شبيه‌سازي عددي تخليه آبراهه نيروگاه‌هاي برقابي از طريق توربين

Numerical simulation of discharging power tunnel through turbine in hydro power plants

در نيروگاه‌هاي برقابي، به‌ويژه در واحدهايي با آبراهه طولاني و مخازن موج‌گير غول‌پيكر، كه داخل آنها حجم زيادي از آب انباشته مي‌شود، تخليه سريع و مطمين اين حجم آب از آبراهه در هنگام تعميرات و بازرسي‌هاي دوره‌اي يا اجباري يكي از مسايل مهم و درخور توجه است. يكي از روش‌هاي سنتي تخليه آبراهه چنين نيروگاه‌هايي، استفاده از لوله‌هاي تخليه‌اي است كه به «پنستاك» متصل شده و به كمك شيرآلات تنظيمي و فشار شكن، آب را به سمت گالري تخليه هدايت مي‌كند. بزرگ بودن ابعاد آبراهه و مخازن موج‌گير از يك سو و حجم قابل توجه آبي كه در اين مجموعه ذخيره شده است از سوي ديگر، باعث طولاني شدن زمان تخليه با اين روش شود و حتي اين نحوه تخليه در برخي موارد ممكن است چندين روز طول كشد. براي كاهش اين زمان، به تازگي روش ديگري نيز در نيروگاه‌هاي برقابي بزرگ مورد استفاده قرار مي‌گيرد. اين روش؛ تخليه آب از طريق توربين با گشودن جزييِ دريچه‌هاي تنظيمي است. در روش ياد شده كه با دوران چرخ توربين همراه است، حجم قابل توجهي از آب در زماني بسيار كم به پايين‌دست نيروگاه هدايت مي‌شود. با وجود مزيت كاهش زمان تخليه، در استفاده از اين روش، ملاحظه‌هاي خاصي؛ مانند: كنترل سرعت توربين، عملكرد ياتاقان‌ها، ارتعاش‌هاي واحد و عملكرد چرخ توربين بايد درنظر گرفته شود. در اين تحقيق، روش تخليه آبراهه از طريق توربين با مدل‌سازي رياضي و عددي، مورد بررسي و تحليل قرار گرفته است. ميزان «افزايش سرعت چرخ توربين» زمان تخليه در گشودگي‌هاي مختلف دريچه‌هاي تنظيمي و عملكرد «هيدروليكي توربين» نيز از موارد فني است كه مورد تحليل و محاسبه‌هاي عددي رياضي قرار مي‌گيرد. اين روش براي نيروگاه برقابي در دست احداث سيمره كه بزرگ بودن ابعاد آبراهه و مخزن موج‌گير از مشخصه‌هاي آن است، به عنوان نمونه مورد ارزيابي قرار خواهد گرفت.

Quick and secure discharging of power tunnels in hydro power plants, especially those having long power tunnels and huge surge tanks that hold considerable amount of water, are of extreme importance in case of taking emergency actions, remedial measures or need for inspections. One of the old methods still used for discharging power tunnels is releasing water through discharging pipes attached to penstock and equipped with series of regulatory or pressure relief valves that empties water into a discharging gallery. Due to great scale of tunnels and surge shafts or tanks and considerable amount of water that is stored in these structures, the emptying process is time consuming and it usually takes several days. To reduce time, another method is recently used in hydro power plants which involves very slight opening of turbine wicket gates. In this method, while the runner is rotating, the wicket gates are opened a little letting very large amount of water be discharged into downstream in a very short time. While this method has the advantage of short discharging time, it requires special considerations such as controlling turbine speed, bearings functionality and unit vibration. In this article the method of discharging power tunnel and pertinent structures through turbine is modeled and investigated using mathematical and numerical models. The increasing rate of runner speed, discharge durations at different openings of wicket gates as well as hydraulic behavior of the turbine are the technical subjects analyzed and numerically modeled within this context. Seymareh dam and hydro power plant with a long power tunnel and a big surge shaft is also modeled and investigated as a case study.