کتاب تجهیزات مکانیکی در نیروگاه های برق آبی

مقدمه مترجمین
انرژی برق مورد نیاز در جهان از روش‌های مختلفی استحصال می‌شود که در حال حاضر نیروگاه‌های حرارتی و آبی بیشترین سهم را در این زمینه دارا می‌باشند. به دلیل مشکلات و محدودیت‌های تولید برق در نیروگاه‌های حرارتی (با سوخت فسیلی یا هسته‌ای) و به لحاظ مسایل فنی، رعایت ضوابط و معیارهای زیست محیطی، محدودیت منابع و ...، در حال حاضر گرایش عمومی تولید برق در جهان، بیشتر متوجه احداث نیروگاه‌های برق آبی است كه به عنوان یکی از مهمترین منابع تامین انرژی مورد توجه جدی قرار گرفته‌اند. برای تولید این نوع انرژی، نیاز به احداث سد بر روی رودخانه و استفاده از تجهیزات هیدرومكانیكی مناسب با پارامترهای طراحی می‌باشد. در كتاب حاضر كه ترجمه‌ای از مجموعه‌ای با عنوان "Mechanical Equipment" نوشته استاد بازنشسته دانشگاه علم و صنعت نروژ، آقای Arne Kjølle می‌باشد، تلاش شده است به اصول و مبانی تجهیزات هیدرومكانیكی در نیروگاه‌های برق آبی با نگاهی مهندسی پرداخته شود.
امید است كتاب حاضر بتواند، با توجه به كمبود چنین منابعی به زبان فارسی، مورد استفاده فعالان صنعت برق آبی كشور قرار گیرد. بدیهی است كتاب حاضر با توجه به محتوی آن، خالی از لغزش و خطای علمی و چاپی نخواهد بود و انتظار می‌رود با همكاری استادان و دانش پژوهان این لغزش‌ها و كاستی‌ها مشخص و مرتفع گردد. در انتها از جناب آقای مهندس مرتضی ماروسی، كارشناس ارشد موسسه تحقیقات آب وزارت نیرو و تمامی دوستانی كه ما را در نگارش كتاب حاضر یاری كرده اند، تشكر و قدردانی می‌شود.
سیدمسعود تقوایی – یاسر برزنونی – حامد سركرده
پاییز 1391
فهرست مطالب
فصل 1 ماشین‌های برق آبی 1
مقدمه 1
1.1 نگاه اجمالی به ماشین‌های برق آبی 3
1.1.1 قدیمی‌ترین ماشین‌های برق آبی 3
1.1.2 توربین 5
1.2 طرح کلی نیروگاه‌های برق آبی 8
فصل 2 تبدیل انرژی 13
مقدمه 13
2.1 اصول و تعاریف اولیه 13
2.2 تبدیل انرژی هیدرولیکی به انرژی مکانیکی 16
2.2.1 ملاحظات کلی 16
2.2.2 توربین ضربه‌ای (پلتون) 17
2.2.3 توربین‌های عکس‌العملی (فرانسیس، کاپلان و حبابی) 21
2.2.4 معادله اساسی توربین‌ها 26
2.3 مفاهیم مختصری از طراحی هیدرولیکی توربین‌ها 28
2.4 بازدهی 31
فصل 3 دسته‌بندی توربین‌ها – مشخصه‌های اصلی 33
مقدمه 33
3.1 ملاحظات اساسی تشابه 33
3.1.1 روابط تشابه 33
3.1.2 عدد سرعت 35
3.1.3 دسته‌بندی توربین‌ها 37
3.1.4 منحنی‌های عملکرد 38
3.1.5 خلا زایی و هد مکش 41
3.2 توربین پلتون 44
3.2.1 اندازه‌های هیدرولیکی اصلی 44
3.2.2 ابعاد جام پلتون 44
3.2.3 نمودار عملکرد 44
3.3 توربین‌های فرانسیس 46
3.3.1 ابعاد هیدرولیکی اصلی 46
3.3.2 نمودار عملکرد 48
3.3.3 خلازایی، هد مکش و نسبت عکس‌العمل 49
