a flood hydrograph – Determining the duty flow and power‐available flow  

Hydrology 

• The major hydrological parameters needed for MHP installation include: 

• Mean flow estimation (QAV) • Time‐distribution of flows – “Flow Duration Curve” (FDC) 

• Depth‐flow relationship – “Flow Rating Curve” (FRC) 

• Flood water discharge – say “hundred‐year flood” (Q1/100) 

• Flood hydrograph (e.g. SCS Unit hydrograph)  

Hydrology • The major hydrological parameters needed for MHP 

installation include: • Mean flow estimation (QAV) • Time‐distribution of flows – “Flow Duration Curve” (FDC) • Depth‐flow relationship – “Flow Rating Curve” (FRC) • Flood water discharge – say “hundred‐year flood” (Q1/100) • Flood hydrograph (e.g. SCS Unit hydrograph) 

 V = p × AC (m3) QAV = ƞ×V/T 

qsp = a × AC+ b (l/s/km2)   

Hydrology ‐ Catchment 

Hydrology ‐ Parameters 

y = -0.0046x + 13.515R2 = 0.6196

10.5

11

11.5

12

12.5

13

13.5

0 100 200 300 400 500 600

qsp (l/s/km 2)

F sl (k

m2 )

Hydrology ‐ Parameters 

Hydrology ‐ Parameters • (E) QMAX = 124 ∙ AC / √ (10.4 + AC) • (E2) QMAX = a ∙ AC 0.75 ; (11<a<23) • (RM) Q = C ∙ i ∙ AC   (m3/s) • T = 0.27 AC

0,612 • (UH) Lag time is calculated from:  • The precipitation for a duration 

corresponding to catchment parameters • Catchment area • Catchment shape resulting in “lag time”  • SCS Curve number 

• TC = 5/3 LG  • TP = TC x (1 + TC)‐0.2 

NCA

G SLLCL

5.0

Hydrology ‐ Measurements 

• the bucket method, • the weir method, • stage control method, • the salt gulp method, • the float method, • current meters, • Automated measurements  

Q = A × V

mean (m

3 /s) 

Geology and Geomechanics • What is important? • Essential: 

– Determining the type of soil – Determining the type of the bedrock – Determining the depth of overburden – Look for actual or potential landslides and screes (sliding debris)  – Rough estimation of geotechnical parameters (bad, poor, fair, 

good, excellent) • Would be beneficial: 

– Making geological map of the area – Preparing characteristic geological profiles – Determining actual geotechnical parameters (c, ϕ, ϒ, etc.)  

Geology and Geomechanics 

Hydraulics • What is important? • Essential: 

– Performing steady state calculations for • Canals (headrace, tailrace) • Pipelines, penstocks 

– Hydraulic calculation at intake if any  – Hydraulic and settlement calculation at sandtrap if any – Hydraulic calculation at Forebay – Hydraulic calculation for spillways (at intake, sandtrap and forebay) – Hydraulic calculation for outlets (sandtrap, forebay) – Hydraulic calculation of the stilling basin (or apron) if any 

• Would be beneficial: – Performing unsteady (transient) computations 

• Channel unsteady flow • Penstock waterhammer 

Hydraulics ‐ pipelines • Continuity (mass conservation): 

Aivi = Constant • Bernoulli (energy conservation):   

 21

222

2

211

1 22 Hg

vg

pZg

vg

pZ

gv

DLfH f 2

2

3 643 Re101021105.5 Df

326.124 Dnf

Re = vD/ or ReR = vR/  R = D/4 is Hydraulic radius of the pipe. n is kinematic coefficient of fluid’s viscosity (for water: t = 20o  = 1.01x10‐6m2/s, and t = 10o  = 1.3x10‐6m2/s) 

Darcy Weisbach 

Moody: 

Pipe properties    Ductile iron  Steel  PVC  PE/GRP  AC Manning „n“  0.12  0.013  0.01  0.011  0.011 Hazen‐

