نیروگاه آبی چیست

پس از بررسی نیروگاه های متنوع نظیر؛ سیکل ترکیبی، هسته ای، بادی و انبساطی حال نوبت به نیروگاه آبی رسیده است که در این پست قرار هست به بررسی دقیق و جامع آن بپردازیم، پس با ما همراه باشید تا با هم ببینیم نیروگاه آبی چیست و چگونه کار می کند و در این زمینه از ابتدایی ترین مسائل شروع خواهیم کرد و در نهایت در اوج مطالب تخصصی بررسی را به اتمام برسانیم.

پس کمردبندهاتون رو محکم ببندید! و مثل همیشه آماده باشید برای دیدن ویدیوی ویژه، که توسط تیم PowerEn ترجمه و زیرنویس فارسی شده تا شما با یک گرافیک جذاب و کوتاه با نحوه عملکرد نیروگاه آبی آشنا شوید

نیروگاه های آبی برای تولید برق از نیروی جاذبه ی زمین و نیروی خورشید به کار می روند. آب در اثر گرمای محیط که عمده ترین علت آن خورشید است بخار می شود و در اتمسفر صعود می کند. سپس به صورت باران و برف فرو ریخته می شود. آبی که روی ارتفاعات ریخته و به صورت نهر های کوچک و پس از آن رود های بزرگ تر جاری می شود و آن گاه پس از طی نمودن مقداری از مسیر انرژی پتانسیل گرانشی آن به انرژی جنبشی تبدیل می شود.

در نیروگاه های آبی یا حالت بالا به صورت طبیعی وجود دارد یا اینکه با ایجاد سد و تجمع آب و افزایش ارتفاع آن پشت سد حالت بالا را ایجاد می کنیم نیاز برای انرژی برق در روز تغییر می کند، برای مثال وقتی یک برنامه ی تلویزیونی معروف به پایان می رسد نیاز به برق شدیداً تغییر می کند. نیاز به انرژی در هفته ها و فصل ها نیز متغیر است. همین طور در روز های تعطیل و روز های کاری مصرف و تولید انرژی نسبت هم نوسانات زیادی دارند.

مشکل این است که عمده ی توان مصرفی توسط نیروگاه های با سوخت فسیلی تولید می شود که نیم ساعت یا بیشتر طول می کشد که به حداکثر ظرفیت خود برسند. این زمان در مورد نیروگاه های هسته ای بیشتر هم هست. ما به چیزی نیاز داریم که بتواند فوراً از صفر به حداکثر ظرفیت تولید انرژی برسد، و بتواند حدود نیم ساعت کار کند تا نیروگاه های دیگر به سطح دلخواه تولید انرژی برسند.

به منظور تولید برق، از حجم عظیمی از آب در جایی كه آب های جاری از سطوح بالاتر به سطوح پایین تر، از میان یك توربین عبور می كنند، استفاده می شود.آب ناشی از بارندگی در دریاچه های پشت سد، در ارتفاعات بلند، جمع آوری می شوند. پس از تولید، آب به درون رودخانه كشیده شده و به آرامی حركت می كند تا بالاخره به دریا برسد. چرخ های آبی آنها بسیار سنگین و كند بوده و بازدهی ناچیزی داشتند.

توربین های هیدرولیكی در آغاز قرن 19 گسترش یافتند.

آب مورد استفاده در یك فصل، توسط طبیعت در فصل بعدی دوباره وارد چرخه می شود.آب خودش تا محل نیروگاه می آید یعنی هیچ عملیات بهره برداری و جابجایی سوخت (بنزین یا گاز) را شامل نمی شود. می توان آن را برای استفاده هایی نظیر نوشیدن یا آبیاری، دوباره هدایت كرد.نیروگاه های آبی راندمان بسیار بالایی (در حدود 80%) دارد كه بسیار بالاتر از نیروگاه های حرارتی است.

نیروگاه های آبی عمر بسیار طولانی (در حدود 50 سال) دارند كه قابل مقایسه با نیروگاه های حرارتی است.

حفاظت از آنها در مقایسه با نیروگاه های حرارتی آسان و بسیار كم خرج است. Start و Shutdown نیروگاه های آبی سریع است. هزینه تولید برق بسیار كم است. (تنها هزینه عملكرد و حفاظت هزینه بر است) درصد خاموشی های ناشی از نیروگاه های آبی بسیار كم بوده و بنابراین قابلیت اطمینان بالایی دارند.سیل توسط ذخیره سازی دریاچه ای كه پشت سد در نظر گرفته شده، كنترل می شود.تغییر پذیری بالا در ساخت و كنترل و… نیز ممكن است.

بخش های اصلی نیروگاه برق ـ آبی

تجهیزات نیروگاه

• جرثقیل ها
• دریچه های انسداد لوله مكش
• مشخصات شیرهای ورودی
• توربین ها
• سیستم گاورنر
• ژنراتور
• یكسو كننده
• تجهیزات میدان
• شینه های حفاظ دار
• كلیدها
• تجهیزات برقگیر
• ترانس ها
• سیستم كنترل نیروگاه
• سیستم جریان مستقیم (DC) و تغذیه غیر قابل قطع (UPS) نیروگاه
• سیستم جریان متناوب (AC) نیروگاه
• ترانسفورماتور اصلی

انتخاب مکان مناسب برای نیروگاه آبی

1. در دسترس بودن آب
2. ذخیره سازی آب
3. میزان بالا بودن آب
4. مسافت از محل تولید توان تا مراكز استفاده بار
5. عملكرد سایت

فاكتورهای محیطی ـ اجتماعی (در محل زندگی انسان های آن منطقه كمترین تاثیر را داشته باشد، زیر آب نرفتن زمین های حاصلخیز، زلزله خیز نبودن محیط و…)

انواع طبقه بندی در نیروگاه آبی

طبقه بندی نیروگاه های آبی براساس خصوصیات هیدرولیكی

• نیروگاه های آبی قراردادی
• نیروگاه های Pumped storage
• نیروگاه های Tidal power كشنده توان
• نیروگاه های Depression power

 طبقه بندی نیروگاه های آبی براساس عملكرد (Base or Peak)

peak load plant: معمولا هنگام صحبت در مورد توان هیدرولیكی عملكرد peak load كامل مناسب است، همچنین قابلیت پرداختن به این موضوع كه خودش starting سریع دارد و دارای سهولت نسبی در بالا بردن باراست.