3.4 توربین کاپلان 51
3.4.1 ابعاد هیدرولیکی اصلی 51
3.4.2 نمودار عملکرد 52
3.4.3 خلا زایی، هد مکش و نسبت عکس‌العمل 52
3.5 انتخاب توربین 53
3.5.1 انتخاب بین توربین‌های پلتون و فرانسیس 54
3.5.2 انتخاب بین توربین‌های کاپلان و فرانسیس 58
فصل 4 مبانی كنترلی 61
مقدمه 61
4.1 بازخورد سیستم کنترلی 62
4.2 دستگاه‌های تنظیم گاورنر 65
4.2.1 توابع نسبتی-انتگرالی- مشتقی (PID) 65
4.2.2 کاهش سرعت دائمی 65
4.3 نیازهای حاکم بر توربین 66
4.3.1 تنظیم فرکانس و بار 66
4.3.2 شروع و توقف، کنترل ترتیبی 67
4.3.3 قطع، بار برگشتی 67
4.3.4 حدود بار 67
4.4 ملزومات تنظیم توان نیروگاه‌های آبی 67
4.4.1 نوسانات جرم 68
4.4.2 افزایش فشار ضربه قوچ بر حسب زمان و سرعت بسته شدن 70
4.5 پایداری حاکم 75
4.5.1 حالت‌های بهره‌برداری 75
4.5.2 حساب سرانگشتی 77
فصل 5 آزمایش‌های كارایی 79
مقدمه 79
5.1 آزمایش‌های مدل اصلی 80
5.1.1 اصولی برای آزمایش 80
5.1.2 اندازه‌گیری توان توربین 80
5.1.3 روش‌هایی برای اندازه‌گیری دبی 81
5.1.3.1 روش مولینه 81
5.1.3.2 لوله پیتوت 83
5.1.3.3 روش فشار- زمان یا روش گیبسون 84
5.1.3.4 روش ردیاب 86
5.1.3.5 روش مافوق صوت 88
5.1.3.6 سرریز 91
5.1.3.7 وسایل استاندارد شده اختلاف فشار 92
5.1.3.8 روش اندازه‌گیری حجمی 93
5.1.3.9 اندازه‌گیری نسبی دبی 93
5.1.4 اندازه‌گیری ترمودینامیکی افت‌های جریان 94
5.1.4.1 اندازه‌گیری افت‌های توان 94
5.1.4.2 بازدهی و انرژی مخصوص 95
5.1.4.3 روش‌های اندازه‌گیری 97
5.1.4.4 تصحیحاتی برای نشتی و اصطکاک 98
5.1.5 خواص دینامیکی توربین 99
5.1.6 رفتار خلا زایی در نمونه اصلی 99
5.1.7 آزمون گاورنر– آزمون‌های برگشتی 99
5.2 آزمون‌های مدل و اثرات مقیاس بر روی بازدهی، از مدل تا نمونه اصلی 100
5.2.1 شرایط آزمایشگاهی 100
5.2.2 آزمون‌های مدل 101
5.2.3 اثرات مقیاس بر روی بازدهی، از مدل تا نمونه واقعی 103
فصل 6 توربین پلتون 105
مقدمه 105
6.1 ترکیب‌بندی توربین پلتون افقی 106
6.2 ترکیب بندی توربین پلتون قائم 107
6.3 اجزای اصلی توربین و وظایف آنها 108
6.2.1 چرخ دوار 109
6.2.2 محور توربین 111
6.2.3 یاتاقان‌های شعاعی توربین 111
6.2.4 زانویی و توزیع‌کننده 112
6.2.5 تزریق کننده مستقیم جریان 114
6.2.6 مکانیزم منحرف‌کننده 115
6.2.7 محفظه توربین 116
6.3 کنترل شرایط 117
6.3.1 یاتاقان‌های هادی توربین 117
6.3.2 چرخ دوار 117
6.3.3 تزریق‌کننده‌های اصلی به همراه سوزن‌های سرووموتور 117
6.3.4 حلقه‌های درزبندی در یاتاقان‌های منحرف کننده 118
6.3.5 فیلتر 118
6.4 دستگاه‌های نمایش 118
6.5 مونتاژ و پیاده‌سازی قطعات 119
فصل 7 توربین فرانسیس 121
مقدمه 121
7.1 توربین‌های فرانسیس افقی 122
7.2 توربین‌های فرانسیس قائم 122
7.3 اجزای اصلی و وظایف آنها 124
