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.
ج- مخزن (Reservoir): مخزن به آب جمع شدة پشت سد مي گويند. ظرفيت مخزن حجم آبي است كه در پشت سد جمع مي شود. اين مخزن به دو بخش زنده و مرده تقسيم مي گردد. مخزن زنده آن بخش از حجم مخزن است كه قابل دستيابي براي رفع نيازهاست. حجم مرده آن بخش از آب است كه قابل دستيابي نمي باشد و اصولا" حجمي است كه توسط رسوبات وارده به سد پر مي شود. اين حجم در واقع ، حجم آبي است كه در زير پايين ترين رقوم آبگير واقع است. نيروگاههاي جريان دائمي معمولا" مخزن ندارد. مخازني كه براي تنظيم روزانه و يا هفتگي بار الكتريكي استفاده مي شوند. بنام pondages و مخازني كه براي تنظيم فصلي بار الكتريكي استفاده مي شوند. بنام مخازن فصلي (Seasonal stirages ) ناميده مي شوند.
د- آبگير (Intake ): سازة آبگير آب را مستقيما" از مخزن گرفته و به مجراي عبور آب و توربين هدايت مي كند. از دريچه ها و شيرها براي كنترل جريان آب به سمت توربين استفاده مي شود. آشغالگرها براي جلوگيري از ورود مواد خارجي به مجراي آب نصب مي كردند. وقتي نيروگاه در كنار سد ساخته مي شود آبگير آن بخشي از سد است و وقتي نيروگاه در كنار سد نيست بايد يك سازة آبگير مستقل براي آن ساخته شود. اگر قرار است نيروگاه از آب درياچه با درجه حرارت مشخصي استفاده نمايد بايد يك سيستم آبگيري در رقومهاي مختلف داشته باشد تا كيفيت آب ورودي را با مخلوط كردن آبي كه از رقومهاي مختلف مي گيرد كنترل نمايد.
هـ - لوله تحت فشار (Pevstock): اين مجرا آب را از آبگير گرفته و به سمت توربينها منتقل مي كند. وقتي نيروگاه بخشي از سد است اين مجرا يك مسير ساده از ميان سد مي باشد. در جايي كه نيروگاه از سد فاصله دارد يك لوله يا تونل مورد نياز است. مجراي انتقال آب ممكن است چندين مايل طول داشته باشد. در بخشهايي كه تغييرات توپوگرافي شديد نيست از يك لولة تحت فشار كم استفاده مي شود و در جايي كه تغييرات توپوگرافي شديد مي گردد از لولة تحت فشار زياد استفاده مي گردد. بدليل هزينه بالايي اين بخش تحت فشار، سعي مي گردد تا طول آن به حداقل ممكن كاهش يابد. در سيستمهاي چند واحده ابتدا آب توسط يك مجرا يا منتقل شده و سپس بين واحدها تقسيم مي گردد.
و- مخزن تعادل (Surge tank)
1- جريان در لوله هاي تحت فشار در مدت بهره برداري از نيروگاه به سرعت تغيير مي كند. تا زماني كه جريان ماندگار و پايدار مي باشد تغييرات فشار در لوله هاي تحت فشار حداقل مي باشد و تغييرات فشار در مجراي آبگذار با افزايش جريان بيشتر مي شود. اين پديده كه بر اثر تغييرات اندازة حركت در ستون آب رخ مي دهد، ضربة قوچ ناميده مي شود. زماني كه تغييرات جريان آهسته باشد مسائل ضربة آب ( ضربة قوچ) حداقل است و هرگاه تغييرات در جريان سريع و ناگهاني اتفاق افتد اثرات ضربة قوچ جدي تر مي باشد . مخازن تعادل در آبگذارها بدين منظور قرار داده مي شود تا تغييرات اندازة حركت و به تبع آن اثرات ضربة قوچ را كاهش مي دهد.
2- ضربة قوچ بر اثر تغيير ناگهاني در منبع توليد كنندة نيرو بوجود مي آيد و اثرات آن بصورت موجهايي در لوله تحت فشار بين مخزن و توربين گسترش مي بايد. بنابراين لوله هاي تحت فشار بايد براي موج هاي فشاري ضربة قوچ طراحي شوند مخزن تعادل بايد در برابر جريان متلاطمي كه باعث افزايش ارتفاع سطح آب در مخزن مي باشد مقاوم باشد. همچنين لازم است تا مجراي آب واقع در بالادست مخزن تعادل نيز نسبت به اثرات ضربة قوچ مقاوم باشد.
