ترجمه مقاله تحلیل تلفات عملکردی نیروگاه‌های برق حرارتی

تحلیل تلفات عملکردی نیروگاه‌های برق حرارتی در آلمان – روش مدل دینامیکی سیستم با استفاده از داده‌های بدست آمده از مدلسازی اقلیم منطقه‌ای

Analysis of performance losses of thermal power plants in Germany e A System Dynamics model approach using data from regional climate modelling

 

چکیده

اغلب نیروگاه‌های برق حرارتی بیش از 300 مگاوات از آب رودخانه برای خنک‌سازی استفاده می‌کنند. افزایش دما آب و هوا در اثر تغییرات جوی می‌تواند به طور قابل توجهی روی راندمان و محصول توان این نیروگاه‌های برق تاثیر بگذارد. در این مقاله ما این آثار را با مدلسازی واحدهای نیروگاه حرارتی آلمان و سیستم‌های خنک‌سازی مربوط به آنها بررسی می‌کنیم که این کار از طریق شبیه‌سازی دینامیکی و با در نظر گرفتن آستانه‌های قانونی برای تخلیه گرما به آب رودخانه‌ها به همراه پیش‌بینی اطلاعات جوی محقق می‌شود. کاهش احتمالی در خروجی و راندمان آتی (2011- 2040 و 2040- 2070) برای نیروگاه‌های برق حرارتی از طریق سیستم‌های خنک‌سازی once-through (OTC) و مداربسته (CCC) و تحت چارچوب‌های قانونی فعلی انجام می‌گیرد. اعتبارسنجی مدل نشان داد که روش انتخاب شده دینامیک سیستم برای تحلیل آثار تغییرات جوی روی واحدهای برق حرارتی مناسب است. نتایج این مدل نشان دهنده کمترین آثار برای واحد‌ها از طریق سیستم‌های CCC است: گرایش میانگین برای CCC برای سناریوی A1B (2011 – 2070) انتظار می‌رود برابر -0.10 W/a بوده و برای یک سیستم OTC برابر -0.33 MW/a باشد. بر پایه اطلاعات روزانه، توان خروجی همه واحدهای OTC مدنظر به 4/66% ظرفیت نامی کاهش می‌یابد، و برای یک واحد تنها حتی به 32% هم می‌رسد.

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

 

1. مقدمه

تابستان‌های گرم در سال‌های 2003 و 2006 نشان دهنده آسیب‌پذیری منابع الکتریکی نسبت به این حوادث بودند. همچنین در نوشتجات علمی علاقه فزاینده‌ای در آسیب‌پذیری بخش انرژی به تغییرات جوی قابل مشاهده است. امواج گرم و کمبود آب خنک‌سازی برای نیروگاه‌های برق حرارتی (هسته‌ای و فسیلی) از این آثار هستند. در آلمان، بیشترین سهم ظرفیت نیروگاه برق توسط نیروگاه‌های برق حرارتی که اغلب از آب برای اهداف خنک‌کاری استفاده می‌کنند، نمایش داده می‌شود. تغییر دمای رودخانه‌ها تاثیر چشم‌گیری روی تولید برق دارد: تخلیه‌های آب خنک‌کاری به منظور حفاظت از محیط آبزیان باید با مقادیر آستانه مقررات مطابقت داشته باشد. کاهش ظرفیت خنک‌سازی آب رودخانه باعث محدودشدن میزان تولید برق خواهد شد. علاوه بر این، دمای آب رودخانه روی دمای قبل از کندانسور تاثیر می‌گذارد که آن هم به نوبه خود روی راندمان نیروگاه برق موثر است.

دانش کلی فعل و انفعال عمکلرد نیروگاه برق، در دسترس بودن آب خنک‌کاری و آثار تغییرات جوی برای اپراتورهای نیروگاه برق و اولیای امور همگانی ضروری است. اپراتورهای نیروگاه برق با توجه به برنامه‌ریزی رسیدگی به نیروگاه یا سرمایه‌گذاری‌های بالقوه، نیاز به پشتیبانی از تصمیم دارد. عواقب چارچوب قانونی فعلی و یا آتی باید به یک شیوه کمی تحلیل شود تا راندمان آن تضمین شود.

بنابراین، آثار تغییرات جوی روی سیستم‌های خنک‌سازی نیروگاه برق در گذشته تجزیه و تحلیل شده است.

تحلیل‌های کُچ و همکاران روی مدیریت آینده منابع آبی در سایه تغییرات جوی متمرکز است. این کار مدلسازی‌های وابسته به خواص آب و اقلیم را ترکیب می‌کند تا دسترس‌پذیری آتی آب خنک‌سازی را ارزیابی کند. آثار روی عملکرد نیروگاه برق با کمک مدل KASIM شبیه‌سازی می‌شوند. این مدل نشان دهنده یک جزئیات اجرایی یک ماه بوده و مبتنی بر نتایج تحلیل‌های تجربی و اطلاعات جامع نیروگاه‌های برق است. این روش به انواع حوض‌های رودخانه‌ای در آلمان اعمال شد. اخیرا، یک روش مشابه توسط وان ولیت و همکاران انجام شد تا آثار بالقوه تغییرات جوی روی تولید برق در اروپا و آمریکا برای 96 نیروگاه برق ارزیابی شود.

از طرف دیگر تعدادی از مطالعات روی مساله خنک‌سازی نیروگاه برق برای محل‌ها یا فناوری‌های خاص متمرکز هستند. بیشتر این مطالعات اثر دمای متغیر آب خنک‌سازی را از طریق تحلیل حساسیت بررسی می‌کنند. مقاله آقای گریس و همکاران این آثار را برای یک نیروگاه برق حرارتی مجهز به سیستم خنک‌کاری CCC (مداربسته) را بر اساس روابط تحربی خاص نیروگاه کمیت‌بخشی کردند. مشابه این کار ارائه شده در اینجا، برای محاسبه سناریوهای بلندمدت شامل آثار بالقوه تغییرات جوی، روش دینامیک سیستم انتخاب شد.  

در این مقاله برای مطالعه آثار بالقوه تغییرات جوی روی نیروگاه‌های برق حرارتی در آلمان، روش مشابهی انتخاب شده است. برخلاف کار کچ و همکاران، تمرکز روی شبیه‌سازی فعال و انفعال دینامیکی بین خنک‌سازی نیروگاه برق، راندمان نیروگاه و دمای آب صورت گرفته است. مدل سیستم خنک‌سازی ارائه شده در اینجا دو فناوری بسیار شایع در آلمان را پوشش می‌دهد: OTC و سیستم CCC. علاوه بر این، برای هر نیروگاه برق مدل‌شده، ما پارامترهای فنی خاص نیروگاه مربوط به منابع مختلف را به کار بردیم. در این متن با روش دینامیک سیستم می‌توان این فعال و انفعالات را با دقت موقت روزانه و از طریق روابط تجربی و ترمودینامیکی نمایش داد. عملکرد فرایند خنک‌سازی با الگوریتم‌های ترمودینامیکی محاسبه می‌شود. با این کار می‌توان مدل مناسبی برای محل‌های مختلف نیروگاه‌های برقی اتخاذ کرد. سناریوهای اقلیمی که از مدل اقلیم ناحیه‌ای استخراج می‌شوند برای همه محل‌های مورد تحقیق نیروگاه‌های برقی به کار می‌روند. داده‌ها از مدل REO (UBA run) برای سناریوهای IPCC SRES، A1B، A2 و B1 بدست آمدند. این سناریوها انواع توسعه‌های سیاسی، اقتصادی و جامعه‌شناسی را منعکس می‌کنند و نشان دهنده محدوده ممکن از پیش‌بینی‌های جوی برحسب انتشارات گازهای گلخانه ای و گرامیش زمین است. علاوه بر این، مقادیر آستانه قانونی مربوط به محل برای دماهای خنک‌سازی و آب رودخانه در این مدل ترکیب شده است. این مطالعه شامل مدلسازی وابسته به خواص آب حوض‌های رودخانه‌ای نمی‌شود. با این حال، دماهای آب از مجموعه‌های زمانی اندازه‌گیری شده مربوط به محل و تحلیل‌های برگشتی استخراج شده‌اند.