7.3.1 حلزونی 125
7.3.2 زنجیره پره‌های هادی 125
7.3.3 پوشش‌های توربین 125
7.3.4 چرخ دوار 126
7.3.5 محور و یاتاقان 126
7.3.6 درزبندهای محور 128
7.3.7 مکانیسم تنظیم 129
7.3.8 لوله مکش 130
7.4 ترکیب‌بندی زهکشی و پر کردن 131
7.5 کنترل شرایط 132
7.6 تجهیزات نمایش 133
7.7 مونتاژ و تجزیه قطعات 134
فصل 8 توربین كاپلان 135
مقدمه 135
8.1 ساختار توربین كاپلان 136
8.1.1 تركیب‌بندی 136
8.1.2 ساختار توربین کاپلان 136
8.2 اجزاء اصلی و وظیفه آنها 138
8.2.1 حلزونی 138
8.2.2 زنجیره پره‌های هادی 138
8.2.3 پوشش‌ها 140
8.2.4 چرخ دوار 140
8.2.5 سرووموتور پره‌های چرخ دوار 141
8.2.6 مکانیسم تنظیم پره‌های چرخ دوار 142
8.2.7 همکاری سیستم تنظیم پره‌های هادی و پره‌های چرخ دوار 143
8.2.8 محفظه چرخ دوار 143
8.2.9 محور توربین 144
8.2.10 یاتاقان توربین 144
8.2.11 جعبه آب بند محور 145
8.2.12 لوله مکش 146
8.3 سیستم‌های تخلیه و پر کردن 147
8.4 کنترل شرایط 147
8.4.1 چرخ دوار 147
8.4.2 محفظه چرخ دوار 147
8.4.3 مکانیسم پره‌های هادی 147
8.4.4 جعبه درزبند محور 147
8.5 تجهیزات نمایش 148
8.6 مونتاژ و پیاده‌سازی 148
فصل 9 توربین حبابی 149
مقدمه 149
9.1 ترکیب کلی 150
9.2 اجزای اصلی 151
9.2.1 مخروطی ثابت 151
9.2.2 محفظه چرخ دوار و مخروط لوله مکش 152
9.2.3 دریچه ژنراتور 152
9.2.4 پوسته ثابت 153
9.2.5 اجزای دوار 154
9.2.5.1 چرخ دوار 154
9.2.5.2 محور توربین 155
9.2.6 جعبه درزبند محور 156
9.2.7 یاتاقان‌های توربین 157
9.2.8 مکانیسم بازخورد و لوله‌کشی روغن 158
9.2.8.1 مجموعه انتقال روغن 159
9.2.9 مکانیسم پره‌های هادی 159
9.3 کنترل شرایط 161
9.3.1 چرخ دوار 161
9.3.2 محفظه چرخ دوار 161
9.3.3 مکانیسم پره‌های هادی 161
9.3.4 جعبه درزبند چرخ دوار 161
9.3.5 کلیاتی برای توربین‌های حبابی 161
9.4 تجهیزات نمایش 162
9.5 مونتاژ و پیاده‌سازی 162
فصل 10 گاورنر 163
10.1 ساختار سیستم گاورنر 163
10.2 كنترل‌كننده‌های الکترومکانیکی 164
10.2.1 كنترل‌كننده‌های آنالوگ 164
10.2.2 كنترل‌كننده‌های دیجیتالی 165
10.3 سیستم‌های سروو 165
10.3.1 میز گاورنر 166
10.3.2 سرووموتور کنترل اصلی 168
10.4 تجهیزات کنترلی خاص توربین 169
10.4.1 کنترل دوطرفه توربین‌های پلتون 169
10.4.2 کنترل کنارگذر توربین فرانسیس 169
10.4.2.1 عملکرد و ترکیب اصلی 169
10.4.2.2 سیستم کنترل شیر 171
10.4.3 کنترل دو طرفه توربین‌های کاپلان/ حبابی 172
فصل 11 شیرآلات 173
مقدمه 173
11.1 شیرهای کروی 174
11.1.1 محفظه و چرخ دوار شیر 174
11.1.2 مفصل‌های مهار چرخ دوار و یاتاقان‌ها 174
11.1.3 درزبندهای شیر بسته 176
11.1.3.1 درزبند اصلی 177
11.1.3.2 درزبند کمکی 178
11.1.4 مکانیسم بهره‌برداری 178
