تحقیق مقاله نیروگاه برق

فصل اول

 مقدمه

 با افزایش مقدار مصرف بالطبع مهندسین و متخصصین شروع به افزایش ظرفیت نیروگاه ها نمودند و تا حدی که امکانات فنی و تکنولوژی وقت اجازه می داد ظرفیت نیروگاه ها افزایش داده شده است .

تعیین ظرفیت نیروگاه بصورت بهینه ، متاثر از فاکتور های متفاوتی می باشد.

امروزه بسیار واضح است که قیمت برق تولید شده با افزایش ظرفیت نیروگاه کاهش می یابد . البته باید به این موضوع توجه داشت که برای یک نیروگاه افزایش ظرفیت باعث ازدیاد طول خط انتقال میشود و لذا افت انرژی در طول خط انتقال افزایش می یابد . با توجه به دو حقیقت فوق الذکر ، تعیین ظرفیت بهینه یک نیروگاه به طور ساده و ابتدایی توسط تجزیه و تحلیل مخارج نیروگاه در طول عمر آن و مسائل انتقال انرزی برق می باشد ولی این تحلیل بسیار ساده موضوع می‌باشد. نکات بسیار دیگری نیز در تعیین ظرفیت واحد های نیروگاه می تواند موثر باشد که در این پیشگفتار با آن آشنا شده و در گزارش به طور مفصل شرح داده می شود و نتیجه گیری های لازم اتخاذ خواهد گردید .

 

فاکتورهای مهم در تعیین ظرفیت واحد :

پس از مشخص شدن و تعریف مقدار بار مورد نیاز برای زمان حال و آینده ، ظرفیت کل نیروگاه تعیین می شود . میتوان گفت که کمترین مقدار مورد نیاز برای ظرفیت نیروگاه حداقل می بایست برابر با بار پیک یا بالاترین مقدار مصرف مورد نیاز باشد . [1]

عوامل و فاکتور هایی که در تعیین ظرفیت و قدرت واحد های تشکیل دهنده یک نیروگاه موثر می باشند عبارتند از : [2]

الف) جنبه های اقتصادی در انتخاب و تعیین ظرفیت واحد .

ب) قابلیت اطمینان در سیستم تامین کننده برق .

قابلیت عملیاتی و فنی .

د)حساسیت نسبت به مسائل غیر قابل پیشگوئی و نامطمئن .

ه)تامین بودجه جهت ساخت .

و)مسائل خاص طراحی .

ز)محل و موقعیت نیروگاه و مسائل محیط زیست .

ک)جاده و راه های ارتباطی .

ل)امکانات ساخت در داخل کشور .

م)امکانات تعمیرات و بهره برداری در داخل کشور .

ت)‌مسائل شبکه .

نکات فوق مهمترین عواملی میباشند که در تعیین ظرفیت نیروگاه دخالت دارند . برای آشنا شدن با هریک ار فاکتور های فوق در این پیشگفتار توضیحات مختصری به شرح زیر داده میشود :

الف )  جنبه های اقتصادی در انتخاب ظرفیت واحد :

علت اصلی انتخاب واحد های بزرگ مسئله اقتصادی بودن آنها می باشد . با افزایش ظرفیت نیرو گاه هزینه نسبی ساخت آن کاهش می یابد . [3]

واحد سنجش اقتصادی در مورد نیروگاه های تولید برق معمولا بر اساس دلار بر کیلووات ساعت می باشد که نسبت به ظرفیت نیروگاه بر حسب مگاوات ترسیم می گردد .

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل1-2 تغییرات هزینه نسبی ساخت بر اساس ظرفیت واحد

منحنی اول هزینه ساخت جهت گسترش واحد های موجود ومنحنی دوم هزینه ساخت جهت گسترش واحدهای موجودو منحنی سوم هزینه ساخت واحد به طور کامل نشان داده شده است .

به طور کلی طبق مطالعات انجام شده توسط EPRI و مقالات ارائه شده IEEE افزایش قیمت واحد بر حسب افزایش ظرفیت واحد مطابق رابطه زیر بیان می شود.

در این رابطه :

C(S)           قیمت نیروگاه

S               ظرفیت واحد

K               ضریب ثابت

A   ضریبی که بستگی به کیفیت مهندسی و تکنولوژی واحد فاکتور های اقتصادی هر کشور دارد .

منظور از ارائه رابطه فوق صرفا اشاره به نحوه تغییرات قیمت یک نیروگاه ( c) بر حسب ظرفیت آن می باشد.

 ب- قابلیت اطمینان در سیستم :

یکی از محدود کننده های مهم در افزایش ظرفیت واحد مسئله قابلیت اطمینان سیستم می باشد .

در اکثر موارد قبول قطع برق منطقی نیست . مثلا متوقف شدن خط تولید یک کارخانه صنعتی در اثر قطع برق ممکن است باعث خسارات و صدمات مالی بسیار زیادی گردیده و یا مواد اولیه در حال ساخته شدن به کلی از بین برود . در موارد دیگر قطع برق ممکن است حیاتی باشد مثل سیستم هوارسانی در بعضی از فعالیت های صنعتی و معدن و برق بیمارستان ها و غیره که ممکن است باعث مرگ یا صدمات جبران ناپذیری گردد .

بنا به دلائل فوق می بایست پیش بینی هایی به عمل آید تا بتوان تولید برق را بطور مداوم و در حد وسط مطلوب نگه داشت .

اکثر سیستم های برق مقداری به صورت نهان در خود موجود دارند که این مقدار را می توان با کاهش در ولتاژ تا حدی بدست اورد . شکل 1-2ایش دهنده احتمال خروج اجباری واحد ها بر حسب ظرفیت واحد خارج شده از سیستم می باشد .

