نیروگاه آبی چیست

پس از بررسی نیروگاه‌های متنوعی نظیر؛ سیکل ترکیبی، هسته‌ای، خورشیدی، بادی و انبساطی حال نوبت به نیروگاه آبی رسیده است که در این پست قرار است به بررسی دقیق و جامع آن بپردازیم، پس با ما همراه باشید تا با هم ببینیم نیروگاه آبی (Hydroelectricity – Hydroelectric Power) چیست و چگونه کار می‌کند. در این زمینه از ابتدایی‌ترین مسائل شروع خواهیم کرد و در نهایت به موارد بسیار تخصصی خواهیم رسید.

پس کمردبندهاتون رو محکم ببندید! و مثل همیشه آماده باشید برای دیدن ویدئوی ویژه، پس از مشاهده ویدئو کار رو ادامه می‌دهیم.

دانلود فیلم معرفی کامل نیروگاه آبی | با حجم ۱۲۵ مگابايت

آنچه که در این نوشتار خواهید خواند:

• بخش‌های اصلی نیروگاه برق آبی
• انواع طبقه‌بندی در نیروگاه آبی
• توربین
• گاورنر
• نیروگاه آبی در جهان
• مزایا و معایب نیروگاه آبی

نیروگاه‌های آبی برای تولید برق از نیروی جاذبهٔ زمین و نیروی خورشید استفاده می‌کنند. آب در اثر گرمای محیط که عمده‌ترین علت آن خورشید است بخار می‌شود و در اتمسفر صعود می‌کند. سپس به‌صورت باران و برف فروریخته می‌شود. آب روی ارتفاعات ریخته و به‌صورت نهر‌های کوچک و پس از آن رود‌های بزرگ‌تر جاری می‌شود و آن‌گاه پس از طی نمودن مقداری از مسیر، انرژی پتانسیل گرانشی آن به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود.

در نیروگاه‌های آبی یا حالت بالا به‌صورت طبیعی وجود دارد یا اینکه با ایجاد سد و تجمع آب و افزایش ارتفاع آن پشت سد حالت بالا را ایجاد می‌کنیم.

البته نیاز برای انرژی برق در طول روز تغییر می‌کند، برای مثال وقتی یک برنامهٔ تلویزیونی معروف به پایان می‌رسد نیاز به برق شدیداً تغییر می‌کند. نیاز به انرژی در هفته‌ها و فصل‌ها نیز متغیر است. همین‌طور در روز‌های تعطیل و روز‌های کاری مصرف و تولید انرژی نسبت هم نوسانات زیادی دارند.

چالش اینجاست که عمدهٔ توان مصرفی توسط نیروگاه‌های با سوخت فسیلی تامین می‌شود که نیم ساعت یا بیشتر طول می‌کشد که به حداکثر ظرفیت خود برسند. این زمان در مورد نیروگاه‌های هسته‌ای 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 نیروگاه‌های دیگر به سطح دلخواه تولید انرژی برسند.

به‌منظور تولید برق، از حجم عظیمی از آب در جایی که آب‌های جاری از سطوح بالاتر به سطوح پایین‌تر، از میان یک توربین عبور می‌کنند، استفاده می‌شود. آب ناشی از بارندگی در دریاچه‌های پشت سد و در ارتفاعات بلند جمع‌آوری می‌شوند. پس از تولید، آب به درون رودخانه کشیده شده و به‌آرامی حرکت می‌کند تا بالاخره به دریا برسد.

توربین‌های هیدرولیکی در آغاز قرن ۱۹ گسترش یافتند.

آب مورداستفاده در یک‌فصل، توسط طبیعت در فصل بعدی دوباره وارد چرخه می‌شود. آب خودش تا محل نیروگاه می‌آید یعنی هیچ عملیات بهره‌برداری و جابه‌جایی (سوخت بنزین یا گاز) را شامل نمی‌شود و می‌توان آن را برای استفاده‌هایی نظیر نوشیدن یا آبیاری، دوباره هدایت کرد. نیروگاه‌های آبی راندمان بسیار بالایی (در حدود ۸۰%) دارند که بسیار بالاتر از نیروگاه‌های حرارتی است.

نیروگاه‌های آبی عمر بسیار طولانی (در حدود ۵۰ سال) دارند که قابل‌مقایسه با نیروگاه‌های حرارتی است.

حفاظت از آنها در مقایسه با نیروگاه‌های حرارتی آسان و بسیار کم‌خرج‌تر است. Start و Shutdown نیروگاه‌های آبی سریع است. هزینه تولید برق بسیار کم است. (تنها هزینه عملکرد و حفاظت هزینه بر است) درصد خاموشی‌های ناشی از نیروگاه‌های آبی بسیار کم بوده و بنابراین قابلیت اطمینان بالایی دارند. سیل توسط ذخیره‌سازی دریاچه‌ای که پشت سد در نظر گرفته شده، کنترل می‌شود. در این نیروگاه تغییرپذیری بالا در ساخت، کنترل و… نیز ممکن است.