 طبقه بندی نیروگاه های آبی بر اساس گنجایش نیروگاه

 روش های دیگر طبقه بندی نیروگاه های آبی

• طبقه بندی بر اساس Storage (ذخیره سازی) و poundage
• طبقه بندی بر اساس موقعیت و توپوگرافی
• طبقه بندی بر اساس خصوصیات ساختاری

طبقه بندی هیدروتوربین ها (توربین های مختص نیروگاه آبی)

impulse (ضربه ای): شكل فوران مانند، فشار، تمام انرژی را به انرژی جنبشی تبدیل می كند. فوران از رشته فرورفتگی های پروانه توربین به كار برده شده در پیرامون چرخ وارد می شوند. علت تاثیر، گردانه توربین آبی است كه چرخانده می شود.

reaction (واکنشی): بر اساس بازگشت واكنش كار می كند. آب در فشار بالا و حجم پائین به توربین وارد شده، قسمتی از چنین فشار انرژی به انرژی جنبشی تبدیل و سپس آب به گردانه توربین آبی وارد و انرژی فشار متعاقبا به انرژی جنبشی تبدیل می شود. آب جریان یافته در میان گردانه ی توربین، یك واكنش را بر روی پره گردانه به وجود آورده و گردانه را می چرخاند.

امروزه، مقدار واحدهای آبی تولید شده بیش از 250MW است كه با افزایش این مقدار برخی نقص ها مانند موارد زیر ظاهر می شوند؛

• كاهش گرما افزایش یافته و ظرفیت سرمای بیشتری باید تامین شود.
• ارتعاشات به طور مشابه افزایش یافته و ساختارهای ایمنی باید خیلی نیرومندتر شوند.
• تحمل رانش باید مخصوصا برای وظایف سنگین طراحی شده باشد و باید راندمان بالای سرد شدن فراهم شود.
• ماشین ها برای خروجی مشابه، كوچكتر شده اند، گنجایش ذخیره انرژی كمتری موجود است كه جوابگوی نوسانات بار است.

توربین

توربین یك سیستم مكانیكی است كه انرژی پتانسیل آب را به انرژی مانیكی تبدیل می كند. مقدار انرژی تولید شده به پارامترهایی از قبیل هد، دبی و مقدار تلفات نشتی بستگی دارد.

توربینهای آبی، معمولا” به 3 دسته كلی پلتون، فرانسیس و كاپلان تقسیم می‌گردند كه در هر نیروگاه متناسب با هد و دبی آب، توربین متناسب با آن، انتخاب می‌گردد.در بسیاری از نیروگاههای بزرگ و متوسط ایران از توربین نوع فرانسیس عمودی استفاده شده است.

بطور مثال، توربین‎های نیروگاه كارون یك، دز، كارون 3 و كرخه، از نوع فرانسیس، عكس‎العملی و با محور عمودی می‎باشند كه كاملاً در آب غوطه‎ور هستند. آب باعث ایجاد كوپل چرخشی در توربین می‎شود.

هر توربین شامل اجزاء زیر است: محفظه حلزونـی (Spiral Case)، حلقه ثابت (Stay ring)، پره‎های تنظیم‎كننده جریان آب (Wicket gate)، رانر (Runner)و درافت تیوب(Draft tube).

آب وارد محفظه حلزونی شده و پس از عبور از پره‎های ثابت و پره‎های ویكت گیت، با برخورد به رانر، آن را به چرخش درآورده و سپس از طریق درافت تیوب و تونل پایاب (Tail race)خارج می‎شود. بمنظور جدا كردن درافت تیوب از آب پایاب، در مواقع لازم (برای تخلیه آب درافت تیوب)،در بعضی از طرحها، از استاپ لاگ (دریچه) (Stop-Log) در انتهای درفت تیوپ استفاده می‌شود. دبی آب توربین توسط باز و بسته شدن پره‎های ویكت گیت‎ كنترل می‎شود. گاورنر (Governor) از این طریق (با تغییر باز شدگی دریچه‌های ویكت گیت)، قدرت خروجی و سرعت توربیـن را كنترل می‎كند. در بالا دست محفظه حلزونی، شیرپروانه‎ای (Butterfly Valve) قرار دارد كه در مواقع عادی و اضطـراری برای توقـف جریان آب از آن استفاده می‎گردد. باید توجه كرد كه شیرپروانه‌ای برای كنترل دبی آب استفاده نمی‌شود و همواره یا كاملا” باز است و یا كاملا” بسته.

بطور مثال نیروگاه كارون یك، دارای چهار واحد با محور عمودی است. هر دو توربین دارای یك ورودی و پنستاك هستند كه هر پنستاك به دو قسمت تقسیم شـده و هر قسمت آن به یك محفظه حلزونی متصل شده است. با هد خالص 160.4m و دبی 171m3/sec قدرت واحد، حدود 254MW و راندمان آن حدود 94.5% می‌باشد.

توربین فرانسیس

توربین فرانسیس (Francis) توسط James B. Francis اختراع شد. این توربین یک توربین عکس‌العملی با جریان داخل‌شونده (Inward Flow) است که از مفاهیم جریان محوری (Axial) و گردشی (Radial) بهره می‌برد.

