هيدروليك و كنترل هيدروليك توربين نيروگاه شهيد رجایی

مقدمه و تاريخچه
هيدروليك علم استفاده از مايع محدود ، براي انتقال نيرو و حركت و يا تبديل منبع قدرت به نيروي قابل استفاده مي باشد و هيدروليك صنعتي يعني انتقال دادن و فرمان دادن به نيروها و حركات توسط مايع .
از زمانهاي قديم ، هيدروليك مورد استفاده بشر بوده و مصريها ظاهراً در اين كار پيش‌قدم بوده اند و آنها وسيله‌اي ساخته يودند كه توسط آن بتوانند آب رودخانه نيل را به ارتفاع بالاتري ببرند و مزارع خود را آبياري كنند .

كلمه هيدروليك (Hydroulics) يك كلمه يوناني است و از كلمه Hydros به مفهوم آب گرفته شده . ارشميدس مهندس و رياضيدان قديم يونان ، مطالعات زيادي در هيدروليك داشت و وسيله‌اي براي پمپاژ آب اختراع كرد كه هم اكنون آن را مارپيچ ارشميدس مي نامند .

در قرن شانزدهم ميلادي دانشمند ايتاليايي به نام تريچلي ، سپس صد سال بعد پاسكال دانشمند فرانسوي نيز به وسيله نيروي هيدروليك و استفاده از آن پرداختند ، بطوريكه هم اكنون قانون موسوم به پاسكال پايه هيدروليك جديد است ، به دنبال پاسكال دانشمند و طراحان و مهندسين در طي سالهاي بعد تاكنون در پيشبرد اين علم همت گماشتند و هم اكنون در اغلب شاخه هاي علوم و فنون جديد دامنه كاربرد اين علم گسترده تر شده و استفاده از اصول و مباني هيدروليك مهندسي را بر آن داشته تا از قدرت هيدروليك ، جهت كنترل

پروسسهاي صنعتي و اتوماسيون كارخانجات ، استفاده‌هاي شاياني بنمايند و گسترش و اهميت اين علم بدان جا رسيد كه علم و صنعت و تكنولوژي بدون اين علم قابل تصوير نيست .
سيستم هاي كنترل هيدروليكي در صنعت جديد مورد استفاده فراوان پيدا كرده ، اين‌گونه كنترل كننده ها بيشتر در جاهايي كه عمل كننده ها (Actvators) احتياج به قدرت زيادي جهت تغييرات در پروسس دارند ، بكار مي روند . قسمت اصلي اين كنترل كننده ها بخش سر و موتور آن مي باشد . تغيير مكاني كه ناشي از پارامتر ورودي است ، پيستون ها از مقابل شيارهاي متصل به پيستون بزرگتر عمل كننده كنار رفته و پيستون و عمل كننده حركت خواهد كرد .

هيدروليك علمي است كه كاربرد آن در صنايع سبك و سنگين قابل شايان است كه مي توان با اعمال نيروي ناچيز دست عكس العمل چندصد برابر را داشته كه مثال ساده آن را در اهرمها ، جكهاي اتومبيل و يكي از مهمترين كاربردهاي علم هيدروليك را مي‌توان در صنايع سنگين از جمله در كارخانجات ، اتومبيل ها ، جرثقيل ها و نيروگاهها نام برد كه در اين رساله در مورد سيستم هيدروليك در نيروگاهها به تفضيل بحث خواهيم نمود .
علم انرژي ، هيدروليك
۱-۱-علم ، صنعت و تكامل آنها

براي بررسي تكاملي وسايل و ماشين ها بايد به كندوكاو در تاريخچة پيدايش آنها پرداخت و لازمه اين امر كاوش در تاريخ آن رشته از صنعت است . اين مساله خود بررسي تاريخ علوم و در جوار آن صنعت را مي طلبد كه بستگي به نيازهاي جوامع بشري دارد . بررسي هر آلت صنعتي اوليه با بررسي عصر زندگي و نيازهاي آن دوره مترادف مي باشد . چنانكه آتش با زندگي انسان هاي اوليه و ماشين بخار با زندگي رو به صنعتي قرن هجدهم مترادف است .

