تحقیق مقاله توسعه صنعت برق

توسعه صنعت برق

مقدمه:

توسعه صنعت برق به عنوان یک عامل زیربنائی در پیشرفت کشور از ویژگی های خاصی برخوردار است که آن را از سایر خدمات زیر بنائی مجزا می نماید. صنعت بطور جداناپذیری از نظر مقدار تولید به مصرف کنندگان خود وابسته است. تولید آن به روشهای عمومی قابل ذخیره سازی نیست همچنین مقدار مصرف دارای تغییرات وسیع شبانه روزی، هفتگی و فصلی می باشد. جهت انتقال انرژی از ساعتهای کم مصرف به ساعتهای پر مصرف نیروگاههای تلمبه ذخیره ای با تلمبه کردن مقداری آب از یک مخزن تحتانی به یک فوقانی انجام می شود که در نتیجه آن مازاد نیروی برق قابل تولید و غیر قابل مصرف شبکه تبدیل به انرژی پتانسیل می گردد( بصورت ذخیره آب در یک مخزن در ارتقاع بالاتر) در ساعاتی که نیاز به مصرف بیش از ظرفیت تولید می باشد آب ذخیره شده درمخزن بالائی توربین نیروگاه تلمبه ذخیره ای را مانند نیروگاههای آبی معمولی به گردش درآورده و تولید برق می نماید. با این کار در حقیقت آب ذخیره شده بصورت انرژی پتانسیل تبدیل به انرژی الکتریکی می گردد. برق مورد نیاز جهت تلمبه در این نیروگاه باید توسط نیروگاههای بار پایه تامین گردد. بنابراین می توان گفت که نیروگاه تلمبه دخیره ای نیروگاهی است، که برق پایه تولید شده مازاد توسط نیروگاههای پایه رامی توان توسط نیروگاه تلمبه از بار پایه روزانه بیشتر است، برق پایه را می توان توسط نیروگاه تلمبه ذخیره ای نموده و به برق پیک تبدیل کرد. امروزه در صنعت برق طراحی و بهره برداری بهینه و موثر اقتصادی همواره مورد نظر بوده و در توسعه و بهره برداری از صنعت برق، توزیع اقتصادی بار بین نیروگاههای سوخت فسیلی و حداقل کردن هزینه بهره برداری، داقل کردن آلودگی و حتی المقدور حفظ منابع سوختنی از اهداف اصلی به شار می آیندکه یکی از مسائل مورد توجه در توزیع اقتصادی بار، هماهنگی بین نیروگاههای حرارتی، آبی و نیروگاههای آبی تلمبه ذخیره ای است. لذا در این مقاله عرضه و تقاضای انرژی در ایران را در سالهای گذشته بررسی کرده و سپس این عرضه را برای سالهای آینده پیش بینی و جایگاه نیروگاه تلمبه ذخیره ای را در سیستم عرضه و تقاضای انرژی در ایران مشخص می نماییم.

معرفی نیروگاه تلمبه ذخیره ای:

ازمناسب ترین انتخاب ها جهت تنظیم بار شبکه برق بکار می روند. در نیروگاه های تلمبه- ذخیره ای بعنوان یکی کننده مقادیر مصرف انرژی برق مصرف موجود دارد که مناسب ترین گزینه برای آن نیروگاههای تلمبه- ذخیره ای می بایستی راهکاری انتخاب کرد که مولدهای انرژی توانایی در ساعتهای مختلف شبانه روز متفاوت است بنانبراین اوقات پربار و کم بار مصرف داشته باشند. تنها پاسخ، انتقال مقادیری از انرژی اضافه پاسخگویی میزان مصرف را در آب ذخیره شده از سد تولید شده در زمان مصرف انرزی کم به زمانهای اوج مصرف است که این کار از طریق پمپاژ تراز بالاتر واقع شده میسر است. در این روش پائین دست که در مخزن سد انرژی برق اضافی و غیر قابل مصرف در شبکه گردد. در طول ساعات روز زمانی که نیاز بسیار بیشتر از توان تولیدی نیروگاههای بالادست ذخیره می گرفته می شوند و با رهاسازی آب است توربینهای نیروگاه تلمبه- ذخیره ای مانند نیروگاههای معمول برق- آبی بکار پتانسیل ذخیره شده را تبدیل به انرژی الکتریکی می نمایند. در عمل ذخیره شده در مخزن واقع در تراز بالاتر، انرژی نیروگاه تلمبه- ذخیره ای مانند نیروگاههای معمول برق-آبی بکار پتانسیل ذخیره شده را تبدیل به انرژی الکتریکی می نمایند. در عمل ذخیره شده در مخزن واقع در تراز بالاتر، انرژی نیروگاه تلمبه-ذخیره ای نامیده می شود چنین سیستمی