در تحلیل ما، دیسپاچینگ واحدهای برق، طول عمر اقتصادی آنها و تصمیمات انرژی مقیاس وسیع سیاسی، مثل خروج نیروگاه‌های هسته‌ای، در نظر گرفته نمی‌شوند تا تاثیر تغییرات جوی جدا شده و آسیب‌پذیری نیروگاه‌های برق حرارتی موجود در آلمان ارزیابی شود (سال مرجع: 2010). چارچوب قانوی (مقادیر آستانه) نیز اشاره به سال 2010 دارند. تحلیل آسیب‌پذیری زیرساخت آتی آلمان برای منابع الکتریکی با در نظر گرفتن آثار تغییرات جوی در این مقاله مدنظر قرار نمی‌گیرند. همچنین شایان ذکر است که انتشارات نیروگاه برق که زمینه سناریوهای IPCC است، از انتشاراتی که ما در این مطالعه فرض کرده‌ایم، متفاوت است.

این مطالعه کاهش‌های خروجی ممکن نیروگاه‌های برق حرارتی در آلمان در میان‌مدت (2011-2040) و بلندمدت (2040- 2070) را کمیت‌بخشی می‌کند. این مطالعه اختلاف بین سیستم‌های خنک‌سازی را تحلیل کرده و آن‌ها را با دوره کنترل (1961-1990) مقایسه می‌کند. برای ارزیابی هر چه بیشتر عواملی مهم آسیب‌پذیری دو سناریوی مختلف در تحلیل‌ها در نظر گرفته‌ شده است: آثار بهبود سیستم خنک‌سازی از OTC به CCC و تحلیل حساسیت روی کاهش بارندگی (آب)[1] که بارندگی متوسط به 10%، 20% و 50% کاهش یافته است.

2. روش‌شناسی

در این مطالعه کاهش‌‌ خروجی ناشی از آستانه‌های مربوط به آب رودخانه و نیز آثار آن روی راندمان واحدهای برقی از طریق مدلسازی سیستم‌های خنک‌سازی نیروگاه‌های برق حرارتی و طبق روش دینامیک سیستم (SD) تحلیل می‌شوند. در این بخش تمرکز بر روی مدل CCC است. پس زمینه روش‌شناسی مدل سیستم OTC در [18] توصیف شده است. در بخش 2.1، دلایل ذکر شده‌اند که استفاده از دینامیک سیستم را توجیه می‌کنند و تحلیل‌های اولیه کمیت‌بخشی نیز انجام می‌شوند. کاهش‌‌های راندمان از طریق رگرسیون خطی در مدل دینامیک سیستم عملی می‌شوند. برای تخمین مدل و ضریب رگرسیون از یک نرم‌افزار مهندسی تعادل حرارت استفاده شد (بخش 2.2 را ببینید). دیدگاه‌های مربوط به سازوکار خنک‌سازی برج‌های خنک‌کننده با کشش جریان هوا (NDT) در بخش 2.3 بیان می‌شود. داده‌های ورودی به کار رفته شامل آستانه‌های مربوط به آب رودخانه، پارامترهای فنی و مجموعه اطلاعات هواسنجی- آبی در بخش 2.4 توصیف شده است.

1. 1. روش دینامیک سیستم

دینامیک سیستم به منظور تحلیل رفتار دینامیکی سیستم‌های پیچیده و غیرخطی توسعه یافت. مدل‌های دینامیکی می‌توانند درک چنین‌ سیستم‌ها و تصمیمات پشیتبانی را بهبود دهند. سیستم‌های دینامیک شامل پسخوردها و تاخیرهایی هستند که مشخصات معمول برای عملکرد سیستم‌های خنک‌کننده هستند: وابستگی‌های پیچیده را می‌توان بینپارامترهای فنی، آب- هواسنجی و مقادیر آستانه قانونی یافت (شکل1 را ببینید). رفتار دینامیکی در زمان و اتخاذ به یک محیط متغیر از طریق معادلات دیفرانسیل توصیف می‌شود. علاوه بر این، با نرم‌افزار مدلسازی VENSIM DSS، می‌توان سناریوهای اقلیمی را به طور همزمان مشارکت داد و نمایش گرافیکی به شناسائی حساس‌ترین پارامترهای سیستم کمک می‌کند.

با دینامیک سیستم، گزینه‌های مختلف برای تصویرسازی سیستم‌های دینامیکی را می‌توان اعمال کرد: دیاگرام‌های حلقه سببی و stock-and-flow. دیاگرام‌های حلقه بسته تاحدودی کمی بوده و رابطه بین متغیرها را توصیف می‌کنند (شکل1). چنین دیاگرام‌هایی شامل گره‌ها و کمان‌هایی هستند که به صورت مثبت و منفی برچسب‌‌گذاری شده‌اند. یک پیوند مثبت به این معناست که متغیر افزایشی A باعث افزایش متغیر B خواهد شد، در حالی که پیوند منفی به این معناست که افزایش متغیر A باعث کاهش متغیر B می‌شود. اثر سببی بین چندین متغیر که تشکیل یک حلقه را می‌دهند می‌توانند متعادل‌کننده یا تقویت‌کننده باشند. در شکل1، یک دیاگرام حلقه سببی به یک سیستم CCC اعمال شده است.

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

دراینجا تنها علیت‌های بسیار مهم در نظر گرفته شده‌اند. سه حلقه پسخورد را می‌توان شناسائی کرد: الف) (1و2و3)، ب) (2و3و4و5) و ج) (1و6و5و2و3). اولین حلقه پسخورد تقویت‌کننده و حلقه‌های دوم و سوم متعادل‌کننده سیستم هستند. با در نظر گرفتن حلقه دوم، متعادل‌کردن به صورت موقت رخ می‌دهد (وقتی آستانه‌ها فراتر روند) و منجر به کاهش خروجی واحد نیروگاه برق می‌شود. حلقه سوم شامل حدود راندمان ترمودینامیکی می‌شود اما تنها یک اثر کوچک روی کل سیستم دارد. دیاگرام حلقه سببی نشان می‌دهد که دینامیکسیستم می‌تواند به درک سازوکار سیستم‌های خنک‌کننده کمک کند. با این حال، دیاگرام حلقه سببی نیازمند این است که با یک پیاده‌سازی کمی که اساس آن دیاگرام stock-and-flow است، تکمیل شود. این دیاگرام‌ها را می‌توان به عنوان یک رابط بین مدل واقعی و شبیه‌سازی رایانه‌ای در نظر گرفت. بخش‌های مختلف این دیاگرام‌ها در شکل2 نشان داده شده‌اند.