این توربین پرکاربردترین توربین است. این توربین از نوع عکس‌العملی بوده و به همین دلیل در یک سوی آن آب پرفشار و در سوی دیگر آب خروجی کم فشار وجود دارد.

ورودی شکل حلزونی دارد و این ساختار به کمک دریچه‌های هدایت کننده) Wicket Gates or Guide Vanes) باعث می‌شوند آب مماس وار (tangentially) به رانر برخورد کند و رانر به چرخش درآید. هرچه آب بیشتر به دور توربین می‌چرخد شعاع مجرای آن کمتر می‌شود که در نتیجه آب سرعت از دست رفته خود را احیا می‌کند. در نهایت آب خروجی دارای حداقل انرژی جنبشی و پتانسیل است.

هزینه طراحی، ساخت و نصب توربین‌های فرانسیس بسیار زیاد است اما برای سالیان متمادی کار می‌کنند.

 کنترل دور توربین فرانسیس

توربین های ﺁبی مورد استفاده در ایران از نوع فرانسیس هستند. قدرت خروجی این توربین ها را می توان با کنترل دبی جریان ﺁب ورودی به توربین کنترل کرد. در توربین فرانسیس، برای کنترل دبی جریان از پرده های متحرک معروف به پره های هادی استفاده می شود. تعداد این پره ها تابع سرعت ویژه توربین است که بر مبنای ملاحظات ارتعاشات مکانیکی و هیدرودینامیکی توربین انتخاب می شود. پره های هادی هر کدام حول یک محور قائم می توانند بچرخند و مرکز دوران تک تک پره ها روی یک دایره فرضی قرار دارد. حرکت پره ها همزمان انجام می شود. پره های هادی توسط بازوهایی به یک حلقه بزرگ متصل هستند. این حلقه خود به میل پیستون های سروموتور وصل شده است. میزان جابجایی میل پیستون ها سروموتورها توسط گاورنر کنترل می گردد.

 گشتاور و سرعت توربین آبی

قدرت خروجی توربین آبی که از راه محور به ژنراتور منتقل می شود، تابعی از سرعت توربین و میزان گشودگی پره های هادی است. این تابع را میتوان برای تغییرات آرام پره ها (مشخصه های استاتیک) بدست آورد. اما اگر تغییرات سرعت و یا تنظیم پره ها سریع باشد، روندهای گذرائی روی می دهد که باید از روی مشخصه های دینامیک بدست آیند. اختلاف بین مشخصه های دینامیک و استاتیک در وهله اول به این واقعیت مربوط است که جابجائی سریع پره های توربین فرانسیس منجر به تولید امواج فشاری معروف به ضربه قوچ می شود.

بنابه این دلیل تغییرات گشتاور و قدرت تولیدی توربین از تغییرات سریع زاویه پره های هادی تبعیت نمی کند و به واسطه حظور جریان آب، رفتارهای دیگری از توربین و ژنراتور سر می زند که در حالت آرام تنظیم پره های هادی دیده نمی شود. به دلایل فوق، برای مطالعه عملکرد گذرای توربین، لازم است که رفتار آبراهه توربین، رفتار الکتریکی ژنراتور و اینرسی توربین وژنراتور بررسی شوند. به علاوه اگر ژنراتور به شبکه بزرگی متصل باشد، رفتار شبکه نیز بر روی عملکرد توربین اثر می گذارد.

با بسته شدن سریع پره های هادی بجای کاهش قدرت توربین نوعی افزایش دیده می شود. بعد از گذشت مدتی، قدرت توربین افت کرده و از تنظیم جدید پره های هادی تبعیت می کند. همچنین دیده می شود تغییر قدرت الکتریکی ژنراتور نسبت به تغییر قدرت توربین، تاخیر زمانی دارد. این رفتار به هنگام تغییر سریع گشتاور روی می دهد، چون افزایش قدرت توربین نه تنها صرف افزایش قدرت الکتریکی ژنراتور،بلکه باعث شتاب دادن به روتور آن نیز می شود.

كنترل دور توربین آبی

تنظیم كننده ها به منظور تنظیم سرعت و خروجی توربین ژنراتور طراحی می گردنند این كار را با تنظیم نمودن دریچه های حلقه ای و تنظیم جریان اب از توربین انجام می دهند تنظیم كننده توربین كاپلان زاویه تیغه توربین را برای بیشترین ضریب راندمان تنظیم می كند تنظیم كننده واحد های بزرگ دارای عناصر حساس به توان و سرعت هستند تنظیم كننده های تغیرات بار را احساس كرده و به منظور حفظ توازن دریجه سد را حركت می دهند اگر توربین ژنراتور كوچك در مقایسه با نیروگاه كوچك باشند با تغییر موقعیت دریجه و پره های توربین می توان كنترل های لازم را انجام داد.

اگر بار سیستم افزایش یابد دیگر ژنراتور قادر به تامین بار با جریان ورودی نخواهد بود سرعت سنج ژنراتور كه بر روی محور ان نصب شده پیغامی به سنسور سرعت توربین مبنی بر اینكه سرعت چرخش كم است می فرستد با در یافت این پیغام سیستم به منظور افزایش سرعت جریان ورودی به توربین را به صورت خودكار افزایش خواهد داد با دریجه بازتر آب بیشتری به توربین خواهد رسید وارد می شود و انرژی بیشتری تولید خواهد شود زمانی كه بار كاهش پیدا می كند این فرآیند منجر به بسته شدن دریچه حلقه خواهد شد بدین ترتیب جریان ورودی كاهش می یابد.