امروزه مساله ايجاد تعادل بين آنچه كه زادة نيازهاي اقتصادي و اجتماعي است از يك سو و تكامل ذاتي دانش از سوي ديگر سخت مطرح مي باشد . اين موضوع به قدري براي آيندة كشورها اهميت دارد كه هيچ ملتي اگر علم را به طريق مثبت و برنامه ريزي شده به كار نگيرد نخواهد توانست موقعيت خود را حفظ كرده و يا بهبود بخشد ، بخصوص در قرن اخير كه عصر علم ، تكنولوژي و گفتگو مي باشد . بنابراين به احتمال خيلي قوي ترقي علم و افزايش كاربرد اجتماعي آن در آينده تابع سيري تعلقي‌تر و غيراتفاقي‌تر نسبت به گذشته خواهد بود .
علم صرفاً وقتي كامل و مفيد است كه به مدلولش عمل شود . كار علم فقط انديشه

نيست ، فكري علمي محسوب مي شود كه مدام به سوي عمل كشيده شود و دائماً در عمل تازگي و طراوت بيابد .
به همين دليل ضروري است كه علم را با فن مقايسه نمود . مطالعه علم تاريخ علم نشان مي دهد كه كراراً جنبه ها و رشته هاي نوين علمي از وراي عمل و فعاليت پديدار مي گردد و پيشرفت هاي تازه تر علم به نوبة خود رشته هاي جديدي را به فن و عمل مي افزايد .

و بجاست در اينجا ذكر كنم كه يكي از علل پيشرفت برخي كشورهاي آسيايي مثل ژاپن و كره جنوبي مترادف بودن علم و عمل مي باشد چرا كه اين كشورها بجايي رسيده اند كه شركتهاي بزرگ آنها (MHI) به ساخت توربينهاي بخار با مگاواتهاي بالا ۲۵۰MW در ژاپن و كره جنوبي با ساخت توربين و ژنراتور براي نيروگاه‌هاي هسته‌اي با كشورهاي غربي رقابل مي كنند .
تأثير علم و فن در جامعه به دو طريق صورت مي پذيرد : نخست ايجاد تحول در روش‌هاي توليدي و دوم تأثير مستقيم ولي خفيف‌تر كه از طريق اكتشافات نوين و انديشه هاي جديد به انجام مي رسد .

۲-۱- انرژي و انتقال
شناخت دقيق انرژي و صور گوناگون آن به دانشمندان اين امكان را داد تا در جستجوي طريق پيشرفته تر و مناسب تر استفاده از انرژي باشند . بررسي فيزيكي و مكانيكي از ديدگاه انرژي تحول بزرگي در تاريخ علوم بود . دانشمنداني چون پاسكال، ژول ، كلوين ، نيوتن ،‌ انيشتين و صدها دانشمند ديگر در اين بررسي و شناخت سهم بزرگي داشته اند .
براي درك مفاهيم انرژي بايد آنرا با ماده و در تكميل آن مورد مطالعه قرار داد . انرژي ذاتي تمام مواد است و در اشكال گوناگون ظاهر مي شود . انرژي صرفاً و به سادگي قابل تعريف نيست و ما آنرا به صورت مفهوم قبول مي كنيم . قانون بقاء انرژي ، قانون بقاء جرم (ماده) و بالاخره رابطه معروف جرم و انرژي كه يكي از نتايج تئوري نسبيت انيشتين است مفهوم انرژي را دقيق تر بيان مي كند .
بر اساس رابطة جرم و انرژي :

جرم قابل تبديل به انرژي است و بالعكس . در اين فرمول انرژي ، جرم و سرعت نور مي باشد . انرژي به صورت مختلف از جمله مكانيكي ، هيدرومكانيكي ، حرارتي ، نوراني و غيره ظاهر مي شود . تمام انواع انرژي قابل تبديل به يكديگرند . كار خود نوعي انرژي انتقالي است . براي انجام كار يك جسم بايد نيروي به آن جسم اعمال شود و جسم تغيير مكان يابد . بر خلاف انرژي كه در جسم مي تواند ذخيره شود ؛ كار را نمي توان در جسم ذخيره كرد .