Stock ها نشان دهنده وضعیت سیستم بوده و در هر گام زمانی دارای یک مقدار قابل‌ اندازه‌گیری هستند. پیکان‌هایی که به یک stock اشاره می‌کنند مقدار آن را افزایش می‌دهند (inflow) ، پیکان‌هایی کهاز یک stock خارج می‌شوند مقدار آن را کاهش می‌دهند. ابرها نشان دهنده منابع بوده و سینک‌های خروجی مدل، متغیرهای کمکی هستند که به منظور اهداف محاسباتی به کار می‌روند. یک نمونه ساده‌شده از دیاگرام‌های سیستم خنک‌کننده stock-and-flow را می‌توان در شکل3 مشاهده کرد.

برای سادگی، انرژی حرارتی به تعادل دمایی آب خنک‌کننده و تعادل جرمی آب خنک‌کننده تقسیم می‌شود. شکل3 نشان دهنده سیستم خنک‌کننده را قبل و بعد از کندانسور را نشان می‌دهد (شماره 1 و 2 را در شکل1 ببینید). در این مدل، stock و متغیرهای کمکی برای هر گام زمانی محاسبه می‌وشند.معادله (1) نشان دهنده محاسبه حرارت اتلافی است که نیازمند تخلیه است.

 

که: P_W = گرمای اتلافی(وات)، P_th = توان حرارتی(وات)، P_el = توان الکتریکی خروجی کل(وات)، P_a = توان کمکی (وات)، P_l =  تلفات وارده به محیط از طریق دودکش، η_act = راندمان واقعی (-).

برخی از آب‌های خنک‌کننده از طریق تبخیر و دریفت موقع استفاده از برج خنک‌کننده تلف می‌شوند. این تلفات منجر به افزایش غلظت نمک در آب خنک‌کننده می‌شوند که باید توسط بازگشت مقداری آب تازه رودخانه این مقدار غلظت کاهش یابد. تلفات و جایگزین‌های ضروریآب با استفاده از تخمین مویرس[2] و بالدوین[3] محاسبه می‌شوند:

 

که: Q_e = تلفات تبخیر (kg s^-1)، T_h = دمای آب گرم (ورودی برج) (℃)، Q_c = مقدار آب خنک‌کننده (kg s^-1) T_c = دمای آب سر (خروجی برج) (℃).

تلفات اسپری و دریفت Q_d با یک ضریب و به صورت زیر تخمین زده می‌شود:

 

مقدار آبی که باید تخلیه و جایگزین شود تا از شکل‌گیری رسوب پیشگیری شود، از رابطه زیر تعیین می‌شود:

 

که: Q_b = خروج باقی‌مانده (kg s^-1)، c_c = غلظت نمک در آب سیار (mg l^-1)، c_m = غلظت نمک در آب جبران (mg l^-1) .

مقدار آب جبران برای جایگزینی با تلفات Q_m­­ برابر می‌شود با:

 

1. 2. تاثیر دمای آب خنک‌کننده روی راندمان واحد برق

رابطه بین دمای آب خنک‌کننده و راندمان از طریق مدلسازی چرخه‌های ترمودینامیکی ایده‌آل و واقعی تخمین زده می‌شود. مدلسازی به کمک نرم‌افزار مهندسی تعادل گرما THERMOFLEX از شرکت Thermoflow انجام شد. چهار فرایند مختلف شبیه‌سازی شدند: یک چرخه ایده‌آل رانکین با اضافه گرما، یک چرخه واقعی رانکین با اضافه گرما، یک چرخه واقعی رانکین با اضافه گرما و پیش گرمایش، و چرخه واحد نیروگاه برق زغال‌سنگ سخت آلمانی Staudinger 5. برای هر چرخه، اختلاف بین دمای آب خنک‌کننده پس از کندانسور و دمای بخار متراکم فرض می‌شود که با توجه به نظر کارشناسان در دمای 3 K ثابت باشد. این چرخه‌ها با دمای ورودی آب خنک‌کننده 274 K شبیه‌سازی می‌شوند که به صورت پله‌ای با 5 K افزایش می‌یابد در حالی که دیگر پارامترها ثابت نگه داشته می‌شوند. در نتیجه، با تغییر دمای ورودی آب خنک‌کننده، یک رابطه خطی قابل استخراج است. با مقایسه چهار چرخه مختلف -  منجمله کاربرد واحد نیروگاه برق زغال‌سنگ سخت Staudinger 5 -  در همه موارد دامنه یکسانی قابل مشاهده است: با افزایش دمای آب خنک‌کننده به اندازه 1 K، راندمان حدود 12/0% کاهش می‌یابد. علاوه بر این، این نتیجه مهم در همان محدوده‌ای است که از مطالعات دورمایاز[4] و سوگوت[5] برای سایت نیروگاه برق هسته‌ای بدست آمد. بنابراین، این روش انتخاب و از طریق معادله ذیل پیاده‌سازی می‌شود:

 

که: η_act = راندمان واقعی (-) ، η_des = راندمان طراحی در دمای آب سرد طراحی (-) T_bc = دما قبل از کندانسور (℃)، T_c,des = دمای آب سرد طراحی (℃).

1. 1. 1. شبیه‌سازی برج خنک‌کننده

برای محاسبه دمای آب خنک‌کننده پس از برج خنک‌کننده (دمای آب سرد T_c) از یک روش تک‌بعدی طبق بنتون[6] استفاده شد. هر برج خنک‌کننده توسط مقادیر طراحی آن مشخص می‌شود که عملکرد برج خنک‌کننده تحت شرایط مشخص تعیین می‌شود. این مقادیر طراحی به منظور محاسبه ضریب عملکرد، ضریب کار (D_t)، به کار می‌روند. این ثابت عملکرد کلی برج خنک‌کننده را تحت همه شرایط عملکردی تعریف می کند. معادله D_t توسط چیلتون[7] ایجاد شده و توسط بنتون اصلاح شد، که به صورت زیر است:

 

که: z = محدوده خنک‌سازی (℉)، ∆h = اختلاف آنتالپی هوا (Btu lb^-1) T_d = دمای خشک مخزن (℉)، T_w = دمای مرطوب مخزن(℉)، ∆t = اختلاف بین T_d و دمای هوایی که مخزن را ترک می‌کند (℉).

