معرفة أساسية بمحطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة

ما هي معايير تشغيل التوربين المائي؟
تشمل معايير التشغيل الأساسية لتوربينات المياه: الارتفاع، ومعدل التدفق، والسرعة، والإنتاج، والكفاءة.
يشير رأس الماء للتوربين إلى الفرق في طاقة تدفق الماء بوحدة الوزن بين قسم المدخل وقسم المخرج للتوربين، معبراً عنه بـ H ومقاساً بالأمتار.
يشير معدل تدفق التوربين المائي إلى حجم تدفق المياه الذي يمر عبر المقطع العرضي للتوربين لكل وحدة زمنية.
تشير سرعة التوربين إلى عدد مرات دوران العمود الرئيسي للتوربين في الدقيقة الواحدة.
يشير ناتج التوربين المائي إلى ناتج الطاقة عند طرف عمود التوربين المائي.
تشير كفاءة التوربين إلى نسبة إنتاج التوربين إلى تدفق المياه الناتج.
ما هي أنواع التوربينات المائية؟
يمكن تقسيم التوربينات المائية إلى فئتين: توربينات الهجوم المعاكس وتوربينات الدفع. تشمل توربينات الهجوم المعاكس ستة أنواع: توربينات التدفق المختلط (HL)، وتوربينات التدفق المحوري ذات الشفرات الثابتة (ZD)، وتوربينات التدفق المحوري ذات الشفرات الثابتة (ZZ)، وتوربينات التدفق المائل (XL)، وتوربينات التدفق المباشر ذات الشفرات الثابتة (GD)، وتوربينات التدفق المباشر ذات الشفرات الثابتة (GZ).
هناك ثلاثة أشكال من التوربينات النبضية: توربينات من نوع الدلو (نوع القاطع) (CJ)، وتوربينات من النوع المائل (XJ)، وتوربينات من نوع الصنبور المزدوج (SJ).
3. ما هي التوربينات المضادة للهجوم والتوربينات الاندفاعية؟
يُطلق على التوربين المائي الذي يحول طاقة الوضع وطاقة الضغط والطاقة الحركية لتدفق المياه إلى طاقة ميكانيكية صلبة اسم توربين الهجوم المضاد.
يُطلق على التوربين المائي الذي يحول الطاقة الحركية لتدفق الماء إلى طاقة ميكانيكية صلبة اسم التوربين النبضي.
ما هي خصائص ونطاق تطبيق توربينات التدفق المختلط؟
التوربين ذو التدفق المختلط، المعروف أيضاً باسم توربين فرانسيس، يتميز بدخول الماء إلى المروحة بشكل شعاعي وخروجه بشكل محوري. تتميز هذه التوربينات بتطبيقاتها المتنوعة في نطاق واسع من ارتفاعات المياه، وبنيتها البسيطة، وتشغيلها الموثوق، وكفاءتها العالية. وهي من أكثر التوربينات المائية استخداماً في العصر الحديث، حيث يتراوح نطاق ارتفاع المياه المناسب لها بين 50 و700 متر.
ما هي خصائص ونطاق تطبيق التوربينات المائية الدوارة؟
التوربين ذو التدفق المحوري، يتدفق الماء في منطقة المروحة بشكل محوري، ويتغير تدفق الماء من شعاعي إلى محوري بين ريش التوجيه والمروحة.
يتميز تصميم المروحة الثابتة بالبساطة، إلا أن كفاءتها تنخفض بشكل حاد عند الخروج عن ظروف التصميم. وهي مناسبة لمحطات توليد الطاقة ذات القدرة المنخفضة والتغيرات الطفيفة في منسوب المياه، والتي تتراوح عادةً بين 3 و50 مترًا. أما تصميم المروحة الدوارة فهو أكثر تعقيدًا، إذ يحقق ضبطًا مزدوجًا لشفرات التوجيه والشفرات الدوارة من خلال تنسيق دوران الشفرات وشفرات التوجيه، مما يوسع نطاق منطقة الكفاءة العالية ويضمن استقرارًا تشغيليًا جيدًا. ويتراوح منسوب المياه المستخدم حاليًا بين بضعة أمتار و50-70 مترًا.
ما هي خصائص ونطاق تطبيق توربينات المياه ذات الدلو؟
تعمل التوربينات المائية ذات الشفرات الدوارة، والمعروفة أيضًا باسم توربينات بيتيون، عن طريق اصطدام نفاثات الماء الخارجة من الفوهة بشفرات التوربين على طول الاتجاه المماسي لمحيط التوربين. تُستخدم هذه التوربينات في حالات ارتفاع منسوب المياه، حيث تُستخدم الأنواع ذات الشفرات الدوارة الصغيرة لارتفاعات تتراوح بين 40 و250 مترًا، بينما تُستخدم الأنواع ذات الشفرات الدوارة الكبيرة لارتفاعات تتراوح بين 400 و4500 متر.