مخازن تعادل اغلب در طرح هاي با فشار آبي و متوسط و زياد ضروري است بخصوص در جايي كه فاصلة قابل توجهي بين منبع آب و نيروگاه وجود دارد، مخازن تنظيمي در لولة مكش آب نيز در جايي كه طول مجرا زياد است ايجاد مي شود.
3- يك برنامة فراگير و جامع كامپيوتري بنام WHAMO توسط مهندسين ارتش امريكا (Corps of Eng ) تهيه شده است كه اثر ضربة قوچ آب و نوسان توده ( جرم) را محاسبه مي كند.
ز- موتور خانه (Power house)
1- كليات: موتورخانه از توربينها، واحدهاي توليد نيرو، وسائل كنترل وسائل جانبي و گاهي ساختمانها و محوطة سرويس حفاظت مي كند. موقعيت و ابعاد موتورخانه براساس شرايط محوطة ايجاد نيروگاه و جانمايي پروژه مشخص مي شود. اين امر مي تواند در درون ساختمان سد، در كنار آن و يا در فاصلة دوري از سد واقع شود. مورتورخانه براي بدست آوردن اقتصادي ترين بار آبي موجود با در نظر گرفتن فيزيك عرصه و ساختگاه سد و موانع زيست محيطي تعيين مكان مي شود.
2- انواع موتورخانه: ساختمان موتورخانه چهار نوع مي باشد كه سه نوع آنها براساس چگونگي قرار گيري واحدهاي اصلي توليد نيرو به شرح زير طبقه بندي شده اند:
الف داخلي- (Indoor): در اينگونه ساختمانها تمامي اجزاء موتورخانه در زير يك سقف محصور شده است.
ب- نيمه بيروني (Semi-outdoor ) : در اين گونه ساختمانها اتاق توليد نيرو ( Generator room ) كاملا" محصور مي باشد. وسايل بالا برنده اصلي (Main hoisting ) و تجهيزات انتقال (Transfer equipment) بر روي سقف واقع شده است و تجهيزات و وسايل از ميان روزنه اي آبي كه در سقف قرار دارد آويزان مي گردد.
ج- بيروني (Outoodr ): در اين نوع موتورخانه، اتاق توليد نيرو (Generator room) به همراه ساختمان موتورخانه نمي باشد.ژنراتورها در اتاقهاي ضد آب جداگانه و محصور در فرورفتگي كف موتورخانه قرار گرفته اند.
د- زير زميني (Underground) : اينگونه موتورخانه ها اغلب در مناطق كوهستاني جايي كه فضاي كافي براي احداث نيروگاه در سطح وجود ندارد مور د استفاده قرار مي گيرند. كوتاهترين لوله هاي تحت فشار در اين حالت وجود دارند، زيرا مورتور خانه مي تواند مستقيما" در زير مخزن واقع شود. نيروگاه با مخزن پمپاژ شده اغلب در زير زمين واقع مي شود تا طول لولة تحت فشار كوتاهتر گرديده و عمق بيشتري روي توربين قرار گيرد. انتخاب ساختمان موتورخانه بر پاية هزينه هاي ثابت و بهره برداري و نگهداري مي باشد . كمترين هزينه مربوط به نوع بيروني و نيمه بيروني است كه اغلب با افزايش هزينة تجهيزات و بهره برداري و نگهداري جبران شود. انتخاب نهايي نوع موتورخانه براي هر ساختگاه پس از مطالعة جزئيات هزينه ها مي باشد.
3- فضاي مونتاژ (Erection bay) : فضاي مونتاژ منطقه اي براي بهم پيوستن و از هم جدا كردن اجزاء عمدة ژنراتور است و معمولا" در يكي از گوشه هاي اتاق ژنراتور در نظر گرفته مي شود. فضاي مونتاژ در طرحهاي كوچك نيرو اغلب در خارج از موتورخانه ساخته مي شود. طول فضاي مونتاژ تقربيا" معادل حداقل فضاي لازم براي يك ژنراتور است. فضاي دقيق و درست آن پس ا ز آنكه فضاي تك تك بخشهاي نيروگاه در نظر گرفته شد تعيين مي گردد و ممكن است در بازنگري هاي مجدد جابجا شود.