ضرایب T_d، T_w و z و نیز نمای z/∆h  توسط بنتون استخراج شدند. از آنجا که D_t از نظر بُعد ثابت نیست، همه پارامترهای ورودی به واحدهای متناظر به کار رفتهدر معادله (7) تبدیل می‌شوند و سپس مجدد به واحدهای SI بازگردانده می‌شوند. مقادیر تبدیل به صورت زیر بیان می‌شوند:

 

دمای آب در خروجی برج خنک‌کننده (دمای آب سرد T_c) توسط یک روش تکرار تعیین می‌شود، جای که مقدار آن با کمک D_t تقریب زده می‌شود که از مشخصات طراحی برج بدست می‌آید و نیز D_t توسط مشخصات در هر نقطه شبیه‌سازی داده می‌شود. تکرار وقتی متوقف می‌شود که شرط  برآورده شود.

1. 3. داده‌های ورودی

داده‌های ورودی مدل خارجی شامل مقررات اجرائی (بخش 2.4.1)، پارامترهای آب- هواسنجی (بخش 2.4.2) و پارامترهای فنی مخصوص واحد مربوط به واحدهای نیروگاهی (بخش 2.4.3) هستند.

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

1. 1. 1. مقادیر آستانه مربوط به آب

آستانه‌های مربوط به آب رودخانه در بخشنامه اروپا 2006/44/EC تنظیم می‌شوند. در سطح بین‌المللی، این آستانه‌ها توسط گروه کاری آلمان بر روی مسائل آبی، تکمیل می‌شوند. علاوه بر این، هر نیروگاه برق می‌تواند آستانه‌های خود را که در مجوزهای عملکردی واحدهای متناظر تعریف شده‌اند، داشته باشند. در بخشنامه 2006/44/EC بخش‌های آب رودخانه‌ای به دسته‌های آب سلمونید و سیپرینید تقسیم می‌وند، در حالی که بیشتر مکان‌های نیروگاه‌های برق در رودخانه‌های سیپرینید واقع می‌شوند. آستانه‌های متناظر برای این دستهتعریف می‌شوند و به بیشتر واحدهای نیروگاه‌ برق و با توجه به سیستم خنک‌کنندگی آنها اعمال می‌شوند:

• بیشترین دمای آب در تخلیه:
  • OTC : ℃30 (در موارد استثنائی ℃33)
  • OTC به همراه برج خنک‌کننده: ℃33
  • CCC: ℃35
• بیشترین افزایش دمای رودخانه: K 3
• بیشترین دمای رودخانه پیش از تخلیه: ℃28

با در نظرگرفتن پایگاه دادۀ مدل، استفاده از مقادیر مشخص واحد نیروگاه برق دارای بیشترین اولویت بود. اگر هیچ اطلاعاتی در دسترس نبود، عمومی‌ترین داده‌های [30] و [31] به کار رفتند.

1. 1. 2. پارامترهای آب- هواسنجی

برای عملیات کنترلی و اعتبارسنجی مدل، مجموعه‌های زمانی مشاهده شده پارامترهای ورودی آب- هواسنجی به کار رفتند. اطلاعات دمای هوای اندازه‌گیری شده از ایستگاه‌های آب و هوایی حومه محل‌های نیروگاه‌های برق و از ایستگاه‌های دمای آب بدست آمدند. اطلاعات دمای هوا و نیز فشار هوای اندازه‌گیری‌شده و رطوبت نسبی توسط سرویس هوایی آلمان DWD فراهم شد. این پارامترهای هواسنجی برای استخراج اطلاعات دمای مرطوب مخزن به کار رفتند. اطلاعات دمای آب از منابع مختلف بدست آمد: از بین آنها می‌توان به مراجع عمومی مثل موسسات آب‌شناسی، آژانس‌های کشتی‌رانی و محیطی، و نیز اپراتورهای نیروگاه برق اشاره کرد. اطلاعات بارش از ایستگاه‌های اندازه‌گیری نزدیک نیروگاه‌های برق و اغلب توسط مراجع آب و کشتیرانی آلمان (WSA) و نیز از آژانس‌ها محیطی فدرال تامین می‌شدند.

برای تحلیل آثار احتمالی آتی، اطلاعات شبیه‌سازی دمای آب برای دوره آینده (2011-2070) توسط ابزارهای روزانه مدل اقلیم ناحیه‌ای REMO تخمین زده شد (UBA run). برای در نظر گرفتن سناریوهای جوی مختلف، ما سناریوهای A1B (بر اساس رشد اقتصادی و تعادل ترکیب فسیل و انرژی تجدیدپذیر که منجر به افزایش CO₂ متوسط می‌شود)، A2 (تغییر کند و چندپاره تکنولوژیکی، افزایش CO₂ بزرگ) و B1 (افزایش سهم فناوری‌های تمیز و کارا، افزایش CO₂ کوچک). سناریوهای جوی مختلف مبتنی بر چندین فرض اقتصادی، سیاسی، فرهنگی و توسعه جمعیتی هستند و بنابراین آینده‌های احتمالی گوناگونی را رقم می‌زنند. ما این سه دسته را انتخاب کرده‌ایم تا نمایندگانی از سناریوهایی داشته‌ باشیم که طیف توسعه‌های احتمالی را پوشش دهند. یک تجزیه و  تحلیل همبستگی مجموعه دمای آب مشاهده شده همگن و مجموعه‌ دمای هوای روزانه نشان دهنده همبستگی قابل‌توجه بین دو پارامتر یاد شده است. از آن جا که یک رابطه قوی بین دماهای اندازه‌گیری‌شده آب و دماهای هوای شبیه‌سازی شده وجود دارد، ما این روش را برای تخمین دمای آتی آب محل‌های بررسی شده، انتخاب کردیم. دماهای آب توسط Straugh و بر اساس یک رگرسیون منطقی توسط محسنی و همکاران به کمک دماهای آب مشاهده شده مل متغیر توضیحی، شبیه‌سازی شدند:

 

که:  TW_est = دمای آب تخمینی (℃)، μ = دمای کمینه تخمینی برای رودخانه (℃)، α = دمای بیشینه تخمینی برای رودخانه (℃)، γ  = بیشترین شیب تابع (-)، β = دمای هوا در نقطه عطف (℃)، T_Aac = دمای هوا، اصلاح شده با ارتفاع (℃).

پارامتر α، β و γ و μ از طریق برازش معادله (8) به مجموعه‌های زمانی دمای آب  هر محل و با شروع از مقادیر تخمینی توسط [2] بدست می‌آیند. تایید شبیه‌سازی‌های مقایسه شده با دماهای مشاهده شده آب نتایج رضایت‌بخشی داشت که ضریب نش- ساتکلیف[8] بین 78/0 و 98/0 بوده و خطای جذر میانگین برای نواحی مختلف بین 81/0 ℃ و 14/2 ℃ بود. مجموعه اطلاعات دمای مرطوب مخزن نیز با پائت[9] و آیچ[10] و به کمک اطلاعات شبیه‌سازی شده REMO محاسبه شدند. بارش برای آینده مدلسازی نشد چون پیش‌بینی‌های بارش برای بیشتر رودخانه‌ها در دسترس نبود و کاربرد یک مدل آب‌شناسی خارج از بحث است. در این مورد، میانگین روزانه a≥30 سال به کار رفت، معمولا برای دوره مرجع جوی 1961-1990.  ما این دوره را انتخاب می‌کنیم، چون این یک دوره استاندارد سازمان هواشناسی جهانی (WMO) است و به عنوان معیاری برای مقایسه‌های اقلیم کنونی و یک اقلیم احتمالی آینده به کار می‌رود. تحلیل‌های حساسیت به این منظور انجام شدند که آثار بارش متغیر روی سیستم بررسی شود، چون مطالعات مختلف نشان دهنده یک جابجایی احتمالی در الگوهای بار ناشی از آب و هوای متغیر است. توجه عمده روی نزولات آسمانی[11] کم در تابستان و بارش بیشتر در طول زمستان است. با اینکه همبستگی بین نزولات و بار ممکن است خطی نباشد، می‌توانیم فرض کنیم که بارش کمری درماه‌های تابستان رخ می‌دهد. بنابراین، ما حساسیت مدل را به سمت کاهش 10%، 20% و 50% بارش شبیه سازی می‌کنیم.