دانلود فیلم معرفی نیروگاه آبی – Full HD | با حجم ۹ مگابايت

بخش‌های اصلی نیروگاه برق ـ آبی

تجهیزات نیروگاه

• جرثقیل‌ها
• دریچه‌های انسداد لوله مکش
• مشخصات شیرهای ورودی
• توربین‌ها
• سیستم گاورنر
• ژنراتور
• یکسوکننده
• تجهیزات میدان
• شینه‌های حفاظ‌دار
• کلیدها
• تجهیزات برق‌گیر
• ترانس‌ها
• سیستم کنترل 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. دردسترس‌بودن آب
2. ذخیره‌سازی آب
3. میزان بالا بودن آب
4. مسافت از محل تولید توان تا مراکز استفاده بار
5. عملکرد سایت
6. و فاکتورهای محیطی – اجتماعی (در محل زندگی انسان‌های آن منطقه کمترین تاثیر را داشته باشد، زیر آب نرفتن زمین‌های حاصلخیز، زلزله‌خیز نبودن محیط و …)

انواع طبقه‌بندی در نیروگاه آبی

طبقه‌بندی نیروگاه‌های آبی براساس خصوصیات هیدرولیكی

• نیروگاه‌های آبی قراردادی
• نیروگاه‌های Pumped storage
• نیروگاه‌های Tidal power كشنده توان
• نیروگاه‌های Depression power

 طبقه‌بندی نیروگاه‌های آبی براساس عملكرد (Base or Peak)

peak load plant: اگر نیروگاه آبی در این دسته قرار گیرد بدین معنا می‌باشد که می‌تواند در کمترین زمان ممکن استارت شده و به شبکه برگردد. هدف از ساخت این نیروگاه‌ها صرفاً پیک سایی می‌باشد.

base load plant: این نیروگاه برخلاف نیروگاه بالایی نه‌تنها در زمان‌های اوج بار بلکه می‌تواند به‌صورت عادی نیز در مدار قرار گیرد و پاسخگوی نیاز شبکه باشد.

 طبقه‌بندی نیروگاه‌های آبی بر اساس گنجایش نیروگاه

 روش‌های دیگر طبقه‌بندی نیروگاه‌های آبی

• طبقه‌بندی بر اساس Storage (ذخیره‌سازی) و poundage
• طبقه‌بندی بر اساس موقعیت و توپوگرافی
• طبقه‌بندی بر اساس خصوصیات ساختاری

طبقه‌بندی هیدروتوربین‌ها (توربین‌های مختص نیروگاه آبی)

impulse (ضربه‌ای): شکل فوران مانند، فشار، تمام انرژی را به انرژی جنبشی تبدیل می‌کند. فوران از رشته فرورفتگی‌های پروانه توربین به کار برده شده در پیرامون چرخ وارد می‌شوند. علت تاثیر، گردانه توربین آبی است که چرخانده می‌شود.

reaction (واکنشی): بر اساس بازگشت واکنش کار می‌کند. آب در فشار بالا و حجم پائین به توربین وارد شده، قسمتی از این فشار به انرژی جنبشی تبدیل و سپس آب به گردانه توربین آبی وارد و انرژی فشار متعاقباً به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود. آب جریان یافته در میان گردونهٔ توربین، یک واکنش را بر روی پره گردانه به وجود آورده و گردانه را می‌چرخاند.

امروزه، مقدار واحدهای آبی تولید شده بیش از 250MW است که با افزایش این مقدار برخی نقص‌ها مانند موارد زیر ظاهر می‌شوند؛

• کاهش گرما افزایش‌یافته و ظرفیت سرمای بیشتری باید تامین شود.
• ارتعاشات به طور مشابه افزایش‌یافته و ساختارهای ایمنی باید خیلی نیرومندتر شوند.
• تحمل رانش باید برای وظایف سنگین طراحی شده باشد.
• ماشین‌ها برای خروجی مشابه، کوچک‌تر شده‌اند، گنجایش ذخیره انرژی کمتری موجود است که جوابگوی نوسانات بار است.

توربین

توربین یک سیستم مکانیکی است که انرژی پتانسیل آب را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. مقدار انرژی تولید شده به پارامترهایی از قبیل هد، دبی و مقدار تلفات نشتی بستگی دارد.

توربین‌های آبی، معمولاً به ۳ دسته کلی؛ پلتون، فرانسیس و کاپلان تقسیم می‌گردند که 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.

توربین‎های نیروگاه کارون یک، دز، کارون ۳ و کرخه، از نوع فرانسیس، عکس‎العملی و با محور عمودی می‎باشند که کاملاً در آب غوطه‎ور هستند. آب باعث ایجاد کوپل چرخشی در توربین می‌شود.

