پمپ‌ها در جایگاه توربین Pump as Turbine (PAT)
پمپ ها یکی از مهمترین ماشین‌های سیالی می‌باشند. این ماشین‌های سیالی با مصرف انرژی (عمدتا به صورت الکتریکی) اختلاف فشار و سرعت را بین ورودی و خروجی ایجاد می‌کنند.
انرژی الکتریکی توسط سیم پیچ متصل به شفت موتور الکتریکی، به انرژی مکانیکی چرخشی تبدیل شده و پره پمپ را به چرخش در می‌آورد.
اجزاء اصلی و عمومی تشکیل دهنده پمپ‌های سانتریفیوژ در شکل نشان داده شده است:
استفاده از پمپ‌های استاندارد به صورت معکوس در بسیاری از موارد در مقایسه با توربین‌های آبی میتواند راهکاری مناسب برای تبدیل انرژی آب به برق باشد.
مهمترین مزایای استفاده از واحدهای پمپ معکوس (Pump as Turbine (PAT)):
عدم نیاز به ژنراتورهای خاص و گران قیمت
قیمت بسیار پایین پمپ‌ها در مقایسه با توربین
تکنولوژی پایین‌تر به لحاظ ساخت در مقایسه با توربین و هزینه‌های نگهداری پایین‌تر در مقایسه با توربین‌ها به دلیل سادگی اجزا و عملکرد
عدم نیاز به سیستم‌های کنترل جریان سیال و در مقیاس بزرگتر سادگی سیستم‌های کنترلی این واحدها.
در عین حال معایبی نیز برای استفاده از این واحدها وجود دارد از جمله اینکه:
استفاده از سیستم‌های PAT برای محدوده‌های بالاتر از ۱۵۰ متر از لحاظ فنی مشکلاتی دارد. لذا عملا استفاده از این سیستم‌ها برای رنج وسیعی از منابع آبی دارای پتانسیل سرمایه‌گذاری امکانپذیر نمی‌باشد.
در شرایطی که تغییراتی در فشار ورودی پمپ‌ها در حین بهره‌برداری بوجود آید افت راندمان زیادی دارند.
از آنجا که پمپ‌های مورد استفاده مانند توربین‌ها سیستم‌های کنترل فلو ندارند با تغییرات دبی نیز افت راندمان قابل توجه خواهد بود.
از آنجا که این سیستم‌ها معمولا به همراه موتورهای آسنکرون استفاده می‌گردد، لذا بصورت جزیره‌ای نمی‌توانند انرژی تولید کنند و دسترسی به شبکه برق برای شروع کار این واحدها الزامیست.
مطالعات و بررسی‌های انجام شده
پمپ‌های سانتریفیوژ از لحاظ شکل و ساختار و همچنین از نظر هیدرولیکی بسیار به توربین‌های عکس‌العملی مخصوصا توربین فرانسیس نزدیک است، البته بدون داشتن سیستم کنترل جریان.
در پمپ‌های گریز از مرکز انرژی مکانیکی چرخشی پره به انرژی فشار و جنبشی ذرات سیال تبدیل میشود. این درحالی است که در توربین‌های فرانسیس عکس این عمل انجام میشود، یعنی تبدیل انرژی فشار و جنبشی ذرات آب به انرژی مکانیکی چرخشی رانر توربین. از این رو اگر یک پمپ گریز از مرکز را به صورت معکوس در جریان سیال داری سرعت و فشار قرار دهیم، میتواند مانند یک توربین فرانسیس عمل کند.
بازدهی پمپ‌ها به صورت BEP یا بهترین نقطه عملکرد معرفی می گردد. در واقع پمپ‌ها برای محدوده هایی خاص از نسبت‌های هد و دبی طراحی میشود. در شکل‌های زیر نمونه‌ای از این نمودارها نشان داده شده است.