Williams C  130  100  150  140  140 Roughness ε (mm) ‐ (Darcy‐Weisbach)  0.2591  0.04572  0.00152  0.00152  0.00152 Young 

Modulus E (MPa)  100000  207000  3300  1300/73500  24000 Coefficient of linear 

expansion  α (x10‐6)  11  12  54  140/5  8.1 Poisson ratio  0.25  0.3  0.45  0.45  0.3 

Pipe shell thickness • F = ½pD •  = ½pD/e  • For water =1000 kg/m3, bulk 

modulus K20108 N/m2, k=1011/E 

• For steel E201010 N/m2, k=0.5; D is pipeline diameter, e is pipe wall thickness.  

gavH 0

eDk

eED

K

a

50

1011 4

0T, =2L/a 

gTLvH 02

Hydraulics ‐ Canals 

SARn

Q 321

Open channel basics 

3

22

AgBQ

F WR

hc =[Q2/b2g]1/3 = (q2/g)1/3  

Hydraulics HEC‐RAS 

It is also important of correctly assess the depth of the flood flow in the river along our structures, as we do not want to allow the flood water to destroy them! 

Tyrolean intake 

Ehh

Ehh

crx 111 1

1

Eh

hcr

bz1

1 11

r = 0.4 to 0.7 – ratio of the intake breadth to river breadth   c = 0.45 – coefficient (0.4‐0.5 after Mostkov) – for longitudinal trash‐rack bars. h1=hCR – water depth at the beginning (for x = 0) h – Depth for which distance from the beginning is determined  E – Energy of the flow For all water to be taken in the depth at the end would be h=0. 

h

0.000

0.010

0.020

0.030

0.040

0.050

0.060

0.070

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18

Collection canal  xSS

QQvv

QQgvvQh f

01

2

21

211

Where S0 – bed slope,  Sf – energy slope 

0.000

0.050

0.100

0.150

0.200

0.250

0.300

0.350

0.400

0.450

0.500

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

hh+v2/2g

Start the computation at the canal’s end with critical depth and with very small x. Step can be increased as farther upstream.  hc =[Q2/b2g]1/3 = (q2/g)1/3  

Spillway on the sill (Q1/100) 

233

232 2 HBCHBgCQ

Discharge coefficient: C2=0.40 (0.385 to 0.5), or C3=1.77 B – Spillway breadth H – Spillway depth 

Stilling basin (Q1/100) 23

323

2 2 HBCHBgCQ

21

2

2

1 2 ygqyE

3

1

21

2 8112 gy

qyy

20

20

11 rFSS

xy

FrSS

dxdy ff

SARn

Q 321

hc  E 

252.4

252.6

252.8

253

253.2

253.4

253.6

253.8

254

0 2 4 6 8 10 12 14 16

kota dna

kota vode

D = y2  y0   L = K (y2  y1), where 4.5 < K < 5.5 for 10 > Fr1  3  

Settling basin  

d in mm 

      oC 

t     20  12  10  8  6 

A  m2  1.25  1.25  1.25  1.25  1.25 

Q  m3/s  0.37  0.37  0.37  0.37  0.37 

VAV  m/s  0.30  0.30  0.30  0.30  0.30 

d  mm  0.20  0.20  0.20  0.20  0.20 

vSET  m/s  0.033  0.026  0.025  0.024  0.022 

hAV  m  0.85  0.85  0.85  0.85  0.85 

L  m  11.20  11.20  11.20  11.20  11.20 

TSET  s  25.99  32.20  34.00  36.17  38.29 

t flow  s  37.84  37.84  37.84  37.84  37.84 

L = H1 ∙ (vT / vD) h/vD < L/vT 

d in m 

Silt outlet and Duty flow outlet   

gHACQ 2

Coefficient: C≈0.7 

DLf

c 1

yydy

cA

gaH

Ta

a

HH

y

HH

y

a

12

22

2

11

T = 2V/QMAX For constant area 

gv

DLfH f 2

2

326.124 Dnf

Spillway from settling basin  

gvv

LSShh f 29,0 21

012

27,023,008,0 22

2

22

BLhL

BLhm

2322 HLgmQ

Hydropower  P = ρ ∙ g ∙ Q ∙ H (W) P = 9.81∙Q∙H (kW) P ≈ 8 QHN to 8.5 QHN 

H (m) > 3000 / AC (km2) 