1- تاریخچه نیروگاه تلمبه ذخیره ای

بشر از زمانهای بسیار دور به انرژی آب پی برده بود. آسیابهای آبی که هزاران سال قبل معمول بود گویای این امر می باشد. اما اولین نیروگاه برق آبی با قابلیت تلمبه ذخیره ای در سال 1882 در زوریخ سوئیس شروع به فعالیت نمود، پس از آن در سال 1909 نیروگاه تلمبه ذخیره ای دیگری در اسکاف هوسن کشور مذکور راه اندازی شد که هنوز هم مورد استفاده قرار می گیرد. در انگلستان اولین نیروگاه تلمبه ذخیره ای در سال 1920 در والکربورن نصب و راه اندازی شد. بنا به گفته فریمن تا سال 1925 حدود 35 نیروگاه تلمبه ذخیره ای کوچک در کشورهای مختلف اروپا مشغول به فعالیت بوده اند. در همان زمان فرضیه ساخت توربین- تلمبه معکوس ارائه و در سال 1931 اولین توربین تلمبه معکوس در شهر بالدنییسی آلمان نصب گردید.

جنگ جهانی دوم باعث یک انفجار اقتصادی در سر تا سر جهان شد. این موضوع باعث افزایش تقاضا گردیده و در طی آن شبکههای انتقال انرژی توسعه یافتند توسعه شبکه های مذکور نیاز بهنیروگاههای پیک را آشکارتر کرد. بنابراین نیروگاه تلمبه ذخیره ای بعنوان یکی از اجزاء لازم در سیستم تولید انرژی شناخته شد. در سال 1955 اولین واحد تلمبه- توربین از نوع فرانسیس توسط سازمان تنسی والی در ایالت متحده نصب گردید. در سال 1962 اجرای پروژه های تلمبه ذخیره ای 360 مگاواتی فستینیوگ در انگلستان و پروویندانز با ارتفاع 284 متر در ایتالیا نقطه عطفی در پیشرفت نیروگاههای مذکور ایجاد نمودند. پس از آن در سال 1963 ایالت متحده دو واحد 230 مگاواتی با هد 250 متر بر روی سد تام ساک راه اندازی کرد تا اواسط دهه هفتاد نیروگاه اهیرا واقع در ژاپن با هد 513 متر و نیروگاه لادینگتون در ایالت متحده به ترتیب دارای بالاترین هد و بیشترین ظرفیت تولید بودند اما امروزه طرح پلاسل رادولو ایتالیا با هد 1260 متر و نیروگاه لیستون در ایالت متحده با ظرفیت تولید 2880 مگاوات به ترتیب دارای بیشترین هد و ظرفیت تولید می باشند. روند توسعه نیروگاههای تلمبه ذخیره ای ادامه یافت تا اینکه در پایان سال 1990 بیش از 300 نیروگاه از نوع مذکور در دست ساخت یا بهره برداری بوده است و این نشانه نقش موثر نیروگاه تلمبه ذخیره ای درخدمات تولید برق می باشد.

بزرگترین طرحهای تلمبه ذخیره ای مربوط به کشورهای صنعتی می باشد، کشورهای ژاپن، آمریکا و روسیه پیشرفت های قابل ملاحظه ای در این زمینه داشته اند. ژاپن بیش از 40 طرح با ظرفیت تولید 16 گیگاوات دارد که در آینده نزدرک با طرحهای در دست اجرا این ظرفیت تولید به 50 گیگاوات خواهد رسید. پتانسیل یابی انجام شده در ژاپن بیانگر 440 نقطه مناسب جهت اجرای طرحهای تلمبه ذخیره ای با توانایی

ذخیره 324 گیگاوات می باشد. آمریکا از جمله کشورهای است که سرمایه گذاری زیادی در زمینه نیروگاه تلمبه ذخیره ای کرده است. این کشور در پایان سال 1971 دارای 15 طرح تلمبه ذخیره ای با ظرفیت تولید 765/3 گیگاوات بوده است. هم اکنون ظرفیت تولید در آمریکا بیش از 17 گیگاوات و در روسیه بیش از 11 گیگاوات می باشد.