با ملاحظه این شکل می توان به این نتیجه رسید که با یک واحد 300 مگاواتی احتمال از دست دادن تمام برق بسیار زیاد و با داشتن 4 واحد 75 مگاواتی احتمال از دست رفتن برق به طور فزاینده کاهش پیدا می کند .[4]

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل1-3 مکان از دست دادن برق بر اساس ظرفیت وتعداد واحدهای انتخاب شده

ج- قابلیت عملیاتی و فنی :

همانطور که قابلیت اطمینان سیستم به طور وضوح تابع ظرفیت نیروگاه میباشد ، قابلیت عملیاتی [5] و فنی نیز از نظر اصولی میبایست تابع ظرفیت نیروگاه باشد . نکته مهم اینست که در واحد های با ظرفیت بالا صرفنظر از هزینه و زمان لازم برای تعمیرات ، جایگزین برق از دست رفته می تواند بر روی قابلیت عملیاتی وقتی تاثیر داشته باشد .

هنگامی که ظرفیت واحد زیاد باشد تامین برق از دست رفته توسط نیروگاه های گازی یا بخاری بسیار مشکل تر از تامین برق از دست رفته توسط واحد های با ظرفیت کوچکتر می باشد .

د- حساسیت نسبت مسائل غیر قابل پیشگوئی و نامطمئن :

به طور کلی عوامل بسیار زیادی میتواند برنامه ساخت نیروگاه را تحت تاثیر قرار دهد . خصوصا اگر ظرفیت نیروگاه بالا باشد امکان دارد که رشد بار تغییر پیدا کند و یا مقدار سرمایه گزاری جهت ساخت تغییر نماید .

 

ه  - تامین بودجه جهت ساخت :

فاکتور بودجه و تامین ان در ساخت نیروگاه جدید با واحد های بزرگ بشدت میتواند تحت تاثیر عوامل نامعلوم و غیر قابل انتظار قرار گیرد . عواملی مانند تورم و یا نابسامانی های اقتصادی براحتی می تواند برنامه های ساخت واحد های با ظرفیت بالا را کاملا بهم ریخته و احداث نیروگاه با ظرفیت بزرگ را کاملا متوقف نماید .

و- مسائل خاص در طراحی :

مسئله اقتصادی در تعیین ظرفیت واحد نیروگاه بستگی به نوع نیروگاه نیز دارد . مثلا واحد های نیروگاه اتمی از ظرفیت بالاتری برخوردار می باشند .

در حالی که نیروگاه های زغال سنگی و سوخت فسیلی از واحد هایی با ظرفیت کوچکتری تشکیل می گردند . لازم به ذکر است که در این گزارش فقط نیروگاه های حرارتی با سوخت فسیلی مورد بررسی قرار خواهد گرفت .

ز- محل و موقعیت نیروگاه :

یکی از دیگر از پارامترهای موثر در تعیین ظرفیت نیروگاه محل و موقعیت آن می باشد که خود متاثر از عوامل زیر می باشد :

الف : منابع زیر زمین آب

ب : میزان آلودگی مجاز

لازم به ذکر می باشد که طبق روش دومی ، ارتفاع موثر دودکش از رابطه زیر به دست می اید :

که در آن :

H  ارتفاع دودکش ( متر )

A  ضریبی که به توزیع نامتعادل درجه حرارت در جو بستگی دارد .

( بدون واحد )

Q  مقدار کلی خروج عناصر الوده کننده از تمام دودکش های نیروگاه

  ( گرم در ثانیه ) .

F ضریب مربوط به سرعت نشست ناخالصی های موجود در هوا ،         

 این مقدار برای  برابر با 1 می باشد ( بدون واحد ) .

M ضریب مربوط به سرعت نشر دود ( بدون واحد ) .

ماکزیمم حد تمرکز نشست عناصر الوده کننده در سطح زمین است که به طور متوسط در 20 دقیقه اندازه گیری می شود ( میلی گرم بر متر مکعب)

N  تعداد دودکش های مشابه و هم ارتفاع .

R  مقدار کلی خروج گاز از تمامی دودکش ها ( متر مکعب در ثانیه )

T اختلاف درجه حرارت گازهای خروجی و حرارت محیط

بنابراین با افزایش تعداد واحد ها ( n ) ارتفاع دودکش نیز افزوده شده و نتیجتا در برگیرنده هزینه ساخت بیشتری می باشد

 ز- جاده ها و راه های ارتباطی :

 

 

در گزارش ، مطالعات راه ها فقط از نظر اشنایی با محدودیت های موجود درایران انجام خواهد گرفت و باید در نظر داشت که محدودیت راه ها برای هر پروژه فرق میکند و نمی توان یک قانون کلی و جامع برای محل قطعات سنگین و یا حجیم در جاده های ایران بدست اورد .

درهر پروزه بسته به محل اجرای آن می بایست بر طبق شرایط اقلیمی راه مناسب را بررسی و بر اساس امکانات موجود ظرفیت واحد را تعیین کرد . البته در این مورد باید در نظر داشت که افزایش ظرفیت واحد لزوما باعث افزایش وزن یا حجم دستگاه ها نمی گردد و معمولا وزن و حجم دستگاه ها بستگی به کشور سازنده و پیشرفته بودن تکنولوژی ساخت دارد .

ل- امکانات ساخت در داخل کشور :

مطالعه امکانات ساخت در داخل کشور و ارتباط ان با تعیین ظرفیت واحد یکی دیگر از مسائل مورد بحث دراین گزارش خواهد بود .

در ضمن باید اشاره نمود که در این گزارش امکانات عینی و همچنین امکانات بالقوه ای که در حال حاضر در کشور موجود می باشد و بعضی هنوز به طور کامل به بهره برداری نرسیده اند ، مورد ارزیابی قرار گرفته است . مسلم است که بسیاری از این گونه توانایی ها را میتوان با برنامه ریزی و مدیریت صحیح در آینده نزدیک به فعلیت در آورده و از آنان بهره جست .

