بخشی از مقاله
چکیده :
در این مقاله، ابتدا پس از مروری مختصر بر مزایای بهرهگیری از نیروگاههای تلمبه ذخیرهای و شرایط اقتصادی استفاده از این واحدها، ضرورت دستیابی به استراتژی بهرهبرداری بهینه در آنها از طریق انجام شبیه سازی تاکید گردیده است. در ادامه، ابتدا روش مدلسازی یک نیروگاه تلمبه ذخیرهای با رویکرد بهینهسازی بهرهبرداری تبیین و سپس آلگوریتم بهینه سازی که در این مقاله مورد استفاده قرار گرفته معرفی و با مدل نیروگاه منطبق شده است تا در نهایت یک مسأله بهینهسازی با صورت مسأله و معادلات مشخص بدست آید. در انتها، یک نرم افزار که برای حل مسأله بهینهسازی فوقالذکر تهیه گردیده، در نیروگاه سیاهبیشه مورد استفاده قرار گرفته است. شبیه سازیهای انجام شده برای دو حالت مختلف، در سال 1389 - اولین سال احتمالی بهرهبرداری - انجام شده است. در هر دو حالت، دادهها و اطلاعات مستند مبنای بررسی بوده که از آمار و مدارک توانیر و شرکت مشانیر استخراج گردیده است و لذا نتایج حاصله تا حد زیادی میتواند با واقعیت منطبق باشد. اگر چه این برنامه باید در مقطع بهرهبرداری بصورت مدارم و براساس دادههای به روز شده توسط مرکز کنترل دیسپاچینگ استفاده شود اما در شرایط فعلی نتایج آن برای استفاده در مطالعات توجیهی و نیز طراحی بهینه قابل استفاده خواهد بود.
- 1 مقدمه :
صنعت برق هر کشور از گستردهترین و گرانترین صنایع هم به لحاظ سرمایه اولیه هنگفت و هم به بدلیل هزینه بالای تولید انرژی و بهرهبرداری محسوب میگردد. این هزینه قابل توجه، ضرورت و اهمیت پرداختن به روشهای مدیریت انرژی را در این صنعت بیش از پیش روشن میسازد. در همین راستا، نیروگاههای تلمبه ذخیرهای مدتها است که در بحث مدیریت انرژی و مشخصاًبهرهبرداری بهینه از شبکههای قدرت بعنوان ابزاری کارآمد در جهت قله سایی١ و کاهش هزینههای تولید مطرح گردیدهاند. برای توضیح بیشتر به شکل 1 مراجعه نمائید. شکل 1 نمایش دهندۀ هزینه افزایشی تولید - IC - ٢ در برابر توان تولیدی است. مشاهده میگردد که میزان هزینه افزایشی تولید در توانهای بزرگ - پیک - بسیار بالاست. بدیهی است که اگر بتوان در ساعت کم مصرف مازاد ظرفیت واحدهای پایه - با هزینه تولید کوچک - را به تولید و ذخیرهسازی انرژی اختصاص داد و انرژی ذخیره شده را در ساعات پیک مصرف نمود، آنگاه ضرورتی به استفاده از واحدهای پرهزینه برای تامین مگاواتهای پیک نخواهد بود و به این ترتیب هزینه سوخت مصرفی کاهش مییابد.
در نیروگاههای تلمبه ذخیرهای با پمپاژ آب از مخزن پایین به مخزن بالا در ساعات کم مصرف و تولید انرژی با استفاده از انرژی آب جاری از مخزن بالا به مخزن پایین در ساعات پیک میتوان به این هدف دست یافت. اینکه یک نیروگاه تلمبه ذخیرهای در چه شرایطی توجیه اقتصادی دارد را تنها یک آنالیز ارزش٣ در طول عمر مفید و از طریق مقایسه با سایر آلترناتیوها به روشنی پاسخ خواهد داد. اما بطور کیفی میتوان گفت در شبکهای که ضریب بار آن کم و اختلاف بین قله و درۀ منحنی بار روزانه آن زیاد بوده و همچنین هزینه تولید واحدها در پیک با هزینه تولید واحدهای پایه تفاوت قابل ملاحظهای داشته باشند، استفاده از نیروگاههای تلمبه ذخیرهای سودمندتر خواهد بود. توضیحات فوق بوضوح نشان میدهد که توجیه پذیری یک نیروگاه تلمبه ذخیرهای تا چه حد وابسته به روش بهرهبرداری از آن است و بهمین علت دستیابی به رویه بهرهبرداری بهینه هم در زمان بهرهبرداری و هم در مقطع مطالعات فنی- اقتصادی و طراحی در این نیروگاهها بسیار پراهمیت است. به همین دلیل شبیه سازی این واحدها و یافتن برنامه بهینه بهرهبرداری از مهمترین موضوعات مطالعاتی در این زمینه بشمار میرود.
