گزارش کارآموزی طراحی و ساخت تجهیزات سد و نیروگاه کارون 3 در شرکت پیشگامان فن اندیش

فصل اول

آب به عنوان منبعی جهت تولید انرژی الکتریکی

 ادامه زندگی برای بشر امروزه بدون انرژی الکتریکی ناممکن است صنایع سنگین و سبک تجهیزات کشاورزی بیمارستان ها و سیستم های امدادی خطوط نقل و انتقال هوایی، زمینی و دریایی، رسانه‌های جمعی و شبکه‌های ارتباطی و حتی روزمره‌ترین و ضروری‌ترین وسایل خانگی و زندگی شهری بدون الکتریسیته کارایی خود را از دست می دهند. در مقابل دسترسی مطمئن و همیشگی به برق، رشد اقتصادی، توسعه صنعتی و رفاه عمومی را امکان پذیر می‌سازد و این نکته در مورد کشور رو به رشدی چون ایران اهمیتی مضاعف می‌یابد.

1-1: چگونه می توان انرژی الکتریکی را تولید کرد؟

 امروزه روش‌های مصنوعی برای تولید الکتریسیته وجود دارد.  در فرایند تولید  انرژی الکتریکی یکی از فرم‌های مختلف انرژی  به انرژی الکتریکی تبدیل می شود، این فرایند تبدیل انرژی در نیروگاه انجام می‌شود. از انواع انرژی که می‌توان با تبدیل آنها انرژی الکتریکی را تولید نمود، می‌توان به انرژی آب ، باد، شیمیایی، فسیلی، اتمی و... اشاره کرد.

بسته به انرژی که برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌شود، نیروگاه‌ها به اشکال زیر دسته بندی می شوند:

1-1-1-نیروگاه آبی:

 در این نوع نیروگاه انرژی پتانسیل آب پشت سد به انرژی جنبشی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. این نیروگاه‌ها دارای راندمان بالا بیش از 85%می باشند.

نیروگاه های آبی را بسته به ارتفاع آبی که جهت چرخش توربین مورد استفاده قرار می‌گیرد به سه دسته زیر تقسیم می‌کنند :

الف- نیروگاه آبی با فشار کم : در این نیروگاه ارتفاع آب هنگام ریزش 25 تا 30 متر است  .

ب- نیروگاه آبی با فشار متوسط: در این نیروگاه ارتفاع آب هنگام ریزش 30 تا 100متر است  .

ج- نیروگاه آبی با فشار زیاد: در این نیروگاه ارتفاع آب هنگام ریزش 100 تا 400 متر است .

1-1-2- نیروگاههای حرارتی

  نیروگاههایی هستند که با سوخت فسیلی کار می‌کنند که به سه دسته زیر تقسیم می شوند:

الف- نیروگاه بخار :  در این نیروگاه توسط سوخت فسیلی آب به بخار با درجه حرارت بالا حدود 560 درجه سانتیگراد تبدیل شده و توسط آن توربین ژنراتور به چرخش در می‌آید. این نیروگاهها دارای راندمان 30 تا 40 درصدی می‌باشند .

ب- نیروگاه گازی : در این نیروگاه توسط سوخت فسیلی هوا را به عنوان گاز گرم کرده و به توربین ژنراتور اعمال می‌شود. نیروگاه‌های گازی در اندازه‌های کوچک 50 تا 300 مگاوات ساخته می‌شوند و بیشتر به صورت نیروگاه پشتیبان مورد استفاده قرار می گیرند. این نیروگاهها دارای راندمان 20 تا 30 درصدی می‌باشد .

ج- نیروگاه سیکل ترکیبی:  این نوع نیروگاه ترکیبی از دو نیروگاه بخار و گازی می باشد. گاز خروجی توربین نیروگاه گازی که دارای دمای بالا حدود 500 درجه سانتیگراد می‌باشد جهت گرم کردن آب یا بخار آب در نیروگاه بخار استفاده می شود.

1-1-3-نیروگاه هسته ای

در این نیروگاه‌ها از انرژی نهفته در هسته اتم برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌شود. اگر هسته اتم شکسته شود جرم اتصالی به انرژی‌ای مطابق انرژی انیشتین تبدیل می‌شود (E=MC2) این کار در راکتور اتمی انجام می‌شود .

1-1-4-نیروگاه بادی

1-1-5-ژنراتور خورشیدی

1-1-6-ژنراتور ترموکوپل

1-1-7-ژنراتور جزر و مد

. . .