Hydropower  

This method can be used to best distribute HPPs in order to harness the most energy. Bu it can also be used to compare several alternatives and select the best, based on available energy! 

For annual precipitation of 1000 mm: 

DH (m) > 3 ∙ p (mm) / AC (km2) ∙ P (kW)/100 

MHP Cost estimates 

1982 ‐ Gordon HPP Cost Calculations in USD:  For P < 500 kW  S = 40 000 (25 000 to 70 000 depending on the site conditions)  

CMHP = S ∙ P(kW)0.7 ∙ Hm ‐0.35 + 106 ∙ 0.6 ∙ 10.7 ∙ (0.5 ∙ P(kW) / 1000) / Hm 0.3) 0.82  

Hydropower generation calculation 

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0.900

1.000

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Q (m

3 /s)

T (days)

Duration curve Q

Q (prirodno)

Q sr

Q min

Hydropower generation calculation 

70.0

80.0

90.0

100.0

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Hn

(m)

Q (m

3 /s)

T (days)

Durarion curves Q i H

Q (prirodno)

Q turbine

Hn (m)

Hydropower generation calculation 

0.0

30.0

60.0

90.0

120.0

150.0

180.0

210.0

240.0

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

P (k

W)

Q (m

3 /s)

T (days)

Duration curves Q i P

Q (prirodno)

Q turbine

P (kW)

P ≈ 8 QHN to 8.5 QHN 

Hydropower schemes 

Hydropower schemes 

It all boils down to: which one is easier and cheaper to build, based on site‐specific conditions!    

Hydropower structures – Intake examples 

Hydropower Uncontrolled Intake and Gabion Weir 

Hydropower structures – controlled intake Drawing 

Hydropower structures – controlled intake 

Hydropower structures – Side Intake Drawing 

Hydropower structures – Bottom Intake Drawing 

Hydropower Settling basin Drawing 

Hydropower structures Silt/sand trap 

Hydropower Canal Drawing 

Hydropower Forebay Drawing 

Hydropower structures ‐ Forebay 

Hydropower Forebay 

V = 120 Qi  

Hydropower Pipe material comparison 

Hydropower Penstock LP Drawing 

Hydropower Penstock supports and anchors 

Hydropower Penstock alignment problems 

Hydropower AB spacing 

Hydropower Penstock joints and supports 

Hydropower pipe placement 

Hydropower Penstock diameter Fahlbuch 1982 

DP = 0.52 ∙ Hi ‐0.17 ∙ (Pi / Hi) 0.43  

DPQ = 0.52 ∙ Hi ‐0.17 ∙ (8.5 ∙ Qi) 0.43 Morozov Approximate 

DP1 = (5.2 ∙ Qi3 / Hi) 1/7 

DP2 = 1.547 ∙ (Nh ∙ C1 / C2) 0.154 ∙ Qi 0.46;  Note: Does not depend on H Nh – number of annual working hours C1 – Cost of 1 kWh C2 – Cost of 1 m pipe Morozov “Exact” DP3 = ((0.2 ∙ σ ∙ Nh ∙ C1 ∙ Qi 

3) / (1000 ∙ C2 ∙ Hi)) 1 / 7  σ ‐ Allowable Stress (MPa) Nh – number of annual working hours C1 – Cost of 1 kWh C2 – Cost of 1 m pipe  Indian formula 