اكثر ژنراتورها به شبكه سراسری متصل هستند و چون تنظیم كننده آن ها به تغییرات بار حساس است باید بین تمام ژنراتور ها انطباق زمانی وجود داشته باشد تا اصلاح بار به یك ژنراتور فشار وارد نكند و تمام ژنراتور ها در اصلاح بار نقش داشته باشند این عمل را كنترل اتوماتیك ژنراتور یا AGC می نامند در سیستم های مجزا تنظیم كننده ها به تنهای تغییرات بار را انجام می دهند در شبكه های بزرگ دامنه نواسانات خیلی زیاد است و معمولا حساسیت تنظیم كننده های میكانیكی خیلی پایین در این حالت كنترل تنظیم كننده ها روی اصلاح بار خیلی پایین می باشد در این حالت تجهیزات كنترل اتوماتیك كه سیستم را پیوسته پالایش می كنند بكار گرفته می شوند این وسایل باید یك سیستم پایدار ایجاد كنند.

 تجهیزات مكانیكی نیروگاه

برای طراحی قسمتهای مختلف برقی و کنترلی یک نیروگاه آبی، لازم است تا با تجهیزات مکانیکی نیروگاه نیز آشنا باشیم و دید صحیحی نسبت به عملکرد آنها داشته باشیم. برای این کار در ادامه قسمتهای مختلف تجهیزات مکانیکی نیروگاه را فقط معرفی می کنیم.

محفظه حلزونی (Spiral Case)

حلزونی محفظه ای است اطراف توربین كه از ورق فولادی جوش داده شده ساخته می شود. محفظه حلزونی به رینگ ثابت جوش داده می شود.

هد كاور (درپوش توربین) (Head Cover)

هـد كاور یك قطعه فلـزی است كه اجزایی مثل پره‎های تنظیـم‎كننده، یاتاقان هـادی، اتصالات سروموتور و بعضـی ازلوله‎هـا و تجهیـزات به آن متصل شـده‎اند. آبهـای ناشی از نشتی، توسط سیستم تخلیه كه شامل یك پمپ و یـك اژكتور است تخلیه می‎شوند.

پره های تنظیم كننده (پره‌های هادی) (Wicket Gate)

از این پره‎ها، برای كنترل دبی آب توربین استفــاده می‌شود. جنس آنها از فـولاد زنگ نـزن است.

سروموتور (Servomotor)

دو عـدد سـروموتور برای باز و بسته كردن پره‎هـای هادی به طور همزمان پیش‎بینی می‌شود. آنها این توانایی را دارند كه تحت هر شـرایطی گشتاور پیچشی لازم بــرای باز/بسته شدن پره‎های هادی را فراهم نمایند.

مكانیزم عمل كننده (Operating Mechanism)

مكانیزم عمل‎كننده یك حلقه فولادی است كه در بالای هد كاور قرار دارد و به دو سـروموتور و پره‎های تنظیم‎كننده متصل شده است. حركت سروموتورها از طریـق این مكانیزم به پره‎های تنظیم‎كننده منتقل مـی‎شود

پوشش محفظه توربین (Pit Liner)

محفظه بتونی توربین مجهز به یك لایه پوششی پولادی است كه برای استحكام اتصال آن، از مهار فولادی در بتون استفاده شده است. رینگ ثابت جزئی از توربین است كه نیروی توربیـن و ژنـراتور را به پایه بتونی منتقل می‎كند و از ورق جوش‎كاری شده ساخته می‎شــود كه شامل رینگهای بالا و پائین است كه بین آنها پره‎هـای ثابت قرار دارند. این پـره‎ها جهت هدایت آب بداخل رانر از طریق پره‎های تنظیم‎كننده مورد استفاده قرار می گیرند.

هد توربینهای ﺁبی

در نیروگاههای ﺁبی، ﺁب در مخازنی پشت سدها ذخیره می گردد و این مخزن نسبت به سطح توربین دارای اختلاف ارتفاعی است که به عنوان هد شناخته می شود. ﺁبی که از داخل این هد فرو می ریزد، انرژی حرکتی به خود می گیرد و سپس به تیغه های توربین برخورد می کند.

سه نوع عمده از این تاسیسات عبارتند از؛

• هد یا مخزن بلند: این ناحیه ذخیره یا مخزن معمولا در ارتفاع بیش از 400 متر پر می شود.
• دهانه یا حوضچه متوسط: مخزن در ارتفاع 200 تا400 متر پر می شود.
• جریان رودخانه مخزن: در ارتفاع کمتر از 2 متر پر می شود و دارای دهانه 3 تا 15 متری است.

گاورنر

گاورنر همانطور که گفته شد یک سیستم کنترلی فیدبک است که برای کنترل دور توربین و در نتیجه تثبیت فرکانس قدرت ژنراتور به کار می رود.از جنبه تکامل تدریجی،گاورنرها ی سرعت را به چهار گروه میتوان تقسیم کرد:

• گاورنرهیدرو مکانیکی
• گاورنر الکترومکانیکی
• گاورنر الکترو هیدرولیک
•  گاورنر دیجیتال الکتروهیدرولیک

 گاورنر الکترومکانیکی

سیگنال مرجع، سرعت سنکرون توربین (ژنراتور) است که فرکانس HZ50 دارد. سیگنال واقعی ورودی، دور لحظه ای توربین می باشد و سیگنال خروجی، جابجایی پیستون سرو موتورهاست که پرده های هادی را چنین تنظیم می کنند که قدرت خروجی توربین با قدرت مورد نیاز ژنراتور مساوی و در نتیجه سرعت سنکرون ژنراتور حفظ شود.

شکل زیر اجزای اساسی یک گاورنر الکترومکانیکی را نشان می دهد. در اینجا، گوی های گریز از مرکز با یک موتور الکتریکی به چرخش در می ﺁیند. جریان موتور از دستگاه دیگری، معروف به PMG یا ژنراتور مغناطیس دائم بروی ژنراتور نیروگاه نصب می شود.