1-2-دلایل استفاده از نیروگاه آبی

اما طبیعی است اگر همه ی نگاهها به سوی استحصال این انرژی از طریق اقتصادی تر معطوف گردد در این عرصه یکی از مهمترین روشهای تولید انرژی الکتریکی از نیروی آب یا هیدر‌‌ ‌‌‌‌و الکتریک است . در این شیوه با تبدیل انرژی پتانسیل آب به انرژی جنبشی و سپس تبدیل آن به انرژی مکانیکی و با استفاده از تجهیزات هیدرو الکتریکی و الکترو مکانیکی انرژی الکتریکی بدست می آید. به نیروگاه‌هایی که به این روش تولید الکتریسیته می‌کنند، نیروگاه آبی می‌گویند  .

در این روش علاوه بر مزایایی چون عدم آلودگی محیط زیست و برگشت پذیر بودن انرژی مورد نیاز نیروگاه‌های آبی نسبت به سایر اشکال نیروگاهی بهره دهی بسیار بالاتری دارد و الا رقم مدت اجرا و راه اندازی زیاد و سرمایه گذاری اولیه بالا با توجه به دامنه توان مناسب عمر مفید و هزینه نگهداری پایین بسیار اقتصادی‌تر است  .

در نیروگاههای آبی دستیابی به حجم مخزن مطمئن آب و ارتفاع مناسب آن شرطی لازم است و این شرط احداث یک سد بر روی جریان رودخانه را ضروری می نماید به همین جهت از دیرباز رودخانه‌های ایران با هدف احداث سد و توسعه نیروگاه‌های آبی مخزنی مورد مطالعه قرار گرفته اند.

                             .

1-3-نیروگاه برق آبی کارون 3

فرآیند تولید انرژی الکتریکی در نیروگاه کارون 3 نیز همانند سایر نیروگاه‌های آبی می‌باشد. در این نیروگاه آب ذخیره شده پشت بدنه سد از طریق دریچه های آبگیر وارد تونل‌های آبگیر شده و با گذر از تونل‌های آب‌بر به شیرهای پروانه ای درون گالری شیرها می‌رسد. در صورت بازبودن این شیرها آب وارد توربین شده و با چرخاندن پره‌های توربین یا رانر انرژی آب باعث چرخش محور ژنراتور می‌شود، با چرخیدن این محور با تکیه بر فرایند القای ولتاژ از طریق میدان مغناطیسی که از چرخش این محور  درون روتور ژنراتور ایجاد می‌شود و به کمک سیستم تحریک ژنراتور ولتاژی درون سیم پیچهای استاتور القا می گردد که این ولتاژ توسط ترانس‌های قدرت افزایش داده شده و به خطوط انتقال ارسال می گردد . تجهیزات اصلی که در این نیروگاه به منظور تولید برق بکار رفته اند و در فصول بعد در مورد  آنها توضیحاتی داده می‌شود عبارتند از :

1-3-1- شیر پروانه‌ای

1-3-2- توربین

1-3-3- ژنراتور

1-3-4- ترانسفورماتور قدرت

فصل دوم

شیر پروانه‌ای

شیرهای اصلی نیروگاه کارون 3 یکی از بزرگترین تجهیزات بکار رفته در نیروگاه میباشد که این شیرها از نوع پروانه ای هستند.

2-1- طراحی و ساخت شیر پروانه ای

شیرهای ورودی نیروگاه در مغاری به طول 240 متر ، ارتفاع 24.5  متر و عرض 9  متر قرار دارند که به آن گالری شیرها گفته می‌شود، این گالری از  شیر پروانه ای تشکیل شده که هر شیر وظیفه قطع و وصل جریان آب ورودی به توربین را بر عهده دارد.

 از8 شیر پروانه ای ساخت 4 دستگاه آن‌ها در کشور چین انجام شده و  دستگاه دیگر نیز با نظارت شرکت سازنده چینی در داخل کشور ساخته شده‌اند. پس از اتمام مراحل ساخت و مونتاژ اولیه در کارخانه باید چند تست ضروری برای اطمینان از صحت عملکرد شیر ساخته شده صورت گیرد. شیر پروانه‌‌‌ا‌ی‌های نیروگاه کارون 3 برای تحمل فشار 23.2  بار معادل 2.32  مگا پاسکال طراحی شده‌اند. سپس در تست هیدرواستاتیک فشاری معادل 34.8  بار به شیر پروانه ای وارد می‌شود. در این تست  عملکرد قطعات و اتصالات، دقت جوشکاری‌ها و میزان نشتی مجاز شیر پروانه ای مورد بررسی قرار می‌گیرد.