11.1.4 سیستم کنترل 180
11.2 شیرهای پروانه‌ای 180
11.2.1 محفظه شیر 181
11.2.2 صفحه شیر 181
11.2.3 یاتاقان 182
11.2.4 درزبند 183
11.2.5 مکانیسم بهره‌برداری 183
11.3 شیرهای کشویی 184
11.4 شیرهای حلقوی 185
11.5 شیرهای کنارگذر 186
11.6 اصول کلی برای بازرسی شیرها 187
فصل 12 تجهیزات كمكی 189
مقدمه 189
12.1 سیستم فشار روغن 189
12.1.1 ساختار سیستم 190
12.1.2 عملکرد سیستم 196
12.2 سیستم تأمین هوا 197
فصل 13 نیروهای منتقل شدن به فنداسیون 201
مقدمه 201
13.1 توربین‌های افقی 202
13.2 توربین‌های قائم 202
فصل 14 دلایل خرابی 205
مقدمه 205
14.1 خلازایی 206
14.2 خوردگی در اثر برخورد ذرات شن 206
14.3 شکست مواد 208
14.4 خستگی 209
فصل 15 كنترل شرایط 213
مقدمه 213
15.1 فعالیت‌های لازم برای توربین پلتون 214
15.2 فعالیت‌های لازم برای توربین فرانسیس 215
15.3 فعالیت‌های لازم برای توربین کاپلان و حبابی 216
فصل 16 تضمین كیفیت 219
مقدمه 219
منابع و مراجع 221
فهرست الفبایی 225

فهرست الفبایی
آزمایش‌های كارایی 79
آزمایش‌های مدل اصلی 80
آزمون گاورنر– آزمون‌های برگشتی 99
آزمون‌های مدل 101
آزمون‌های مدل و اثرات مقیاس بر روی بازدهی، از مدل تا نمونه اصلی 100
ابعاد جام پلتون 44
ابعاد هیدرولیکی اصلی 46، 51
اثرات مقیاس بر روی بازدهی 100، 103
اثرات مقیاس بر روی بازدهی، از مدل تا نمونه واقعی 103
اجزاء اصلی و وظیفه آنها 138
اجزای اصلی 151
اجزای اصلی توربین و وظایف آنها 108
اجزای اصلی و وظایف آنها 124
اجزای دوار 154
اصطکاک 98
اصول کلی برای بازرسی شیرها 187
اصول و تعاریف اولیه 13
اصولی برای آزمایش 80
افت‌های توان 94
افت‌های جریان 94
افزایش فشار ضربه قوچ بر حسب زمان و سرعت بسته شدن 70
انتخاب بین توربین‌های پلتون و فرانسیس 54
انتخاب بین توربین‌های کاپلان و فرانسیس 58
انتخاب توربین 53
انتقال روغن 159
اندازه‌گیری افت‌های توان 94
اندازه‌گیری ترمودینامیکی افت‌های جریان 94
اندازه‌گیری توان توربین 80
اندازه‌گیری حجمی 93
اندازه‌گیری دبی 81
اندازه‌گیری نسبی دبی 93
اندازه‌های هیدرولیکی اصلی 44
انرژی مخصوص 95
ب
بار برگشتی 67
بازخورد سیستم کنترلی 62
بازخورد و لوله‌کشی روغن 158
بازدهی 31
بازدهی و انرژی مخصوص 95
بازرسی شیرها 187
برخورد ذرات شن 206
بهره‌برداری 75، 178
پ
پایداری حاکم 75
پره‌های چرخ دوار 141
پره‌های هادی 125، 138، 159
پلتون 17، 44، 105
پلتون افقی 106
پلتون قائم 107
پلتون و فرانسیس 54
پوسته ثابت 153
پوشش‌ها 140
پوشش‌های توربین 125
پیاده‌سازی قطعات 119
پیتوت 83
ت
تأمین هوا 197
تبدیل انرژی 13
تبدیل انرژی هیدرولیکی به انرژی مکانیکی 16
تجزیه قطعات 134
تجهیزات کنترلی خاص توربین 169
تجهیزات كمكی 189
تجهیزات نمایش 133، 148، 162