تغییری در سرعت سنکرون ژنراتور، موقعیت گویهای گریز از مرکز را تغییر داده و باعث تغییر مکان شیر کنترل میگردد تا روغن تحت فشار به سرو موتور اصلی منتقل گردد و موقعیت جدیدی به گشودگی پره های هادی بدهد. این حرکت پره ها از طریق یک مکانیسم فیدبک به شیر کنترل منتقل می شود تا شیر را به موقعیت خنثی بر گرداند.

برای پایدار سازی حرکت سروموتورها از اجزای میرا کننده، در مسیر فیدبک استفاده می شود. اگر این اجزای میرا کننده در مسیر فیدبک وجود نمی داشتند، کل مجموعه گاورنر در حالت نوسانی قرار می گرفت. به این مفهوم که سروموتورهای پره ها پیوسته در حالت جلو-عقب رفتن می بودند. در مدلهای قدیمی گاورنر یعنی نوع هیدرومکانیکی، سرعت دوران وزنه ها از خود محور توربین گرفته می شد. در کنترولر جدیدتری نسبت به نوع PMG کنترولر سرعت از نوع SSG یا مولد سیگنال سرعت می باشد که الکترونیکی است.

SSG وPMG هر دو بر روی ژنراتور نصب می شوند و در نتیجه سرعت دورانی لحظه ای ژنراتور را پیوسته دریافت می کنند. در گاورنرهای جدیدتر، کنترولر یک کامپیوتر کوچک و یا PLCمی باشد. این گاورنر از نوع دیجیتالی است، یعنی سیگنال سرعت واقعی و مرجع به طور دیجیتالی به ﺁن خورانده می شود و یک پردازشگر، عمل محاسبه و تولید سیگنال نهایی کنترل را به عهده دارد. اشاره می شود، گاورنر نیروگاه سد کرج از نوع الکترومکانیکیPMG بوده که در سال 1340 نصب شده است. گاورنر نیروگاه موجود کارون نیز از نوع الکترونیکی SSG بوده وجدیدترین سیستم گاورنر نیروگاه کشور، گاورنر دیجیتال الکتروهیدرولیک نیز در نیروگاه توسعه کارون نصب شده است.

گاورنر الکتروهیدرولیک

این نوع گاونر از جدیدترین نوع گاورنر می باشد و از سه قسمت مهم و کلی زیر تشکیل می شود؛

• قسمت الکتریکی
• قسمت الکتروهیدرولیک
• قسمت تقویت هیدرولیک

شکل زیر این قسمت ها را نشان می دهد:

قسمت الکتریکی، کار کنترلی را به عهده دارد که یک ریز پردازشگر می باشد. علایم ورودی به آن، سیگنال سرعت لحظه ای توربین و سیگنال موقعیت پره های هادی است. کنترولر دیجیتال با دریافت این علایم و بر اساس مقدار سرعت مرجع (سرعت سنکرون) و پارامترهای کنترلی دیگر، یک سیگنال الکتریکی صادر می کند که به قسمت الکتروهیدرولیک می رود.

در قسمت الکتروهیدرولیک، سیگنال الکتریکی دریافتی که در حوزه 4 تا 20 میلی آمپر است به یک شیر الکتریکی تغذیه می شود. این وسیله به تقویت کننده کویل متحرک یا MCA معروف است که براساس جریان الکتریکی دریافتی، یک سیگنال هیدرولیک صادر می کند و به این ترتیب نوعی عمل تبدیلی الکتروهیدرولیک انجام می شود. در قسمت تقویت هیدرولیکی، سیگنال هیدرولیکی دریافتی باعث جابجایی میل پیستون یک شیر بزرگ به نام شیر کنترل می شود.

این شیر، جریان روغن فشرده را به دو سروموتور می دهد. در نتیجه پیستون و میل پیستون سرو موتورها جابجا شده، که چون از راه یک حلقه به پره های هادی متصل‌اند،این پره ها را به حرکت در می آورند. به زبان ساده تر، سیگنال هیدرولیکی دریافتی از قسمت الکتروهیدرولیک، از نظر هیدرولیک تقویت می گردد تا بتواند پره های هادی را جابجا کند. جابجایی میل پیستون سروموتورها از راه یک ترانس دیوسر به سیگنال الکتریکی تبدیل شده و به کنترولر خورانده می شود تا به این ترتیب حلقه کنترلی گاورنر بسته شود.

قسمت الكترونیكی گاورنر

یك كنترل‎كننده الكترونیكی حلقه بسته (close loop)، مجهز بهPLC، به‌صورت كاملا دوتایی (Full redundant) كنترل سیستم را بر عهده می‌گیرد. سیگنال‎های ورودی این كنترل‎كننده معمولا عبارتند از:

سیگنال آنالوگ سرعت توربین، از خروجی سنسورهای سرعت توربین (4 تا 20 میلی آمپر)

سیگنال آنالوگ نشان‎دهنده موقعیت ویكت گیت‌های توربین (4 تا 20 میلی آمپر)

سیگنال آنالوگ نشان‎دهنده توان خروجی ژنراتور (4 تا 20 میلی آمپر)

 قسمت های مختلف سیستم Governor Desk

• محرك های الكترو هیدرولیك
• شیر خاموش و روشن سریع
• شیر كنترل اصلی
• محدود كننده بار هیدرولیكی –میكانیكی
• فیدبك میكانیكی
• اهرم های كنترل فیلتر روغن
• سنسور ها و سویچ ها و سایل اندازه گیری سرعت چرخشی

قسمت هیدرولیكی گاورنر

واحد تأمین فشار روغن

از این واحد به منظور تأمین فشار روغـن برای عملكرد سروموتورهای توربین و نهایتا باز و بسته شدن گیت‌های توربین استفاده می‎شود.