1. 1. 3. پارامترهای فنی واحدهای نیروگاه‌ برق

پارامترهای فنی خاص واحد از منابع مختلفی کسب شدند، و در کنار آن اطلاعاتی از اپراتورهای نیروگاه برق بدست آمد. پارامترهای فنی مثل راندمان و خروجی ناخالص الکتریکی توسط اطلاعات کامل سیستم‌های خنک‌سازی و مشخصات برج خنک‌کننده تکمیل شدند. اطلاعات جمع‌آوری شده در جدول1 بیان شده است.

واحدهای برق با سیستم‌های خنک‌کننده ترکیبی (CMB) قادر به سوئیچ بین مودهای عملکردی مختلف هستند (ملا بین OTC و CCC). در مدل ما CMB با CCC در نظر گرفته شده و به عنوان واحدهای برق CCC مدل شدند. در نتیجه، این نتایج را می‌توان به عنوان تخمین بالاتر برای این واحدهای برق در نظر گرفت چون CCC ها از آستانه‌ها کمتر فراتر می‌روند (بخش 3.2.1 را ببینید). برخی از واحدهای برق شبیه‌سازی شده به صورت واحدهای تولید همزمان برق و گرما کار می‌کنند، لذا بخشی از گرمای اتلافی آنها به سمت مصرف‌کننده نهائی انتقال می‌یابد. با این حال، اطلاعات مصرف گرما و حرارت ناحیه برای این واحدها در اختیار نبودند. بنابراین، فرض شده است که در ماه‌های تابستان مصرف حرارت ناحیه خیلی کم بوده و گرمای اضافی در محیط زیست تخلیه می‌شود.

1. 1. 4. مرور واحدهای برق شبیه‌سازی شده در آلمان

در تابستان، 26 واحد نیروگاهیبا ظرفیت کل 19364 مگاوات با مدل‌های سیستم خنک‌کننده توصیف‌شده، شبیه‌سازی شدند. لذا، تنها واحدهایی که در انتهای سال 2010 عمل می‌کردند در نظر گرفته شدند. شکل4 مروری است بر واحدهای مدل شده در کنار اطلاعاتی مربوط به حامل‌های انرژی، سیستم خنک‌کننده و حوضچه آب رودخانه.

نیروگاه‌های برق زغال‌سنگ در آلمان برای اهداف خنک‌کاری از آب‌های آزاد استفاده می‌کنند، در نتیجه روش ما در این موارد کاربرد ندارد. از این رو، تنها واحدهای نیروگاهی هسته‌ای و زغال‌سنگ سخت مدل شدند. با در نظر گرفتن سیستم خنک‌کننده، 17 واحد نیروگاهی شبیه‌سازی شده از سیستم OTC استفاده می‌کنند. نه واحد نیروگاهی یا دارای سیستم CCC معمول و یا سیستم CMB هستند که می‌تواند به عنوان یک سیستم CCC کار کند. بیشتر واحدهای برق شبیه‌سازی شده در رودخانه راین واقع هستند (8 واحد). برای برخی واحدهای برق تخلیه‌های دیگری از منابع دیگر بین نقطه اندازه‌گیری دمای آب و واحد وجود دارد. بنابراین، موقع بحث در رابطه با عدم‌قطعیت‌ها در این روش، این موضوع را باید در نظر داشت. مجموع ظرفیت مدل‌شده معادل است با حدود 20% کل ظرفیت نصب شده نیروگاه برق حرارتی در آلمان در سال 2010.

3. نتایج مدل
   1. تایید مدل
      1. عملکرد برج خنک‌کننده

شبیه‌سازی برج خنک‌کننده از طریق دمای آب سرد تایید شد، که این پارامتر توسط روش ارائه شده در بخش 2.3 تعیین می‌شود. مدل برج خنک‌کننده با توجه به مقایسه نتایج آن با مقادیر نقشه عملکرد یک برج خنک‌کننده مربوط به نیروگاه برق حرارتی Neurath تایید شد.

نقشه‌های عملکردی توسط شرکت سازنده برج خنک‌کننده ایجاد می‌شوند. دمای آب سرد از طریق اجرای مدل از یک طرف و به صورت جغرافیایی از نقشه‌ها از طرف دیگر، تعیین شد. مقایسه نشان می‌دهد که برای رطوبت ثابت 75% نتایج شبیه‌سازی بسیار نزدیک به مقادیر بدست آمده از نقشه هستند (شکل5). درصد خطای خالص میانگین (MAPE) بین مدل و مقادیر نقشه برابر 2% است. رطوبت هوای 75% انتخاب شد، چون در محل نیروگاه برق Neurath، رطوبن نسبی میانگین سالانه حدودا برابر 76% است. این مدل در رطوبت‌های نسبی مختلف عملکرد خوبی دارد.

1. 1. 2. تایید مدل

در این بخش، مدل ارائه شده از طریق مقایسه اطلاعات مشاهده شده خروجی نیروگاه بر تایید می‌شود. این تایید با کمک اطلاعات موجود مربوط به تولید توان برای واحدهای Krummel (KKK) و Grafenrheinfeld (KKG) انجام گرفت.