  پس از آزمایشات و تستهای فنی در صورت دارا بودن شرایط لازم شیرهای پروانه ای منتقل می‌شوند، قطعات شیر پروانه ای باید دمونتاژ شده و برای مونتاژ مجدد در محل نصب آماده شوند به همین منظور یک جرثقیل سقفی با ظرفیت 100 تن و با دهانه 8  متر در گالری شیرها تعبیه شده است .

2-2-وظایف شیر پروانه ای

شیرهای ورودی نیروگاه محل اتصال تونلهای آبرسان  با نیروگاه هستند. شیر پروانه ای‌‌ها وظیفه حفاظت از نیروگاه را بر عهده دارند. شیرهای پروانه ای در صورت لزوم جریان آب را قطع یا وصل می‌کنند.  این بخش بگونه ای طراحی می‌شود که مقاومت مسیر در مقابل عبور آب و اصطکاک انرژی آن را به حداقل برساند.

  بر اثر ضربه قوچPenstack   ها دچار تغییرات طولی مختصری می‌شوند. وظیفه دیگر شیر پروانه ای‌‌ها این است که بوسیله اتصالات کشویی خود مانع از انتقال این جابجایی به مجموعه توربین‌ها شود. شیر پروانه ای‌‌ها بگونه ای طراحی شده‌اند که در شرایط اضطراری می‌توانند به شکل خودکار و بدون نیاز به نیروی خارجی بسته شده از عبور آب و رسیدن آن به مجموعه توربین جلوگیری کند .

2-3- قطعات شیر پروانه ای

شیر پروانه ای از بزرگترین سازه‌های مکانیکی نیروگاه است وزن مجموعه کامل هر شیر پروانه ای بالغ بر 270  تن می‌شود. قطر شیر پروانه ای 5.2 متر است.  اولین قطعه اصلی شیر پروانه ای که در محل خود نصب می‌شود دیسک شیر پروانه ای به وزن تقریبی70   تن است. بعد از دیسک بدنه شیر پروانه ای با وزن تقریبی 65 تن با جرثقیل حمل شده و در طرفین دیسک نصب می‌شود، سپس نوبت به لوله بالادست با وزن تقریبی 28 تن و لوله پایین‌دست با وزن 11 تن می‌رسد.  باز و بسته نمودن شیر پروانه ای به کمک دو سرو موتور هیدرولیکی هریک به وزن تقریبی9  تن انجام می‌شود که در طرفین بدنه شیر قرار گرفته اند.  قطر این دو سرو موتور 800 میلی متر است که با فشار کاری 40 بار کار می‌کند .

             2-4- بازو بسته کردن شیر پروانه ای

  مکانیزم شیر پروانه ای بگونه‌ایست که در حالت عادی و عدم وجود فشار از سوی سرو موتورها تحت اثر نیروی دو وزنه که توسط بازوهایی به محور شیر متصل شده اند و به دلیل عدم هم محوری شیر و بدنه آن بسته بماند. سرو موتورها با غلبه بر نیروی این وزنه‌هاست که دیسک شیر را به صورت افقی در آورده و آن را باز می‌کنند. سرو موتورها نیز به لحاظ صحت کارکرد و عدم وجود معایبی چون نشتی روغن چندین تست را پشت سر می‌گذارند .

باز شدن شیر در مدت زمانی حدود 60 ثانیه انجام می‌پذیرد. مدت زمان بسته شدن شیر نسبت به تنظیمات آن بین 60 تا 300 ثانیه متغیر است. نکته مهم در این مورد همسان بودن فشار آب در دو سوی بالا دست و پایین دست شیر پروانه ایست.  برای ایجاد این تعادل شیرهای کنار گذری در کنار شیر پروانه ای تعبیه شده اند که با انتقال تدریجی آب از بالا دست به پایین دست توسط لوله‌های تعادل فشار دو سوی دیسک را همسان می‌کنند.

 سپس سرو موتورها وارد عمل شده و شیر پروانه ای را در حالت باز قرار می‌دهند، به واقع در شرایط عادی و هنگامی که نیروگاه در حال کار است تمام فضای داخل شیر پروانه‌ای‌ها و توربین باید کاملا از آب پرشده و عاری از هوا باشد..

 هواگیری این مجموعه توسط شیر تعبیه شده در پایین دست شیر پروانه ای  انجام می‌شود عملکرد سرو موتورهای شیر پروانه ای توسط واحد قدرت یا Power Pack  کنترل می‌شود که بوسیله یک سیستم تأمین کننده فشار با استفاده از رانده شدن روغن پر فشار به لوله های انتقال سرو موتورها شده آنها را فعال می‌کند.