7. ما هي خصائص ونطاق تطبيق التوربينات المائلة؟
تُنتج التوربينة المائية المائلة تيارًا من الفوهة يشكل زاوية (عادةً 22.5 درجة) مع مستوى المروحة عند المدخل. يُستخدم هذا النوع من التوربينات المائية في محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة والمتوسطة الحجم، ذات نطاق ارتفاع مناسب أقل من 400 متر.
ما هو الهيكل الأساسي لتوربين مائي من نوع الدلو؟
يحتوي التوربين المائي من نوع الدلو على مكونات التيار الزائد التالية، والتي تتمثل وظائفها الرئيسية فيما يلي:
(ل) تتشكل الفوهة نتيجة مرور تدفق الماء من أنبوب الضغط العلوي عبرها، مُشكلاً تياراً يصطدم بالمروحة. وتتحول طاقة ضغط تدفق الماء داخل الفوهة إلى طاقة حركية للتيار.
(2) تعمل الإبرة على تغيير قطر النفث المرشوش من الفوهة عن طريق تحريك الإبرة، وبالتالي تغيير معدل تدفق المدخل لتوربين الماء.
(3) تتكون العجلة من قرص وعدة دلاء مثبتة عليه. يندفع التيار النفاث نحو الدلاء وينقل طاقته الحركية إليها، مما يدفع العجلة للدوران والقيام بعمل.
(4) يقع الموجه بين الفوهة والمروحة. عندما يخفض التوربين الحمل فجأة، يقوم الموجه بتحويل مسار النفث بسرعة نحو الجرافة. عند هذه النقطة، تغلق الإبرة ببطء إلى وضع مناسب للحمل الجديد. بعد استقرار الفوهة في الوضع الجديد، يعود الموجه إلى الوضع الأصلي للنفث ويستعد للخطوة التالية.
(5) يسمح الغلاف بتصريف المياه المتدفقة بسلاسة إلى أسفل المجرى، ويكون الضغط داخل الغلاف مساوياً للضغط الجوي. كما يُستخدم الغلاف لدعم محامل التوربين المائي.
9. كيف تقرأ وتفهم العلامة التجارية لتوربينات المياه؟
وفقًا لقواعد تسمية نماذج التوربينات في الصين (JBB84-74)، تتكون تسمية التوربين من ثلاثة أجزاء، يفصل بينها علامة "-". يُمثل الجزء الأول الحرف الأول من نظام بينيين الصيني لنوع التوربين المائي، بينما تُشير الأرقام العربية إلى السرعة النوعية المميزة للتوربين. أما الجزء الثاني، فيتكون من حرفين من نظام بينيين الصيني، يُمثل الأول تصميم العمود الرئيسي للتوربين، بينما يُمثل الثاني خصائص غرفة السحب. ويُمثل الجزء الثالث القطر الاسمي للعجلة بالسنتيمتر.
كيف يتم تحديد الأقطار الاسمية لأنواع مختلفة من التوربينات المائية؟
القطر الاسمي لتوربين التدفق المختلط هو القطر الأقصى على حافة مدخل شفرات المروحة، وهو القطر عند تقاطع الحلقة السفلية للمروحة وحافة مدخل الشفرات.
القطر الاسمي للتوربينات ذات التدفق المحوري والمائل هو القطر داخل حجرة المروحة عند تقاطع محور شفرة المروحة وحجرة المروحة.
القطر الاسمي لتوربين الماء من نوع الدلو هو قطر دائرة الخطوة التي يكون عندها العداء مماسًا للخط الرئيسي في النفث.
ما هي الأسباب الرئيسية للتجويف في التوربينات المائية؟
تُعدّ أسباب التكهف في التوربينات المائية معقدة نسبيًا. ويُعتقد عمومًا أن توزيع الضغط داخل دولاب التوربين غير متساوٍ. فعلى سبيل المثال، إذا تم تركيب الدولاب على ارتفاع كبير جدًا بالنسبة لمستوى الماء في اتجاه المصب، فإن تدفق الماء عالي السرعة الذي يمر عبر منطقة الضغط المنخفض يكون عرضة للوصول إلى ضغط التبخر وتكوين فقاعات. وعندما يتدفق الماء إلى منطقة الضغط العالي، وبسبب زيادة الضغط، تتكثف الفقاعات، وتصطدم جزيئات الماء بسرعة عالية باتجاه مركز الفقاعات لملء الفراغات الناتجة عن التكثف، مما يُولّد تأثيرًا هيدروليكيًا كبيرًا وتأثيرات كهروكيميائية، ويتسبب في تآكل الشفرات، مما يؤدي إلى ظهور حفر ومسام تشبه خلايا النحل، بل وحتى اختراقها لتكوين ثقوب.