1. 1. 1. 1. تایید مدل OTC. مدل OTC برای واحد نیروگاه برق هسته‌ای Krummel در شمال آلمان به تایید رسید. بنابراین، کاهش‌هایی که در طی تابستان 2006 رخ داد با نتایج شبیه‌سازی مدل مقایسه شدند. دراین مورد، شبیه‌سازی شامل تغییرات فصلی راندمان نمی‌شود چون در اطلاعات مشاهده شده تنها کاهش‌های استثنائی عملکرد توصیف می‌شوند. تنها تجاوز از مقادیر آستانه دمای تخلیه، مسئول کاهش خروجی شبیه‌سازی شده هستند. طبق شکل6، منحنی شبیه‌سازی به منحنی اندازه‌گیری شده نزدیک است. MAPE برای کل سال برابر 6/0 % و برای ماه‌های تابستان دوره تایید برابر 3/2% است. دلایل این اختلاف را می‌توان در دقت‌های موقت مختلف (گام‌های زمانی روزانه در مدل‌ها در برابر مقادیر ساعتی مرجع [45])، عدم قطعیت‌های مدل، یا اختیارات خاص توسط انجمن محلی جستجو کرد که به اپراتورها اجازه می‌دهندتا از دماهای آستانه تخطی کنند.
         2. تایید مدل CCC. در سال‌های گذشته، تنها واحد نیروگاه هسته‌ای فیلیپسبورگ 1 باید توان خروجی خود را موقع استفاده از سیستم CCC کاهش می‌داد. در طی تابستان 2003، طبق جامعه اتمی آلمان، خروجی باید تا 20% کاهش می‌یافت. با این حال، شبیه‌سازی این کاهش‌های خروجی توسط اطلاعات مشاهده شده 2003 و با مدل CCC امکانپذیر نبود. شاید یکی از دلایل ـن بیشترین دمای میانگین مشاهده شده تابساتن در راین بود که در سال 2003 به 4/27 ℃ رسید. از آنجا که انرژی حرارتی بازگشتی به رودخانه خیلی کم است، آستانه تخطی شده احتمالا بیشینه دمای رودخانه 28 ℃ است. این امکانپذیر است که برای دقت موقت داده شده برای مدل، بیشترین مقادیر روزانه دمای رودخانه که از 28 ℃ فراتر می‌رود درنظر گرفته نشده و در نتیجه باعث کاهش خروجی توان نشود. عملیات تایید واحدهای Gundremmingen و Grafenrheinfeld در تابستان 2006 مطابق داده‌های مشاهده شدهاست. مقادیر شبیه‌سازی و مشاهده شده جامعه اتمی آلمان هیچ کاهشی را نشان نداد.
         3. تایید تغییرات راندمان فصلی. از آنجا که برای واحدهای برق CCC هیچ کاهشی در خروجی وجود نداشت، تایید کاهش راندمانناشی از تغییر دماهای آب خنک‌کننده قبل از کندانسور بسیار مهم است. بنابراین، اطلاعات خاص واحد مربوط به الکتریسیته تولیدی به کار رفت. واحد نیروگاه برق هسته‌ای Grafenrheinfeld برای اهداف تایید مدنظر قرار گرفت. شکل7 مقادیر شبیه‌سازی در مقایسه با مقادیر مشاهده شده را نشان می‌دهد.

همان طور که در شکل7 دیده می‌شود، تولید شبیه‌سازی به صورت جزی بیشتر از مقدار شبیه‌سازی است. علیرغم همبستگی خوب در ماه‌های تابستان، یک اختلاف قابل توجه در هر دو مجموعه داده، وجود دارد. پس از حذف دو بازنگری (آوریل 09/08) از مجموعه داده‌ها، MAPE برابر کل دوره و برای ماه‌های تابستان به ترتیب برابر 8/1% و 4/1% است. تست من- ویتنی[12] (تست U) اختلاف برای کل دوره را تاکید می‌کند، در حالی که اگر تنها ماه‌های تابستان در نظر گرفته شود (p = 0.40) فرضیه جایگزین دیگر رد می‌شود. در کل، این مدل مقادیر مشاهده شده را به شیوه‌ای رضایت‌بخش شبیه‌سازی می‌کند حتی اگر اختلاف‌های اساسی در طی ماه‌های زمستان وجود داشته باشد.

1. 2. تحلیل سناریو

این بخش نتایج شبیه‌سازی واحدهای انتخاب شده نیروگاه‌های برق را توصیف می‌کند. وجه مشترک این سناریوها این است که هیچ‌کدام از آنها نه برنامه‌ریزی بازنگری و نه خاموشی‌های عملکرد منعکس نشده‌اند. بنابراین، لازم است نتایج به عنوان تخمین بالاتر در نظر گرفته شوند. در ابتدا (بخش 3.2.1)، خروجی شبیه‌سازی و کاهش‌های راندمان با توجه به هر محل و برای دوره شبیه‌سازی 2011-2070 نمایش داده می‌شوند. سپس، نتایج کلی 26 واحد نیروگاهی شبیه‌سازی شده انباشته شده و به صورت آماری طبق فناوری‌های خنک‌کاری مربوط به خود تحلیل می‌شوند.در بخش 3.2.2 نتایج سناریوهای انطباق بیان و بحث می‌شوند. همه سناریوهای مورد فرضی فناوری‌های ثابت، ساعات کار سالیانه ثابت و قیود مقرراتی را در کل دوره شبیه‌سازی فرض می‌کنند. در واقع، همه نیروگاه‌های موجود قبل از اتمام دوره شبیه‌سازی به پایان طول عمر خود می‌رسند. همچنین احتمال بسیار زیاد چارچوب قوانین با توجه به حفاظت‌های زیست‌محیطی تغییر کند. بنابراین، این سناریوها اثر بالقوه تغییرات جوی روی زیرساخت‌های امروز را با توجه به IPCC A1B، A2 و B1 جدا می‌کنند.

1. 1. 1. سناریوهای جوی A1B، A2، B1 و CR.

در این بخش ما ابتدا نتایج شبیه‌سازی سناریوهای جوی را با کمک عملیات کنترلی مقایسه می‌کنیم تا اثر کلی و مخصوص به هر واحد تغییر جوی را نشان دهیم. ما این اثر را روی کل تولید توان، تمایلات میان مدت و بلند مدت و اثرات روی راندمان را نشان می‌دهیم. در ادامه تولید توان شبیه‌سازی شده با تولید نامی برای مدت ده ساله و برای ماه‌های تابستان با هم مقایسه خواهند شد.

شکل8 کاهش متوسط توان خروجی را در برابر کاهش راندمان برای 26 واحد نیروگاهی شبیه‌سازی شده در سناریوی جوی A1B در مقایسه با عملیات کنترلی را نشان می‌دهد. در حالی که کاهش توان شامل هم نفوذ آستانه‌های آب رودخانه و هم راندمان کاهش یافته است، کاهش‌های راندمان تنها مبتنی بر اثر فیزیکی دمای آب خنک‌کننده هستند. شکل نشان می‌دهد که بین فناوری‌های خنک‌کننده OTC و CCC اختلاف‌های بارزی وجود دارد. مقایسه سناریوی A1B با A2 و B1 (شکل A1 و A2 را ببینید) هیچ اختلافی را در طی کل دوره مدل نشان نداد. برای بررسی آینده، ما OTC و CCC را به صورت مستقل بحث می‌کنیم و روی دوره‌های موقت متغیر مثل دوره‌های 30 ساله، دهه‌ها، سال‌ها، ماه‌های تابستان و سطح روزانه متمرکز می‌شویم. تلفات راندمان دیگر به صورت مستقل و مجزا تجزیه و تحلیل نمی‌شوند.

در جدول2 ما نتایج را برای دوره‌های 30 ساله 2011- 2040 و 2041-2070 و برای همه سناریوها در مقایسه با عملیات کنترلی (CR) 1961-1990 ارائه می‌دهیم. از آنجا که هیچ کدام از مجموعه‌‌های زمانی شبیه‌سازی شده توزیع طبیعی نداشتند، ما تست من- ویتنی را به کار بردیم تا بررسی کنیم که آیا خروجی توان متوسط سالانه سناریوی جوی متناظر از خروجی عملیات کنترلی تفاوت قابل توجهی دارد یا نه. در گام بعدی، میانگین و اختلاف از میانگین تا CR و نیز خطای استاندارد توزیع متناظر محاسبه شدند. برای استخراج تمایلات بیشترین توان خروجی در هر سال بر حسب مگاوات، از تخمینگر شیب Sen استفاده شد. اهمیت تمایلات در مجموعه‌های زمانی کاهش‌های توان با تست تمایل فصلی Mann-Kendall تحلیل شد.