اجزاء توربین

هر توربین شامل اجزاء زیر است: محفظه حلزونـی (Spiral Case)، حلقه ثابت (Stay ring)، پره‎های تنظیم‎کننده 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 ویکت گیت، با برخورد به رانر، آن را به چرخش درآورده و سپس از طریق درافت تیوب و تونل پایاب (Tail race) خارج می‎شود. به‌منظور جداکردن 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 بسته‌شدن پره‎های ویکت گیت کنترل می‎شود. گاورنر (Governor) از این طریق (با تغییر باز شدگی دریچه‌های ویکت گیت)، قدرت خروجی و سرعت توربیـن را کنترل می‎کند. در بالادست محفظه حلزونی، شیر پروانه‌ای (Butterfly Valve) قرار دارد که در مواقع عادی و اضطـراری برای توقف جریان آب از آن استفاده می‎گردد. باید توجه کرد که شیر پروانه‌ای برای کنترل دبی آب استفاده نمی‌شود و همواره یا کاملاً باز است و یا کاملاً بسته.

نیروگاه کارون یک، دارای چهار واحد با محور عمودی است. هر دو توربین دارای یک ورودی و پنستاک هستند که هر پنستاک به دو قسمت تقسیم شـده و هر قسمت آن به یک محفظه حلزونی متصل شده است. با هد خالص 1660.4m و دبی ۱۷۱ مترمکعب بر ثانیه، حدود 254MW و راندمان آن حدود ۹۴.۵% 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.

توربین فرانسیس پرکاربردترین توربین است. این توربین از نوع عکس‌العملی بوده و به همین دلیل در یک‌سوی آن آب پرفشار و در سوی دیگر آب خروجی کم‌فشار وجود دارد.

ورودی شکل حلزونی دارد و این ساختار به کمک دریچه‌های هدایت‌کننده (Wicket Gates or Guide Vanes) باعث می‌شوند آب مماس‌وار (tangentially) به رانر برخورد کند و رانر به چرخش درآید. هرچه آب بیشتر به‌دور توربین می‌چرخد شعاع مجرای آن کمتر می‌شود که در نتیجه آب سرعت ازدست‌رفته 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

توربین‌های ﺁبی مورداستفاده در ایران از نوع فرانسیس هستند. قدرت خروجی این توربین‌ها را می‌توان با کنترل دبی جریان ﺁب ورودی به توربین کنترل کرد. در توربین فرانسیس، برای کنترل دبی جریان از پرده‌های متحرک معروف به پره‌های هادی استفاده می‌شود. تعداد این پره‌ها تابع سرعت ویژه توربین است که بر مبنای ملاحظات ارتعاشات مکانیکی و هیدرودینامیکی توربین انتخاب می‌شود. پره‌های هادی هرکدام حول یک محور قائم می‌توانند بچرخند و مرکز دوران تک‌تک پره‌ها روی یک دایره فرضی قرار دارد. حرکت پره‌ها هم‌زمان انجام می‌شود. پره‌های هادی توسط بازوهایی به یک حلقه بزرگ متصل هستند. این حلقه خود به میل پیستون‌های سرو موتور وصل شده است. میزان جابه‌جایی میل پیستون‌ها سرو موتورها توسط گاورنر کنترل می‌گردد.

گشتاور و سرعت توربین آبی فرانسیس

قدرت خروجی توربین آبی که از راه محور به ژنراتور منتقل می‌شود، تابعی از سرعت توربین و میزان گشودگی پره‌های هادی است. این تابع را می‌توان برای تغییرات آرام پره‌ها (مشخصه‌های استاتیک) به دست آورد. اما اگر تغییرات سرعت و یا تنظیم پره‌ها سریع باشد، روندهای گذرایی روی می‌دهد که باید ازروی مشخصه‌های دینامیک به دست آیند. اختلاف بین مشخصه‌های دینامیک و استاتیک در وهله اول به این واقعیت مربوط است که جابه‌جایی سریع پره‌های توربین فرانسیس منجر به تولید امواج فشاری معروف به ضربه قوچ می‌شود.

بنا به این دلیل تغییرات گشتاور و قدرت تولیدی توربین از تغییرات سریع زاویه پره‌های هادی تبعیت نمی‌کند و به‌واسطه حضور جریان آب، رفتارهای دیگری از توربین و ژنراتور سر می‌زند که در حالت آرام تنظیم پره‌های هادی دیده نمی‌شود. به دلایل فوق، برای مطالعه عملکرد گذرای توربین، لازم است که رفتار آبراهه توربین، رفتار الکتریکی ژنراتور و اینرسی توربین و ژنراتور بررسی شوند. به‌علاوه اگر ژنراتور به شبکه بزرگی متصل باشد، رفتار شبکه نیز بر روی عملکرد توربین اثر می‌گذارد.