سیستم روغـن گـاورنر شامل مخــزن روغن، تانك فشار روغن/هوا (Air Oil Vessel)، دو دستگاه پمـپ روغـــن گـــاورنر، شیرهای سولونوئیدی، شیر هیدرولیكی، سیستم خنك‎كن روغن (شامل دو دستگاه پمپ، كولر و فیلتر دوتایی مربوطه)، تجهیزات كنترل و اندازه‎گیری، لوله‎كشی و … می‎باشد. برق سیستم كنترل گاورنر از دو فیدر مجزا، از سیستم DC نیروگاه تأمین می‎شود.

وظیفه گاورنر حس سرعت توربین و تنظیم پره های هادی مطابق با تغییرات سرعت است تا اینکه شرط برابری گشتاور توربین و ژنراتور دوباره برقرار شود. گاورنر نیروگاه هیدرولیک به دو صورت می تواند عمل کند:

• مجزا از شبکه
• موازی با شبکه

در حالت مجزا از شبکه، برای حفظ فرکانس سنکرون ژنراتور، لازم است که دور سنکرون توربین حفظ شود. بنابراین سروموتور گاورنر با توجه به نوسان بار تحمیلی به ژنراتور پیوسته پره های هادی را تنظیم می کند تاهمواره گشتاور توربین با گشتاور ژنراتور برابر باشد. وقتی که ژنراتور موازی با شبکه کار می کند ونقش کنترولر فرکانس را به عهده ندارد، سرعت آن می تواند به اندازه چند درصد (%5-2) در پاسخ به افزایش بارشبکه افت کند. با توجه به طرزکار ژنراتور (مجزا یا موازی با شبکه)، سیستم گاورنر سه وظیفه کاری دارد:

• گاورنر سرعت
• گاورنر قدرت
• گاورنر سرعت – قدرت

گاورنر سرعت برای واحدی است که باید در پاسخ به نوسانات بار، همواره دور سنکرون خود را حفظ کند. این واحد می تواند مجزا کار کند و یا نقش کنترولر فرکانس را به عهده داشته باشد. در حالت دوم، گاورنر واحدی را کنترل می کند که به ازای افزایش بار، دچار افت سرعت شده ولی گاورنر با تنظیم پره های هادی، قدرت خروجی توربین را مطابق نیاز ژنراتور تنظیم می کند تا دوباره سرعت سنکرون ژنراتور حفظ شود. افت سرعت این واحد مخالف صفر است و در نتیجه کمی دیرتر به تغییر بار پاسخ می دهد. تفاوت گاورنر سرعت وقدرت در این است که اولی سریعترین پاسخ را به تغییر بار شبکه می دهد. به زبان دیگر گاورنر سرعت سریعترین گاورنر موجود در شبکه است.

همچنین گاورنر را طوری می توان تنظیم کرد که هر دو وظیفه کنترل قدرت و سرعت را انجام دهد.

در ایران نقش کنترل فرکانس شبکه به عهده یکی از واحدهای نیروگاه سد دز است. نیروگاه دز دارای هشت واحد به قدرت نامی 65MV و قدرت مجموع 520MW می باشد. در یکی از این واحدها، افت دایم سرعت گاورنر صفر تنظیم شده است. این واحد، حساسترین واحد تولید قدرت در ایران نسبت به نوسانات بار شبکه است.

اگر به هنگام کارکرد عادی شبکه، ناگهان باری به شبکه تحمیل شود که باعث افت سرعت شبکه گردد، کنترولر فرکانس دز (یکی از واحدها) این اضافه بار را متقبل می شود. در فاصله ای که این واحد زیر بار می رود، اپراتورهای نیروگاه موظفند، در صورت پذیرش نیروگاه واحدهای دیگری را زیر بار برده تا واحد کنترولر فرکانس از زیر این بار تحمیلی آزاد شود. در واقع واحد کنترل فرکانس، واحدی است که تقریبا به طور پیوسته در حالت بی بار کار می کند و به همین دلیل به واحد flat معروف است. در صورتی که حین کنترل فرکانس هیچ واحدی نتواند پذیرای نوسانات بار شود، مسئولان مرکز کنترل نیروگاههای ایران، برای حفظ فرکانس شبکه، قدرت مصرفی بعضی مناطق را قطع می کنند. شبکه الکتریکی کشور پیوسته در حال گسترش وسنگین شدن است، به همین دلیل جهت کنترل فرکانس به واحدهای قدرتمندی نیاز است تا جوابگوی نوسانات بزرگ بار در شبکه باشند.

میزان سرعت

با تنظیم این پارامتر روی تابلوی کنترل گاورنر، می توان میزان انحراف را از سرعت سنکرون به صورت دستی کنترل کرد.این تنظیم معمولا در محدوده %15-10 سرعت سنکرون می باشد و بار گذاری روی ژنراتور را کنترل می کند. مثلا اگر میزان سرعت یک،منفی بوده و زیر فرکانس شبکه باشد،به واحد دستور داده می شود تا با رسیدن به یک سرعت خاص (که طبق میزان سرعت تنظیم می شود) بار دفع کند. و برعکس اگر میزان سرعت، بالای فرکانس خط باشد، به ژنراتور اجازه جذب بار داده می شود. تنظیم میزان سرعت مثبت برای واحدی که افت سرعت دارد باعث افزایش فرکانس قدرت ژنراتور خواهد شد.