2- وضعیت توسعه و خروج از مدار نیروگاهها

جهت تعیین نیروگاهی کشور حداکثر بار سالیانه شبکه مد نظر قرار گرفته و بر اساس آن حداکثر ظرفیت نیروگاهی برای سالهای آینده پیش بینی می گردد. ( 1) ترکیب نیروگاهی کشور را در پیک سال 1381 و 1390 نشان می دهد. نرخ خروج از مدار اضطراری و متوسط سالیانه زمان تعمیرات نیروگاهها در ( 2) آمده است.

با توجه به بررسی انجام شده بر روی نیروگاههای مذکور و خرو از مدار اضطراری و درصد تعمیرات نیروگاهها و همچنین با توجه به کمتر بودن قدرت عملی از قدرت اسمی نیروگاهها، درصد خروج از مدار نیروگاهها در تحقیق حاضر 30 درصد منظور شد(  2).

3- بار شبکه و منحنی های بار:

هر شبکه قدرت دارای بارهای مختلفی از قبیل بارهای روشنایی، صنعتی، خانگی، شهری، کشاورزی و... می باشد. نحوه تغییرات تقاضای بار برای یک دوره 24 ساعته( در یک روز) به منحنی زمانی بار روزانه معروف است. منحنی بار هر شبکه ای می تواند بصورت روزانه، هفتگی، ماهانه و یا سالانه بدست آید. هر نوع از این منحنی ها برای مطالعات خاصی مفید هستند. بعنوان مثال، منحنی بار روزانه برای تصمیم گیری کوتاه مدت، و منحنی های بار سالیانه برای تصمیم گیری های درازمدت به کار می رود. از آنجایی که نیروگاه تلمبه ذخیره ای معمولا دارای شبکه بصورت روزانه برای آینده جهت این مطالعه لازم و ضروری می باشد. جهت پیش بینی و برآورد منحنی های بار روزانه برای آینده منحنی های بار شبکه در گذشته به دقت مورد بررسی قرار گرفت و پس از آن با تهیه یک برنامه کامپیوتری( تهیه شده توسط نگارنده به زبان ویژوال بیسیک)، منحنی های بار برای سال 90 پیش بینی گردید. نحوه پیش بینی در ادامه ذکر خواهد شد.

4- بررسی منحنی های بار در گذشته:

منحنی های بار روزانه شبکه سراسری از سال 73 تا 79 مورد بررسی قرار گرفت. پس از بررسی منحنی های بار نتایج بدست آمد:‌

1- در تمام روز سال منحنی های بار شبکه دارای دو پیک می باشد که بار پیک اول کمتر از بار پیک دوم می باشد.

2- در فصول بهار و تابستان پیک اول در ساعت 14 و در فصول پاییز و زمستان در ساعت 10 اتفاق می افتد.

3- در فصول بهار و تابستان پیک دوم بین ساعات 21 تا 22 و در فصول زمستان و پاییز بین ساعات 19 تا 20 اتفاق می افتد.

4- بار مینیمم شبکه 2 تا 5 صبح اتفاق می افتد.

تغییرات بار پایه و پیک در طول سالهای گذشته نیز مورد بررسی قرار گرفت و مشخص شد که بار پایه و بار پیک در فصل تابستان نسبت به فصل های دیگر مقادیر بالاتری دارد که البته افزایش بار پیک در تابستان ناشی از افزایش بار پایه است. نمودار( 1) تغییرات بار پایه را و نمودار( 2) تغییرات بار پیک را در طول سالهای مختلف نشان می دهد. در همین راستا تغییرات بار پایه در خوزستان مورد بررسی قرار گفت و همانطور که در نمودار( 3) پیداست می توان چنین برداشت نمود که کشور ایران به دلیل داشتن هوای گرم و خشک در فصل تابستان دارای بار پایه بالاتری می باشد. همین موضوع کارکرد نیروگاه تلمبه ذخیره ای را شدیداً تحت تاثیر قرار می دهد. زیرا با توجه به نرخ خروجی ای اضطرارای جهت انجام عملیات تلمبه در فصل تابستان نیاز به ظرفیت بالایی از نیروگاه پایه میباشد از طرفی ایجاد نیروگاه پایه به میزان بالا باعث خروج ظرفیت مازاد این نیروگاهها در فصول دیگر می گردد و بنابراین جهت مطالعه نیروگاه تلمبه ذخیره ای توجه به این مورد ضروری و لازم می باشد.

