بخشی از مقاله
خلاصه
تشکیل گرداب در دهانه آبگیرها موجب خسارت به نیروگاه و تونلهای آببر میشود. در این راستا طراحی و نصب سازههای ضدگرداب میتواند از وقوع گرداب جلوگیری کند. در مطالعه حاضر، عملکرد دو سازه متداول ضدگرداب، یعنی دیواره قائم و صفحه افقی ضدگرداب، بر روی آبگیرهای سد تلمبهای ذخیرهای سیاه بیشه و سد و نیروگاه کارون 3 بررسی شده است. همچنین نتایج بدست از این مطالعات برای ابعاد صفحات افقی ضد گرداب با روابط تجربی مقایسه شده است. محاسبات نشان داد روابط تجربی با مشاهدات آزمایشگاهی تطابق دارند.
کلمات کلیدی: سازه ضدگرداب، مدل فیزیکی، گرداب، تولید انرژی، سد و نیروگاه.
-1 مقدمه
یکی از اهداف سدسازی استفاده از انرژی آب جهت تولید برق میباشد. در این راستا نیروگاه های برق آبی بسیاری در کنار سدهای مختلف در سرتاسر دنیا اجرا و مورد بهرهبرداری قرار گرفته است. استفاده بهینه و مطلوب از این انرژی پاک که با هزینه های سنگین بدست میآید، به عهده مهندسین طراح سدها و نیروگاهها میباشد. یکی از شرایط کار مطلوب یک نیروگاه برق آبی، عدم تشکیل جریانهای گردابی در ورودی آبگیر نیروگاه میباشد. وجود گرداب بر روی دهانه آبگیر نیروگاهها، عامل ورود جریانهای مارپیچی و هوا به داخل تونل های آب بر و در نتیجه موجب کاهش راندمان توربین ها، وارد کردن ارتعاش در سیستم، افزایش افت هیدرولیکی در دهانه آبگیر نیروگاه، افزایش مشکلات عملیاتی مانند انسداد مجاری آشغالگیر در اثر مکش هوا و مواد شناور روی سطح آب و در نهایت کاهش عمر توربینها میشود . - Knauss 1987 -
بر اساس پیشنهاد Sarkardeh et al. - 2010 - ، گرداب ها بر اساس قدرت مکش ذرات معلق و یا هوا به سه نوع A, B, C طبقه بندی میشوند. گردابهای نوع C محدود به چرخشهای سطحی و در مواقعی فرورفتگی کوچکی در سطح میشوند اما مواد معلق در آب به سمت آبگیر حرکت نمی کنند. در گرداب های نوع B، با ریختن ماده رنگی به داخل جریان مخروط چرخشی ماده رنگی تا محدوده آبگیر مشاهده میگردد و ذرات شناور نیز به داخل گرداب و در نتیجه مجرا کشیده میشوند. در گردابهای نوع A علاوه بر اجسام شناور، حباب های هوا و در گرداب های قوی تر از این نوع یک هسته هوا از سطح آزاد آب تا مجرای آبگیر مشاهده میگردد.
برای اینکه گردابی بر روی آبگیرها تشکیل نشود میبایست یک حداقل عمق بر روی دهانه آبگیر وجود داشته باشد. این عمق حداقل، عمق استغراق بحرانی نامیده میشود . - Sc - عمق استغراق روی آبگیر که با S نشان داده می شود نیز عبارت است از، فاصله بین سطح آب و محور آبگیر - شکل . - 1هر عاملی که در گردش گرداب ایجاد اختلال نماید، Scr را کاهش و برعکس هر عاملی که قدرت چرخش گرداب را افزایش دهد Scr را افزایش می دهد. که این موضوع فلسفه طراحی سازه های ضدگرداب می باشد. به عنوان نمونه افزایش شیب دیوار آبگیر و نزدیک شدن آن به محل تشکیل گرداب ایجاد اصطکاک زیادتری در مسیر چرخش گرداب کرده و Scr را کاهش می دهد - عملکرد دیواره قائم ضدگرداب - ولی از طرفی عدم تقارن مخزن می تواند به افزایش قدرت گرداب و در نتیجه افزایش Scr بیانجامد و یا قرار دادن صفحات ضدگرداب افقی در مسیر جریان و بر روی پیشانی آبگیر که به قطع نمودن مسیر حرکت گرداب می انجامد و موجب کاهش قدرت و یا عدم تشکیل گرداب می شود - Sarkardeh et al. 2010 . - and Amiri et al. 2011
محققین بسیاری با استفاده از نتایج مدل و پروتوتیپ سعی در بدست آوردن رابطهای برای تعیین پارامتر عمق استغراق بحرانی کردهاند - Denny and Young 1957; Berge 1966; Gordon 1970; Reddy and Pickford 1972; Amphlett 1976; . - Chang 1977; Anwar et al. 1978; Odgaard 1986; Jain et al. 1987; Sarkardeh et al. 2010 برای جلوگیری از تشکیل گرداب در دهانه آبگیرهای نیروگاهی روش متداول افزایش عمق استغراق آبگیر و یا به عبارت دیگر افزایش حداقل تراز بهره برداری نیروگاه است که این امر موجب از دست رفتن بخشی از حجم مخزن به منظور تولید انرژی برق می شود. استفاده از سازه های ضدگرداب که با مکانیزم های ایجاد اصطکاک و آشفتگی در مسیر چرخش موجب کاهش و یا از بین رفتن گرداب در دهانه آبگیرهای نیروگاه می شوند، می تواند روشی مطمئن و ارزان تلقی شود که حاصل آن استفاده حداکثری از توان تولیدی سد و نیروگاه در تولید انرژی است. در پژوهش حاضر که بر روی آبگیرهای سد و نیروگاه سیاه بیشه و همچنین کارون 3 به انجام رسیده است، دو سازه متداول دیواره قائم و صفحه ضدگرداب طراحی و نصب گردید و عملکرد آن ها با معیارهای ارائه شده توسط Amiri et al. - 2011 - و Sarkardeh et al. - 2010 - مقایسه شد.