DPI = 3.55 ∙ (Qi 2 / (2 ∙ g ∙ Hi)) 0.25  

DP3 = ((0.2 ∙ σ ∙ Nh ∙ C1 ∙ Qi 3) /  

(1000 ∙ C2 ∙ Hi)) 1 / 7  

Hydropower Anchor Blocks 

pDN

4

2 R = 2 × N × sinα/2 

R = A × σSOIL  2 × N × sin α/2 = A × σSOIL 

NF

22sin σSOIL = 0,015 kN/cm2 

L = Lat.   = EL/L 

Hydropower Waterhammer 

gavH 0

eDk

eED

K

a

50

1011 4

0T, =2L/a 

gTLvH 02

Hydropower Powerhouse 

Hydropower Powerhouse Drawing 

Hydropower Powerhouse Facade 

Hydropower Powerhouse 

Hydropower Powerhouse 

Hydropower Powerhouse Action/Reaction Turbine 

Hydropower Powerhouse foundation 

Hydropower Powerhouse foundation 

Foundation 

Hydromechanical ‐ Trashrack 

Hydro‐mechanical ‐ Rake 

Hydro‐mechanical ‐ Gate 

Hydro‐mechanical ‐ Valve 

Hydro‐mechanical – Air‐Valve 

Hydro‐mechanical – Vessel 

Electromechanical: Reaction vs. Action Turbine 

EM Turbine selection charts 

Francis:   ns = ‐100∙ln(H) + 685 Kaplan:   ns = ‐210∙ln(H) + 1180 

EM Turbine selection charts 

EM Efficiency, Turbine diameter • Mosonyi 1959 • For Francis or Propeller •     DTR = 4.4 ∙ (Qi / NRPM) 1 / 3 • For Kaplan •     DTR = 4.57 ∙ (Qi / NRPM) 1 / 3 • For Pelton wheel • DTR = 38 ∙ √ (Hi) / NRPM • For Pelton jet •      DJ = 0.542 ∙ √ (Qi / Hi) • Propeller D=f (Qi, Hi, NS) • DTR = 7.1 ∙ √ (Qi) / (NS + 100) 1 / 3 * Hi 0.25; 

Mosonyi 1988 • Kaplan D=f(Qi, Hi, NS) • DTR = 7.375 ∙ √ (Qi) / (NS + 100) 1 / 3 * Hi 0.25; 

Mosonyi 1988 • Rotational speed: • NRPM = NS ∙ Him 5 / 4 / √ Pi (kW)  

EM Turbine Suction head • HATM = 10.33 ‐ 0.0012 ∙ HASL ‐ 0.23; At 

20oC • Francis • σ = 0.0316 ∙ (NS / 100) 2; Coefficient 

Novak = 0.432  • OR  • σ = (0.01 ∙ NS ‐ 0.54) 2 / 45 + 0.035 → 

Schapov  • HS = HATM ‐ σ ∙ Him ; Thoma • Kaplan (Moody) • σ = 1.1 ∙ (0.28 + 0.00152 ∙ (NS / 100)3); 

Note: Mosonyi 1959 0.00152‐>0.0024; or→0.000071* NS 1.43 

• HS = HATM ‐ σ ∙ Him; Thoma • Propeller (Moody) • σ = 0.28 + 0.00152 ∙ (NS / 100)3; Note: 

Mosonyi 1959 0.00152‐>0.0024; or→0.000071* NS 1.43 

• HS = HATM ‐ σ ∙ Him; Thoma 

Cavitation! 

