فصل اول
آشنایی کلی با مکان کار آموزی
نیروگاههای برق آبی
پیشگفتار
انرژی کلید توسعه اقتصادی، صنعت و حمل و نقل یک کشور می باشد. مسائل شهری و روستائی زیادی به انرژی بستگی دارند. در واقع مقدار انرژی مصرفی توسط هر فرد در هر کشور نشان دهنده میزان توسعه آن کشور است. رودخانه ها یکی از منابع بسیار مفید تأمین انرژی هستند. نیروگاههای برقابی قابل اعتماد بوده و دارای آلودگی نمی باشند. هزینه آنها به نسبت کم است و می توان آنها را برای ایجاد بار متغیر و تأمین نیاز پیک تنظیم کرد. بحث استفاده از انرژی خورشیدی که امروزه در دنیا رواج یافته است در حال حاضر چندین برابر گران تر از انرژی برقابی بوده و از درجه قابلیت اعتماد کمتری نیز برخوردار است.
مانع اصلی توسعه انرژی قابل تجدید ( برقابی) عدم آگاهی مهندسی و تکنسینها و نیز تصمیم گیرندگان و مصرف کنندگان اطلاعات موجود در این زمینه می باشد. بنابراین یکی از اقدامات مهم در این مورد می تواند ارتقاء آموزش و اطلاعات متخصصین و افکار عمومی به امکان استفاده از منابع انرژی قابل تجدید با توجه خاص به مسائل و ضروریات زیست محیطی توسعه پایدار باشد.
ویژگیهای کلی توسعه پروژه ها برقابی و نقش نیروگاههای آبی
1- مقدمه
این فصل به اختصار به شرح مفاهیم کلی عملکرد سیستمهای تولید نیرو، بکارگیری پروژه های آبی سیستمهای تولید برق، انواع مختلف پروژه های بر ق آبی، اجزاء یک پروژه آبی، اجزاء یک نیروگاه و انواع توربینهای قابل استفاده می پردازد.
2- عملکرد سیستمهای تولید نیرو
هدف این بخش تشریح عملکرد سیستمهای تولید نیرو است. عناوین این بخش شامل؛ بار ( مقدار تقاضا برای انرژی )، منابع( انواع نیروگاهها)، بکارگیری منابع برای تولید بار و نقش انرژی برقابی در عملکرد سیستمهای تولید نیرو است.
ساختار صنعت برق
در ایالات متحده عمده سازمانهای تولید برق را می توان به سه گروه طبقه بندی کرد: بخش خصوصی که تقریبا" 75 درصد انرژی برق برق کشور را تأمین می کند، بخش دولتی ( شهرداریها، سازمانهای منطقه ای و غیره) که تأمین کننده تقریبا" 15 درصد کل انرژی می باشد و 7 درصد باقیمانده توسط تعاونیهای روستایی با شراکت مصرف کنندگان تأمین می شود.
تعاریف
بعضی از تعاریف مربوط به عملکرد سیستمهای تولید نیرو در ادامه آمده است و در شکل 2-1 بعضی از این پارامترها مشخص شده است.
1-انرژی (Energy): انرژی توانایی انجام کار است. انرژی مکانیکی با واحد فوت- پوند و انرژی الکتریکی با واحد کیلو وات ساعت ( . Ibs – ft 2656000 = kWh 1) بیان می شود . انرژی خروجی از نیروگاههایی آبی از نوع انرژی الکتریکی می باشد.
2- توان (Power ): توان، مقدار انرژی تولید شده و یا مصرف شده در واحد زمان می باشد و با واحد اسب بخار و یا کیلووات ساعت بیان می شود. این تعریف یک تعریف فنی از توان است ولی اغلب از این راه واژه بصورت وسیعی هم برای بیان مفهوم انرژی و هم برای بیان مفهوم توان استفاده می شود.
