مقاله بکارگیری نیروگاه برق - آبی کوچک بر روی خطوط انتقال آب با مطالعه موردی خطوط انتقال آب بجنورد ، زاهدان وبیرجند

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

بکارگیري نیروگاه برق- آبی کوچک بر روي خطوط انتقال آب با مطالعه موردي خطوط انتقال آب بجنورد ، زاهدان وبیرجند

چکیده

در این مقاله ابتدا به بررسی تاریخچه به کارگیري نیروگاههاي برق-آبی کوچک در جهان و در سطح ایران ،با توجه ویژه

به استفاده از نیروگاههاي مذکور درخطوط انتقال آب پرداخته شده و سپس با توجه به توپوگرافی و ویژگیهاي خطوط
انتقال مورد بررسی ، انرژي در دسترس براي سه خط انتقال آب مورد ارزیابی قرار گرفته است . پس از آن با توجه به

انرژي در دسترس، هزینه هاي سرمایه گذاري اولیه و در آمد کل نیروگاه برقآّبی- در طول دوره بهره برداري، نسبت
سود به هزینه وسایر محاسبات اقتصادي مورد توجه و هزینه هاي تولید انرژي یکسان از سایر منابع با انرژي تولید شده
از نیروگاه برق-آبی کوچک مقایسه شده است.در انتها با توجه به مزایاي زیست محیطی بکارگیري این نیروگاهها در
خطوط انتقال آب،مسایل مربوط به نحوه استفاده از برق تولیدي و راهکارهاي لازم جهت استفاده بهینه از انرژي در

دسترس در خطوط انتقال آب ارایه و جایگزینی شیرهاي فشار شکن(کنترل دبی) مورد استفاده در خطوط انتقال آب با
نیروگاههاي برق-آبی کوچک به عنوان یک راهکار اساسی جهت صرفه جویی و بازیافت انرژي در طراحی و اجراي
خطوط انتقال آب پیشنهادگردیده است.

واژه هاي کلیدي:خطوط انتقال آب، نیروگاه برق-آبی کوچک،انرژي در دسترس،انرژي تجدیدپذیر

مقدمه

مروري گذرا به سابقه استفاده از انرژي آبی نشان می دهد که استفاده از ایـن منبـع تجدیدپـذیر انـرژي داراي فـراز و نشیب هایی بوده است، به طوري که در قرن 19 به واسطه پیشرفت صـنعتی، تولیـد الکتریـسته ازنیروگـاه هـاي آبـی کوچک مورد توجه بوده ولیبعداً به واسطه فراوانی و ارزانی منابع سوخت هاي فسیلی،پتانسیل هاي آبی بزرگ و انرژي خورشیدي،استفاده از نیروگاه هاي آبی کوچک رو به افول نهاد تا اینکه در سال هاي اخیربه واسطه محـدودیت منـابع انرژي ، پیامدهاي اجتماعی ، محدودیت هاي زیست محیطی و دوره ساخت طولانی نیروگاه هاي آبی بـزرگ، نیروگـاه هاي آبی کوچک دوباره موردتوجه قرارگرفت . دلایل این توجه بسیار است که در این میان مـی تـوان بـه محـدودیت منابع سوخت فسیلی ، وجود پتانسیل هاي آبی فراوان در مناطق مصرف انرژي( به خصوص روستاها ) ، توجه به منـابع انرژي تجدیدپذیر به لحاظ عدم مشکلات زیست محیطی، بازگشت سریع سرمایه، ساخت آسان و عدم نیاز بـه مهـارت هاي ویژه، عمر طولانی و هزینه بهره برداري و نگهداري پائین اشاره نمود.[1]

بر اساس تخمین اولیه، انرژي آبی قابل استحصال در جهان 2612000 مگاوات میباشد که 5 تا 10 درصد آن مربوط به نیروگاه برق- آبی کوچک است. بهرهبرداري از نیروگاه برق-آبی کوچک با استقبال فزایندهاي در نقاط مختلف جهان بـه ویژه در مناطق دور افتاده که نمیتوانند از خطوط انتقال نیرو استفاده نمایند، رو به رو است. براي نمونه کشور چـین از این نظر پیش قدم است به طوري که تا آخر سال 1983 حدود 76000 مولد برق- آبی کوچک در آن کشور نصب شده که ظرفیت آن بیش از 8500 مگاوات است. جدول 1 تعداد و میـزان نیـروي بـرق تولیـدي از نیروگاههـاي بـرق- آبـی کوچک در چند کشور بزرگ اروپایی را تا سال 2005 را نشان می دهد.[2] زمانی نصب نیروگاههاي برق- آبی کوچک

در نظر گرفته میشوند که کارهاي ساختمانی مورد نیاز و نیز هزینههاي انجام آنها حداقل باشد. بهطور مثال: -نصب نیروگاه در محل سدهاي موجود -نصب نیروگاه در محل خطوط لوله -نصب نیروگاه در محل کانالها