حدود پره های هادی

کنترل حدود جابجائی پره های هادی برای این است که از طریق دستی بتوان حداکثر گشودگی مجاز پره ها را تثبیت کرد. وقتی که میزان گشودگی پره های هادی در یک مقدار بینابینی بود و میزان سرعت مقدار مثبتی داشته باشد، گشودگی پره ها در این مقدار تعیین شده، حفظ می شود. به این ترتیب گفته می شود که توربین در حالت بار مسدود کار می کند. میزان گشودگی پره های هادی توربین فرانسیس که با α یا λنشان داده می شود. روی منحنی عملکرد توربین مشخص می شود. در عمل این میزان گشودگی در یک محدوده است. مثلا برای نیروگاه سد دز، پره های هادی بین %80-30 اجازه باز و بسته شدن دارند. در مقادیر کوچکتر αنسبت به حداقل گشودگی مجاز، به دلیل پدیده کاویتاسیون پره ها دچار خورده گی می شود. در عمل برای جلوگیری از این پدیده، هوای فشرده به آب ورودی به توربین تزریق می شود. به همین دلیل، میزان جابجائی پره های هادی و حداقل و حداکثر آن به صورت اطلاعاتی در کنترولر گاورنر ثبت می شود.

افت دائمی سرعت

اگر برای کنترل دور سیستمی (تثبیت فرکانس شبکه الکتریکی) چند گاورنر بطور همزمان در حال کار باشند، امکان ندارد سرعت همگی آنها یکی باشد. یعنی گاورنری که سرعت بیشتری دارد، سعی می کند سیستم را به سرعت خود نزدیک کند.به این ترتیب، این گاورنر بار جذب می کند تا یا به هدف خود برسد و یا اینکه به حداکثر گشودگی پره های هادی α=100% برسد (حالت پره های کاملا باز).

گاورنر اگر بتواند فرکانس سیستم را افزایش دهد،گاورنر دیگر سرعت زیادی را حس می کند و برای نزدیک کردن سرعت گاورنر سریعتر، بار را دفع می کند.

نتیجه این که یک واحد سرعت می گیرد و به خاطر دفع بار باعث کند شدن سرعت واحد دیگر می گردد. و درنهایت عمل گاورنرها معکوس یکدیگر می شود. برای جلوگیری از بروز این وضعیت، گاورنرها دارای نوعی مشخصه هستند که به افت دائم سرعت معروف است و اثر آن این است که به موازات افزایش گشودگی پره های هادی و یا جذب بار، از میزان حساسیت گاورنر به تغییرات سرعت می کاهد.

 نیروگاه برق آبی در جهان

 مزایا نیروگاه آبی

در ادامه برخی از مزیت های نیروگاه آبی بحث خواهد شد.

 ملاحظات اقتصادی

بیشترین مزیت استفاده از نیروگاه‌ها آبی عدم نیاز به استفاده از سوخت‌ها و در نتیجه حذف هزینه‌های مربوط به تامین سوخت است. درواقع هزینه انرژی الکتریکی تولیدی در یک نیروگاه آبی تقریباً از تغییرات قیمت سوخت‌های فسیلی نظیر نفت، گاز طبیعی و زغال سنگ مصون است. همچنین عمر متوسط نیروگاه‌های آبی در مقایسه با نیروگاه‌های گرمایی بیشتر است، به طوری که عمر برخی از نیروگاه‌های آبی که هم‌اکنون در حال استفاده هستند به ۵۰ تا ۱۰۰ سال پیش بازمی‌گردد. هزینه کار این نیروگاه‌ها در حالی که به صورت خودکار کار کنند کم است و بجز در موارد اضطراری به پرسنل زیادی در نیروگاه نیاز نخواهد بود.

در موقعیت‌هایی که استفاده از سد چندین هدف را پوشش می‌دهد، ساخت یک نیروگاه آبی هزینه نسبتاً کمی را به هزینه‌های ساخت سد اضافه می‌کند. ایجاد یک نیروگاه هیمچنین می‌تواند هزینه‌های مربوط به ساخت سد را جبران کند. برای مثال درآمد ناشی از فروش انرژی الکتریکی در سد Three Gorges که بزرگ‌ترین سد جهان است با فروش انرژی الکتریکی تولیدی در سد در طول ۵ تا ۷ سال جبران شده‌است.

انتشار گازهای گلخانه‌ای

در صورتی که سوختی در نیروگاه سوخته نشود، دی اکسید کربن (که یک گاز کلخانه‌ای است) نیز در نیروگاه تولید نخواهد شد. البته در مراحل احداث نیروگاه مقدار ناچیزی گاز دی‌اکسید کربن تولید می‌شود که در مقابل میزان دی‌اکسید کربن تولیدی در نیروگاه‌های گرمایی که از سوخت‌های فسیلی برای تولید انرژی گرمایی استفاده می‌کنند بسیار ناچیزاست. البته در این نیروگاه‌ها بر اثر اجتماع آب پشت سد گازهایی متصاعد می‌شود که در پایین به آنها اشاره شده ‌است.

آب ذخیره شده در پشت یک سد در واقع می‌تواند بخشی از امکانات مربوط به ورزش‌های آبی باشد و به این ترتیب می‌تواند به جاذبه‌ای برای گردشگران تبدیل شود. در برخی از کشورها از این آب برای پرورش موجودات آبزی مانند ماهی‌ها استفاده می‌شود به این ترتیب که در برخی سدها محیط‌های خاصی برای پرورش موجودات آبزی اختصاص یافته که همیشه از نظر داشتن آب پشتیبانی می‌شوند.