ما هي التدابير الرئيسية لمنع حدوث التكهف في التوربينات المائية؟
تتمثل عواقب التكهف في التوربينات المائية في توليد الضوضاء والاهتزازات وانخفاض حاد في الكفاءة، مما يؤدي إلى تآكل الشفرات وتكوّن حفر ومسام تشبه خلايا النحل، بل وحتى تكوّن ثقوب نتيجة الاختراق، مما يُلحق الضرر بالوحدة ويؤدي إلى توقفها عن العمل. لذلك، ينبغي بذل الجهود لتجنب التكهف أثناء التشغيل. وتشمل التدابير الرئيسية الحالية للوقاية من أضرار التكهف والحد منها ما يلي:
(ل) تصميم دوار التوربين بشكل صحيح لتقليل معامل التكهف للتوربين.
(2) تحسين جودة التصنيع، وضمان الشكل الهندسي الصحيح والموضع النسبي للشفرات، والاهتمام بالأسطح الملساء والمصقولة.
(3) استخدام مواد مضادة للتجويف لتقليل أضرار التجويف، مثل عجلات الفولاذ المقاوم للصدأ.
(4) تحديد ارتفاع تركيب التوربين المائي بشكل صحيح.
(5) تحسين ظروف التشغيل لمنع التوربين من العمل بضغط منخفض وحمل منخفض لفترة طويلة. لا يُسمح عادةً بتشغيل التوربينات المائية بقدرة منخفضة (مثل أقل من 50% من القدرة المقدرة). بالنسبة لمحطات الطاقة الكهرومائية متعددة الوحدات، يجب تجنب تشغيل وحدة واحدة بحمل منخفض أو بحمل زائد لفترات طويلة.
(6) ينبغي الاهتمام بالصيانة في الوقت المناسب وجودة تلميع لحام الإصلاح لتجنب التطور الخبيث لأضرار التجويف.
(7) باستخدام جهاز إمداد الهواء، يتم إدخال الهواء في أنبوب مياه الذيل للتخلص من الفراغ الزائد الذي قد يسبب التكهف.
كيف يتم تصنيف محطات الطاقة الكبيرة والمتوسطة والصغيرة؟
وفقًا للمعايير الإدارية الحالية، تعتبر المعدات ذات القدرة المركبة الأقل من 50000 كيلوواط صغيرة؛ والمعدات متوسطة الحجم ذات القدرة المركبة من 50000 إلى 250000 كيلوواط؛ أما المعدات ذات القدرة المركبة التي تزيد عن 250000 كيلوواط فتعتبر كبيرة.

ما هو المبدأ الأساسي لتوليد الطاقة الكهرومائية؟
توليد الطاقة الكهرومائية هو استخدام الطاقة الهيدروليكية (بفضل ارتفاع الماء) لتشغيل الآلات الهيدروليكية (التوربينات) وتحويلها إلى طاقة ميكانيكية. وإذا تم توصيل نوع آخر من الآلات (المولدات) بالتوربينات لتوليد الكهرباء أثناء دورانها، فإن الطاقة الميكانيكية تتحول حينها إلى طاقة كهربائية. ويمكن القول إن توليد الطاقة الكهرومائية هو عملية تحويل طاقة الوضع للماء إلى طاقة ميكانيكية، ثم إلى طاقة كهربائية.
ما هي أساليب تطوير الموارد المائية وما هي الأنواع الأساسية لمحطات الطاقة الكهرومائية؟
يتم اختيار أساليب تطوير الموارد الهيدروليكية وفقًا للهبوط المركز، وهناك بشكل عام ثلاثة أساليب أساسية: نوع السد، ونوع التحويل، والنوع المختلط.
(1) تشير محطة الطاقة الكهرومائية من نوع السد إلى محطة طاقة كهرومائية مبنية في قناة نهرية، مع انخفاض مركز وسعة خزان معينة، وتقع بالقرب من السد.
(2) تشير محطة تحويل المياه الكهرومائية إلى محطة كهرومائية تستخدم بالكامل الانخفاض الطبيعي للنهر لتحويل المياه وتوليد الكهرباء، دون خزان أو قدرة تنظيمية، وتقع على نهر بعيد في اتجاه مجرى النهر.