جدول(1)تعداد و میزان نیروي برق تولیدي از نیروگاههاي برق- آبی کوچک در چند کشور بزرگ اروپایی

ایده نیروگاههاي کوچک در مواردي استفاده می شود که جریان آب یا سایر مایعات دیگـر ماننـد خروجـی فاضـلاب یـا جریان آب شور و ... وجود داشته باشد و ارتفاع (هد) مناسبی هم موجود باشد. واحدها ممکـن اسـت بـسته بـه شـرایط فیزیکی سایت، شفتهایی به صورت عمودي، افقی و یا مورب داشته باشند. در حالت کلی تفاوتی بین تجهیزات کنترلی واحدها باشفت افقی و عمودي وجود ندارد. تجهیزات مورد نیازکاملاً به شرایط کاري پروژه مورد نظر بستگی دارند.[3] در بعضی از خطوط آبرسانی ثقلی نیازي به استفاده از همه انرژي پتانسیل دردسترس، جهت انتقال آب نبـوده و مـازاد انرژي مورد نیاز توسط تجهیزات اتلاف انرژي نظیر شیرهاي فشار شکن مستهلک می گردد. دراین گونه خطـوط انتقـال می توان با استفاده از نیروگاههاي آبی، این انرژي مازاد را بازیافت نموده و انرژي الکتریکی مورد نیاز تجهیزات مـسیر و یا حتی برق مصرفی روستاهاي مسیر خط انتقال را تامین نمود کهمعمولاً این امکان در مسیرهاي داراي توپوگرافی بـا شیب تند وجود دارد.

نیروگاههاي برق آبی را بر حسب ظرفیتشان به دستههاي میکرو (Micro)، مینـی((Mini، کوچـک((Small و بـزرگ تقسیم بندي می کنند هر چند در این زمینه توافق کلی وجود ندارد اما محدوده هاي ذکر شده در این مورد به یکدیگر نزدیک میباشند. به عنوان نمونه این طبقه بندي بر اساس استاندارد IEEE به صورت زیر میباشد:[1]
الف- نیروگاههاي برق آبی مینی یا میکرو ( Mini / Micro Hydro Electric Power Plant)
واحدهاي مینی یا میکرو به واحدهاي با خروجی توان کمتر از 100 kw گفته میشود.
ب-نیروگاههاي برق آبی کوچک( ( Small Hydro Electric Power Plant

واحدهاي کوچک (small) به واحدهاي با خروجی کمتر از 5MW گفته میشود. تجهیزات نیروگاه برق آبی کوچک را میتوان به دو دسته کلی تقسیم نمود:
· تجهیزات اصلی (major) مستقیماً: در ارتباط با توزیع و انتقال توان هستند ماننـد: تـوربین ،ژنراتـور ، سیـستم
تحریک ، سیستم کنترل بار و سرعت واحد(گاورنر) ، ترانس ها، تجهیزات پست و ...
· تجهیزات کمکی : (auxiliary ) به تجهیزاتی گفته میشود که از عملکرد تجهیزات اصلی پشتیبانی میکنند. مثـل تجهیزات کنترل واحد، سیستمهاي حفاظتی، سیستم مصرف داخلی و ...

توربین نیروگاههاي آبی کوچک را می توان از هرکدام از انواع توربینهاي تجاري انتخاب کرد. در یک دستهبندي کلـی، هیدروتوربینها، به دو دسته توربینهاي عکسمی العملی و ضربهکدااي تقسیم شوند که هر م از این انواع، نمونـههـاي تجاري مختلفی دارند .

خط انتقال آب از سد شیرین دره به شهر بجنورد

خط انتقال آب از محل سد شیرین دره به شهر بجنورد به طول 47 کیلومتر از جنس فولاد و فایبر گلاس می باشد که حدود 950 لیتر بر ثانیه آب را انتقال می دهد.درخط لوله آبرسانی از سد شیرین دره به شهر بجنورد به دلیل نیاز به

عبور از ارتفاعات بدرانلوبا رقوم ارتفاعی 1367 متر،چهار مرحله پمپاژ در نظر گرفته شده است. با توجه به توپوگرافی مسیر خط لوله در بعد از نقطه خط الراس مسیر، که محل استقرار تصفیه خانه آب طرح می باشد، بخشی از انرژي موجود جهت انتقال ثقلی آب از طریق لوله به قطر 700 میلیمترمورد استفاده قرار می گیردو در حدود 120متر هد ارتفاعی دردسترس باقی می ماند که می توان بر روي امکان استفاده از آن بررسی هاي فنی و اقتصادي لازم را انجام داد.