= فاکتر بار روزانه
مقدار متوسط نیاز در روز
حداکثر مقدار نیاز در روز
نیاز روزانه انرژی الکتریکی
3- ظرفیت ( Capacity): حداکثر توانی است که یک نیرو قادر به تولبد آن می باشد و با واحد کیلو وات بیان می شود.
4- بار( Load ): بار به مقدار تقاضا برای انرژی الکتریکی اطلاق می شود. بار می تواند بر حسب انرژی ( متوسط توان مورد نیاز) یا بر حسب ظرفیت ( حداکثر توان مورد نیاز) بیان شود . برای مقاصد طراحی، ماکزیمم ظرفیت مورد انتظار سالانه مدنظر قرارمی گیرد. انرژی مورد نیاز معمولا" بر حسب متوسط انرژی سالانه اندازه گیری می شود.
5- منابع(Resources): به منابعی اطلاق می شود که انرژی آنها به انرژی آنها به انرژی الکتریکی تبدیل می گردد. این منابع می تواند کلیه تجهیزات تولید نیرو را نیز شامل شود.
6- فاکتر بار (Load factor ): فاکتر بار نسبت متوسط توان مورد نیاز به ماکزیمم توان مورد نیاز در پریود زمانی مورد نظر می باشد. فاکتر بار می تواند روزانه، هفتگی، ماهیانه و یا سالانه محاسبه شود. برای مثال فاکتور بار روزانه بصورت زیر بدست می آید:
= فاکتر بار روزانه
مقدار متوسط نیاز در روز
حداکثر مقدار نیاز در روز
- تغییرات بار الکتریکی
1- کلیات: برای درک صحیح از عملکرد یک سیستم تولید کننده نیرو باید نحوه طبقه بندی بارها و تغییرات آنها با زمان را دانست.
2- تغییرات روزانه بار الکتریکی: بار یا مقدار نیاز به انرژی الکتریکی، ساعت به ساعت، روز به روز، فصل به فصل، بسته به مقدار نیاز و نحوه زندگی مصرف کنندگان تغییر می کند. شکل 2-1 نیاز روزانه انرژی الکتریکی را نشان می دهد. در ساعات اولیه صبح که مردم در حال استراحت هستند میزان نیاز به انرژی الکتریکی کم می باشد.مقدار نیاز بطور محسوسی در ساعت 6 صبح که مردم بیدار می شوند و به سر کار می روند افزایش می یابد و در باقیمانده ساعات صبح به یک نقطه اوج می رسد. در طول روز مقدار نیاز در سطح بالایی باقی می ماند و اغلب در ساعات اولیه شب به یک نقطه اوج دیگرمی رسد و سپس کاهش می یابد.
3- تغییرات هفتگی بار الکتریکی: در طی روزهای کاری هفته نیاز به انرژی الکتریکی بالا می رود و در روزهای تعطیل به پایین ترین حد خود می رسد. این الگو متأثر از مقدار تقاضای انرژی برای فعالیتهای و اقتصادی و صنعتی در طول هفته می باشد.
4- تغییرات فصلی بار الکتریکی: الگوی نیاز فصلی برق تحت تأثیر آب و هوا و ساعات روشنایی روز است. آب و هوا می تواند باعث ایجاد دو پیک مصرف شود. یکی در زمستان در نتیجه وسایل گرمایی و یکی در تابستان در نتیجه وسایل سرمایش. نیاز برق در این دو فصل نسبت به بهار و پاییز بیشتر است. بیشتر کشورها پریودهای پیک را هم در تابستان و هم در زمستان دارند. شکل تغییرات فصلی بار الکتریکی را در جنوب آمریکا نشان می دهد.
