بخشی از مقاله
چکیده
چکش آبی - ضربه قوچ - از مخربترین پدیدههای هیدرولیکی است که در مجاری تحت فشار تحت تاثیر بستن ناگهانی مجرا اتفاق میافتد. این پدیده باعث ایجاد موج منفی به سمت بالادست شده و باعث افزایش فشار در مجرا میشود. در نیروگاههای تلمبه-ذخیره ای، شروع به کار یا توقف سریع پمپ و یا توربین، میتواند باعث ایجاد پدیدهی چکش آبی گردد و خسارات سنگینی به مجرای انتقال آب به نیروگاه نماید. یکی از روشهای کنترل این پدیدهی مخرب، استفاده از مخزن موجگیر میباشد.
نوآوری این مقاله بررسی پدیدهی چکش آبی و کنترل آن با نرمافزار شبیهساز HAMMER میباشد و سپس بعنوان یک مورد مطالعاتی در دست ساخت، جانمایی مخزن موجگیر نیروگاه سد ازاد در زمان از کار افتادن ناگهانی توربینها و پمپها مورد تحقیق قرار گرفته است. با مقایسه نتایج حاصله، ابتدا معلوم شد که اولا مدل HAMMER بخوبی توانایی شبیهسازی چکش آبی را دارد و ثانیا نتایج تحقیق در مورد نیروگاه سد آزاد نشان داد که با قرار دادن دو مخزن موجگیر در بالادست و پاییندست توربین، می توان فشار ناشی از چکش ابی را بخوبی مستهلک نمود.
مقدمه
بررسی جریانهای ناپایدار در سازههای هیدرولیکی از قبیل خطوط انتقال آب، شبکههای توزیع آب، نیروگاههای آبی و ایستگاههای پمپاژ به دلیل حیاتی بودن این سازهها و مشکلات اقتصادی و اجتماعی ناشی از تخریب این سازهها حائز اهمیت بسیار میباشد.
چکش آبی1 پدیدهای است که در خطوط جریان تحت فشار در اثر تغییر ناگهانی سرعت سیال به وجود میآید که نتیجهی آن افزایش فشار در مجرا بهصورت ناگهانی بوده و این امر می تواند باعث به وجود آمدن آسیبهای جدی در سازههای هیدرولیکی گردد.
نیروگاههای تلمبه-ذخیرهای2 شامل دو مخزن در دو ارتفاع متفاوت است که با یک سیستم انتقال آب مانند لوله یا تونل به هم متصل میشوند. . این امر از طریق احداث دو مخزن در ترازهای متفاوت صورت میگیرد. به طوریکه به هنگام نیاز شبکه برق سراسری - مانند ابتدای شب - با رها کردن آب از مخزن بالا به مخزن پایین، انرژی الکتریکی تولید میشود و هنگامیکه شبکه در حالت پیک مصرف نیست - اواخر شب - با پمپ کردن آب موجود در مخزن پایین به مخزن بالادست، انرژی الکتریکی ذخیره میشود
طی مطالعات انجام شده در ایران تاکنون حدود 37 ساختگاه نیروگاه تلمبه-ذخیرهای شناخته شده است که حدود 45 درصد آنها بر روی مخازن سدهای موجود هستند. نیروگاه تلمبه-ذخیرهای در سیاه بیشه در شمال کشور هماکنون با ظرفیت 1000 مگاوات در حال بهرهبرداری است به شبکه برق منطقه تهران متصل است. سه پروژه دیگر در ایلام - سیمره - ، کردستان - آزاد - و لرستان - رودبار - با مجموع ظرفیت نصب 3000 مگاوات در مرحله اجرا بوده که در این پروژه ها از مخازن سدهای در حال اجرا استفاده شده است
در نیروگاههای تلمبه-ذخیرهای به دلیل وجود پمپ-توربینها و به علت استفاده از مغار نیروگاه، شرایط ویژهای برای طراحی مخزن موجگیر حادث میشود.
شکل - - 1 - طرح شماتیک نیروگاههای تلمبه-ذخیرهای
معرفی چکش آبی
در سیستمهای هیدرولیکی تحتفشار، نظیر خطوط انتقال آب، شبکههای توزیع ولولههای آببر منتهی به توربین، تونلهای آبی، سیستمها پمپاژ و جریانهای ثقلی، پدیدهی چکش ابی - ضربه قوچ - با ایجاد موجهای سریع، زودگذر و میرا موجب خطرات گوناگونی میشود. باز و بسته شدن ناگهانی شیرها و ازکارافتادگی ناگهانی پمپها جریانهای غیر ماندگار ایجاد میکند.
این نوع جریانها در مهندسی آب از اهمیت ویژهای برخوردار هستند زیرا فشارهای شدید اضافی، صدا و ارتعاشات مخرب در سیستم آبرسانی ایجاد میکنند.گاهی اوقات قدرت تخریبی این موجهای فشاری به حدی است که نتایج نامطلوبی را به دنبال دارد. ترکیدن خطوط لوله در سیستمهای انتقال و شبکههای توزیع، خرابی و شکستن شیرها، دریچههای کنترل و پمپها از نمونههای بارز تأثیر این پدیده میباشد
میزان تخریب ناشی از جریانهای غیر ماندگار بر سیستم آبرسانی به عوامل متعددی از قبیل تجهیزات بهکاررفته در سیستم، خواص فیزیکی لولهها، نوع سیال و وجود هوا در سیستم بستگی دارد. چکش آبی حاصله مقدار معینی نیرو ایجاد میکند که به صورت موج منفی در خط لوله جریان، به طرف بالادست حرکت مینماید. این موج در مسیر طولانی بهتدریج مستهلک میگردد و پس از مدتی که از رفت و برگشت موج سپری شد، سیستم ناپایدار به حالت پایدار میرسد.
پیامدهای ناشی از ایجاد جریان غیر ماندگار در لولهها عبارتند از : الف: فشارهای زیاد، ب: ارتعاشات، ج: خلأ زایی. شکل - 2 - نحوه ایجاد فشار بالا را ناشی از بسته شدن ناگهانی شیر و ایجاد چکش آبی نشان میدهد.
شکل - - - 2 نحوه ایجاد فشار بالا ناشی از ایجاد چکش آبی
با استفاده از معادلات پیوستگی - - 1 و معادله دینامیک - 2 - و تبدیل آنان به معادلات تفاضل محدود و با استفاده از روش منحنیهای مشخصه1 می توان فشار ، سرعت و دبی را در لوله ها در زمان چکش آبی بدست آورد
در این معادلات پارامتر های بکار رفته عبارتند از: : V سرعت جریان بر حسب متر بر ثانیه
: H فشار - متر - : D قطر مجرا - متر -
: f ضریب اصطکاک لوله در معادله دارسی ویزباخ : g ضریب شتاب ثقل - متر بر مجذور ثانیه -
: ∆ t گام زمانی - ثانیه - : ∆ x گام مکانی - متر -
بر اساس - یانفیی و همکاران، 3 - 2015 در روش منحنی های مشخصه، معادلات دیفرانسیلی فوق با استفاده از یک شمای دو بعدی زمان و مکان تبدیل به معادلات جبری شده و این امکان را می دهد که بتوان در هر گام زمانی ∆t ، مقادیر هیدرولیکی نظیر فشار، سرعت و دبی را در گام مکانی ∆X بدست آورد