ترکیب بندی توربین پلتون قائم 107
ترکیب کلی 150
ترکیب‌بندی توربین پلتون افقی 106
ترکیب‌بندی زهکشی و پر کردن 131
تركیب‌بندی 136
تزریق کننده مستقیم جریان 114
تزریق‌کننده‌های اصلی به همراه سوزن‌های سرووموتور 117
تشابه 33
تصحیحاتی برای نشتی و اصطکاک 98
تضمین كیفیت 219
تنظیم پره‌های چرخ دوار 142
تنظیم توان نیروگاه‌های آبی 67
تنظیم فرکانس و بار 66
تنظیم گاورنر 65
توابع نسبتی-انتگرالی- مشتقی (PID) 65
توان توربین 80
توربین 5
توربین پلتون 44، 105
توربین پلتون افقی 106
توربین پلتون قائم 107
توربین حبابی 149
توربین ضربه‌ای (پلتون) 17
توربین فرانسیس 121
توربین کاپلان 51، 135
توربین‌های افقی 202
توربین‌های حبابی 161
توربین‌های عکس‌العملی (فرانسیس، کاپلان و حبابی) 21
توربین‌های فرانسیس 46
توربین‌های فرانسیس افقی 122
توربین‌های فرانسیس قائم 122
توربین‌های قائم 202
توربین‌های کاپلان/ حبابی 172
توزیع‌کننده 112
ج
جام پلتون 44
جعبه آب بند محور 145
جعبه درزبند چرخ دوار 161
جعبه درزبند محور 147، 156
چ
چرخ دوار 109، 117، 126، 140، 147، 152، 154، 161
چرخ دوار شیر 174
چرخ دوار و یاتاقان‌ها 174
ح
حالت‌های بهره‌برداری 75
حبابی 21، 149
حدود بار 67
حساب سرانگشتی 77
حلزونی 125، 138
حلقوی 185
حلقه‌های درزبندی در یاتاقان‌های منحرف‌کننده 118
خ
خستگی 209
خلا زایی و هد مکش 41
خلا زایی، هد مکش و نسبت عکس‌العمل 52
خلازایی 206
خلازایی، هد مکش و نسبت عکس‌العمل 49
خواص دینامیکی توربین 99
خوردگی در اثر برخورد ذرات شن 206
د
دبی 81
در اثر برخورد ذرات شن 206
درزبند 183
درزبند اصلی 177
درزبند کمکی 178
درزبند محور 156
درزبندهای شیر بسته 176
درزبندهای محور 128
درزبندی 118
دریچه ژنراتور 152
دستگاه‌های تنظیم گاورنر 65
دستگاه‌های نمایش 118
دسته‌بندی توربین‌ها 37
دسته‌بندی توربین‌ها – مشخصه‌های اصلی 33
دلایل خرابی 205
ذ
ذرات شن 206
ر
ردیاب 86
رفتار خلا زایی در نمونه اصلی 99
روابط تشابه 33
روش اندازه‌گیری حجمی 93
روش ردیاب 86
روش فشار- زمان یا روش گیبسون 84
روش گیبسون 84
روش مافوق صوت 88
روش مولینه 81
روش‌های اندازه‌گیری 97
روش‌هایی برای اندازه‌گیری دبی 81
ز
زانویی و توزیع‌کننده 112
زنجیره پره‌های هادی 125، 138
زهکشی و پر کردن 131
س
ساختار توربین کاپلان 136
ساختار سیستم 190
ساختار سیستم گاورنر 163
سرریز 91
سرووموتور 117
سرووموتور پره‌های چرخ دوار 141
سرووموتور کنترل اصلی 168
سوزن‌های سرووموتور 117
سیستم تأمین هوا 197
سیستم تنظیم پره‌های هادی و پره‌های چرخ دوار 143
سیستم فشار روغن 189
سیستم کنترل 180
سیستم کنترل شیر 171
سیستم کنترلی 62
سیستم گاورنر 163
سیستم‌های تخلیه و پر کردن 147
سیستم‌های سروو 165
ش
شرایط آزمایشگاهی 100
شروع و توقف، کنترل ترتیبی 67