خط انتقال آب ازچاه نیمه شماره 3 به شهر زاهدان

مسیر خط لوله انتقال آب از چاه نیمه شماره 3 به شهر زاهدان مشتمل بر 192,4 کیلومترو از جنس فولادي به قطر 900 میلیمتر است که از قسمتهاي متفاوتی از نظر توپوگرافی ، جنس زمین و عوارض طبیعی تشکیل شده و داراي چهار مر حله ایستگاه پمپاژمی باشد و وظیفه انتقال 850 لیتر بر ثانیه آب را برعهده دارد .انتقال آب در آخرین قسمت مسیر خط انتقال از مخزن تعادل در کیلومتر 164,7 تا محل تصفیه خانه آب به طول حدود 28 کیلومتر تحت تاثیر نیروي ثقل صورت می گیرد.با توجه به رقوم ارتفاعی مخزن متعادل کننده موجود در خط انتقال آب از مخزن چاه نیمه شماره 3 به شهر زاهدان ( متر(1545,72 و رقوم ارتفاعی آب در محل ورودي تصفیه خانه آب شهر زاهدان (متر(1438,7و افت دینامیکی خط انتقال از محل مخزن متعادل کننده تا ورودي تصفیه خانه (حدود 45متر) امکان بهره گیري از حدود 60 متر ارتفاع آب موجود جهت استحصال انرژي الکتریکی در محل ورودي تصفیه خانه موجود می باشد که هم اکنون با استفاده از شیرهاي سوزنی این انرژي مستهلک می گردد.

خط انتقال آب به شهر بیرجند از دشت مختاران

مسیر خط انتقال از دره رکات واقع در رشته کوه باقران عبور کرده و با طول کل 68 کیلومتر دبی 300 lit/s را از محل

چاههاي منطقه گیو به محل مخزن جنوب شهر بیرجند با استفاده از لوله هاي چدنی،فولادي و فایبر گلاس انتقال می نماید. در این مسیر، آب با دبی 300lit/s پس از انتقال از چاههاي منطقه گیو (رقوم ارتفاعی (1500-1600m تا
مخزن متعادل کننده (رقوم ارتفاعی 2000 متر) توسط دو مرحله در ایستگاه پمپاژ شماره یک (رقوم ارتفاعی 1650 متر) و ایستگاه پمپاژ شماره دو (رقوم ارتفاعی 1800 متر) پمپاژ می شود. پس از مخزن متعادل کننده تا محل مخزن سرویس شهر بیرجند در رقوم ارتفاعی 1740 متر با توجه به شیب زیاد مسیر، استفاده از مخزن فشار شکن ضروري است. انتقال آب از مخزن متعادل کننده با رقوم ارتفاعی 2000 متر تا مخزن فشار شکن در رقوم ارتفاعی 1740 متر با استفاده از لوله فولادي به قطر 500 میلیمتر به طول تقریبی 5,8 کیلومتر به صورت ثقلی می باشد. دبی خط در این مسیر توسط یک عدد شیر کنترل دبی که در انتهاي خط (در محل مخزن فشار شکن) در نظر گرفته شده است، کنترل می شود.با توجه به رقوم ارتفاعی مخزن متعادل کننده ، رقوم ارتفاعی مخزن فشار شکن و افت اصطکاکی مسیر امکان استفاده از حدود 230 متر آب جهت بازیافت انرژي موجود می باشد.

انرژي قابل دسترس

مهمترین مساله در احداث نیروگاههاي برق-آبی، تخمین توانمندي یک محل در تولید انرژي یا ظرفیت نصب نیروگاه است که با استفاده از رابطه زیر محاسبه می شود.
(1) P  ρ.g.Q.H.η /1000
برق تولیدي،ρ وزن مخصوص آب که برابر با
که در آن P توان مکانیکی (نیروي تولید) بر حسب کیلو وات
1000kg/m3 می باشد، g شتاب ثقل زمین برابر با 9.8m/s2 ، Q آبدهی رودخانه یا دبی خط انتقال بر حسب
m3/s ،H ارتفاع موثر یا خالص آب بر حسب m و η راندمان کل ژنراتور و توربین بوده که از حاصلضرب راندمان ژنراتور((ηg در راندمان توربین (ηt) به دست می آید.بنابراین:
(2) P  9.8Q.H.η

مقادیر (ηg)و((ηt به ترتیب حدود 0,95 ، 0.90 می باشد و مقدار η برابر با 0.855 و رابطه (3) به شکل زیر ساده

می گردد.
(3) P  8.38Q.H

مطابق رابطه فوق دو عامل موثر در تولید انرژي، مقدار دبی و ارتفاع موثر می باشد. در نیروگاههاي کوچک آبی که برروي خطوط انتقال آب نصب می گرددبه طور معمول ، ارتفاع و دبیً براي هر جایگاه ثابت می باشد.
با توجه به رابطه 3) )ظرفیت نصب نیروگاه برروي خطوط انتقال آب زاهدان، بجنورد و بیرجند به صورت زیر می باشد:

ظرفیت نصب نیروگاه برروي خط انتقال آب زاهدان P  8.38 * 0.85 * 60  427KW
ظرفیت نصب نیروگاه برروي خط انتقال آب بجنورد P  8.38 * 0.95 *120  955KW
ظرفیت نصب نیروگاه برروي خط انتقال آب بیرجند P 8.38*0.30* 230  578KW

ارزیابی اقتصادي

در ارزیابی نیروگاه هاي آبی کوچک، هزینه و درآمدهاي طرح، مدت زمان بازگشت سرمایه، قیمت انرژي الکتریکی تولیدي و نرخ بازده داخلی سرمایه، شاخص هاي نهایی براي مقایسه کامل مؤلفه هاي مختلف می باشد. جهت تعیین بهاي هر کیلووات ساعت انرژي استحصالی از نیروگاه برق -آبی کوچک، هزینه اولیه سرمایه گذاري از عوامل تاثیر گذار اصلی است که باید به طور مناسب پیش بینی شود.

در حال حاضر اطلاعات جامع از هزینه این نوع نیروگاه وجود ندارد، اما محاسبات اقتصادي به عمل آمده چندین نیروگاه در حال بهره برداري و مطالعه بیش از یکصد نیروگاه و همچنین تجربه کشورهاي مختلف جهان مبناي محاسبات قرار گرفته است; رابطه شماره((4 ، هزینه متوسط احداث پروژه هاي نیروگاه آبی کوچک مربوط به کشورهاي شرق آسیا، کانادا و آمریکا می باشد.[ 5]
(4) Ck  K (P.H −0.3 )0.82 $

که در آن Ck هزینه احداث نیروگاه برحسب دلار، P ظرفیت جایگاه برحسب کیلووات، H هد جایگاه به متر و K ضریب تجربی است که از اجراي پروژه هاي نیروگاه هاي آبی کوچک در آمریکا و کانادا استخراج گردیده و مقدارآن 22200 منظور می شود. با توجه به اینکه میزان تغییرات هزینه کارهاي سا ختمانی در هر کشور نسبت به کشورهاي دیگر متغیر می باشد براي تخمین میزان هزینه هاي ساختمانی کشورها نسبت به کشور مبنا از ضریب مناسبی استفاده می شود که مقدار آن در ایران، %91آمریکا و در شرق آسیا، % 60 آمریکا می باشد [5] .علاوه بر آن عوامل زیر نیز در هزینه تمام شده نیروگاه آبی کوچک درکشورهاي مختلف دخیل می باشد; میزان دسترسی و هزینه نیروي انسانی، شرایط جغرافیایی و مشکلات دسترسی به محل، میزان دسترسی و هزینه مواد، نرخ مبادله دلار و خرید تجهیزات ، ودر نهایت هزینه حمل و نقل؛ نوساناتی است که ممکن است طی دوره زمانی در هزینه حاصل شود.
با توجه به موارد مذکور، رابطه شماره ( 4 )به صورت زیر خواهد بود:
(5) Ck  L.K (P.H −0.3 )0.82 $
براي شرق آسیا 0.7 می باشد.[5]لذا با توجه به روابط (3)و (5) متوسط هزینه تقریبی احداث نیروگاه آبی
که L
کوچک در ایران را می توان به صورت رابطه زیر در نظر گرفت: [5]
(6) Ck  91449(Q.H 0.7 )0.82 $
این رابطه Ck مجموع هزینه هاي ساختمانی و تجهیزات الکترومکانیکال بر حسب دلار آمریکا، Q دبی خط
که در
انتقال برحسب m3/s و H ارتقاع موثر یا خالص آب بر حسب m می باشد.با توجه به تعیین بهاي آزاد برق در قانون بودجه سال 87 به میزان 773 ریال(($0,084 به ازاي هر کیلووات ساعت و با در نظر گرفتن دوره بهره برداري 25 ساله از نیروگاههاي برق-آبی کوچک میتوان میزان سود به هزینه را براي هر کدام از نیروگاههاي مورد بررسی محاسبه

نبود.جدول 2 هزینه هاي پیش بینی شده جهت سرمایه گذاري اولیه، بهره برداري، سود حاصل از فروش برق تولیدي و همچنین نسبت سود به هزینه((B/C براي هرکدام از طرحهاي پیشنهادي را نشان می دهد. از آنجا که این نیروگاهها
در مسیر لوله آبرسانی نصب خواهد شد و با فرض اینکه جریان آب در این خطوط در تمام مواقع برقرار خواهد بود (به استثناي موارد اضطراري که جریان آب به عللی مانند شکستن و یا تعمیرات خط لوله قطع می گردد)، پیش بینی