For positive suction head the axis is  Above tail water, for negative it is below… 

Pump as Turbine 

Pump as Turbine 

T15, Crossflow 

Generators, Alternators 

Single line diagram, Transmission 

Switchgear, Automation 

EM Automation 1. Remote control Web navigator 2. SMS alarm system 3. Magelis XBT GT HMI 4. W@de W325 telemetry controller 5. GPC, synchroniser, protection & monitoring module 6. Instrumentation: flow, water level, pressure 7. Valves, gates, deflectors, injectors 8. Ventilation, bearing greasing system: TeSys U & TeSys T motor starters and Altivar drives 9. Auxiliaries, contactor and circuit breakers 10. W@de W310 standalone data acquisition module 11. Ositrack RFID module 12. Powerhouse webcam control 13. 2 Modbus ports for external devices 14. Generator excitation control 15. Step‐up transformer 16. LV or MV circuit breaker 

Lighting and Grounding 

Software • MS Office, advanced calculations (Excel), report writing (Word) and presentations (PowerPoint).  • Among them most commonly used, relatively user‐friendly and reasonably powerful are USACE 

programs from the HEC family. Most useful for MHP designs are: – HEC‐RAS (Hydraulics of open channels including steady and unsteady flow and sediment flow) – HEC‐HMS (Hydrology) 

• Also, useful free software is HY‐8 • Pipeline design can be done, for instance, with free Epanet program. • A number of commercial software solutions are also available: • For open channel: Mike 11 and SOBEK,  • For pipeline design: Bentley’s WaterCAD and WaterGEMS. For pipeline transient flow Hammer • Geotechnical software: Geo‐SLOPE or GEO5.  • Overall useful design tool: 

– ArcGIS.  – AutoCAD by Autodesk,  

• There is also HEC‐GeoRAS (free) that works seamlessly with ArcGIS (commercial).  • Then Digital Terrain Model (DTM) can be used to automatically load river profiles into hydraulic 

model.  • In similar way HEC‐RAS can be tied to AutoCAD by RiverCAD (low‐cost commercial program) and 

then geometrical data can be created in AutoCAD and hydraulics run either within RiverCAD or HEC‐RAS.  

Project design phases • “Proper” design for larger project would include: 

– Masterplan or a hydropower development study for a catchment or a stream 

– Conceptual design (prefeasibility study) – Preliminary design (feasibility study) – Tender documentation (sometimes done after the next phase) – Final or detailed design   – Construction drawings – As‐built documentation 

• However with MHPs it is often abbreviated to just: – Conceptual design (prefeasibility study) – Final or detailed design    

Drawings • An overview map (say scale 1:50000) showing position of the MHP (possibly also in 

relation to other MHPs in the vicinity) • Lay‐out (larger scale, say 1:1000) shoving spatial distribution of all the major 

components of the MHP  • Longitudinal profile (usually distorted scale, say 1:100/1000) • Normal cross section (1:100) • Characteristic cross sections (1:100) of the 

– Headrace  – Penstock – Tailrace 

• Drawings of the main structures including plan, sections and details: – Intake (with settling basin and stilling basin if any) – Forebay (with spillway and outlet) – Powerhouse (in addition to the above, the facades are usually shown as well) – Access roads (if any) – River diversion (if any) 

• As‐built documentation is then done during the course of construction by making notes and adjustments upon original final design drawings.  

Monitoring • An “ID Card” should be prepared for each MHP by SRSP. It should be a single A4 or 

A3 sheet containing (but not limited to) most important data (fields) such as: – Geographic coordinates – The name of the village, and the number of the households to be reached – The name of responsible engineer and LC representative in charge of O&M  – Basic MHP parameters (Q, H, P, E) – Main structures/equipment list (including turbine type and supplier) – Cost estimate – final cost (to be filled upon completion) – A photo of the site (geotagged)  – Remarks by SRSP supervising engineer – Remarks by the external supervision (Monitor) – Fields to place the signatures (and dates of signing) of the Engineer and SRSP supervisor, local 

representative and the Monitor. – SRSP should prepare a template sheet with inclusion of these fields (to be filled as the work 

progresses) and is free to add any additional data it finds important. – The ID card sheet will be accompanied by annexes in the course of construction, including 

justification made on site, recorded difficulties (if any), photos of construction phase, and photos of completed works that would include all the structures and equipment – thus making the file for each and every MHP in construction or completed. 

Monitoring