م- امکانات تعمیر و بهره برداری در داخل کشور :

افزایش ظرفیت نیروگاه همراه با پیشرفت در تکنولوژی انجام میگیرد . برای دستیابی به ظرفیت های بالاتر نیاز به افزایش فشار و درجه حرارت در دیگ بخار و توربین می باشد . افزایش فشار و درجه خرارت نیاز به تکنولوژی بهتر و پیشرفته تر در ساخت ، بهره برداری و تعمیرات دارد . بنابراین هر قدر ظرفیت نیروگاه بیشتر باشد ، پیچیدگی دستگاه ها از نظر نگهداری و تعمیرات و همچنین بهره برداری بیشتر می گردد .

 

ن- مسائل شبکه :

ظرفیت نیروگاه اثر مستقیم بر روی شبکه دارد . در صورتی که ظرفیت نیروگاه طوری انتخاب گردد که با از دست دادن واحد شبکه و یا قسمتی از ان از دست برود این ظرفیت مناسب نخواهد بود . مسائل بسیار زیادی در رابطه با ظرفیت نیروگاه در ارتباط با شبکه میباشد که در متن گزارش به طور مفصل و مبسوط در باره آن بحث و نتیجه گیری خواهد شد .

 

فصل دوم:

بررسی شرایط و محدودیت های شبکه حاکم بر انتخاب ظرفیت واحد های نیروگاه ها  )پایداری شبکه )

در این بخش اثر خروج یک واحد بخاری با ظرفیت مشخص از شبکه بر روی فرکانس مورد بررسی قرار می گیرد . برای تحلیل این مسئله از مدل های کنترلی یک سیستم قدرت ساده کمک گرفته شده و شبیه سازی توسط کامپیوتر انجام گرفته است .

در حالت کلی سیستم قدرتی پایدار محسوب میگردد که پس از بروز اختلال و خطایی در آن بتواند سنکرونیزم خود را حفظ کند یا به عبارت دیگر بتواند در صورت به وجود آمدن خطا مجددا به حالت عادی باز گردد . بدیهی است سیستمی که نتواند همزمانی ( سنکرونیزم ) خود را حفظ کند ناپایدار خواهد شد .

موضوع ناپایداری در یک سیستم به هم پیوسته وابسته به عوامل مختلفی است که مهمترین آنها عبارتند از :

الف )بروز اتصال کوتاه در روی خطوط انتقال نیرو

ب)خروج اضطراری واحد ها

ج)خروج بارهای بزرگ به طور همزمان

د)اضافه بار ناگهانی

ه )اضافه بار تدریجی

موارد سوم و چهارم یعنی قطع بار و اضافه بار ناگهانی تقریبا اثری مانند مورد دوم دارند یعنی اثر این دو نوع اتفاق را می توان با خروج اضطراری اضطراری واحد ها مدل نمود . در این نوع حوادث ، تغییرات فرکانس در محدوده مجاز مشخص کننده پایدار بودن سیستم است .

پایداری با توجه به نوع و میزان اغتشاش و اخلال وارده بر سیستم به سه نوع تقسیم می گردد .

الف) پایداری حالت مانا ( ماندگار )

ب)پایداری دینامیک

ج)پایداری گذرا

مهمترین مسئله در بررسی پایداری حالت مانا تعیین بیشترین میزان تولید نیروگاه میباشد . بعبارت دیگر در این حالت که بارگزاری بر روی نیروگاه ارام و تدریجی صورت می گیرد . تعیین حد نهایی توانی که می توان از ماشین گرفت . در حقیقت همان تعیین حد پایداری سیستم است .

به طور کلی از آنجایی که پیکره یک سیتم قدرت به هم پیوسته بزرگ بواسطه ترکیب بار ها و کم و زیاد شدن آنها دائما در حال تغییر است بنابراین پایداری دینامیک همواره مطرح می باشد . تغییرات بار در سیستم و یا تغییرات فرکانس و یا سرعت واحد های بوجود آورنده نوسانات در سیستم می باشند که اگر این نواسانات دفع و یا سریع مستهلک گردند . سیستم پایداری دینامیک خود را بازیافته است . و اگر این نوسانات مستهلک نگردند و برای مدت طولانی ادامه یابند سیستم پایداری خود را از دست خواهد داد . در مطالعات پایداری دینامیک ، نحوه ارتباط مابین سیستم تحریک ، گاورنر ، توربین و سیستم الکتریکی مورد بررسی و تحلیل قرار می گیرند .

پایداری گذرا که بیشتر به حوادثی چون بروز خطا در سیستم ( اتصال کوتاه ) ، خروج واحد از شبکه و یا تغییر ناگهانی بار مربوط می شود باعث بوجود آمدن تغییرات شدیدی در سیستم می گردد که در صورت حاد بودن نوع آن ، این مسئله باعث خروج از حالت همزمانی واحد ها می گردد .

پایداری گذرا خود به دو بخش پایداری یک متغیره تقسیم می گردد . پایداری ( یک متغیره ) بر مبنای مدل یک ژنراتور واحد بدون سیستم کنترل می باشد و پریود زمانی مورد مطالعه در این بخش 1 ثانیه پس از بروز خطا می باشد . اگر در طی مدت زمان 1 ثانیه پس از خطا واحد های سیستم سنکرونیزم خود را حفظ نمایند سیستم پایدار نامیده می شود .

در پایداری چند متغیر اثر سیستم های کنترل ژنراتور نیز در نظر گرفته می شود که منطقا این موضوع بر روی مدت زمان بررسی تاثیر گذاشته و آن را افزایش می دهد و همچنین مدل ماشین نیز تغییر می کند .

در پایداری گذرا خطرناک ترین مسئله بروز اتصال کوتاه است که چنانچه سریع برطرف گردد . سیستم پایدار می ماند و در غیر اینصورت پایداری و خروج از سنکرونیزم بوجود می اید .

