استفاده از نرم افزار در بررسی ضربه قوچ در مدخل ورودی نیروگاههای آبی
- 01 نوامبر 2015
- ارسال شده توسط: admin
- دسته بندی: مقالات مکانیک ,
با توجه به روند رو به رشد بهره برداری از نیروگاههای آبی در استفاده از منابع تجدیدپذیر انرژی در تولید الکتریسیته و اهمیت بررسی پدیده ضربه قوچ در نیروگاهها ،به طراحی نرم افزاری برای استفاده در نیروگاههای آبی مبادرت نمودیم.
در این قسمت به بررسی ضربه قوچ و افزایش سرعت توربین و معرفی نرم افزار نوشته شده به زبان Visual Basic برای بدست آوردن بهترین زمان بستن دریچه های Wicketgate در نیروگاههای آبی هنگام بار برداری(Load Rejection ) می پردازیم ونتایج بدست آمده توسط نرم افزار برای یکی از پروژههای نیروگاه آبی ایران با نتایج ارائه شده توسط شرکت سازنده توربین مقایسه می شوند.
1- روابط ضربه قوچ
با حل همزمان معادله نویر استوکس و معادله پیوستگی، به معادلات اولیه ضربه قوچ می رسیم:
( 1 ) C+ : HP = HA – B . (QP-QA) – R . QA . |QA|
( 2 ) C – : HP = HB +B . (QP-QA) + R . QB . |QB|
در روابط فوق نقطه P ،نقطه دلخواه در طول خط لوله بوده و A و B به ترتیب نقاط بالادست و پایین دست خط لوله میباشند (شکل 1).HP هد مجهول در نقطه P بوده و HA ،QA ،HB و QBبه ترتیب هد و دبی در نقاط A و B (بالا دست و پایین دست نقطه P ) می باشند.
موج ضربه قوچ از نقطه A در امتداد AP (C+) و از نقطه B در امتداد BP(C-) به نقطه P می رسند .B و R ضرایب ثابتی هستند که بصورت زیر تعریف می شوند:
( 3 ) B = a / (g . A)
( 4 ) R = (f . dx ) / (2 . D . g . A²)
a : سرعت موج ضربه قوچ ، g : شتاب جاذبه ، A : سطح مقطع لوله ، f : ضریب اصطکاک لوله
dx : فاصله تقسیمات خط لوله ، D : قطر لوله
برای بدست آوردن هد در شرایط مرزی A و B یکی از معادلات C+ یا C- را با توجه به بالادست یا پایین دست بودن، با شرایط مرزی در آن نقطه حل کرده و سپس برای بدست آوردن هد در نقاط میانی در هر لحظه از بسط روابط فوق بصورت زیر استفاده می نماییم:
( 5 ) C+ : HP(i) = Cp – B . QP(i)
( 6 ) C- : HP(i) = Cm + B . QP(i)
که در آن
( 7 ) Cp = H(i-1) + (B-R .|Q(i-1)|) . Q(i-1)
( 8 ) Cm = H(i+1) – (B-R . |Q(i+1)|) . Q(i+1)
بوده و خواهیم داشت:
( 9 ) HP(i) = (Cp + Cm) /2
( 10 ) QP(i) = (Cp – Cm ) / 2B
HP(i) و QP(i) به ترتیب هد و دبی در نقاط میانی می باشند.
2- نیروگاههای آبی و اهمیت آنها:
با توجه به بحران انرژی در سالهای اخیر ، استفاده از منابع تجدیدپذیر در تولید انرژی از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد که نیروگاههای آبی در این بین از جایگاه خاصی برخوردارند .راندمان یک نیروگاه حرارتی با سوخت فسیلی حدود 30% الی 40% می باشدکه با استفاده از سیکل ترکیبی می توان راندمان را به حدود 50% رساند. در حالیکه راندمان نیروگاههای آبی بزرگ حدود 95% و نیروگاههای کوچک حدود 90% می باشد.
ظرفیت تولید الکتریسیته توسط نیروگاههای آبی اکنون حدود 10% کل ظرفیت الکتریسیته تولید شده در کشور است که تا پنج سال آینده این ظرفیت تا 30% افزایش خواهد یافت.
قسمتهای اصلی یک نیروگاه آبی شامل Penstock، توربین، ژنراتور و Draft Tube می باشد که Penstock خط انتقال آب از مخزن به دریچه های پشت توربین (Wicketgates) بوده و سیال پس از انجام کار در توربین از طریق Draft Tube به پایین دست انتقال می یابد.
آب از سد وارد Penstock که قطر و جنس آن در محلهای مختلف متفاوت است شده و پس از عبور از شیر پروانه ای وارد محفظه حلزونی شکل (Spiralcase) شده و در آنجا بصورت چرخشی پس از عبور از بین دریچه ها (Wicketgates) با پره های توربین برخورد کرده و باعث چرخش توربین و ژنراتور شده و وارد Draft Tube می شود.
3- آشنایی با یکی از نیروگاههای آبی در دست اجرا:
سد و نیروگاه بر روی رودخانة کارون در جنوب غربی ایران در استان خوزستان ساخته خواهدشد.این نیروگاه دارای مشخصات زیر میباشد:
مخزن با مساحت 12813 کیلومتر مربع و ظرفیت 6e ×1900 مترمکعب
قدرت نصب چهار واحد توربین فرانسیس 250 مگاواتی مجموعاً با قدرت 1000 مگاوات
ارتفاع طراحی: (Rated ) 5/161متر
دبی طراحی: (Rated ) 171 مترمکعب در ثانیه
دور طراحی توربین: (Rated ) 5/187 دور در دقیقه
قطر لوله : 6 متر
قطر توربین : 5/4 متر
چنانچه بار از روی ژنراتور برداشته شود، سرعت توربین در اثر عبور آب افزایش خواهد یافت که اگر این افزایش سرعت زیاد باشد باعث تخریب پرهها و بوجود آمدن وضعیت بحرانی میشود. برای جلوگیری از افزایش سرعت توربین باید سریعاً دریچههای ورودی آب به توربین (Wicket gates ) بسته شود.