همانطور که مشخص است در این نمودار میتوان با توجه به دبی جریان سیال و هد مورد نیاز میزان راندمان خروجی را مشاهده نمود. قسمت مشخص شده با رنگ نارنجی محدوده بهینه یا همان BEP این مدل پمپ را نشان میدهد.
درون یک پمپ، اتلافات بیشتر از جنس اتلافات مکانیکی بوده و مربوط به هدر رفتن انرژی در اتصالات مربوط به شفت و رانر و یاتاقان‌های نگهدارنده میباشد. اصطکاک بین قطعات متحرک و ثابت در پمپ میتواند تاثیر زیادی روی راندمان خروجی آن داشته باشد.
بهترین روش انتخاب پمپ به عنوان توربین
تحقیقات بسیاری برای تعیین متدهایی برای انتخاب بهترین پمپ به عنوان توربین تا اواخر دهه ۹۰ میلادی انجام شده است که تا حدود ۲۰ درصد می تواند با نتایج حاصل از تجربه مغایرت داشته باشد.
به عنوان مثال، در یکی از نمونه‌های تحقیقاتی، نشان داده شده است که میتوان ضریبی حدود ۱.۳ تا ۲ برای هد خالص و ضریبی حدود ۱.۲۵ تا ۶.۷۶ برای دبی جریان در دسترس در نظر گرفت. به عبارت دیگر پس از اعمال ضرایب اصلاحی مذکور انتخاب پمپ بر اساس مقادیر جدید انجام میشود اگرچه نتایج نشان داده است که این اعداد کاملا وابسته به نوع پمپ و نتایج تجربی مربوط به همان نوع پمپ میباشد. در ادامه این روش مقالات دیگری برای تعیین ضرایب اصلاحی مطابق جدول زیر در فاصله سال‌های ۱۹۵۷ تا ۱۹۹۸ ارائه شده است که بر پایه این روش می باشد.
امروزه با پیشرفت علم دینامیک سیالات محاسباتی و استفاده از نرم افزارهای حل عددی در تحلیل جریان سیال، این انتخاب به مراتب راحت تر و دقیق تر شده است.
تغییر هندسه پره پمپ
وظیفه پمپ متراکم کردن سیال و افزایش فشار و سرعت ذرات آن است. به همین منظور طراحان تلاش می‌کنند بهترین هندسه ممکن را در این حالت طراحی نمایند. این هندسه متناسب با وظیفه تعیین شده برای پمپ تعیین می‌گردد و نمودارهای راندمان برحسب هد موثر و دبی نیز بر همین اساس ارائه می‌گردد.
اما وقتی نیاز است تا از یک پمپ به صورت معکوس استفاده شود، قطعا ملاحظات در نظر گرفته شده برای طراحی تغییر کرده است. در حالت اول قرار است کار (انرژی) توسط پره به سیال وارد شده و به صورت انرژی فشار و جنبشی ذرات آب خارج شود. در حالت دوم قرار است انرژی فشاری و جنبشی ذرات آب توسط پره به کار تبدیل گردد. از این رو با عوض شدن شرایط اولیه و نهایی در حالت دوم، نیاز است تا طراحی تغییر نماید.
در شرایطی که نقطه کار عملکردی پمپ در حالت معکوس تغییر نماید میتوان با تغییر ابعاد ایمپلر تغییرات محسوسی در راندمان خروجی این واحدها ایجاد نمود به عنوان نمونه هوآلین یانگ (Hualin Yang) در مقاله‌ای در سال ۲۰۲۱ تلاش کرد با تغییرات کوچکی که در هندسه اولیه پره پمپ معکوس انتخابی اعمال نماید با کمک شبیه سازی این تغییرات را نشان دهد. این بررسی ها نشان داد مطابق نمودارهای زیر در پمپ مورد مطالعه کاهش قطر پره پمپ میتواند تا حدود ۲۰ درصد باعث افزایش ۳ تا ۴ درصد راندمان پمپ در حالت معکوس گردد.