امروزه در تحلیل دینامیکی سیستم های قدرت ، مطالعات پایداری گذرا از اهمیت و موقعیت خاصی برخوردار می باشد . با توجه به اینکه در این بخش خروج واحد ها و بررسی اثر ظرفیت  انها در پایداری شبکه مورد نظر بوده و پایداری در اثر اتصال کوتاه مورد بحث نمیباشد .لذا در این راستا تغییرات فرکانس شبکه در اثر خروج یک واحد در طی چند ثانیه اول مورد بررسی قرار خواهد گرفت در بررسی عوامل موثر بر تغییر فرکانس . در ابتدا بایستی مهمترین مسئله یعنی اثر تغییر توان بر فرکانس را بررسی نمود .

به طور کلی در یک سیستم قدرت بهم پیوسته که از تنوع مصرف کننده ها برخوردار است همواره تامین قدرت و یا توان اکتیو و راکتیو مصرف کننده ها از اولویت بسیار بالایی برخوردار است . توان های اکتیو و راکتیو ثابت نبوده و با توجه به نوع بار در حال تغییر میباشند یا بعبارتی این توانها کم و زیاد میگردد .

تغییر و کنترل توان راکتیو توسط تحریک ژنراتورهای سنکرون یا در مدار آوردن یا خارج کردن خازن ها و راکتورها انجام می گیرد . کنترل توان راکتیو در شبکه نقش اساسی دارد چرا که تنظیم ولتاژ نقاط مختلف در شبکه به همین عامل مربوط می شود . به منظور تغییر و کنترل توان راکتیو بایستی انرژی ورودی به توربین زنراتورها را تغییر داد به عبارتی دیگر بایستی مثلا بخار وردی به توربین واحد های بخار یا میزان آب ورودی به واحد های ابی را تغییر داد . بدیهی است در زمانی که تقاضای بار بالا می رود اگر نتوان انرژی مورد نظر را تامین نمود در این صورت فرکانس افت خواهد کرد . خروج یک واحد به طور ناگهانی از مدار افت فرکانس را ایجاد می کند و در طی چند ثانیه اول فرکانس با توجه به ظرفیت واحدی که از مدار خارج شده کاهش می یابد و چنانچه واحد های دیگر در حالت بار کامل نبوده و بتوانند افت توان بوجود آمده را جبران نمایند فرکانس از حد مشخصی پایین تر نیامده و سیستم پایدار خواهد ماند و در غیر اینصورت فرکانس افت خواهد کرد  و چنانچه از حد مجاز فرکانس کار بقیه نیروگاه ها پایین تر رود باعث قطع آنها شده و سیستم بطوریکه ناپایدار شده از دست خواهد رفت .

مدلسازی :

یک شبکه به هم پیوسته قدرت شامل واحد های متعدد تولید ، خطوط انتقال ، مصرف کننده های مختلف و ... می باشد . جهت بررسی اثرات خروج یک واحد از شبکه بخصوص بررسی اثرات ظرفیت واحد ها در پایداری سیستم ، مدل کردن سیستم قدرت بصورت گسترده به همراه سیستم انتقال معمولا ضروری نمی باشد . بلکه می توان مدل را به طور خیلی ساده به صورت یک مجموعه تولید انرزی الکتریکی و یک مجموعه مصرف کننده ( بار ) در نظر گرفت .

بدهی است یک مجموعه تولید خود شامل قسمت های مختلف همانند بویلر ، توربین ، سیستم تحریک ، سیستم کنترل و ... می باشد . از اجزاء مهم این سیستم می توان به گاورنر ، توربین و ژنراتور اشاره نمود . مشخصه اصلی گاورنر سرعت عملکرد و یا ثابت زمانی آن است و در مورد توربین و ژنراتور این مشخصه علاوه بر سرعت عملکرد ( ثابت زمانی ) انرژی جنبشی ذخیره شده در آنها نیز می باشد .

با توجه به اینکه تمامی سیستم تولید به صورت یک واحد با ظرفیتی معادل ظرفیت کل شبکه در مدل در نظر گرفته می شود لزوما ارتباط ثابت زمانی گاورنر واحد تولید مدل شده با ثابت زمانی گاورنرهای مختلف متعلق به نیروگاه ها بایستی مشخص گردد . همچنین این موضوع در مورد ثابت اینرسی و ثابت زمانی توربین واحد تولید مدل شده با نیروگاه های تشکیل دهنده و به طور کلی تمام فاکتور ها و عوامل که در مدل مطرح اند بایستی در نظر گرفته شوند .

تا کنون برای مدل کردن یک مجموعه تولید و مصرف روش های مختلفی پیشنهاد شده است که در اینجا شرح مختصری آورده می شود .

سیستم کنترلی شکل 2-1 مدل یک واحد تولید متصل به بار را نشان می دهد . واحد تولید در این مدل شامل توربین ، گاورنر و ژنراتور می باشد

 

شکل 2-1 مدل یک واحد تولید متصل به بار

در این مدل پارامتر های سیستم بدینگونه تعریف می شوند :

 

 تغییر توان ورودی

  تغییر بار مصرفی

ضریب تقویت گاورنر

  ثابت زمانی گاورنر

 ضریب تقویت توربین

Ttثابت زمانی توربین

H ثابت اینرسی

M ممان اینرسی

D ضریب میرایی

T  ضریب سختی

 تغییر زاویه الکتریکی ژنراتور

 تغییر سرعت زاویه ای

R   تغییرات سرعت زاویه ای بر تغییرات بار

 

در ضمن :

با توجه به تعریف Droop خواهیم داشت :

Droop =

در مدل شکل2-1 تغییرات توان ها بر حسب واحد منظور می گردند . لذا :

 

 

با توجه به رابطه  داریم :

همانطور که مشاهده می گردد در این مدل ساده اثر تنظیم کننده ولتاژ ( AVR ) منظور نگردیده است . معمولا فرضیات ساده کننده زیر در مورد این مدل در نظر گرفته‌می شود .