تمایل متوسط روی همه واحدهای یک سیستم خنک‌کننده نشان می‌دهد که سیستم‌های CCC انتظار می‌رود کاهش‌های خروجی کمتری نسبت به سیستم‌های OTC داشته باشند (مثلا تمایل متوسط در سناریوی A1B، CCC : -0.10 MW/a، OTC :  0.33 MW/a). با در نظر گرفتن واحدهای CCC، برای هر واحد برق درسناریوی B1 2011-2040 یکتمایل مثبت چشمگیر تا 0.05 MW/a وجود دارد (نیروگاه برق هسته‌ای Grohnde). بییشترین تمایل منفی یک سیستم CCC برای Isar 1 در سناریوی A1B 2041-2070 (-0.17 MW/a) انتظار می‌رود. یک تمایل مثبت نیز برای 11 خروجی از 15 واحد برق OTC و برای سناریوی B1 2011-2040 انتظار می‌رود. برای سناریوهای A1B، A2 و B1 دوره 2041-2070، تنها تمایلات عملکرد منفی شبیه‌سازی شده برای هر دو فناوری و برای همه سناریوها وجود دارد. بیشترین تمایل تجمعی منفی برای سیستم OTC با -6.44 MW/a برای سناریوی A1B دوره 2041-2070 محاسبه می‌شود.

بررسی‌های بیشتر برای سه سناریوی جوی نشان داد که حدود 50% کاهش‌های خروجی در ماه‌های جولای و آگوست برایه سه سناریوی جوی رخ می‌دهد. کاهش در توان خروجی متوسط سالیانه در این ماه‌ها در مقایسه با توان نامی همه واحدهای OTC و بسته به سناریوی جوی از 7% تا 26% کاهش می‌یابد. برای واحدهای CCC این کاهش بین 1% و 2% توان نامی کل تغییر می‌کند.

شکل9 نشان دهنده نتایج ده‌ساله واحدهای نیروگاه برق OTC است که هر دو بر اساس سالیانه و ماه‌های جولای و آگوست تعیین می‌شوند. در مقایسه دهه کنونی 2011-2020 با آینده بلندمدت 2061-2070، در پایه سالیانه، توان خروجی تا 224 مگاوات (سناریوی A1B) کاهش می‌یابد. برخلاف آن، کاهش در طی جولای و آگوست می‌تواند به بزرگی 458 مگاوات در همان سناریو و همان دهه باشد. علاوه بر این، چنانچه فقط ماه‌های تابستان در نظر گرفته شود، اختلاف بین سناریوهای جوی افزایش می‌یابد. در مقایسه با ظرفیت نامی واحدهای OTC یعنی 8738 مگاوات، شبیه‌سازی سه سناریوی جوی منجر به توان خروجی میانگین یک دهه بین 8422 و 8449 مگاوات (4/96 – 7/96%) بر اساس سالیانه و بین 7717 و 7769 مگاوات (3/88 – 9/88%) برای ماه‌های تابستان برای دهه فعلی 2011-2020 می‌شود. در حالی که اختلاف در سناریوهای جوی نسبتا کم باقی می‌ماند، تلفات عملکرد شبیه‌سازی کلی در ماه‌های تابستان هم برای اپراتورها و هم برای تنظیم‌کنندگان به منظور اطمینان از امنیت تغذیه، چشم‌گیر است.

با در نظر گرفتن واحدهای CCC، مشخص می‌شود که به علت تخطی از آستانه‌های مربوط به آب رودخانه برای همه سناریوها و دوره‌ها، هیچ کاهشی در خروجی رخ نمی‌دهد. بنابراین، شکل10 انحصارا کاهش‌های عملکردی را با در نظر گرفتن تغییرات راندمان منعکس می‌کند. در نتیجه، دامنه کاهش‌های خروجی به طور چشمگیری در مقایسه با واحدهای برق OTC کمتر است.

بررسی ماه‌های تابستان نشان دهنده کاهش‌های چشمگیر نسبت به سطح متوسط سالیانه است. با شبیه‌سازی بر اساس معیار روزانه توان خروجی همه واحدهای OTC در نظر گرفته شده را می‌توان به 4/66% ظرفیت نامی کاهش داد (5803 مگاوات در مقایسه با 8738 مگاوات در سناریوی A2)، طبق شکل11. برای واحدهای نیروگاه برق OTC تنها، کمترین توان خروجی روزانه می‌تواند به کوچکی 32% باشد (سناریوی A2، 2041-2070). واحدهای CCC اختلاف‌های مربوطه‌ای را نشان نمی‌دهند و دارای توان خروجی‌های کمینه تقریبا 97% هستند.

1. 1. 2. سناریوی انطباق

برای ایجاد سناریوی انطباق، واحدهای شبیه‌سازی شده OTC با این فرض بررسی می‌شوند که سیستم خنک‌کننده به یک سیستم CCC بهبود یافته‌اند. این بخش نتایج این سناریوی انطباق را برای همه واحدهای OTC نشان می‌دهد.

همه واحدهای نیروگاهی شبیه‌سازی شده نشان دهنده یک تمایل مثبت در تولید برق پس از بروزرسانی OTC به CCC هستند (شکل12). MAPE کل برای واحدهای برقی در ماه‌های تابستانی ژولای و آگوست برابر 4/26 % است. با این حال، این آثار از محلی به محل دیگر با هم متفاوت بوده و در محدوده 3/0% تا 7/93% هستند. در کل، بهبود این واحدهای برق دارای اثر مثبت قابل توجه روی تولید برق است. دامنه افزایش عمکلرد نیروگاه برق چنین اندازه‌گیری انطباقی، اطلاعاتی ارزشمند برای اپراتورهای نیروگاه است. با این وجود، مزایای بالقوه باید بر خلاف سرمایه‌گذاری‌های موردنیاز، باشند.

1. 3. تحلیل حساسیت: کاهش جریان آب رودخانه

تحلیل حساسیت نشان دهنده تاثیر رژیم بارش روی واحدهای نیروگاهی مورد مطالعه است. از این حیث، نیروگاه‌های Munchen Nord 2 (شکل13) و Unterwester (شکل14) کاهش‌های قابل توجهی را در عملکرد داشته و الگوهای فصلی متفاوتی را نشان می‌دهند. Munchen Nord 2 روی رودخانه Isar واقع است، که دارای رژیم جریان آب متفاوتی با بخش رودخانه‌ای Wester است که واحد Unterwester  روی آن واقع است. رودخانه Isar نشان دهنده جریان آب بیشتر در طی تابستان است، چون از کوه‌های آپ آب مذاب بیشتری در آن جاری می‌شود. برای این واحد، کاهش در توان خروجی ناشی از میزان آب در ماه‌های زمستان رخ می‌دهد وقتی که میزان بارش‌ها به صورت برف در کوه‌ها ذخیره شده است. کاهش قابل توجه عملکرد را می‌توان کاهش بارش بزرگتر از 20% دید.