این بررسی ها همچنین مشخص کرد، کاهش ضخامت پره پمپ، سبب کاهش اثرات جدایش در پره‌ها و افزایش پارامترهای هیدرولیکی مانند هد خروجی میشود. همچنین مشخص شد در نمونه مورد بررسی تا حدود ۱.۲۶ درصد میتواند انتظار افزایش راندمان خروجی را داشت. بر اساس این آزمایش افزایش راندمان زمانی بیشتر خواهد شد که محدوده کارکرد پمپ معکوس بیشتر در بالای نقطه عملکرد بهینه پمپ قرار داشته باشد.
نمونه‌ای از استفاده نادرست پمپ‌ها به طور معکوس به عنوان توربین برق‌آبی
نیروگاه برق‌آبی چشمه روزیه سمنان از ۶ واحد تشکیل شده است. در ۵ واحد از این واحدها، از توربین‌های برق‌آبی پلتون استفاده شده و یکی از واحدها به جای استفاده از توربین، از پمپ سانتریفیوژ به صورت معکوس استفاده شده است.
در واحد شماره ۴ این نیروگاه از ۲ واحد پمپ معکوس با نام‌های PAT1 و PAT2استفاده شده است. مطابق گزارش‌های استخراجی از سیستم کنترل انرژی اصلی نشان میدهد، میزان تولید انرژی تا حدود زیادی پایین بوده و راندمان خروجی این دو واحد پمپ معکوس پایین می باشد.
در واحد PAT1 از پمپ با مشخصات زیر استفاده شده است.
در شکل زیر نمودارهای مربوط به پمپ مورد استفاده در این واحد نشان داده شده است.
نمودار بالا، راندمان خروجی پمپ براساس میزان دبی و هد مورد استفاده نشان داده شده است.
همانطور که از نمودارهای فوق مشخص است بیشترین بازدهی مربوط به حالتی است که دبی حدود ۶۵۵ مترمکعب بر ساعت (معادل ۱۸۲ لیتر بر ثانیه) باشد. یعنی همان نقطه اکسترمم تابع بازدهی برحسب دبی جریان عبوری از پمپ.
با توجه به مقادیر موجود از گزارش میزان تولید این واحد از نیروگاه، مقدار دبی عبوری، حدود ۱۰۰۸مترمکعب بر ساعت (معادل ۲۸۰ لیتر بر ثانیه) میباشد پس با احتساب این امر، نقطه عملکرد این پمپ با نقطه بهینه عملکرد از نقطه عملکرد بهینه مربوط به پمپ فاصله گرفته و در نتیجه در صورت کارکرد در آن نقطه، بازدهی حدود۶۰ درصد خواهد داشت که درحالت معکوس کمتر خواهد بود بنا به داده های موجود از بهره برداری راندمانی برابر با ۴۹ درصد در عمل با این شرایط داشت. اگر چه با اعمال برخی از تغییرات روی ایمپلر که در بالا به آن اشاره شد این راندمان برای هد و دبی فصل‌هایی که دبی زیادی از خط بایستی عبور نماید و زبری خط انتقال افت فشار زیادی را در ورودی توربین موجب میشود به شکل محسوسی بهبود داده است.
تعمیرات سه ماهیانه پمپ معکوس
لذا اگر چه استفاده از این روش میتواند در نگاه اول هزینه سرمایه گذاری اولیه به مراتب کمتری در تولید برق در مقایسه با توربین های آبی داشته باشد ولی درصورت انتخاب نادرست سیستم های PAT در جایی که نبایستی استفاده شود و یا عدم انطباق نقطه کار بهینه پمپ (Best Efficiency Point) با مشخصات منابع آبی در اختیار سرمایه گذار علاوه بر اتلاف انرژی بالقوه آب برای تبدیل به انرژی برق بازگشت سرمایه وی را نیز با مشکلات جدی مواجه نماید.