< >توربین ساده و دارای یک ثابت زمانی ( یک مرحله ای ) است . مقدار Kg*Kt=1 در نظر گرفته می شود . ضرایب t,d صفر و یا حدود صفر می باشد . سیستم کنترلی شکل2-2 مدل دیگری از یک واحد تولیدی و بار خروجی را نشان می دهد .

 

 

شکل 2-2مدل دیگری از یک واحد تولیدی و بار خروجی آن

در این مدل گاورنر و توربین شبیه به مدل معرفی شده قبلی می باشد اما مدل ژنراتور و سیستم قدرت تغییرات کوچکی پیدا کرده است . همچنین خروجی در این سیستم کنترل  یعنی تغییر فرکانس است . حال آنکه در سیستم کنترلی قبل خروجی  بود که البته از مدل قبل نیز می توان  را استخراج نمود در این مدل پارامترهای مشابه با پارامترهای سیستم قبل دارای تعریف یکسانی می باشند . پارامترهای جدید نیز بدینگونه معرفی می گردند .

Kp – ضریب تقویت ژنراتور و سیستم قدرت ( سیستم الکتریکی )

Tp – ثابت زمانی ژنراتور و سیستم قدرت ( سیستم الکتریکی )

 - تغییرات فرکانس بر تغییرات بار

در اینجا نیز مانند مدل قبلی منظور از ژنراتور و سیستم قدرت ، سیستمی شامل تولید و مصرف قدرت الکتریکی می باشد . همچنین در این مدل نیز Kg*Kt=1 در نظر گرفته می شود .

همانند مدل قبلی رابطه بین  و Droop عبارت است از :

مدل شکل شماره2-2 مدل دیگری از یک واحد تولیدی و بار خروجی را نشان می دهد .

 

 در حقیقت مدل ساده شده سیستم شکل شماره2-1 است . این مطلب را با توجه به بلوک دیاگرام این دو سیستم می توان توضیح داد . بدین منظور یک بار دیگر مدل ژنراتور و سیستم قدرت و خروجی شکل شماره2-1 را در نظر می گیریم .

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل شماره2-3 بخش خروجی و سیستم الکتریکی مدل اول

 

مطابق با شکل شماره2-3 بخش خروجی و سیستم الکتریکی مدل اول

مطابق با شکل شماره2-3 نسبت خروجی به ورودی و

 نسبت خروجی به ورودی و دیاگرام فوق به شرح زیر است :

با توجه به اینکه F(S)      W(S)=2 می باشد لذا :

 

با در نظر گرفتن T=0 داریم :

 

با در نظر گرفتن :

=Tp

 

شکل شماره2 -3ورت شکل شماره2-4 در خواهد آمد:

(شکل در فایل اصلی موجود است)

 

شکلشماره2-4مدل ساده شده ژنراتور سیستم قدرت

مدل شکل فوق مطابق با شکل شماره2-1می باشد .

البته R ،  در دو سیستم یکی نیستند . چراکه خروجی در سیستم اول  و در سیستم 2  می باشد و از آنجایی که  لذا  با بر رسی دو مدل ارائه شده مشاهده می گردد که هر دو سیستم دارای دو ورودی و یک خروجی می باشند . ورودی ها عبارتند از :

الف )‌تغییر قدرت تولیدی  که در نیروگاه این عمل توسط تغییر دهنده ، سرعت ( Speed- charger ) انجام میگیرد .

ب)تغییر بار مصرفی  

خروجی ها در  مدل اول تغییر سرعت زاویه ای و در مدل دوم تغییر فرکانس میباشد .

در مدل های فوق می توان کل سیستم تولید را همانند یک واحد در نظر گرفت و خروج واحد های حقیقی از سیستم که در حقیقت نوعی عدم تعادل در سیستم تولید و مصرف بوجود می آورد را با تغییر بار شبیه سازی نمود که در هر دو مدل با  نشان داده شده است .

به منظور کامل کردن دو مدل پیشنهاد شده بایستی یک نکته را در نظر گرفت و آن اینکه هنگام خروج ناگهانی یک واحد که منجر به تغییر فرکانس سیستم می گردد ، بار سیستم نیز در اثر تغییرات فرکانس شبکه دستخوش تغییرات می گردد . تغییرات توضیح داده شده را به صورت شکل1-5 در سیستم می توان منظور نمود .

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 2 –5اثر تغییر فرکانس در بار مصرفی

نرخ تغییرات بار نسبت به فرکانس تقریبا برای یک شبکه مشخص ثابت می باشد . ضریبی به نام d با تعریف زیر این نسبت را مشخص می کند .

ضریب d با توجه به نوع بار ها و ترکیب های مختلف مصارف صنعتی ، تجاری و خانگی  ، معمولا در محدوده 7-5/0 تغییر می کند . یک مقدار معمول برای d عدد 2 است .

D=2 به این معنی است که برای یک درصد تغییرات فرکانس مقدار بار مصرفی 2 درصد خواهد کرد .

در بررسی اثر ظرفیت واحد ها در پایداری سیستم برق ایران از مدل شکل شماره 2-1 استفاده شده است که به این مدل بایستی اثر تغییرات بار در اثر تغییر فرکانس اضافه گردد . شکل شماره2-6 مدل اصلاح شده را نشان می دهد .

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 2-6 مدل اصلاح شده شکل2-1

بر اساس مدل فوق برنامه کامپیوتری تهیه شده است توسط این نرم افزار می توان اثر تغییرات پارامترهای مختلف در سیستم از جمله خروج مقداری از ظرفیت تولید و یا به عبارت دیگر خروج 1 یا 2 واحد از مجموعه تولید در سیستم برق را بررسی و در نتیجه افت فرکانس ناشی از آن را بدست آورد .