4- فضاي سرويس و خدمات (Servce areas) : منطقة خدمات شامل ساختمانهاي اداري اتاق كنترل و آزمايش، انباري، كارگاههاي نگهداري اتاق لوازم يدكي و مكانهايي با كاربرهاي مشخص مي باشد. ميزان فضاي مورد نياز تابعي از اندازه و مكان پروژه مي باشد ولي فضاي خدماتي خيلي كمتر از فضاي مورد نياز براي ساخت نيروگاه است. ممكن است ساختمانهاي سرويس جداگانه اي نيز مورد نياز باشد كه با توجه به فضاي ساختگاه احداث مي گردد.
ح- لولة مكش (Draft tube) و مجراي خروجي (Tailrace) : موتورخانه آب را بدون مجراي خروجي با پايين دست تخليه مي كند. لولة مكش آن را از محل توربين به پاياب تخليه مي كند كه بطور معمول يك بخش از ساختمان مورتورخانه به حساب مي آيد و در جهت كاهش افت خروجي طراحي مي شود پاياب مي تواند يك رودخانة باز، يك مخزن مربوط به پروژه هاي يايين دست، يك كانال و يا در حالت موتورخانه زير زميني يك تونل باشد. مجراي خروجي بايد به گونه اي طرحاي شود كه لولة مكش همواره مستغرق باشد . اين مسئله در بهبود شروع كار توربين مخصوص زماني كه جرياني در پاياب نمي باشد مهم است . اين هدف با حفاري مجرا در پايين دست بلافاصله پس از نيروگاه و يا با ايجاد تأسيسات كنترل سطح آب پايين دست به گونه اي كه آب در رقوم مورد نظر باقي بماند قابل حصول است. توربين ضربه اي يا توربين پلتون بهتر است، در فضاي آزاد بچرخد تااينكه در زير آب. لذا تراز پاياب بر روي خروجي توربين نگهداري نمي شوند.، در طرحهاي كه تراز سطح تغييرات زيادي مي كند ممكن است گاهي پاياب به توربين هم برسد، در چنين شرايطي هواي فشرده در اطراف توربين نگهداري مي شود تا سطح آب را پايين ببرد.
اجزاء يك موتورخانه:
الف- كليات:
شكل 2-10 دو قسمت اصلي سيستم موتورهاي موتورخانه و چگونگي ارتباطشان را نشان مي دهد
در اين شكل سيستمهاي هيدروليكي در قيسمت پايين و سيستمهاي الكتريكي در قسمت بالايي نمايان شده اند. اين دو سيستم عمده و اصلي توسط
اهرمهاي مكانيكي در ژنراتور به يكديگر مرتبط هستند. جريان اولية انرژي با خطوط پررنگ نشان داده شده است. شكل 2-11 يك نمونه از مقطع موتورخانه را نشان مي دهد.
ب- پوشش حلزوني (Spiral case) و دريچه هاي خوابان ( Wicket gates)
1- پوشش حلزوني و دريچة سد در توربينهاي واكنشي براي هدايت و كنترل آب ورودي به چرخ گردان توربين مورد استفاده قرار مي گيرد. پوشش حلزوني مجراي فولادي است كه به لوله هاي تحت فشار يا مجراي ورودي متصل است و جريان را بصورت يكنواخت به سمت توربين هدايت مي كند. (( پوسته هاي شبه حلزوني)) كه قرار است حجم زيادي آب را منتقل كنند معمولا" از بتن مسلح ساخته مي شوند. اين پوسته ها معمولا" در فشار 100 فوت يا كمتر كار مي كنند. پوستة حلزوني بر اساس نوع و اندازة توربين بكار گرفته شده، طراحي مي شود.