تغییرات فصلی بار الکتریکی در جنوب امریکا
5- اشکال مختلف بار الکتریکی : بار الکتریکی به سه بخش تقسیم می شود: بار پایه، بار متوسط و بار حداکثر ( شکل 2-3) . بار پایه حداقل بار در پریود زمانی است. بار حداکثر آن بخش از بار الکتریکی است که 8 ساعت در روز یا کمتر وجود داشته باشد. بار متوسط بار بین بار پایه و بار حداکثر است. نیروگاههای برق اغلب بر حسب اینکه کدام بخش از بار الکتریکی را تأمین می کنند تحت عناوین بارپایه، بار متوسط و بار پیک ( حداکثر) تقسیم بندی می شوند، اما تعریف عملی با این تعریف متفاوت است. بار متوسط در 8 تا 14 ساعت از روز وجود دارد و بار پایه بخشی از بار الکتریکی است که زیر بار متوسط قرار دارد.
6- طبقه بندی بار: بار الکتریکی می تواند براساس نوع مصرف کننده تقسیم بندی شود. در زیر بخشهای اصلی مصرف کننده برق و درصد نیاز آنها در ایالات متحده با هم مقایسه شده است:
مصارف صنعتی 35 درصد
مصارف مسکونی 35 درصد
مصارف تجاری 25 درصد
کشاورزی و روشنایی معابر 5 درصد
7- پیش بینی مقدار بار الکتریکی: برای طراحی و ساخت نیروگاهها باید مقدار بار الکتریکی در سالهای آینده پیش بینی شود.
منابع تأمین کننده انرژی
1- مقدمه: منشاء انرژی الکتریکی همان منابع تولید کننده انرژی الکتریکی است. در ادامه خلاصه ای از انواع اصلی نیروگاهها و سایر منابع تولید انرژی که در حال حاضر در آمریکا مورد استفاده قرار می گیرد، آمده است. به منظور مقایسه این منابع ارزش تقریبی آنها در سال1983 ارائه شده است.
2- نیروگاههای فسیلی (FossiI-fueI steam) : نیروگاههای فسیلی یکی از منابع بزرگ ملی تأمین کننده برق آمریکا می باشند. در این نیروگاهها سوختهای فسیلی به منظور تأمین انرژی لازم برای تولید بخار سوزانده می شود، از بخار تولید شده برای چرخاندن توربینها استفاده می گردد. حدود 30-40 درصد انرژی سوخت به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. سوخت این نیروگاهها، زغال سنگ، گاز طبیعی، نفت و یا ترکیبی از این سوختها است. در گذشته نیروگاههای حرارتی کوچک ساخته شده اند، اما در حال حاضر انواع پیشرفته آن ها 300-700 مگاوات برق تولید می کنند. این نیروگاهها برای تأمین بار الکتریکی پایه کارآیی بیشتری دارند. اگر چه واحدهای قدیمی کوچکتر معمولا" برای تأمین الکتریکی متوسط بکار می رفتند، اما واحدهای جدیدتر در تأمین بار الکتریکی پایه و متوسط بکار می آیند.
آنچه مسلم است این نیروگاهها بدلیل پیچیدگیهای خاص بهره برداری از آنها، چندین ساعت وقت نیاز دارند تا راه اندازی گردند و در مقایسه با دیگر نیروگاهها اگر چه قابلیت تولید بار حداکثر را دارند ولی نمی توانند به سرعت خود را به این مقدار تولید برسانند.
چنانچه سوخت نیروگاه زغال سنگ باشد، این نوع نیروگاهها در هر سال 4 تا 6 هفته وقت برای تعمیرات نیاز دارند و معمولا" 10 تا 20 درصد اوقات خارج از خط تولید می باشند.روی هم رفته 65 تا 85 درصد اوقات بسته به بزرگی نیروگاه کار مفید دارند.
3- نیروگاه هسته ای (Nuclear ): نیروگاههای هسته ای مشابه نیروگاههای حرارتی با سوخت فسیلی هستند با این تفاوت که در نوع اخیر منبع هسته ای حرارت مورد نیاز برای تولید بخار را تأمین می کند. بازده حرارتی در این نوع نیروگاهها بدلیل فعالیت سیستمهای بخار هسته ای در دما و فشار پایین تر 33 درصد کمتر از نیروگاههای زغالی است. نیروگاههای هسته ای معمولا" به گنجایش 800 تا 1250 مگاوات ساخته می شوند. نیروگاههای هسته ای با توجه به قیمت کم سوخت و نیز دیگر ویژگیهای عملیاتی، برای تأمین بار پایه مورد استفاده قرار می گیرند.نیروگاههای هسته ای غالبا" بدلیل تعمیر، نگهداری و سوختگیری هشت هفته در سال از کار خارج می شوند. در 15 درصد موارد به علت قطع برق بپیش بینی نشده کارآیی و بازده این نوع نیروگاهها به 65 تا 75 درصد می رسد.