وضعیت نیروگاه های موجود و بار مصرفی سیستم

ظرفیت نصب شده ( ظرفیت موجود ) در سال 1372 در شبکه سراسری به هم پیوسته ایران مطابق با جدول شماره1-1 می باشد .

همانطور که مشاهده می گردد مجموعه ظرفیت نصب شده واحد های بخاری 5/8168 مگاوات . واحد های گازی 5/3581 مگاوات و واحد های آبی 1915 مگاوات می باشد . که کل ظرفیت نصب شده با توجه به در نظر گرفتن واحد های دیزلی 14175 مگاوات می باشد .

در همین سال بار پیک شبکه سراسری 12358 مگاوات پیش بینی شده است .

وضعیت شبکه سراسری در چند سال آینده

مطابق با برنامه توسعه و ساخت نیروگاه های جدید ظرفیت های در حال ساخت که تا 1375 به بهره برداری می رسد در جدول2-1 مندرج می باشد:

(جدولدر فایل اصلی موجود است)

جدول2-1 : مجموعه ظرفیت نیروگاه های در حال ساخت بر حسب مگاوات متناسب با زمان بهره برداری

همانطور که دیده می شود . بر اساس این آمار ها تا پایان سال 1375 میزان ظرفیت نسب شده شبکه سراسری به 23316 مگاوات خواهد رسید .

با توجه به آن که معمولا 20 تا 30 درصد ظرفیت نصب شده به دلایل مختلف از جمله تعمیرات دوره ای ، تعمیرات اضطراری ، عدم امکان گرفتن بار کامل از هر واحد و ... نمیتواند مورد بهره برداری قرار گیرد لذا تولید عملی در سال 1375 تقریبا برابر  17500 = 17487 = 23316 x 75% مگاوات میباشد .

پیک بار سال 1372 برابر 12358 مگاوات پیش بینی شده است . با توجه به نرخ رشد 8-7 درصد بار در هر سال مقدار پیش بینی شده در سالهای اتی مطابق جدول 2-2 خواهد بود .

 

نیروگاه های موجود شبکه سراسری ایران

(جدول در فایل اصلی موجود است)

جدول 2-2 پیش بینی بار براساس رشد 5/7 درصد در هر سال

 

 

بر پایه این آمار ها توان قابل تولید در سال 1375 حدود 17500 مگاوات خواهد شد لذا چنین استنباط می شود که اگر باروال پیش بینی شده نیروگاه ها مورد بهره برداری قرار گیرد . کمبود برق در سال حتی در ساعات پیک مصرف نیز وجود نخواهد داشت ولی بایستی بررسی نمود که پس از این سال اولین واحد های بخاری که می توانند در مدار قرار گیرند با توجه به خصوصیات شبکه چه ظرفیتی می توانند داشته باشند .

تعیین ظرفیت واحد جدید و اثر ان در پایداری شبکه

به منظور بررسی اثرات ظرفیت واحد اضافه شده در پایداری شبکه فرض می شود که یک مجموعه تولیدی با ظرفیت 17500 مگاوات موجود می باشد . بدیهی است که این واحد توانایی تولید انرژی مصرفی مصرف کننده ها را حتی در ساعات پیک بار که در این سال حدود 15300 مگاوات می باشد را داراست . اکنون اگر یک واحد x مگاواتی به سیستم اضافه گردد ، توان قابل تولید مجموعه گفته شده به X + 17500 خواهد رسید و چنانچه فرض شود که تقاضای بار نیز متناسب با واحد تولید X مگاوات بالا رود بالطبع بار کل سیستم به مقدار X +15300 مگاوات خواهد رسید .

حال این سوال مطرح است که با این مدلسازی و با این فرضیات اگر از این سیستم جدید که بار X +15300 مگاوات را در ساعات پیک بار تغذیه می کند . یک واحد X مگاواتی از مدار خارج گردد چه وضعیتی برای پایداری شبکه بوجود می اید و خصوصا اینکه فرکانس شبکه تا چه حد افت می کند ؟

بنابراین با توجه به ظرفیت X مگاواتی و حد مجاز افت فرکانس . بالاترین میزان (حد) ظرفیت X میتواند مشخص گردد .

معمولا در سیستم حد افت فرکانس طوری تعیین می گردد که با خروج یک واحد هیچگونه خاموشی بوجود نیامده و رله های افت فرکانسی عمل نکند . برای شبکه 50 هرتز ایران ، ماکزیمم میزان افت فرکانس 0.8 هرتز در نظر گرفته می شود . یعنی به عنوان نمونه اگر در اثر خروج واحد X مگاواتی افت فرکانس بعدی باشد که فرکانس کل شبکه به هیچ وجه به زیر 2/49 هرتز نرسد ظرفیت X مگاوات بدون هیچ مزاحمتی می تواند در شبکه اینده نصب گردد . البته این بررسی علاوه بر حالت بار کل 1001 درصد بار پیک بایستی برای حالت های بار متوسط 501 درصد بار پیک و بار کم 351 درصد بار پیک نیز انجام می شود که شامل تمام زمان های بهره برداری از سیستم گردد . و نهایتا این که ظرفیت X مگاوات می تواند به عنوان مثال از 250 مگاوات شروع شده و تا حدی اضافه شود که شرط اصلی ( نرسیدن فرکانس به زیر 2/49 هرتز در هر زمان ) حفظ گردد .

تعیین پارامترهای سیستم :

به منظور کار با نرم افزار تهیه شده و گرفتن نتایج و تحلیل روی آن سنکسری داده ها مورد نیاز است که عبارتند از :

Tg , Tt , R , M , D , T , d , Pd

داده های فوق به شکل معادل شبیه سازی شده مربوط می گردد . به منظور بررسی ظرفیت پیشنهادی برای شبکه در چند سال اینده بایستی به هر کدام از پارامترهای عدد موجه و قابل قبولی تخصیص داده به طوری که این اعداد معین شبکه معادلی گردند که خیلی نزدیک به شبکه واقعی در چند سال اینده باشند .