(3) تشير محطة الطاقة الكهرومائية الهجينة إلى محطة طاقة كهرومائية تستخدم انخفاضًا في منسوب المياه، يتشكل جزئيًا من خلال بناء سد، وجزئيًا من الانخفاض الطبيعي لمجرى نهر، بسعة تخزين محددة. تقع محطة الطاقة على مجرى نهر في اتجاه المصب.
ما هي التدفقات، والجريان السطحي الكلي، ومتوسط ​​التدفق السنوي؟
يشير معدل التدفق إلى حجم المياه التي تمر عبر المقطع العرضي لنهر (أو هيكل هيدروليكي) لكل وحدة زمنية، معبراً عنها بالمتر المكعب في الثانية؛
يشير إجمالي الجريان السطحي إلى مجموع تدفق المياه الكلي عبر مقطع من النهر في السنة الهيدرولوجية، معبراً عنه بـ 104 م3 أو 108 م3؛
يشير متوسط ​​معدل التدفق السنوي إلى متوسط ​​معدل التدفق السنوي Q3/S لجزء من النهر محسوبًا بناءً على السلاسل الهيدرولوجية الحالية.
ما هي المكونات الرئيسية لمشروع مركز محطة توليد الطاقة الكهرومائية الصغيرة؟
يتكون بشكل أساسي من أربعة أجزاء: هياكل الاحتفاظ بالمياه (السدود)، وهياكل تصريف الفيضانات (المفيضات أو البوابات)، وهياكل تحويل المياه (قنوات التحويل أو الأنفاق، بما في ذلك أعمدة تنظيم الضغط)، ومباني محطات الطاقة (بما في ذلك قنوات المياه الخلفية ومحطات التعزيز).
18. ما هي محطة توليد الطاقة الكهرومائية التي تعمل بمياه الجريان السطحي؟ وما هي خصائصها؟
تُسمى محطة توليد الطاقة الكهرومائية التي لا تحتوي على خزان تنظيمي بمحطة توليد الطاقة الكهرومائية الجارية. يُحدد هذا النوع من المحطات سعته المركبة بناءً على متوسط ​​معدل التدفق السنوي لمجرى النهر وارتفاع منسوب المياه المحتمل. ينخفض ​​توليد الطاقة بشكل حاد خلال موسم الجفاف، إلى أقل من 50%، وقد لا يتم توليد الكهرباء أحيانًا، وذلك بسبب قيود التدفق الطبيعي للنهر، بينما تتراكم كميات كبيرة من المياه غير المستغلة خلال موسم الأمطار.
19. ما هو الناتج؟ كيف يتم تقدير الناتج وحساب توليد الطاقة لمحطة الطاقة الكهرومائية؟
في محطة توليد الطاقة الكهرومائية، تُسمى الطاقة المولدة بواسطة وحدة التوليد الكهرومائي "الناتج"، ويمثل ناتج تدفق المياه في جزء معين من النهر موارد الطاقة المائية في ذلك الجزء. ويشير ناتج تدفق المياه إلى كمية الطاقة المائية لكل وحدة زمنية. في المعادلة N = 9.81 η QH، Q هو معدل التدفق (م³/ث)؛ H هو ارتفاع الماء (م)؛ N هو ناتج محطة الطاقة الكهرومائية (واط)؛ η هو معامل كفاءة المولد الكهرومائي. الصيغة التقريبية لناتج محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة هي N = (6.0 - 8.0) QH. أما صيغة توليد الطاقة السنوية فهي E = NT، حيث N هو متوسط ​​الناتج؛ T هي ساعات الاستخدام السنوية.
ما هو معدل ساعات الاستخدام السنوية للسعة المركبة؟
يشير هذا إلى متوسط ​​وقت التشغيل الكامل لوحدة توليد الطاقة الكهرومائية خلال عام. وهو مؤشر هام لقياس الجدوى الاقتصادية لمحطات الطاقة الكهرومائية، ويُشترط على محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة أن يكون لديها ساعات تشغيل سنوية تزيد عن 3000 ساعة.
21. ما هي التعديلات اليومية، والتعديلات الأسبوعية، والتعديلات السنوية، والتعديلات متعددة السنوات؟
(1) التنظيم اليومي: يشير إلى إعادة توزيع الجريان السطحي خلال النهار والليل، مع فترة تنظيم مدتها 24 ساعة.
(2) التعديل الأسبوعي: فترة التعديل هي أسبوع واحد (7 أيام).