همانطور که در نمودار( 4) دیده می شود اختلاف بار پایه و پیک در طول سال تقریبا ثابت می ماند و این نشان می دهد که بارهایی که باعث ایجاد بار پیک در شبکه می گردند در طول یک سال تغییر زیادی ندارند و بنابراین تغییرات بار پیک شبکه در طول یکسال ناشی از تغییرات بار پایه می باشد.

5- پیش بینی و سنتز منحنی های بار برای آینده:

جهت سنتز منحنی های بار برای آینده ابتدا حداکثر بار سالیانه تا سال 1405 که توسط شرکت توانیر محاسبه شد بود، اخذ گردید. ( 3)، برآورد حداکثر بار سالیانه مذکور را به تفکیک برای استانهای مختلف نشان می دهد. سپس با توجه به روند تغییرات بار پایه و پیک سالیانه در سالهای گذشته بار پایه سالیانه برای سالهای آینده( تا سال 1405) پیش بینی گردید. حال نظر به اینکه بار روزانه دو روز متوالی با هم متفاوت است، لذا برای پیش بینی منحنی بار روزانه از منحنی بار روز قبل استفاده می شود. در نتیجه با داشتن منحنی بار روزانه سال قبل می توان تغییرات بار را تا حدودی برای سالهای آینده پیش بینی نمود و با این پیش بینی ها مقدار تولید اضافی نیروگاههای پایه مشخص شده و می توان جهت ذخیره در نیروگاههای تلمبه دخیره ای برنامه ریزی کرد.

حال برای پیش بینی منحنی بار برای سالهای آینده یک سال به عنوان سال پایه انتخاب می شود و از آنجائیکه بار پایه و پیک سالیانه قبلا پیش بینی شده رابطه بین بار پایه و پیک سال پیش بینی و سال پایه استخراج می گردد. حال با استفاده از بارهای پایه و پیک روزانه سال پایه و تعمیم رابطه مذکور پیش بینی نمود پس از محاسبه بارهای پایه و پیک روزانه برای سال مورد نظر جهت پیش بینی باید بارهای ساعت به ساعت روزانه را محاسبه نمود برای محاسبه بارهای ساعت به ساعت از منحنی روزانه سال قبل در همان روز استفاده می گردد و با توجه به این منحنی درصد  افزایش بار پایه و پیک را محاسبه نموده و سپس با گرفتن یک انترپولاسیون خطی درصد افزایش بارهای بین بار پایه و پیک محاسبه و دصد افزایش بارهای ساعت به ساعت بدست می آید پس از این بارهای ساعت به ساعت برای سال مورد نظر پیش بینی و کار سنتز منحنی تغییرات روزانه بار تمام می شود. تمام مراحل فوق توسط یک برنامه کامپیوتری انجام شده و این برنامه قادر به پیش بینی منحنی روزانه بار تا سال 1405 می باشد. حال جهت بررسی دقت پیش بینی انجام شده منحنی های بار تا سال 1405 پیش بینی گردید. سپس اختلاف بار پایه و پیک روزانه برای کل سالها محاسبه گردید و از آنجایی که تغییرات این عدد در طول یکسال زیاد نبود متوسط سالانه این اختلاف محاسبه گردید سپس همین کار برای سالهای 73 تا 80 انجام شد که نتایج این بررسی بر روی منحنی( 5) رسم گردید و همانطور که ملاحظه می شود شیب منحنی بعد از سال 80 مشابه سال 73 تا 80 بوده و بنابراین می توان نتیجه گرفت که نتایج پیش بینی قابل اعتماد می باشد.