 معایب نیروگاه آبی

با آنکه نیروگاه آبی مزایای خود را دارد با این حال مشکلاتی نیز به همراه دارد، این مشکلات عبارتند از؛

آسیب به محیط زیست

پروژه‌های احداث سد معمولاً با تغییرات زیادی در اکوسیستم منطقه احداث سد همراه هستند. برای مثال تحقیقات نشان می‌دهد که سدهای ساخته شده در کرانه‌های اقیانوس اطلس و اقیانوس آرام در آمریکای شمالی از میزان ماهی‌های قزل‌آلای رودخانه‌ها به شدت کاسته‌است و این به دلیل جلوگیری سد از رسیدن ماهی‌ها به بالای رودخانه برای تخم‌گذاری است و این درحالی است که برای عبور این ماهی‌ها به بالای رودخانه محل‌های خاصی در سد در نظرگرفته شده است. همچنین ماهی‌های کوچک در طول مهاجرت از رودخانه به دریا در بین توربین‌ها آسیب می‌بینند که برای رفع این عیب نیز در قسمتی از سال ماهی‌ها را با قایق‌های کوچک به پایین رودخانه می‌برند. با تمام فعالیت‌هایی که برای ایجاد محیط مناسب برای ماهی‌ها انجام می‌شود بازهم با ساخت سد از میزان ماهی‌ها کاسته می‌شود. در کشورهایی مانند ایالات متحده بستن مسیر مهاجرت ماهی‌ها و دیگر موجودات آبزری به وسیله سد ممنوع است و حتماً باید برای عبور آنها تمهیداتی اندیشیده شود. به این ترتیب در برخی موارد سدها می‌توانند واقعاً برای ماهی‌ها آسیب رسان باشند که نمونه‌ای از آنها سد مارموت (Marmot Dam) در ایالات متحده‌است که عملیات حذف آن در ۲۰ اکتبر ۲۰۰۷ به پایان رسید. پس از تخریب این سد رودخانه برای اولین بار پس از ۱۰۰ سال جریان آزاد خود را آغاز کرد. عملیات حذف این سد بزرگ‌ترین عملیات حذف سد در ایالات متحده بود.

ایجاد سدها معمولاً باعث به وجود آمدن تغییراتی در قسمت‌های پایینی رودخانه می‌شوند. آب خروجی از توربین‌ها معمولاً حامل مقدار کمتری از رسوبات است و این خود باعث پاک شدن بستر رودخانه و از بین رفتن حاشیه‌های رودخانه می‌شود. به دلیل اینکه توربین‌ها معمولاً به نوبت کار می‌کنند نوساناتی در جریان آب خروجی ایجاد می‌شود که شدت فرسایش بستر رودخانه را افزایش می‌دهد. همچنین ظرفیت اکسیژن حل شده در آب به دلیل کار توربین‌ها کاهش می‌یابد چراکه آب خروجی توربین‌ها معمولاً گرمتر از آب ورودی آنهاست که این خود می‌تواند جان برخی گونه‌های حساس را به خطر بیندازد. برخی دیگر از سدها برای افزایش ارتفاع فشار مسیر رودخانه را منحرف کرده و باعث عبور آب از مناطق پر شیب‌تر می‌شوند و به این ترتیب مسیر قبلی رودخانه را خشک می‌کنند. برای مثال در رودخانه‌های تپاکو (Tekapo) و پوکاکی (Pukaki) از این روش استفاده شده‌است که نه تنها موجب به خطر افتادن برخی گونه‌های موجودات آبزی شده بلکه پرندگان مهاجر منطقه را نیز به شدت در خطر قرار داده‌است.سدهای بسیار بسیار بزرگ مانند سد اسوان (در مصر) و سد سه‌دره (در چین) تغییرات زیادی را در بالا و پایین رودخانه به وجود می‌آورند.

انتشار گازهای گلخانه‌ای

آب جمع شده در پشت سد در مناطق گرمسیری می‌تواند مقدار قابل توجهی از گاز متان و گاز کربنیک را تولید کند. این گازها در اثر پوسیدگی قسمت‌های مختلف گیاهان و زباله‌هایی به وجود می‌آیند که از بالای رودخانه آمده‌اند و به وسیله باکتری‌های ناهوازی تجزیه می‌شوند. بیشتر گاز تولیدی در اثر پوسیدگی را گاز متان تشکیل می‌دهد که از نظر آثار گلخانه‌ای از دی‌اکسیدکربن خطرناک‌تر است. براساس گزارش کمیسیون جهانی سدها، در سدهایی که منبع آنها نسبت به برق تولیدی آنها کوچک است (کمتر از ۱۰۰ وات به ازای هر مترمربع از آب) و درخت‌های اطراف مسیر رودخانه پاکسازی نشده‌اند، میزان گاز گلخانه‌ای تولیدی از یک نیروگاه گرمایی با سوخت نفت بیشتر است.

جابجایی جمعیت

از دیگر معایب ساخت سدها، جابجایی جمعیت ساکن در مناطق زیر آب رفته توسط آب پشت سد است. این مناطق ممکن است شامل مناطقی باشد که از نظر فرهنگی یا اعتقادی دارای ارزش بالایی هستند و بدین ترتیب دلبستگی زیادی بین مردم ساکن با منطقه و آن منطقه خاص وجود دارد و به این ترتیب با بالا آمدن آب این مکان‌های تاریخی یا فرهنگی از بین خواهند رفت. از جمله سدهایی که در مراحل ساخت با این قبیل مشکلات روبه‌رو شدند می‌توان به سد سه‌مره یا سد کلاید اشاره کرد.

در پایان نیز می توانید ویدیویی دیگر در مورد نیروگاه آبی مشاهده نمایید – البته این ویدیو ترجمه نشده است

دانلود با لينک مستقيم پاورپوینت نیروگاه آبی | با حجم 2 مگابايت

دانلود با لينک مستقيم دانلود ویدیو نیروگاه آبی چگونه کار می کند – زیرنویس فارسی – HD | با حجم 14 مگابايت

دانلود با لينک مستقيم دانلود ویدیو نیروگاه برق آبی چگونه کار می کند – انگلیسی – HD | با حجم 9 مگابايت

راستی! برای دريافت مطالب جديد در کانال تلگرام PowerEn عضو شويد.