با بسته‌شدن سریع پره‌های هادی به‌جای کاهش قدرت توربین نوعی افزایش دیده می‌شود. بعد از گذشت مدتی، قدرت توربین افت کرده و از تنظیم جدید پره‌های هادی تبعیت می‌کند. همچنین دیده می‌شود تغییر قدرت الکتریکی ژنراتور نسبت به تغییر قدرت توربین، تاخیر زمانی دارد. این رفتار به هنگام تغییر سریع گشتاور روی می‌دهد، چون افزایش قدرت توربین نه‌تنها صرف افزایش قدرت الکتریکی ژنراتور، بلکه باعث شتاب دادن به روتور آن نیز می‌شود.

کنترل دور توربین آبی

تنظیم‌کننده‌ها به‌منظور تنظیم سرعت و خروجی توربین ژنراتور طراحی می‌گردند این کار را با تنظیم نمودن دریچه‌های حلقه‌ای و تنظیم جریان آب از توربین انجام می‌دهند. تنظیم‌کننده توربین کاپلان زاویه تیغه توربین را برای بیشترین ضریب راندمان تنظیم می‌کند.

تنظیم‌کننده واحد‌های بزرگ دارای عناصر حساس به توان و سرعت هستند. تنظیم‌کننده‌ها تغییرات بار را احساس کرده و به‌منظور حفظ توازن دریچه سد را حرکت می‌دهند اگر توربین ژنراتور در مقایسه با نیروگاه کوچک باشند با تغییر موقعیت دریچه و پره‌های توربین می‌توان کنترل‌های لازم را انجام داد.

اگر بار سیستم افزایش یابد دیگر ژنراتور قادر به تامین بار با جریان ورودی نخواهد بود، در این حالت سرعت‌سنج ژنراتور که بر روی محور آن نصب شده پیغامی به سنسور سرعت توربین مبنی بر اینکه سرعت چرخش کم است می‌فرستد با دریافت این پیغام سیستم به‌منظور افزایش سرعت، جریان ورودی به توربین را به‌صورت خودکار افزایش خواهد داد، با دریچه بازتر آب بیشتری به توربین خواهد رسید وارد می‌شود و انرژی بیشتری تولید خواهد شود زمانی که بار کاهش پیدا می‌کند این فرآیند منجر به بسته‌شدن دریچه حلقه خواهد شد بدین ترتیب جریان ورودی کاهش می‌یابد.

اکثر ژنراتورها به شبکه سراسری متصل هستند و چون تنظیم‌کننده آن‌ها به تغییرات بار حساس است باید بین تمام ژنراتور‌ها انطباق زمانی وجود داشته باشد تا اصلاح بار به یک ژنراتور فشار وارد نکند و تمام ژنراتور‌ها در اصلاح بار نقش داشته باشند این عمل را کنترل اتوماتیک ژنراتور یا AGC می‌نامند. در سیستم‌های مجزا، تنظیم‌کننده‌ها به‌تنهایی تغییرات بار را انجام می‌دهند. در شبکه‌های بزرگ دامنه نوسانات خیلی زیاد است و معمولاً حساسیت تنظیم‌کننده‌های مکانیکی بروی تنظیم بار مدنظر خیلی جالب نیست، در این حالت تجهیزات کنترل اتوماتیک که سیستم را پیوسته پالایش می‌کنند بکار گرفته می‌شوند تا یک سیستم کاملاً پایدار شکل گیرد.

تجهیزات مکانیکی 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. به همین جهت در ادامه قسمت‌های مختلف تجهیزات مکانیکی نیروگاه را صرفاً معرفی می‌کنیم.

محفظه حلزونی (Spiral Case)

حلزونی محفظه‌ای است اطراف توربین که از ورق فولادی جوش داده شده ساخته می‌شود. محفظه حلزونی به رینگ ثابت جوش داده می‌شود.

هد کاور (درپوش توربین) (Head Cover)

هد کاور یک قطعه فلزی است که اجزایی مثل پره‎های تنظیم‎کننده، یاتاقان هادی، اتصالات سرو موتور و بعضی از لوله‌ها و تجهیزات به آن متصل شده‎اند. آب‌های ناشی از نشتی، توسط سیستم تخلیه خارج می‎شوند.

پره‌های تنظیم‌کننده (پره‌های هادی) (Wicket Gate)

از این پره‎ها، برای کنترل دبی آب توربین استفاده می‌شود. جنس آنها از فولاد زنگ‌نزن است.

سرو موتور (Servomotor)

دو عدد سرو موتور برای باز و بسته کردن پره‎های هادی به طور هم‌زمان پیش‎بینی می‌شود. آنها این توانایی را دارند که تحت هر شرایطی گشتاور پیچشی لازم برای باز/بسته‌شدن پره‎های هادی را فراهم نمایند.