شکست مواد 208
شیرآلات 173
شیرهای پروانه‌ای 180
شیرهای حلقوی 185
شیرهای کروی 174
شیرهای کشویی 184
شیرهای کنارگذر 186
ص
صفحه شیر 181
ض
ضربه قوچ 70
ضربه‌ای (پلتون) 17
ط
طراحی هیدرولیکی توربین‌ها 28
طرح کلی نیروگاه‌های برق آبی 8
ع
عدد سرعت 35
عکس‌العملی (فرانسیس، کاپلان و حبابی) 21
عملکرد سیستم 196
عملکرد و ترکیب اصلی 169
ف
فرانسیس 21، 46
فرانسیس افقی 122
فرانسیس قائم 122
فرکانس و بار 66
فشار روغن 189
فشار- زمان یا روش گیبسون 84
فشار ضربه قوچ 70
فعالیت‌های لازم برای توربین پلتون 214
فعالیت‌های لازم برای توربین فرانسیس 215
فعالیت‌های لازم برای توربین کاپلان و حبابی 216
فنداسیون 201
فیلتر 118
ق
قدیمی‌ترین ماشین‌های برق آبی 3
قطع، بار برگشتی 67
ك
کاپلان 21، 51
کاپلان و حبابی 21
کاپلان و فرانسیس 58
کاهش سرعت دائمی 65
کشویی 184
کلیاتی برای توربین‌های حبابی 161
کنارگذر 186
کنارگذر توربین فرانسیس 169
کنترل ترتیبی 67
کنترل دو طرفه توربین‌های کاپلان/ حبابی 172
کنترل دوطرفه توربین‌های پلتون 169
کنترل شرایط 117، 132، 147، 161
کنترل شیر 171
کنترل کنارگذر توربین فرانسیس 169
كاپلان 135
كنترل شرایط 213
كنترل‌كننده‌های آنالوگ 164
كنترل‌كننده‌های الکترومکانیکی 164
كنترل‌كننده‌های دیجیتالی 165
گ
گاورنر 65، 163
گیبسون 84
ل
لوله پیتوت 83
لوله مکش 130، 146، 152
لوله‌کشی روغن 158
م
ماشین‌های برق آبی 1
مافوق صوت 88
مبانی كنترلی 61
مجموعه انتقال روغن 159
محفظه توربین 116
محفظه چرخ دوار 143، 147، 161
محفظه چرخ دوار و مخروط لوله مکش 152
محفظه شیر 181
محفظه و چرخ دوار شیر 174
محور توربین 111، 144، 155
محور و یاتاقان 126
مخروط لوله مکش 152
مخروطی ثابت 151
معادله اساسی توربین‌ها 26
مفاهیم مختصری از طراحی هیدرولیکی توربین‌ها 28
مفصل‌های مهار چرخ دوار و یاتاقان‌ها 174
مکانیزم منحرف‌کننده 115
مکانیسم بازخورد و لوله‌کشی روغن 158
مکانیسم بهره‌برداری 178، 183
مکانیسم پره‌های هادی 147، 159، 161
مکانیسم تنظیم 129
مکانیسم تنظیم پره‌های چرخ دوار 142
ملاحظات اساسی تشابه 33
ملاحظات کلی 16
ملزومات تنظیم توان نیروگاه‌های آبی 67
منتقل شدن به فنداسیون 201
منحرف‌کننده 115
منحنی‌های عملکرد 38
مولینه 81
مونتاژ و پیاده‌سازی 148، 162
مونتاژ و پیاده‌سازی قطعات 119
مونتاژ و تجزیه قطعات 134
مهار چرخ دوار و یاتاقان‌ها 174
میز گاورنر 166
ن
نسبت عکس‌العمل 49، 52
نشتی و اصطکاک 98
نگاه اجمالی به ماشین‌های برق آبی 3
نمودار عملکرد 44، 48، 52
نوسانات جرم 68
نیازهای حاکم بر توربین 66
نیروهای منتقل شدن به فنداسیون 201
و
وسایل استاندارد شده اختلاف فشار 92
ه
هد مکش 41
هد مکش و نسبت عکس‌العمل 49، 52
همکاری سیستم تنظیم پره‌های هادی و پره‌های چرخ دوار 143