4- نیروگاههای با توربین احتراقی (Combustion turbine) : توربین احتراقی در واقع یک موتور جت متصل به ژنراتور می باشد. توربینهای احتراقی قادر به کار کردن با گاز طبیعی یا نفت تقطیر شده می باشند. کارآیی آنها در مجموع بین 25 تا 30 درصد است. این نیروگاهها برای گنجایش 10 تا 100 مگاوات طراحی و غالبا" بصورت جفتی ساخته می شوند ( دو توربین احتراقی به یک ژنراتور متصل می گردد) و تأسیسات آن ها شامل چندین بخش است. هزینه سرمایه گذاری آنها پایین است ولی قیمت سوخت آنها بالاست توربینهای احتراقی می توانند در عرض چند دقیقه شروع به کار کنند و با تغییر تعداد واحدهایی که در خط تولید برق هستند برای ظرفیتهای مختلف مورد استفاده قرار گیرند. بدلیل قیمت بالای سوخت و سرعت راه اندازی، توربینهای احتراقی معمولا" برای اوقات پرمصرف و تأمین بار ذخیره بکار گرفته می شوند. میزان کارکرد سالانه آنها 10 درصد یا کمتر می باشد.
5- نیروگهای با سیکل ترکیبی (eycle Combustion): نیروگاههای سیکل ترکیبی شامل یک رشته توربینهای احتراقی با تهویه های حرارتی بر روی خروجیهای بخار است از بخار تهویه های حرارتی برای براه انداختن ژنراتور توربینهای غیر هسته ای استفاده می شود. افزودن سیکل بخار توربینهای احتراقی است اما دلیل کارایی بالاتر هزینه سوخت پایین می آید. نیروگاه سیکل ترکیبی اصولا" برای عملیات چرخشی یا عملیات گسترده در زمانی که میزان تقاضا بالاست، طراحی می گردد.
6- نیروگاههای آبی (Hydropower) نیروگاههای آبی از نظر میزان سوخت
یعنی آب) با دیگر نیروگاهها متفاوت هستند به این معنا که سوخت آنها ( آب) همواره در دسترس است. برای تطبیق بهتر توزیع جریان آب با آب مورد نیاز نیروگاهها روشهای مختلفی مثل ذخیره سازی فصلی و یا هفتگی و روزانه اعمال می شود. اما حجم کل آب موجود که به نیروگاه می رسد، مقدار ثابتی است. در برخی از موارد مساحت زیر نیروگاه باعث افزایش انرژی پتانسیل مصرفی می شود اما بر میزان عرضه کلی تأثیری ندارد. یکی از امتیازات این نوع نیروگاهها سوخت ارزان آن می باشد، البته هزینه سرمایه گذاری آن ها نسبتا" بالاست.
استفاده از انرژی آب بالاترین کارآیی را در تبدیل انرژی به میزان 80 تا 90 درصد داراست. نیروگاههای آبی بسرعت وارد خط تولید می شوند و سریعا" می توانند پاسخگویی تغییر ات بار باشند. در صورت وجود مخزن و شرایط مناسب رودخانه، نیروگاههای آبی می توانند در حالت حداکثر مصرف مورد استفاده قرار گیرند. اگر نیروگاه فاقد و هرگونه ذخیره قابل کنترل باشد، در آن صورت تولید انرژی بوسیله آب تنها زمانی امکان پذیر می شود که آب در رودخانه جاری باشد. میزان قطع برق پیش بینی نشده در نیروگاههای آبی بسیار کم است ( 2 تا 4 درصد) و میانگین کارآیی( با احتساب زمان نگهداری و تعمیرات ) 95 درصد است.