نيروئي كه باعث كار مي شود نيز به طرق مختلف بر جسم اعمال مي شود . اكثر روشهاي اعمال نيرو بر اجسام در صنعت غيرمستقيم صورت مي گيرد . اعمال نيرو به طور غيرمستقيم يا انتقال نيرو مي تواند مكانيكي ، الكترومكانيكي ، الكتريكي پنوماتيكي و بالاخره هيدروليكي باشد .
ساده ترين شكل انتقال نيرو به صورت «مكانيكي» ، با قلم و چكش انجام مي گيرد . نيروي عضلاني توسط شانه ، آرنج، مچ به چكش و از آن به ميله منتقل مي شود . در اين حالت مسير حركت مقدار معيني انرژي از نوساني به خطي يك طرفه تبديل مي‌شود . (شكل ۱-۱)

 

اگر هدف تبديل حركت نوساني به چرخشي باشد در اين صورت مكانيزم ميل لنگ بكار برده مي شود (شكل ۲-۱) . در اين مكانيزم مقدار معين انرژي حامل گشتاور پيچشي توسط پين هاي رابط ميل ها و راهنماها به حركت رفت و برگشتي تبديل مي‌شود .

با جايگزيني موتور الكتريكي به جاي ميل لنگ عمل «انتقال نيروالكترومكانيكي» در ارتباط با جعبه دندة مكانيكي انجام مي پذيرد (شكل ۳-۱) . جريان الكتريكي ناشي از انرژي سينتيك (جنبشي) موجود در آب كه توسط توربين و ژنراتور توليد شده است موتور الكتريكي را بكار مي اندازد و اين عمل سبب حركت چرخشي مي شود كه به صورت انرژي مكانيكي از طريق محور و كوپلينك به جعبه دنده انتقال مي يابد . بسته به نوع جعبه دنده مي توان حركتي چرخشي يا خطي و يا حركت متغير يا نامحدود را بدست آورد .

براي ايجاد شتابهاي ناگهاني با روش هاي الكتريكي تركيبي از اجزاي الكتريكي مورد نياز است . طرح «انتقال نيروي الكتريكي» (شكل ۴-۱) به مجموعة «وارد لئونارد» موسوم است . نيروي ورودي ، موتور سه فازي را بكار مي اندازد و اين به نوبة خود ژنراتور جريان مستقيم (DC) كه منبع تغذية يك موتور سيم پيچي شده با سرعت متغير و جريان مستقيم (DC) است ، را به حركت وا مي دارد .

انتقال مكانيكي يا الكترومكانيكي در يك مسير طولاني بر اثر خمش ، پيچش ، جابجائي اتصالات و غيره باعث ايجاد مشكلات مي شود . انتقال نيروي الكتريكي نيز به علت در بر داشتن هزينه هاي زيادي استعمال كمي دارد .

انتقال نيروي پنوماتيكي (شكل ۵-۱) نسبتاً انتقال انعطاف‌پذيري است . ابتدا هواي اتمسفر توسط كمپرسور مكيده و فشرده مي شود ، هواي فشرده ، سيستمي تاز خطوط لولة صلب يا نرم را تغذيه كرده و بوسيله انواع قطعات (شيرها) به مصرف كننده مي‌رسد . نيروي پنوماتيك توسط موتورهاي دوراني ، محور گرد يا خطي (سيلندرها) به نيروي محركه مكانيكي چرخشي ، نوساني يا خطي تبديل مي شود .
امكانات محدود تراكم هوا در كمپرسور و تراكم پذيري زياد و پايين بودن سطح سياليت (نرمي) هوا باعث ايجاد محدوديت هائي در بكارگيري نيروي پنوماتيك مي‌گردد .

در انتقال انعطاف پذيري نيروهاي بزرگ با استحكام و فشار زياد انتقال نيروي هيدروليكي (شكل ۶) بار گرفته مي شود .
سيال مناسبي كه نرمي و خواص انتقال صنعتي خوبي دارد به پمپ راه مي يابد سپس در نتيجة كار پمپ ، انرژي مي گيرد و به عنوان «سيال تحت فشار» به سيستم لوله اي داخل مي شود . شيرها كار نظارت بر حد مجاز بارگيري سيستم ، كنترل سرعت و تغيير مسير حركت – تا رسيدن انرژي سنتيك (جنبشي) سيال به مصرف كننده – را به عهده دارند . در طول مسير بنا به علل مختلف افت هايي كه در نهايت به صورت گرما – انرژي مبدل – به هواي بيرون منتقل مي شوند رخ مي دهد .

جدول (۱) انواع روشهاي انتقال نيرو و راندمان هر كدام را مقايسه مي كند بررسي‌هائي كه از انتقال نيرو به طرق مختلف به عمل آمد و عموماً در سطح ابتدائي قرار داشتند .