همانطور که قبلا اشاره شد سرعت بستن دریچهها تاثیر مستقیم بر ایجاد پدیدة ضربة قوچ و در نتیجه افزایش فشار داخل خط لوله دارد.بنابراین باید زمان مناسب برای بستن دریچهها را بگونهای در نظر گرفت که افزایش سرعت توربین و افزایش فشار در خط لوله هر دو در محدودة مجاز ، واقع باشند و هزینههای ساخت و بالا بردن ضرایب اطمینان، متعادل باشند.
زمان بستهشدن دریچهها دراین پروژه نیروگاه آبی مطابق محاسبات انجام شده توسط شرکت سازنده توربین حدود 22 ثانیه بوده و منحنی بسته شدن دریچهها. همچنین حداکثر فشار در ورودی حلزونیشکل حدود 195 متر و افزایش سرعت تا حدود 287 دور در دقیقه تخمین زده میشود.
4- معرفی نرم افزار:
این برنامة کامپیوتری که به زبان Visual Basic نوشته شده است پس از گرفتن اطلاعات اولیهای نظیر مشخصات خط لوله (شامل قطر،زبری،طوللوله و نحوةاتصال آنها) و مشخصات شیر یا توربین به محاسبة سرعت ، هد و دبی در طول زمان مشخص شده توسط کاربر میپردازد.لازم به ذکر است که در این محاسبات اثر موج برگشتی نیز لحاظ شدهاست.
در این نرم افزار میتوان اثرات ضربةقوچ را در خط لوله با توربین بررسی نمود که شرایط مرزی خاص خود را دارد:
1-4- توربین:
این حالت، کاربرد عملی در طراحی نیروگاههای آبی دارد.در این حالت، مشخصات توربین بعنوان ورودی وارد میگردد. این مشخصات شامل معادلات میزان بازشدگی دریچهها(Wicket gates ) بر حسب دبی و هد و سه نقطه از منحنیهای قدرت از Hill chart نمونه(Prototype ) میباشد و نقاط میانی توسط نرم افزار میانیابی میشود.
لازم به ذکر است که مشخصات توربین را میتوان از Hillchart مدل یا Hillchart نمونه بدست آورد. با توجه به اینکه Hillchart مدل پس از سفارش توربین، توسط سازنده، ارایه میگردد نمیتوان در طراحی اولیه از آن استفاده نمود. بنابراین از Hillchart نمونه (Prototype )که برای یک سرعت طراحی، در دسترس است استفاده میشود.
این نرم افزار پس از دریافت مشخصات Hillchart نمونه با توجه به افزایش سرعت توربین نسبت به سرعت طراحی ،مقادیر هد ، دبی و قدرت را با استفاده از روابط تشابه دینامیکی در توربینها در سرعت جدید بدست میآورد و به این ترتیب Hillchart نمونه را در سرعتهای جدید شبیهسازی میکند.
روابط تشابه دینامیکی مذکور عبارتند از:
که در آن و و به ترتیب هد ، دبی و قدرت در سرعت میباشند و و و بیانگر همین مشخصات در سرعت میباشند.
خروجیهای برنامه شامل محاسبة هد، دبی، سرعت و میزان بسته شدن دریچهها در زمانهای مختلف و نمایش آن در جدول بوده و همچنین میتوان این نتایج را بصورت دو بعدی یا سه بعدی در نمودار مشاهده نمود.
از دیگر قابلیتهای این نرم افزار امکان رسم منحنیهای سرعت و هد برای زمانهای مختلف بستهشدن دریچه و در نهایت با توجه به محدودههای مجاز سرعت توربین و هد خط لوله، انتخاب زمان مناسب برای بستن دریچه و همچنین تعیین چگونگی تغییرات سرعت دریچه در هنگام بستهشدن میباشد.
5- بحث و نتیجهگیری:
لازم به ذکر است که نتایج بدست آمده ،بر اساس اطلاعات ورودی برای بدترین شرایط در محاسبه ضربه قوچ به شرح زیر میباشند:
طول خط لوله : 387 متر
سرعت موج : 1300 متر بر ثانیه
سرعت آب در لوله : 3/6 متر یر ثانیه
دبی آب : 178 متر مکعب در ثانیه
ارتفاع آب پشت سد : 168 متر
ممان اینرسی اجزاء متحرک : 6250 تن بر متر مربع
قطر لوله : 6 متر
ضریب اصطکاک خط لوله : 02/0
هد برحسب متر، دبی برحسب مترمکعب بر ثانیه، سرعت بر حسب دور در دقیقه و میزان بازشدگی دریچهها بر حسب درصد میباشند. نتایج تقریبا یکسان بوده ولی برخی سادهسازیها در ورود اطلاعات به نرم افزار مانند یکسان فرض نمودن قطر و جنس لوله و اثر آن در محاسبة سرعت موج و ضریب اصطکاک و… باعث بروز اختلافات جزیی در نتایج بدست آمده شده است.