  شرایط شیر بوسیله لوله‌های پیزومتری با فشارسنج کنترل می‌شود. بازو بسته شدن شیرها باید در زمانی انجام گیرد که ویکت گیت‌های توربین بسته باشد، فقط بعد از گشودگی کامل شیر پروانه ای امکان راه اندازی توربین فراهم می‌شود و آب از  میان شیر پروانه‌ای امکان عبور پیدا می‌کند.

 در شرایط اضطراری که ویکت گیت‌های توربین امکان قطع جریان را نداشته باشند شیر پروانه ای توانایی قطع مسیر عبور آب را داراست، در این وضعیت فشار بالابری سرو موتورها خنثی می‌شود و به دلیل نیروی وزنه‌های تعادلی دیسک از حالت افقی به صورت مایل در می‌آید و فشار آب نیز خود به کمک دیسک می‌شتابد و آن را حول محور خود می‌چرخاند و سرانجام بدون اعمال نیروهای جانبی شیر پروانه ای به صورت خودکار بسته می‌شود و جلوی جریان آب را سد می‌کند شیر پروانه ای‌‌ها برای حداکثرdb  عبوری 180.25  متر مکعب بر ثانیه طراحی شده اند.

2-5- کنترل شیر پروانه ای

شیر پروانه ای به منظر باز و بسته شدن باید فرامینی را دریافت نماید، فرامینی که برای بازو بسته شدن شیر پروانه ای صادر می‌شود تنها در صورت داشتن شرایط ذکر شده در قسمتهای قبل می‌باشد. این فرامین می‌توانند به صورت محلی ویا کنترل از راه دور توسط دست و یا اتوماتیک به شیر پروانه ای اعمال شوند.  به منظور کنترل محلی دو تابلو در محل شیر پروانه ای قرار گرفته که یکی از آن‌ها فشار آب بالادست ، پایین دست و فشار وارد به دیسک را نشان داده و کنترل فشار را در شیر بر عهده دارد و تابلو دیگر دمای مربوط به الکتروموتورهای پمپ روغن از درون مخزن و دمای روغن را نشان می‌دهد و چنانچه دمای روغن از یک مقدار مشخص افزایش یابد اعلامALARM   کرده و در صورت افزایش مجدد دما TRIP   می‌کند و دیگر روغن پمپ نمی‌شود و در نتیجه شیر پروانه ای بسته می‌شود، اما کنترل از راه دور دستی و یا اتوماتیک این شیرها در دو واحد کنترل UCB  و CCR  انجام می شود که UCB  اتاق کنترل برای هر واحد می باشد و عملیات کنترل قسمت های مختلف هر واحد را به صورت مجزا به عهده دارد ، در حالی که CCR  اتاق کنترل مرکزی نیروگاه بوده و کنترل تمامی واحدهای نیروگاه را بر عهده دارد.

فصل سوم

طراحی و ساخت توربین

یکی از اصلی‌ترین دستگاه ‌های مورد نیاز جهت تولید انرژی الکتریسیته در هر نیروگاهی توربین بکار رفته شده در آن می‌باشد که در زیر به نحوه عملکرد و وظایف آن اشاره ای خواهیم کرد.

3-1- وظایف توربین و اجزای آن

وظایف اصلی توربین را می‌توان به طور خلاصه تنظیم میزان آب ورودی، تبدیل انرژی جنبشی آب به انرژی مکانیکی دورانی و انتقال حرکت دورانی به ژنراتور برشمرد. علاوه بر این موارد توربین باید به گونه‌‌ای طراحی و ساخته شود که حداقل اتلاف انرژی آب را باعث گردد و همچنین از نشت آب به سایر قسمت‌ها خصوصاًٌ ژنراتور جلوگیری کند. در نیروگاه کارون 3  اولین قطعه‌ای که بر پایین دست شیر ورودی(شیر پروانه ای )قرار دارد محفظه حلزونی یاSpiral Case   است.

مقطع ورودی محفظه حلرونی با قطر داخلی  5.5  متر در امتداد مسیر به تدریج و هنگام چرخش به دور رینگ ثابت توربین یاStire wing کوچک و کوچک‌تر می‌شود.  دلیل این امر تقسیم حجم و نیروی مستقیم آب در حین ورود به محفظه داخلی توربین است.  در حین حرکت آب در محفظه حلزونی تیغه های ثابت هر یک بخشی از آب را به سمت مرکز توربین هدایت می‌کنند و با خارج شدن هر بخش از آب قطر محفظه حلزونی به دلیل کمتر شدن حجم آب کوچک‌تر می‌شود تا جایی که آخرین واحد آب از طریق تیغه های رینگ ثابت وارد بخش میانی توربین شود.