مکانیزم عمل‌کننده (Operating Mechanism)

مکانیزم عمل‎کننده یک حلقه فولادی است که در بالای هد کاور قرار دارد و به دو سرو موتور و پره‎های تنظیم‎کننده متصل شده است. حرکت سرو موتورها از طریق این مکانیزم به پره‎های تنظیم‎کننده منتقل می‎شود

پوشش محفظه توربین (Pit Liner)

محفظه بتونی توربین مجهز به یک‌لایه پوششی فولادی است که برای استحکام اتصال آن، از مهار فولادی در بتون استفاده شده است. رینگ ثابت جزئی از توربین است که نیروی توربین و ژنراتور را به پایه بتونی منتقل می‎کند و از ورق جوش‎کاری شده ساخته می‎شود که شامل رینگ‌های بالا و پائین است که بین آنها پره‎های ثابت قرار دارند. این پره‎ها جهت هدایت آب به داخل رانر از طریق پره‎های تنظیم‎کننده مورداستفاده قرار می‌گیرند.

هد توربین‌های ﺁبی

در نیروگاه‌های ﺁبی، ﺁب در مخازنی پشت سدها ذخیره می‌گردد و این مخزن نسبت به سطح توربین دارای اختلاف ارتفاعی است که به‌عنوان هد شناخته می‌شود. ﺁبی که از داخل این هد فرومی‌ریزد، انرژی حرکتی به خود می‌گیرد و سپس به تیغه‌های توربین برخورد می‌کند.

سه نوع عمده از این تأسیسات عبارت‌اند از؛

• هد یا مخزن بلند: این ناحیه ذخیره یا مخزن معمولاً در ارتفاع بیش از ۴۰۰ متر پر می‌شود.
• دهانه یا حوضچه متوسط: مخزن در ارتفاع ۲۰۰ تا ۴۰۰ متر پر می‌شود.
• جریان رودخانه مخزن: در ارتفاع کمتر از ۲ متر پر می‌شود و دارای دهانه ۳ تا ۱۵ متری است.

گاورنر

گاورنر یک سیستم کنترلی فیدبک است که برای کنترل دور توربین و در نتیجه تثبیت فرکانس قدرت ژنراتور به کار می‌رود.

انواع گاورنر

از جنبه تکامل تدریجی، گاورنرهای سرعت را به چهار گروه می‌توان تقسیم کرد:

• گاورنر هیدرومکانیکی
• گاورنر الکترومکانیکی
• گاورنر الکتروهیدرولیک
• گاورنر دیجیتال الکتروهیدرولیک

گاورنر الکترومکانیکی

سیگنال مرجع، سرعت سنکرون توربین (ژنراتور) است که فرکانس 50Hz دارد. سیگنال واقعی ورودی، دور لحظه‌ای توربین می‌باشد و سیگنال خروجی، جابه‌جایی پیستون سرو موتورهاست که پرده‌های هادی را چنین تنظیم می‌کنند که قدرت خروجی توربین باقدرت موردنیاز ژنراتور مساوی و در نتیجه سرعت سنکرون ژنراتور حفظ می‌شود.

شکل زیر اجزای اساسی یک گاورنر الکترومکانیکی را نشان می‌دهد. در اینجا، گوی‌های گریزازمرکز با یک موتور الکتریکی به چرخش درمی‌آیند. جریان موتور از دستگاه دیگری، معروف به PMG یا ژنراتور مغناطیس دائم بروی ژنراتور نیروگاه نصب می‌شود.

تغییری در سرعت سنکرون ژنراتور، موقعیت گوی‌های گریزازمرکز را تغییر داده و باعث تغییر مکان شیر کنترل می‌گردد تا روغن تحت‌فشار به سرو موتور اصلی منتقل گردد و موقعیت جدیدی به گشودگی پره‌های هادی بدهد. این حرکتِ پره‌ها از طریق یک مکانیسم فیدبک به شیر کنترل منتقل می‌شود تا شیر را به موقعیت خنثی برگرداند و برای پایدارسازی حرکت سرو موتورها از اجزای میراکننده، در مسیر فیدبک استفاده می‌شود. اگر این اجزای میراکننده در مسیر فیدبک وجود نمی‌داشتند، کل مجموعه گاورنر در حالت نوسانی قرار می‌گرفت. به این مفهوم که سرو موتورهای پره‌ها پیوسته در حالت جلو – عقب رفتن می‌بودند. در مدل‌های قدیمی گاورنر یعنی نوع هیدرومکانیکی، سرعت دوران وزنه‌ها از خودمحور توربین گرفته می‌شد. در کنترلر جدیدتر نسبت به نوع PMG کنترلر سرعت از نوع SSG یا مولد سیگنال سرعت می‌باشد که الکترونیکی است.

SSG و PMG هر دو بر روی ژنراتور نصب می‌شوند و در نتیجه سرعت دورانی لحظه‌ای ژنراتور را پیوسته دریافت می‌کنند. در گاورنرهای جدیدتر، کنترلر یک کامپیوتر کوچک و یا PLC می‌باشد. 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 الکترومکانیکی PMG بوده که در سال ۱۳۴۰ نصب شده است. گاورنر نیروگاه موجود کارون نیز از نوع الکترونیکی SSG بوده و جدیدترین سیستم گاورنر نیروگاه کشور، گاورنر دیجیتال الکتروهیدرولیک در نیروگاه توسعه کارون می‌باشد.