-2 کارهای آزمایشگاهی
- سد و نیروگاه سیاه بیشه
در این بخش، عملکرد صفحه افقی ضدگرداب بر روی مدل هیدرولیکی آبگیرهای نیروگاه سد سیاه بیشه مطالعه شد. نیروگاه دارای 4 واحد 250 مگاواتی بوده که قابل توسعه به 2000 مگاوات می باشد. تونل آب بر هر کدام از آبگیرها به قطر 5/7 متر می باشد. ابعاد دهانه هر آبگیر 13/79 متر ارتفاع در 10 متر عرض میباشد - شکل . - 2حداکثر دبی هر واحد 130 مترمکعب در ثانیه می باشد. به منظور بررسی عملکرد هیدرولیکی آبگیر در شرایط مختلف آزمایشگاهی و بررسی امکان تشکیل گرداب در شرایط مختلف سطح آب در مخزن مدل هیدرولیکی، آبگیرهای سد سیاه بیشه با مقیاس 1:20 در موسسه تحقیقات آب ساخته شد . - WRI 2008 - این مقیاس با توجه به معیارهای ارائه شده توسط محققین مختلف جهت پرهیز از خطاهای مقیاسی بدست آمده است و از این رو نتایج بدست آمده قابل تعمیم به نمونه های واقعی است - Daggett and Keulegan 1974; Odgaard 1986; Jain et al. 1987; . - Padmanabhan and Larsen 2001
مدل هیدرولیکی آبگیرهای نیروگاه سد سیاه بیشه شامل قسمتی از دریاچه سد، کانال ورودی آبگیر، دهانه آبگیرها و تونل های تحت فشار می باشد. برای اطمینان از مدل کردن صحیح هندسه مخزن با توجه به تاثیر آن بر تشکیل گرداب ها قسمتی از دریاچه سد به طول 16 متر و عرض 9.6 متر در مدل و همچنین توپوگرافی مخزن بطور کامل، از مصالح بنایی ساخته شد. به منظور مشاهده جریان در قسمتهای مختلف، سازه آبگیر و تونل ها از جنس پلکسی گلاس شفاف ساخته شد. به منظور اندازهگیری دبی جریان در مدل هیدرولیکی، از سرریز لبه تیز مستطیلی کالیبره شده استفاده گردید. تراز سطح آب در مخزن نیز بوسیله یک لیمنیمتر با دقت 0/1 میلیمتر اندازهگیری شد. آزمایشها در S/D های مختلف - بین 2 تا - 5 و در دبی طراحی نیروگاه - عدد فرود - 0/7 به انجام رسید.
- سد و نیروگاه کارون 3
در این بخش عملکرد دیواره ضد گرداب بر روی مدل هیدرولیکی آبگیرهای نیروگاه سد کارون 3 مطالعه شد. نیروگاه دارای 8 واحد 250 مگاواتی بوده که هر 4 واحد از یک آبگیر مجزا تغذیه میشود. تونل آب بر هر کدام از آبگیرها به قطر 12/6 متر بوده که در انتها به دو شاخه به قطر 9/5 متر تقسیم میشود. ابعاد دهانه هر آبگیر 24/5 متر ارتفاع در 8/5 متر عرض میباشد. حداکثر ظرفیت هر واحد 178/5 مترمکعب در ثانیه و حداکثر ظرفیت هر دهانه آبگیر برابر 714 مترمکعب در ثانیه میباشد. به منظور بررسی عملکرد هیدرولیکی آبگیر در دوران بهرهبرداری نیروگاه و طراحی دیواره ضدگرداب مناسب در صورت تشکیل گرداب، مدل هیدرولیکی دو آبگیر از آبگیرهای سد کارون 3 با مقیاس 1:33/3 ساخته شد. این مقیاس با توجه به معیارهای ارائه شده جهت پرهیز از خطاهای مقیاسی بدست آمده است - Daggett and Keulegan 1974; Odgaard 1986; Jain et al. 1987; . - Padmanabhan and Larsen 2001
مدل هیدرولیکی آبگیرهای کارون 3 شامل قسمتی از دریاچه سد، کانال ورودی آبگیر، دهانه آبگیرها، تونلهای تحت فشار، قسمت انشعاب و قسمتی از تونل های پاییندست بود. برای عدم تاثیر دیوارهای مخزن در مدل بر شکل کلی الگوی جریان ورودی به آبگیرها، قسمتی از دریاچه سد به طول 226 متر و عرض 240 متر در نمونه واقعی و همچنین قسمتی از قوس سد، از مصالح بنایی ساخته شد. به منظور مشاهده جریان در قسمتهای مختلف، سازه آبگیر سمت چپ جریان از جنس پلکسی گلاس شفاف ساخته شد. به منظور اندازهگیری دبی جریان در مدل هیدرولیکی، از چهار سرریز لبه تیز مستطیلی کالیبره شده برای هر واحد استفاده گردید. تراز سطح آب در مخزن نیز بوسیله یک لیمنیمتر با دقت 0/1 میلیمتر اندازهگیری شد.
-3 نتایج آزمایشگاهی