2- دريچه هاي خوابان (Wicket gates) تيغه هاي قابل تنظيم هستند كه در ورودي به چرخ گردان توربين قرار مي گيرند و سطح مقطع لازم براي جريان آب ورودي را كنترل مي كنند . اين سطح و فشار، حجم آب براي ايجاد انرژي را مشخص مي كند. ميزان آبي كه از گشودگي دريچة حلقه اي به سمت توربين حركت مي كند، بسته به فشار موجود متغير است. تنظيم دريچة فوق توسط سرپرست ( و يا مستقر كنندة دريچه، چنانچه كنترل مستمر نياز نباشد.) كنترل مي گردد.
زماني كه دريچة حلقه اي كاملا" باز است مي توان گفت كه توربين از كل سطح دريچه آب مي گيرد. دريچة خوبان كه به شكل دايره يا بخشهاي قطاعي است، جريان اغتشايي توربينهاي با جريان محوري و واحدهاي با لولة مكش به شكل s را ، كنترل مي كند.
ج- توربين (Turbine ):
توربين با چرخاندن ژنراتور انرژي پتانسيل آب را به انرژي مكانيكي تيديل مي كند. آب تحت فشار از دريچة سد وارد توربين مي شو.د، پس از اينكه انرژي آن گرفته شد از طريق لوله خروجي تخليه مي گردد. ميزان قدرتي كه يك توربين قادر به توليد آن است بستگي به فشار روي توربين و ميزان جريان عبوري و ضريب راندمان توربين دارد.
د- ژنراتور (Generator):
1- كليات: ژنراتور انرژي الكتريكي توليد شده توسط توربين را به انرژي الكتريكي تبديل مي كند. دو بخش عمدة ژنراتور، روتور (Rotor ) ( بخش چرخنده) و استاتور (Stator) ( بخش ثابت) مي باشد. روتور ايجاد كنندة چرخش است كه توسط محورهايي به توربين متصل مي شود و استاتور بخش ثابت ژنراتور است . براي اينكه هزينه ها و مشكلات مكانيكي به حداقل برسد، ژنراتور تا حد ممكن نزديك توربين قرار مي گيرد. دو نوع عمدة ژنراتور بطور خلاصه در زير توصيف مي شود.
2- ژنراتورهاي متقارن (Synehronous generators): ژنراتور متقارن قبل از اينكه به شبكة برق وصل شود با ولتاژ فركانس ( تواتر) سيستم منطبق مي شود. خروجي ژنراتور جريان مستقيم (Direct current,DC ) است. ژنراتوهاي متقارن در سيستمهاي قدرتي كه خروجي ژنراتورها بخش مشخصي از بار سيستم را فراهم مي نمايد، بكار گرفته مي شوند. تمامي ژنراتورهاي بزرگتر از 2 مگاوات ، متقارن هستند زيرا آنها قادرند فاكترهاي قدرت سيستم را اصلاح نمايند.
3- ژنراتورهاي القايي (Induction generators) : ژنراتور القايي هم از دو بخش رو تور ( چرخان ) و استاتور ( بخش ثابت) تشكيل شده اند. تفاوت اصلي بين ژنراتورهاي متقارن و القايي زماني كه به سيستم قدرت متصل نيستند قادر به توليد نيستند زيرا اين توانايي را ندارند كه از خودشان جريان خروجي ايجاد نمايند. ژنراتوهاي القايي و تشكيلات الكتريكي مرتبط از ژنراتورهاي متقارن ارزانتر مي باشند، ولي بطور كلي به ظرفيت كمتر از 5 مگاوات، ژنراتورهاي القايي قادر به تصحيح فاكتورهاي نيرو (Power factor) نيستند.
4- خنك كردن (Cooling ): ژنراتورها با عبور هوا از ميان استاتورها و روتورها خنك مي شوند. عمل خنك كردن را مي توان با بكارگيري رادياتور تقويت كرد. وسايل خنك سازي به ژنراتور و متعلقاتش نزديك است. جريان مستقيم آب سر با موفقيت در واحدهاي بسيار بزرگ بكار گرفته مي شود. برخي از واحدهاي كوچك جايگاهي براي هوا ندارند و از همان هواي موتورخانه استفاده مي كنند.