گاورنر الکتروهیدرولیک

این نوع گاورنر از جدیدترین نوع گاورنر می‌باشد و از سه قسمت مهم و کلی زیر تشکیل می‌شود؛

• قسمت الکتریکی
• قسمت الکتروهیدرولیک
• قسمت تقویت هیدرولیک

شکل زیر این قسمت‌ها را نشان می‌دهد:

قسمت الکتریکی، کار کنترلی را به عهده دارد که یک ریز پردازشگر می‌باشد. علایم ورودی به آن، سیگنال سرعت لحظه‌ای توربین و سیگنال موقعیت پره‌های هادی است. کنترلر دیجیتال با دریافت این علایم و بر اساس مقدار سرعت مرجع (سرعت سنکرون) و پارامترهای کنترلی دیگر، یک سیگنال الکتریکی صادر می‌کند که به قسمت الکتروهیدرولیک می‌رود.

در قسمت الکتروهیدرولیک، سیگنال الکتریکی دریافتی که در حوزه ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر است به یک شیر الکتریکی تغذیه می‌شود. این وسیله به تقویت‌کننده کویل متحرک یا MCA معروف است که بر اساس جریان الکتریکی دریافتی، یک سیگنال هیدرولیک صادر می‌کند و به‌این‌ترتیب نوعی عمل تبدیلی الکتروهیدرولیک انجام می‌شود. در قسمت تقویت هیدرولیکی، سیگنال هیدرولیکی دریافتی باعث جابه‌جایی میل پیستون یک شیر بزرگ به نام شیر کنترل می‌شود.

این شیر، جریان روغن فشرده را به دو سرو موتور می‌دهد. در نتیجه پیستون و میل پیستون سرو موتورها جابه‌جا شده که چون از راه یک حلقه به پره‌های هادی متصل‌اند، این پره‌ها را به حرکت درمی‌آورند. به زبان ساده‌تر، سیگنال هیدرولیکی دریافتی از قسمت الکتروهیدرولیک، از نظر هیدرولیک تقویت می‌گردد تا بتواند پره‌های هادی را جابه‌جا کند. جابه‌جایی میل پیستون سرو موتورها از راه یک ترانسدیوسر به سیگنال الکتریکی تبدیل شده و به کنترلر خورانده می‌شود تا به‌این‌ترتیب حلقه کنترلی گاورنر بسته شود.

قسمت الکترونیکی گاورنر

یک کنترل‎کننده الکترونیکی حلقه بسته (close loop)، مجهز به PLC، به‌صورت کاملاً دوتایی (Full redundant) کنترل سیستم را بر عهده می‌گیرد. سیگنال‎های ورودی این کنترل‎کننده معمولاً عبارت‌اند از:

• سیگنال آنالوگ سرعت توربین، از خروجی سنسورهای سرعت توربین (۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر)
• سیگنال آنالوگ نشان‎دهنده موقعیت ویکت گیت‌های توربین (۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر)
• سیگنال آنالوگ نشان‎دهنده توان خروجی ژنراتور (۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر)

قسمت‌های مختلف سیستم Governor Desk

• محرک‌های الکتروهیدرولیک
• شیر خاموش و روشن سریع
• شیر کنترل اصلی
• محدودکننده بار هیدرولیکی – میکانیکی
• فیدبک میکانیکی
• اهرم‌های کنترل فیلتر روغن
• سنسورها و سویچ‌ها و وسایل اندازه‌گیری سرعت چرخشی

قسمت هیدرولیكی گاورنر

واحد تأمین فشار روغن

از این واحد به‌منظور تأمین فشار روغن برای عملکرد سرو موتورهای توربین و نهایتاً باز و بسته‌شدن گیت‌های توربین استفاده می‌‎شود.

سیستم روغن گاورنر شامل مخزن روغن، تانک فشار روغن/هوا (Air Oil Vessel)، دو دستگاه پمپ روغن گاورنر، شیرهای سلونوئیدی، شیر هیدرولیکی، سیستم خنک‎کن روغن (شامل دو دستگاه پمپ، کولر و فیلتر دوتایی مربوطه)، تجهیزات کنترل و اندازه‎گیری، لوله‌‎کشی و … می‎‌باشد. برق سیستم کنترل گاورنر از دو فیدر مجزا، از سیستم DC نیروگاه تأمین می‎‌شود.