در مورد هر پارامتر چنین عمل شده است .

الف )همانطور که قبلا گفته شد . ضرایب D  ضریب میرایی و T ضریب منحنی عموما صفر در نظر گرفته می شوند .

ب‌)‌ می باشد و برابر 50 هرتز و H ثابت اینرسی سیستم معادل با توجه به سیستم مورد بررسی که خود از چندین نیروگاه تشکیل شده عبارت است از:

در سیستم قدرت موجود ایران 4

ج) Droop یا درصد فرکانس به درصد تغییرات بار :   برای بیشتر واحد های عملی بین 4 الی 6 درصد می باشد که در این بررسی مقدار دروپ برای و به ترتیب 4 درصد و 6 درصد در نظر گرفته شده است .

د) چون پارامترهای واقعی Tt ,Tg , حتی از نیروگاه های موجود در دست نیست . لذا از این اعداد محدوده معلوم که برای توربین ها گاورنر توسط سازندگان پیشنهاد شده است استفاده می گردد .

اکثر مراجع برای ثابت های زمانی گاورنر و توربین محدوده زیر را پیشنهاد می کنند ( اعداد بر حسب ثانیه می باشند ) .

0/2

0/1

در این بررسی متوسط آنها برای این دو پارامتر یعنی Tt=1/1 و Tg=0/3 در نظر گرفته می شوند .

 

 

و) در شبیه سازی انجام شده به علت انکه خروج یک واحد از کل سیستم و مدل انجام شده مطابقت ندارد لذا خروج این واحد بصورت تغییر بار که در حقیقت هماهنگی و تعادل تولید و مصرف را بر هم می زند مدل شده و بنا براین پارامتر  که در مدل کنترلی معرف تغییر بار می باشد ، در این جا بصورت واحد از شبکه استفاده می گردد .

ز) در بررسی انجام شده از ظرفیت های استاندارد IEC 34-3 برای ظرفیت X استفاده شده است . این استاندارد شامل ظرفیت های 250 – 320 – 400 – 500 – 630 – و 800 مگاوات می باشد .

بررسی نمودار ها

قبل از بررسی نمودار ها ذکر چند نکته در مورد خطاهای وارده در این بررسی ضروری است .

الف - تقریبی بودن داده های مورد نیاز برای استفاده از نرم افزار نوشته شده .

ب - مدل سازی کل شبکه با یک سیستم یک ماشینه .

ج - تقریب زدن خروج یک واحد از شبکه با تغییر بار در یک سیستم یک ماشینه همانطور که گفته شد ، بررسی سه حالت بار 100% ( بار پیک ) ، 50 در صد بار پیک و 35% بار پیک منجر می گردد و ظرفیت ها نیز بر طبق ظرفیت های استاندارد IEC انتخاب گردیده اند .

در بررسی هر حالت ( 100 درصد  ، 50 % و 35 % بار پیک ) در ابتدا از بالاترین ظرفیت استفاده شده است و در صورت مناسب نبودن با شرایط ( که در حقیقت پایین نیامدن فرکانس از مقدار 2/49 هرتز در هر زمان می باشد ) از اولین ظرفیت کمتر از ظرفیت فعلی برابر استاندارد IEC 34-3 استفاده شده است .

نمودار شماره2-1 نشان دهنده تغییرات فرکانس در شبکه در بار کل ( X + 15300 ) به ازاء خروج یک واحد X = 800 مگاوات می باشد . مطابق با نتایج این نمودار فرکانس در هیچ زمانی به کمتر از حدود 72/49 هرتز نمی رسد . از آنجایی که X=800 مگاوات بزرگترین ظرفیت ( بر طبق استاندارد IEC 34-3 ) می باشد و خروج این واحد از شبکه در زمان پیک بار فرکانس را به کمتر از 2/49 هر تز سوق نمی دهد لذا بررسی در همین مرحله متوقف می گردد . دو واحد هایی با ظرفیت کمتر بررسی نمیگردد چرا که واحد های کوچکتر مسلما افت فرکانس کمتری نسبت به حالت بزرگترین واحد ایجاد می کند .

(نمودار در فایل اصلی موجود است)

نمودار2-1

به علت دقیق نبودن اعداد و داده ها ، حالت فوق برای زمانی که H=5  در نظر گرفته می شود بررسی می گردد که نمودار و نتایج آن در نمودار 2-2 منعکس است.

(نمودار در فایل اصلی موجود است)

نمودار 2-2

همانطور که دیده می شود ، افت فرکانس کمتر و همچنین نوسانات کمتر فرکانس در نمودار 2-2 نشانه پایدار تر بودن سیستم نسبت به شرایط سیستم در H=4 می باشد .

نمودارهای2-3  و 2-4 عینا دارای شرایط نمودار های 2-1 و 2-2 می باشند . با این تفاوت که مقدار دروپ در این دو مورد 6 درصد در نظر گرفته شده است . در این دو حالت فرکانس افت بیشتری نسبت به دو حالت قبل پیدا می کند ولی در هیچ زمان به زیر مقدار 2/49 هرتز نمی رسند .

(نمودار در فایل اصلی موجود است)

نمودار 2-3

نمودار2-4

جدول2-3 نتایج بررسی در این حالت را نشان می دهد .

(جدول  در فایل اصلی موجود است)

جدول 2-3

نمودار 2-5 نمایانگر تغییرات فرکانس در شبکه در بار 50 درصد پیک ( X + 7650 ) به ازای خروج یک واحد X = 800 مگاوات می باشد . فرکانس در این مرحله در کمترین حد خود به 44/49 هرتز می رسد و بنابه دلایل گفته شده بررسی در این مرحله متوقف می گردد و نیازی به بررسی واحد های کوچکتر نمی باشد .