هـ . تنظيم كننده:(Governor)
1-تنظيم كننده ها بمنظور تنظيم نمودن سرعت و خروجي توربين ژنراتور طراحي مي گردند. اين كار را با كنترل نمودن دريچه هاي حلقه اي و تنظيم جريان آب از توربين انجام مي دهند. تنظيم كننده توربين كاپلان زاوية تيغة توربين را براي بيشترين ضريب راندمان تنظيم مي كند. تنظيم كننده هاي واحدهاي بزرگ( و يا واحدهاي كوچكي كه بخش مشخصي از انرژي سيستم خودشان را تأمين مي كنند) داراي عناصر حساس به توان و سرعت هستند. تنظيم كننده ها تغييرات بار و سرعت را احساس كرده و بمنظور حفظ توازن، دريچة سد را حركت مي دهند.
2- اگر ژنراتور و توربين در مقايسه با نيروگاه كوچك باشند، با تغيير موقعيت دريچه و پره هاي توربين مي توان كنترلهاي لازم را انجام داد.
3- سلسله مراتب عملكرد تنظيم كننده را نشان مي دهد. اگر بار سيستم افزايش يابد ديگر ژنراتور قادر به تأمين بار با جريان ورودي موجود توربين نيست. سرعت سنج ژنراتور كه بر روي محور آن نصب شده است پيغامي به سنسور سرعت توربين مبني بر اينكه سرعت چرخش كم است، مي فرستد. با دريافت اين پيغام سيستم بمنظور افزايش سرعت، جريان ورودي به توربين بصورت خودكار افزايش مي يابد. با دريچة بازتر، آب بيشتري به توربين وارد مي شود. بدين ترتيب با افزايش سرعت توربين و ژنراتور بيشتري توليد مي شود زماني كه بار كاهش مي يابد اين فرآيند منجر به بسته شدن دريچة حلقه اي مي شود، بدين ترتيب جريان ورودي كاهش مي يابد.
4- اكثر ژنراتور ها به شبكة سراسري وصل هستند. بنابراين چون تنظيم كننده هاي آنها به تغييرات بار حساس هستند بايد بين تمام ژنراتورها انطباق زماني وجود داشته باشد تا اصلاح بار به يك ژنراتور فشار وارد نكند و تمام ژنراتورها در اصلاح بار نقش داشته باشند. اين عمل را كنترل اتوماتيك ژنراتورها يا (Automatic Generation Control AGC) مي نامند . در سيستمهاي مجزا تنظيم كننده ها به تنهايي تغييرات بار را اصلاح مي كنند.
5- در شبكه هاي برق بزرگ دامنة نوسانات زياد است و معمولا" حساسيت تنظيم كننده ها ( بخصوص تنظيم كننده هاي مكانيكي) خيلي پايين است. در اين حالت كنترل تنظيم كننده ها روي اصلاح بار محدود مي شود. در اين حالت تجهيزات كنترل اتوماتيك كه سيستم را پيوسته پالايش مي كنند، بكار گرفته مي شوند.
6- وسايل سادة تنظيم كنندة سرعت و يا بار كه براي واحدهاي توليد نيرو در سيستمهاي بزرگ بكار مي آيند، بايد يك سيستم پايدار ايجاد نمايند.
و- كانال كابل، كليد خودكار برق (Circuit breaker) و قطع كنندة ارتباط اين تجهيزات ژنراتور را به شبكة نيرو متصل مي كنند. كانال كابل (Buswork) شامل هادي هاي الكتريكي است كه خروجي نيرو را از ژنراتور به ترانسفورماتور افزاينده، انتقال مي دهد.
قطع كنندة ارتباط(Disconnects) يا كليد خودكار برق (Circuit breaker) وضعيت اتصال يا قطع شدن را تغيير مي دهد. وقتي كليد خودكار برق تحت بار است، جريان را قطع مي كند و قطع كنندة ارتباط هم تجهيزات را در زماني كه بار قطع شده است، از همديگر جدا مي كند.
ز- ترانسفورماتورها (Transformers)
ترانسفورماتورها وسايل الكتريكي هستند كه ولتاژ خروجي ژنراتورها را تا سطح ولتاژ خطوط انتقال افزايش مي دهند. در بيشتر مواقع نزديك به ژنراتورها قرار گرفته اند تا افت ولتاژ را كاهش دهند. ترانسفورماتورها با رادياتورهاي روغن يا هوا خنك مي شوند. باد به تنهايي و يا تركيبي با پمپ چرخش روغن، براي افزايش خنك كردن آنها بكار مي رود.