وظیفه گاورنر حس سرعت توربین و تنظیم پره‌های هادی مطابق با تغییرات سرعت است تا اینکه شرط برابری گشتاور توربین و ژنراتور دوباره برقرار شود. گاورنر نیروگاه هیدرولیک به دو صورت می‌تواند 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 سرو موتور گاورنر باتوجه‌به نوسان بار تحمیلی به ژنراتور، پیوسته پره‌های هادی را تنظیم می‌کند تا همواره گشتاور توربین با گشتاور ژنراتور برابر باشد. وقتی که ژنراتور موازی با شبکه کار می‌کند و نقش کنترلر فرکانس را به عهده ندارد، سرعت آن می‌تواند به‌اندازه چند درصد (۲ تا ۵ درصد) در پاسخ به افزایش بار شبکه افت کند. باتوجه‌به طرز کار 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 می‌تواند مجزا کار کند و یا نقش کنترلر فرکانس را به عهده داشته باشد. در حالت دوم، گاورنر واحدی را کنترل می‌کند که به‌ازای افزایش بار، دچار افت سرعت شده ولی گاورنر با تنظیم پره‌های هادی، قدرت خروجی توربین را مطابق نیاز ژنراتور تنظیم می‌کند تا دوباره سرعت سنکرون ژنراتور حفظ شود. افت سرعت این واحد مخالف صفر است و در نتیجه کمی دیرتر به تغییر بار پاسخ می‌دهد. تفاوت گاورنر سرعت و قدرت در این است که اولی سریع‌ترین پاسخ را به تغییر بار شبکه می‌دهد. به زبان دیگر گاورنر سرعت سریع‌ترین گاورنر موجود در شبکه است.

همچنین گاورنر را طوری می‌توان 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 ۶۵ مگاوات و قدرت مجموع 520MW می‌باشد. 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، کنترلر فرکانس دز (یکی از واحدها) این اضافه‌بار را متقبل می‌شود. در فاصله‌ای که این واحد زیر بار می‌رود، اپراتورهای نیروگاه موظف‌اند، در صورت پذیرش نیروگاه، واحدهای دیگری را زیر بار برده تا واحد کنترلر فرکانس از زیر این بار تحمیلی آزاد شود. در واقع واحد کنترل فرکانس، واحدی است که تقریباً به طور پیوسته در حالت بی‌بار کار می‌کند و به همین دلیل به واحد Flat معروف است. درصورتی‌که 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 می‌کنند. شبکه الکتریکی کشور پیوسته در حال گسترش و سنگین 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، می‌توان میزان انحراف را از سرعت سنکرون به‌صورت دستی کنترل کرد. این تنظیم معمولاً در محدوده ۱۰ تا ۱۵ درصد سرعت سنکرون می‌باشد و بارگذاری روی ژنراتور را کنترل می‌کند. مثلاً اگر میزان سرعت یک، منفی بوده و زیر فرکانس شبکه باشد، به واحد دستور داده می‌شود تا با رسیدن به یک سرعت خاص (که طبق میزان سرعت تنظیم می‌شود) بار دفع کند و برعکس اگر میزان سرعت، بالای فرکانس خط باشد، به ژنراتور اجازه جذب بار داده می‌شود. تنظیم میزان سرعت مثبت برای واحدی که افت سرعت دارد باعث افزایش فرکانس قدرت ژنراتور خواهد شد.

حدود پره‌های هادی

کنترل حدود جابه‌جایی پره‌های هادی برای این است که از طریق دستی بتوان حداکثر گشودگی مجاز پره‌ها را تثبیت کرد. وقتی که میزان گشودگی پره‌های هادی در یک مقدار بینابینی بود و میزان سرعت مقدار مثبتی داشته باشد، گشودگی پره‌ها در این مقدار تعیین شده، حفظ می‌شود. به‌این‌ترتیب گفته می‌شود که توربین در حالت بار مسدود کار می‌کند. میزان گشودگی پره‌های هادی توربین فرانسیس که با α یا λنشان داده می‌شود. روی منحنی عملکرد توربین مشخص می‌شود. در عمل این میزان گشودگی در یک محدوده است. مثلاً برای نیروگاه سد دز، پره‌های هادی بین ۳۰ تا ۸۰ درصد اجازه باز و بسته‌شدن دارند. در مقادیر کوچک‌تر αنسبت به حداقل گشودگی مجاز، به دلیل پدیده کاویتاسیون، پره‌ها دچار خوردگی می‌شود. در عمل برای جلوگیری از این پدیده، هوای فشرده به آب ورودی به توربین تزریق می‌شود. به همین دلیل، میزان جابه‌جایی پره‌های هادی و حداقل و حداکثر آن به‌صورت اطلاعاتی در کنترلر گاورنر ثبت می‌شود.

افت دائمی سرعت

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

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

نتیجه این که یک واحد سرعت می‌گیرد و به‌خاطر دفع بار باعث کند شدن سرعت واحد دیگر می‌گردد و درنهایت عمل گاورنرها معکوس یکدیگر می‌شود. برای جلوگیری از بروز این وضعیت، گاورنرها دارای نوعی مشخصه هستند که به افت دائم سرعت معروف است و اثر آن این است که به‌موازات افزایش گشودگی پره‌های هادی و یا جذب بار، از میزان حساسیت گاورنر به تغییرات سرعت می‌کاهد.