نیروگاه برق Unterwester کاهش‌هایی را در عملکرد و در طی ماه‌های تابستان نشان می‌دهد. این کاهش‌ها با کاهش بارندگی جمع شده و در نهایت کاهش قابل توجه بزرگتر مساوی 20% را نشان می‌دهند. برای سناریوی 20% و 50% MAPE عملکرد می‌تواند در ماه‌های تابستان به ترتیب به بزرگی 7% و 38% باشد.

4. بحث

روش توسعه یافته در این مقاله باعث شبیه‌سازی مناسب آثار تغییرات دمایی آب خنک‌کننده نیروگاه‌های برق می‌شود. به موجب آن، دقت موقت یک روز و پارامتری‌کردن فناوری خنک‌سازی برای شبیه‌سازی عملکرد نیروگاه برق طی یک افق زمانی بلندمدت ضروری است. نتایج نیز نشان دادند که استفاده از سیستم‌های CCC یک معیار انطباق مناسب است.

نتایج نشان دهنده آسیب‌پذیری واحدهای مختلف نیروگاه برق نسبت به سناریوهای جوی و سیستم‌های خنک‌کننده متناظر است. تمایلات منفی قابل توجه برای چندین واحد و برای هر دو دوره 2011-2040 و 2041-2070 بدست آمدند. در مجموع، تمایل -5.58 MA/a برای سناریوی A1B برای 2011-2040  و -7.51 MA/a برای دوره 2041-2070 وجود دارد، در حالی که کمترین تمایلات منفی و یا حتی مثبت برای سناریوی جوی B1 رخ می‌دهند. با اینکه تمایلات سالیانه قابل توجه‌اند، کاهش خروجی خالص سالیانه نسبتا کم باقی می‌ماند. با این حال، کاهش‌های قابل توجه را می‌توان برای ماه‌های تابستان بیان کرد. برای ژولای و آگوست، ما توان خروجی‌های متوسط 3/88- 9/88% ظرفیت نامی واحدهای برق OTC شبیه‌سازی شده در سه سناریوی جوی را برای دهه کنونی 2011-2020 تعیین کردیم. بر اساس معیار سالیانه این اثر برای واحدهای OTC بین 7% و 26% تغییر می‌کند. این اعداد نزدیک به نتایج ارائه شده توسط وان ولیت و همکاران است. آنها کاهشی بین 3/6% و 19% را برای نیروگاه‌های برقی اروپا محاسبه کردند. فورستر و لیلیستام محدوده 8/0% و 8/11% را برای یک واحد نیروگاهی آلمان و بسته به سناریوهای جوی تعیین کردند. در مطالعه آنها چنانچه بارش اضافی 50% کاهش داشته باشد، مقدار کاهش به 8/16% افزایش خواهد یافت. گریس و همکاران، برای واحد CCC و در طی ماه‌های تابستان، کاهش توان 36/0% را بدست آوردند، در حالی که نتایج این مطالعه بین 1% و 2% تغییر می‌کند.

بر اساس معیار روزانه، اثر ملاحظه شده بیشتر افزایش داد: توان خروجی واحدهای OTC را می‌توان به 4/66% ظرفیت نامی در سناریوی A2 کاهش داد (معادل با تلفات عملکردی 2935 مگاوات). برای یک واحد نیروگاه برق OTC تنها، توان خروجی روزانه محدود می‌تواند به کوچکی 32% باشد (سناریوی A2، 2041-2070). علاوه بر این، نتایج نشان دادند که سیتسم CCC به طور قابل توجهی آسیب‌پذیری کمتری نسبت به تاثیرات تغییرات جوی دارد چون هیچ کاهشی ناشی از آستانه های مربوط به آب رودخانه برای این فناوری انتظار نمی‌رود. حتی برای معیار روزانه، واحدهای CCC اختلافی نشان نمی‌دهند و دارای کمترین توان خروجی 97% هستند. این مساله نیز در نتایح سناریوی انطباق منعکس شده است. در مقایسه با نتایح سیستم‌های خنک‌کننده OTC نصب شده فعلی، MAPE کلی برای این واحدهای برقی بهبودیافته در جولای و آگوست برابر 4/26% است.

روش این مقاله را می‌توان با مدلسازی بیشر اطلاعات آب و هوا شناسی بیشتر بهبود داد و اصلاح کرد. در اینجا، تنها از مدل اقلیم ناحیه‌ای REMO استفاده شده است. در نتیجه، یک روش کلی با استفاده از دیگر مدل‌های اقلیمی می‌تواند قوت نتایج را بهبود دهد. علاوه بر این، نتایج مدل تشریحی مربوط به خواص آب حوضچه‌های رودخانه‌ای را می‌توان با هم ترکیب کرد. با این وجود، تحلیل‌های حساسیت نشان می‌دهند که اثر بارش کاهش یافته در بیشتر مکان‌ها روی نتایج تاثیرگذار نیست.

5. نتایج

نشان داده شد که دینامیک سیستم یک روش مناسب برای تحلیل آثار تغییرات جوی روی سیستم‌های خنک‌کننده و راندمان نیروگاه برق است. محدودیت‌های این روش از فرض‌های صورت گرفته ناشی می‌شود. برای مثال بازنگری و عملکرد واحدهای برقی در نظر گرفته نشده‌اند لذا تنها بیشترین خروجی نظری شبیه‌سازی می‌شود. علاوه بر این، استفاده از گرما در نیروگاه‌های تولید همزمان برق و گرما در نظر گرفته نشده است. طول عمر فنی نامحدود و آستانه‌های مقرراتی ثابت مدنظر قرار گرفته‌اند تا اثر تغییرات جوی جدا شود. این محدودیت‌ها را باید در تفسیر نتایج در نظر گرفت. با این حال، این روش ممکن است توسط اپراتورهای نیروگاه برق و مسئولین امر برای پشتیبانی از تصمیمات به کار گرفته شود.

برای اپراتورهای نیروگاه برق، دسترس‌پذیری نیروگاه یک نقش حیاتی در برنامه‌ریزی تولید و بهینه‌سازی بازنگری‌های نیروگاه بازی می‌کند. همچنین، نتایج مشخصه محل مربوط به سناریوی انطباق را می‌توان به عنوان پایه‌ای برای ارزیابی اقتصادی بهبود احتمالی سیستم خنک‌کننده به کار برد. علاوه بر این، هر دو تنظیم‌کنندگان و اپراتورهای نیروگاه باید آثار تغییرات چارچوب‌های قانونی مثل مقادیر آستانه برای تخلیه‌های گرمایی را ارزیابی کنند. به علت دقت موقت بالا و نمایش تشریحی مشخصات مربوط به محل نیروگاه، روش مدلسازی ارائه شده می‌تواند از این وظایف پشتیبانی کند.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

---

[1] runoff

[2] Moyers

[3] Baldwin

[4] Durmayaz

[5] Sogut

[6] Benton

[7] Chilton

[8] Nash-Sutcliffe

[9] Paeth

[10] Aich

[11] Precipittion

[12] Mann-Whitney