(نمودار در فایل اصلی موجود است)

نمودار 2-5

همچنین نمودار2-6 تغییرات فرکانس تحت شرایطی مشابه و تنها با تفاوت H = 5 نسبت به حالت قبل را نشان می دهد.

(نمودار در فایل اصلی موجود است)

نمودار 2-6

همانند قبل به منظور تکمیل بررسی و اثر تغییر پارامترهای دیگر ، دو حالت مشابه با دو حالت قبل و تنها با تفاوت Droop=6% در نظر گرفته شده که منحنی تغییرات فرکانس این دو حالت در نمودار های 2-7و2-8 می باشد .

(نمودار در فایل اصلی موجود است)

نمودار 2-7

نمودار2-8

(شکل در فایل اصلی موجود است)

جدول2-4 نتایج بررسی در این حالت را نشان می دهد .

جدول 2-4 (جدول در فایل اصلی موجود است)

نمودار های 2-9 و 2-10 منحنی تغییرات فرکانس در بار 35% پیک را زمانیکه x= 800 مگاوات و 5 و H =4 و Droop=4% می باشند را نشان می دهد . در هر دو حالت فرکانس خیلی نزدیک به حد مجاز می باشد .

 

(نمودار در فایل اصلی موجود است)

نمودار 2-9

نمودار 2-10

افت فرکانس در نمودار های2-11 و2-12 که Droop=6% در نظر گرفته می شود شدت بیشتری می یابد و به زیر 2/49 هرتز می رسد بنابراین ادامه بررسی و تحلیل اثر x= 630 مگاوات اختصاص می یابد .

(نمودار و جداول  در فایل اصلی موجود است)

نمودار 2-11

نمودار 2-12

جدول2-5 نتایج بررسی این حالت را نشان می دهد.

جدول 2-5

نمودار های 2-13 و 2-14 شرایط بار 35 % پیک و x = 630 مگاوات را به ترتیب برای دو حالت 5 و H = 4 با مقدار Droop = 4% نشان می دهد . در هر دو حالت فرکانس به شرایط خروج واحد x = 800 بهبود می یابد و به بالاتر از حد مجاز می رسد .

(نمودار در فایل اصلی موجود است)

نمودار 2-13

نمودار 2-14

در همین شرایط زمانی که DROOP = 6% در نظر گرفته شود ( نمودار های 2-15 و 2-16) بار فرکانس به زیر حد 2/49 هرتز افت نمیکند که البته این دو حالت در این مرحله بدترین شرایط می باشند .

نمودار 2-15(نمودار و جدول در فایل اصلی موجود است)

نمودار 2-16

جدول2 -6 نتایج بررسی این حالت را نشان می دهد :

جدول 2-6

                                   

فصل سوم

بررسی پارامترهای موثر در تعیین ظرفیت

قابلیت اطمینان یکی از ملاک ها و معیار های مهمی است که در انتخاب ظرفیت واحد های نیروگاهی برای تامین بار آتی یک سیستم تولید مورد توجه قرار می گیرد . در این پروژه بر آنیم تا با بررسی قابلیت اطمینان سیستم موجود و نقش ظرفیت واحد های بخار قابل نصب در دو سال آینده بر روی قابلیت اعتماد سیستم و تغذیه مطمئن تر مشترکین به انتخاب ظرفیت بهینه ای بر اساس بهبود قابلیت اعتماد برای واحد های آینده بپردازیم .

در این راستا ابتدا سیستم تولید موجود و سپس سیستم تولید آینده با در نظر گرفتن واحد های در حال نصب و واحد های فرضی پیش بینی شده مورد مطالعه قرار می گیرند . این مطالعات برای فواصل زمانی پنجساله و با توجه به منحنی های بار سالیانه و نرخ رشد بار سیستم در مدت زمان مورد نظر انجام می شود . بر اساس نتایج بدست آمده ، نقش ظرفیت های مختلف واحد های بخاری جدید بر روی قابلیت اطمینان سیستم مشخص شده و پس از مقایسه نتایج میتوان ظرفیت بهینه ای را از نقطه نظر اعتماد بیشتر انتخاب و پیشنهاد نمود .

در این مطالعه ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم تولید به روش فقدان بار ( Loss of load method )  انجام می شود و شاخص هایی نظیر LOLP احتمال از دست دادن بار LOLE  ، تعداد روزهایی از پریود مورد مطالعه که انتظار ازدست دادن بار وجود دارد ، و ELL ، میزان بار از دست رفته مورد انتظار برای سیستم در دوره زمانی مورد نظر ارائه شده که ملاک و مقایسه طرح های مختلف سیستم با واحد های بخاری جدید و با ظرفیت های مختلف قرار می گیرند .

مراحل انجام مطالعات به شرح زیر می باشد :

الف ) جمع آوری و تخمین اطلاعات لازم برای محاسبات قابلیت اطمینان سیستم شامل اطلاعات واحد ها و اطلاعات بار .

 

Abstract

Modified Station capacity definition is done by different factors it means that we can define some of these factors as mathematical variables. And show the effects by formulas and curves, such as the station price, fuel, services etc.

The bigger the station, the wider use. The frequency shortage will reduce due to unit exit and the network will be stable. By choosing the unit capacities more little, if the saving capacity is unique, the accuracy abilities of the system rise. The capacity reduction and so the unit number increment causes probability of system capacity exit.

The main disadvantage of bigger units is the forcing exit rate of them that has a big effect on accuracy of the system

The cost increment for improving the accuracy is meaningful if the increment is used for improvement of accuracy more than the commercial profit.

The big and high equipments are turbines, transformers, generator rotor and stator, if the 3phase transformers are too big, we can use 3 one phase transformers that in this case the transformer weight is reduced to half. The rotor and stator weight is fully related to technology and the production method.