مقدمه :
سرعت شفت توربيني كه در حال بهره برداري است بالا مي باشد . شفت توربين توسط ۶ ياتاقان ژورنال و يك ياتاقان تراست نگهداري مي شود . روتور هم در داخل هر ياتاقان مي چرخد .
جهت جلوگيري از اصطكاك بين ياتاقان و محور روتور ، بايستي ياتاقانها روغنكاري شوند . محور روتور نبايد روي ياتاقان ماليده شود (اصطكاك پيدا كند) . در صورتيكه چنين اتفاقي رخ دهد اصطكاك ايجاد شده سطوح فلزي محور روتور و ياتاقانها را مي‌سايد . جهت جلوگيري از ايجاد اصطكاك هر ياتاقان روغنكاري مي گردد . روغن مورد نياز توسط سيستم روغنكاري مهيا مي گردد . اشكال آورده شده در ضميمه (۱) شماي كاملي از سيستم روغنكاري را نشان مي دهد .

هدف از بكارگيري اين سيستم ، مهيا ساختن روغن تميز با درجه حرارت مناسب و خنك نمودن ياتاقانهاي ژنراتور و توربين مي باشد كه جهت تامين اين امر از سيستم تصفيه روغن بنام OIL PURIFIER و سيستم خنك كن بنام كولر روغن استفاده شده است كه اشكال نيز در ضميمه (۱) آورده شده است .

اين سيستم در مواقع اضطراري روغن سيل ژنراتور را نيز تامين مي نمايد . روغن روغنكاري داخل همه ياتاقانهاي ژورنال روي محور توربين وارد مي گردد . اين روغن به ياتاقان تراست هم به خوبي مي رسد . در اثر چسبندگي روغن به محور روتور مي‌چسبد و يك مقاومتي در مقابل جاري شدن از خود نشان مي دهد كه ويكسوزيته گويند . روغن در طول شفت در حال چرخش كشيده مي شود . در بين محور بالشتكهاي ياتاقان فيلمي از روغن (گوه اي شكل) تشكيل مي گردد . توسط اين فيلم روغن سطوح بالشتكهاي ياتاقان از روتور جدا مي گردد .

فشار روغن در فضاي بين روتور و بالشتكها زياد مي شود . در نتيجه بار ياتاقان توسط اين فشار تحمل مي شود . ضخامت اين فيلم روغن محور روتور را كمي بلند مي نمايد . در اثر اين گوه روغني تماس فلز با فلز وجود نخواهد داشت بنابراين سايش وجود ندارد . بطور كلي اين روغن توسط سه عدد پمپ كه بر روي MAIN OIL TANL نصب گرديده اند بنام AOT و TOP و EOP تامين مي شود كه پمپ EOP پمپي اضطراري و Dc مي باشد. همچنين از دور RPM2950 تا كاركرد نرمال توربين پمپي بنام MOP كه روي روتور توربين مي باشد تامين كننده اين روغن جهت روغنكاري ياتاقانها و سرو موتورها مي‌باشد .

پس از بيان سيستم كنترل الكتريكي توربين EHC لازم است در اين بخش اشاره اي به سيستم كنترل هيدروليكي توربين نيز بشود تا مبحث كنترل توربين كاملتر گردد .

سيستم كنترل هيدروليك فوق شباهت زيادي با سيستم كنترل هيدروليك اكثر نيروگاههاي كشور دارد . اين سيستم ابتدا از مسيرهاي روغن خروجي از تانك شروع شده و پس از كنترل به محرك ميرسد كه اين مسير را به شرح زير مي توان بيان كرد : (به ضميمه هيدروليك مراجعه شود .
۱-مسير روغن HP : اين مسير از طريق پمپ اصلي توربين به دستگاههاي حفاظتي و كنترل هدايت مي گردد و داراي فشار معادل است شكل (۱-۵) مراجعه شود .
۲-مسير ر وغن كنترل HP : از اين مسير جهت تغذيه سيستم كنترل استفاده مي گردد و داراي فشار است .
۳-مسير روغن Auto Stop : اين مسير روغن جهت تريپ هاي اضطراري بكار رفته است و داراي فشار است .