(3) التنظيم السنوي: يُطلق على إعادة توزيع الجريان السطحي خلال عام واحد، حيث لا يمكن تخزين سوى جزء من المياه الزائدة خلال موسم الفيضان، اسم التنظيم السنوي غير الكامل (أو التنظيم الموسمي)؛ وتُطلق على القدرة على إعادة توزيع المياه الواردة بالكامل خلال العام وفقًا لمتطلبات استخدام المياه دون الحاجة إلى التخلي عن المياه اسم التنظيم السنوي.
(4) التنظيم متعدد السنوات: عندما يكون حجم الخزان كبيرًا بما يكفي لتخزين المياه الزائدة خلال سنوات عديدة في الخزان، ثم تخصيصها لعدة سنوات جافة للتنظيم السنوي، يطلق عليه التنظيم متعدد السنوات.
22. ما هو انخفاض النهر؟
يُطلق على فرق الارتفاع بين المقطعين العرضيين لجزء النهر المستخدم اسم الانخفاض؛ ويُطلق على فرق الارتفاع بين سطح الماء عند منبع ومصب النهر اسم الانخفاض الكلي.
23. ما هي كمية الهطول المطري، ومدة الهطول المطري، وشدة الهطول المطري، ومنطقة الهطول المطري، ومركز العاصفة المطرية؟
الهطول هو إجمالي كمية المياه التي تسقط على نقطة أو منطقة معينة خلال فترة زمنية معينة، ويتم التعبير عنها بالملليمترات.
يشير مصطلح مدة الهطول إلى مدة هطول الأمطار.
تشير شدة الهطول إلى كمية الهطول لكل وحدة زمنية، معبر عنها بوحدة مليمتر/ساعة.
تشير منطقة الهطول إلى المساحة الأفقية التي يغطيها الهطول، معبرًا عنها بالكيلومتر المربع.
يشير مركز العاصفة المطرية إلى منطقة محلية صغيرة تتركز فيها العاصفة المطرية.
24. ما هو تقدير الاستثمار الهندسي؟ ما هو تقدير الاستثمار الهندسي والميزانية الهندسية؟
الميزانية الهندسية هي وثيقة فنية واقتصادية تُحدد جميع الأموال اللازمة لتنفيذ مشروع ما، مُقاسةً بالقيمة النقدية. تُعدّ ميزانية التصميم الأولي عنصرًا هامًا في وثائق التصميم الأولي، والأساس الرئيسي لتقييم الجدوى الاقتصادية. تُعتبر الميزانية الإجمالية المُعتمدة مؤشرًا هامًا مُعترفًا به من قِبل الدولة للاستثمار الأساسي في الإنشاء، كما أنها الأساس لإعداد خطط الإنشاء الأساسية وتصاميم المناقصات. تقدير الاستثمار الهندسي هو مبلغ الاستثمار المُحدد خلال مرحلة دراسة الجدوى، بينما تُمثل الميزانية الهندسية مبلغ الاستثمار المُحدد خلال مرحلة الإنشاء.
ما هي المؤشرات الاقتصادية الرئيسية لمحطات الطاقة الكهرومائية؟
(1) يشير الاستثمار لكل كيلوواط إلى الاستثمار المطلوب لكل كيلوواط من القدرة المركبة.
(2) يشير استثمار الطاقة للوحدة إلى الاستثمار المطلوب لكل كيلوواط ساعة من الكهرباء.
(3) تكلفة الكهرباء هي الرسوم المدفوعة لكل كيلوواط ساعة من الكهرباء.
(4) تعتبر ساعات الاستخدام السنوية للقدرة المركبة مقياسًا لمستوى استخدام معدات محطة الطاقة الكهرومائية.
(5) سعر بيع الكهرباء هو سعر الكيلوواط ساعة من الكهرباء المباعة للشبكة.
كيفية حساب المؤشرات الاقتصادية الرئيسية لمحطات الطاقة الكهرومائية؟
يتم حساب المؤشرات الاقتصادية الرئيسية لمحطات الطاقة الكهرومائية وفقًا للصيغة التالية:
(1) استثمار الكيلوواط الواحد = إجمالي الاستثمار في إنشاء محطة الطاقة الكهرومائية / إجمالي القدرة المركبة لمحطة الطاقة الكهرومائية
(2) استثمار الطاقة للوحدة = إجمالي الاستثمار في إنشاء محطة الطاقة الكهرومائية / متوسط ​​إنتاج الطاقة السنوي لمحطة الطاقة الكهرومائية
(3) ساعات الاستخدام السنوية للقدرة المركبة = متوسط ​​إنتاج الطاقة السنوي / إجمالي القدرة المركبة