وضعیت نیروگاه برق‌آبی در جهان

در تصویر زیر وضعیت برترین کشورها در حوزه نیروگاه‌های برق‌آبی و میزان برق تولیدی آنها در واحد میلیارد کیلووات ساعت نشان داده شده است که کشور چین با اختلاف زیاد نسبت به رقبای خود در پیش است.

مزایا نیروگاه آبی

در ادامه به برخی از مزیت‌های نیروگاه آبی خواهیم پرداخت.

ملاحظات اقتصادی

بیشترین مزیت استفاده از نیروگاه‌های 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 زغال‌سنگ 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 درحالی‌که به‌صورت خودکار کار کنند کم است و به‌جز 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 همچنین 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 شده است.

انتشار گازهای گلخانه‌ای

درصورتی‌که سوختی در نیروگاه سوخته نشود، دی‌اکسیدکربن (که یک گاز گلخانه‌ای است) نیز در نیروگاه تولید نخواهد شد. البته در مراحل احداث نیروگاه مقدار ناچیزی گاز دی‌اکسیدکربن تولید می‌شود که در مقابل میزان دی‌اکسیدکربن تولیدی در نیروگاه‌های گرمایی که از سوخت‌های فسیلی برای تولید انرژی گرمایی استفاده می‌کنند بسیار ناچیز است. 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 به‌این‌ترتیب می‌تواند به جاذبه‌ای برای گردشگران تبدیل شود. در برخی از کشورها از این آب برای پرورش موجودات آبزی مانند ماهی‌ها استفاده می‌شود به‌این‌ترتیب که در برخی سدها محیط‌های خاصی برای پرورش موجودات آبزی اختصاص‌یافته که همیشه از نظر داشتن آب پشتیبانی می‌شوند.

معایب نیروگاه آبی

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

آسیب به محیط‌زیست

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 به‌شدت کاسته است و این به دلیل جلوگیری سد از رسیدن ماهی‌ها به بالای رودخانه برای تخم‌گذاری است و این در حالی است که برای عبور این ماهی‌ها به بالای رودخانه محل‌های خاصی در سد در نظر گرفته 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 آبزی به‌وسیله سد ممنوع است و حتماً باید برای عبور آنها تمهیداتی اندیشیده شود. به‌این‌ترتیب در برخی موارد سدها می‌توانند واقعاً برای ماهی‌ها آسیب‌رسان باشند که نمونه‌ای از آنها سد مارموت (Marmot Dam) در ایالات متحده است که عملیات حذف آن در ۲۰ اکتبر ۲۰۰۷ به پایان رسید. پس از تخریب این سد رودخانه برای اولین‌بار 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 به‌وجودآمدن 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 ازبین‌رفتن حاشیه‌های رودخانه می‌شود. به دلیل اینکه توربین‌ها معمولاً به‌نوبت 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 پرشیب‌تر می‌شوند و به‌این‌ترتیب مسیر قبلی رودخانه را خشک می‌کنند. برای مثال در رودخانه‌های تپاکو (Tekapo) و پوکاکی (Pukaki) از این روش استفاده شده است که نه‌تنها موجب به خطر افتادن برخی گونه‌های موجودات آبزی شده بلکه پرندگان مهاجر منطقه را نیز به‌شدت در خطر قرار داده است. سدهای 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 قابل‌توجهی از گاز متان و گازکربنیک را تولید کند. این گازها در اثر پوسیدگی قسمت‌های مختلف گیاهان و زباله‌هایی به وجود می‌آیند که از بالای رودخانه آمده‌اند و به‌وسیله باکتری‌های ناهوازی تجزیه می‌شوند. بیشتر گاز تولیدی در اثر پوسیدگی را گاز متان تشکیل می‌دهد که از نظر آثار گلخانه‌ای از دی‌اکسیدکربن خطرناک‌تر است. بر اساس گزارش کمیسیون جهانی سدها، در سدهایی که منبع آنها نسبت به برق تولیدی آنها کوچک است (کمتر از ۱۰۰ وات به‌ازای هر مترمربع از آب) و درخت‌های اطراف مسیر رودخانه پاک‌سازی نشده‌اند، میزان گاز گلخانه‌ای تولیدی از یک نیروگاه گرمایی با سوخت نفت بیشتر است.

جابه‌جایی جمعیت

از دیگر معایب ساخت سدها، جابه‌جایی جمعیت ساکن در مناطق زیر آب‌رفته 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 به‌این‌ترتیب 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 می‌توانید ویدئویی دیگر در مورد نیروگاه آبی مشاهده نمایید.

دانلود فیلم معرفی نیروگاه آبی شماره ۲ – Full HD | با حجم ۹ مگابايت

دانلود پاورپوینت نیروگاه آبی | با حجم ۲ مگابايت

راستی! برای دريافت مطالب جديد در کانال تلگرام PowerEn و یا پیج اینستاگرم PowreEn عضو شويد.