۴-مسير روغن كنترل TV : اين مسير جهت كنترل شير كنترلي TV بكار رفته است .
۵-مسير روغن كنترل GV : اين مسير جهت كنترل شير كنترلي GV بكار رفته است .
۶-مسير روغن كنترل ICV : اين مسير جهت كنترل شير كنترلي ICV بكار رفته است .

۷-مسير روغن ايمپلر گاورنر : اين مسير روغن كه از تبديل سيگنال دور به فشار روغن در دستگاه ايپپلر گاورنر حاصل شده است جهت كنترل استفاده مي شود .
۸-مسير روغن دستگاههاي حفاظتي : از اين مسير جهت تحريك سيستم حفاظتي توربين بكار گرفته شده است . براي روشن شدن موقعيت شيرهاي كنترلي توربين لازم است كه دوباره بطور مختصر مسير عبور بخار از شيرهاي ياد شده و توربين را بيان كنيم .

بخار خروجي از بويلر ابتدا از شير كنترلي TV و سپس از شير كنترلي GV عبور كرده وارد توربين فشار قوي HP مي گردد و پس از خروج در مسير ري هيت قرار گرفته و بعد از بازيابي حرارتي از شيرهاي RSV و ICV جهت كنترل عبور كرده وارد توربين‌هاي فشار متوسط و ضعيف گشته و نهايتاً روانه كندانسور مي گردد .
شيرهاي كنترلي ياد شده همگي نقش مهمي در چگونگي كار توربين دارند و انتهاي سيستم كنترل هيدروليك به اين شيرها ختم مي شود .
پس هدف از كنترل هيدروليك كنترل كردن بخار ورودي به توربين جهت كنترل دور و بار توربين بين صورت مطلوب است .

عوامل ديگري كه در اين سيستم كنترل دخيل هستند عبارتند از گاورنر اصلي ، گاورنر كمكي و محدود كننده بار و سيستم كنترل EHC كه قبلاً به آن اشاره شده است (مبدل E/H) اوريفيس ها و شيرهاي تثبيت فشار (ري ليف والو) شيرهاي انتخابگر و شيرهاي يكطرفه و دستگاههاي تقويت كننده (سروموتورها) و ايمپلر گاورنر كه قسمتي از آنها به عنوان عامل اصلي و قسمت ديگر آنها به عنوان عناصر واسطه اي عمل مي كنند . بدين صورت كه گاورنرهاي اصلي و كمكي و محدود كننده بار و مبدل E/H هر كدام فشار روغني را به سيستم كنترل اعمال مي كنند و توسط عنصر واسطه اي شير انتخابگر فرمان فشار روغن موثر را انتخاب مي كند و با محرك شير مي‌فرستد . عناصر ياد شده فوق مطابق (شكل ۲-۵) با هم ارتباط داشته و بشرح زير مي باشند :

۱-۵-گاورنر اصلي (MAIN GOVERNOR) :
گاورنر اصلي تشكيل شده از يك بدنة فلزي كه در داخل آن مسيرهايي براي روغن تعبيه شده است و يك دم (بيلوز) جهت تقويت فشار وارده از روغن ايمپلرگاورنر و
يك تيغه فلزي كه روي كاپ والو مسلط است و يك اهرم و فنر كه تغييرات ناشي از اسپيدچنجر را روي كاپ والو اعمال مي كند و يك ري ليف كاپ والو كه در قسمت

تحتاني آن قرار دارد جهت تثبيت فشار براي حفاظت نشاندهنده ها در هنگامي كه گاورنر اصلي عمل نمي كند استفاده شده است شكل (۳-۵) مراجعه شود . اصول كار گاورنر اصلي بدين صورت است كه ابتدا توسط اسپيدچنجر يك مقدار تنظيمي داده مي شود و از طرفي فشار روغن ايمپلر گاورنر توسط دم تقويت شده و تيغة فلزي را در يك وضعيت متعادل قرار مي دهند . در اين حالت كاپ والو روغن فشار قوي را به مقدار لازم تخليه كرده و در نتيجه در مسير روغن كنترل يك فشار روغن توليد مي‌كند كه اين فشار روغن به سمت شير انتخابگر روانه ساخته تا به محرك شيرهاي كنترلي اعمال گردد ، لازم به توضيح است كه اسپيدچنجر هم بصورت دستي و هم از اطاق فرمان توسط موتور الكتريكي تغيير حالت پيدا مي كند .