7-نیروگاههای آبی ذخیره ای – تلمبه ای ( Pumped -storage):
در این نیروگاهها انرژی بوسیله ذخیره کردن آب تولید می شود. در زمانی که تقاضا کم است ( شبها و تعطیلات آخر هفته) آب به ذخیر کردن آب تولید مخازن بالاتر پمپاژ می گردد. برای این پمپاژ از نیروی برق کم هزینه ای مثل نیروگاههای بخار با سوخت زغال سنگ استفاده می شود. و زمانی که تقاضا بالاست و ارزش انرژی بیشتر است، تولید، کارآیی به حدود 65 تا 75 درصد کاهش می یابد. مخازن پمپ شده بسرعت شروع به کار می کنند و برای تولید نیرو در زمان پیک مصرف به کار گرفته می شوند هزینه ساخت این سیستم نسبتا" بالاست و میزان قطع برق پیش بینی نشده حدود 5 درصد می باشد.
8- انواع دیگر نیروگاهها: انواع دیگر نیروگاهها عبارتند از نیروگاههایی که با بخار ناشی از حرارت زمین کار می کنند مانند نیروگاههای بادی (Wind) ، خورشیدی (Solar) . جزر و مدی (Tidal) . در حال حاضر بدلیل محدود بودن منابع و اینکه این نیروگاهها هنوز در حال توسعه هستند، کمتر مورد استفاده قرار می گیرند. از انواع دیگر، نیروگاههای دیزلی یا احتراق داخلی است. این نیروگاهها در مواقع اضطراری و یا در مکانهایی که بار انرژی نسبتا" کم است مورد استفاده قرار می گیرند.
8-اجزاء یک نیروگاه آبی
الف- کلیات: برای اینکه بتوان از آب برق گرفته سه جزء اساسی باید تأمین شوند که عبارتند از فشار یا ارتفاع آب، یک مجرا برای انتقال آب و یک نیروگاه برای در اختیار داشتن این سه جزء، بخشهای زیر مورد نیاز می باشند: سد، مخازن، آبگیر (Intake ) ، لوله تحت فشار مخزن متعادل کننده فشار موج (Surge tabe )
ب- سد ( Dam) : سد دو عمل اساسی انجام می دهد. اول آنکه ارتفاع آب مورد نیاز برای چرخاندن توربین را فراهم می کند. دو م اینکه مخزنی را تأمین می نماید که یک الگوی مصرف روزانه و یا فصلی را پاسخگو باشد. ارتفاع سد، ارتفاع آب و حجم مخزن را تعیین می کند. نیروگاهها را می توان برای سدهای ساخته شده یا در حال ساخت طراحی نمود. اگر برای یک سد موجود نیروگاه ساخته می شود باید دقت گردد تا مشکلی برای پایداری سد ایجاد نشود.
ج- مخزن (Reservoir): مخزن به آب جمع شده پشت سد می گویند. ظرفیت مخزن حجم آبی است که در پشت سد جمع می شود. این مخزن به دو بخش زنده و مرده تقسیم می گردد. مخزن زنده آن بخش از حجم مخزن است که قابل دستیابی برای رفع نیازهاست. حجم مرده آن بخش از آب است که قابل دستیابی نمی باشد و اصولا" حجمی است که توسط رسوبات وارده به سد پر می شود. این حجم در واقع ، حجم آبی است که در زیر پایین ترین رقوم آبگیر واقع است. نیروگاههای جریان دائمی معمولا" مخزن ندارد. مخازنی که برای تنظیم روزانه و یا هفتگی بار الکتریکی استفاده می شوند. بنام pondages و مخازنی که برای تنظیم فصلی بار الکتریکی استفاده می شوند. بنام مخازن فصلی (Seasonal stirages ) نامیده می شوند.