- 2 معرفی نیروگاه سیاهبیشه
نیروگاه تلمبه ذخیرهای سیاهبیشه طرحی است که در شمال ایران حد فاصل تهران و چالوس و در مجاورت روستای سیاهبیشه احداث خواهدگردید. ظرفیت اسمیایننیروگاه 4x250 MW=1000 MW است که در شرایطی که مخزن بالایی پر باشد میتواند با ظرفیت کامل بهمدت4/3 ساعت انرژی معادل 4240 MWh را تولید کند.[1]
- 3 انتخاب رویه بهینه بهره برداری
- 3-1 پیشفرضها
در این مقاله با تمرکز بر برنامهریزی کوتاهمدت بهرهبرداری فرضهای اولیه زیر مد نظر قرار گرفته است. حتیالامکان سعی شده است از نظامی که عملاً مرکز کنترل دیسپاچینگ بر مبنای آن واحدها را وارد مدار میکند استفاده شود. نظر به تعدد واحدها از محدودیتهای تولید واحدهای حرارتی چشمپوشی گردیده است.راندمان و ظرفیت عملی واحدها مد نظر قرار گرفته است. [2] با توجه به اینکه در آینده، گاز طبیعی بعنوانسوخت اصلی کلیه واحدهای حرارتی استفاده خواهد شد، بهمین دلیل هزینه سوخت برای کلیه واحدها با توجه به راندمان واحد و قیمت گاز برآورد گردیده است. قیمت گاز در دو بررسی مختلف برابر با 2/68 و 1/58 دلار بر میلیون Btu اختیار شدهاست. مبنای قیمت اول مطابق با کمترین قیمت جهانی گاز است [2] و قیمت دوم قیمت صادرات گاز میباشد.[3]
براساس تجارب چند ساله اخیر قیمت گاز تا سال 1389 ثابت فرض شده است.
- 3-2 روش مطالعه
در این بررسی به شرحی که خواهد آمد ابتدا یک مدل ریاضی از سیستم تلمبه ذخیرهای با هدف دستیابی به رویه بهرهبرداری بهینه ارائه میگردد، سپس از روش کنترل بهینه پونتریاگین - Pontryagin - برای کمینه کردن تابع هزینه تولید شبکه استفاده شده است. توضیح بیشتر در این خصوص و همچنین طرح قیود مربوط به واحد تلمبه ذخیرهای در ادامه ارائه میگردد.[4]
- 3-2-1 مدلسازی نیروگاه سیاه بیشه
جهت مدلسازی نیروگاه مفروضات زیر در نظر گرفته شده است:
1 - از تغییرات ارتفاع آب - Head - در حین بهرهبرداری چشم پوشی شده است. در نیروگاه تلمبه ذخیرهای سیاه بیشه مقدار میانگین ارتفاع آب حدود 500 متر برآورد شده است که حداکثر تغییرات آن 30 متر میباشد. مشاهده میشود که این فرض معقول میباشد.
- 2 یک منحنی هزینه افزایشی تولید معادل، از کل واحدهای حرارتی موجود که بتواند معرف مناسبی از میزان هزینه افزایشی تولید در کل شبکه باشد در نظر گرفته میشود که در ادامه توضیحات بیشتر پیرامون آن ارائه میگردد.[4,5,6]
- 3 یک پریود 24 ساعته جهت برنامه بهرهبرداری در نظر گرفته میشود.
- 4 در هر بازۀ زمانی، نیروگاه در یکی از سه وضعیت پمپاژ، تولید برق و یا خارج از سرویس - idle - فرض میگردد.
- 5 در ابتدا و انتهای هر دوره ظرفیت مخازن برابر فرض میشود.
- 6 برای توان پمپاژ و توان تولید میتوان هر مقداری را در بازه حداقل توان مجاز تا توان نامی اختیار نمود.
- 7 یک راندمان دورهای ثابت برابر 77/9 درصد مطابق برآوردهای انجام شده در نظر گرفته شده است.[1]
- 8 جهت ساده سازی روابط، ظرفیت مخزن با انرژی پتانسیل - برحسب مگاوات ساعت - معادلسازی شده است.
9 - رابطههای زیر برای محاسبه توان در وضعیتهای تولید و پمپاژ استفاده میشوند.[4,7,8] - معادلات - 1 PHG αD که در آن PHG توان تولید و PHP توان پمپاژ واحد تلمبه ذخیرهای، α ضریب ثابت، ρ راندمان سیکل تولید- پمپاژ و D دبی آب بشمار میرود. - 10 حجم مفید مخزن بین دو مقدار مینیمم و ماکزیمم محدود میگردد.
- 11 کل سیکل پمپاژ - تولید بسته، و دبی آب ورودی و خروجی به مجموعه صفر فرض میشود.تحت این شرایط رابطه زیر برقرار است که در آن D دبی آب و X ظرفیت مفید در مخزن بالایی میباشد. علامت مثبت D به معنی تولید است. [4,7,8] - معادله - 2 −D - t - dX
