تحلیل شبکه‌ی آبرسانی و محاسبه‌ی توان خروجی توربین با EPANET

در شبکه‌های آبرسانی دارای اختلاف تراز قابل‌توجه یا فشارهای مازاد، بخشی از انرژی هیدرولیکی جریان معمولاً هدر می‌رود. در چنین شرایطی، استفاده از توربین آبی به‌جای تجهیزات کاهنده فشار، راهکاری مؤثر برای کنترل فشار و بازیابی انرژی است. نرم‌افزار EPANET امکان تحلیل هیدرولیکی این شبکه‌ها و استخراج داده‌های لازم برای محاسبه توان خروجی توربین را فراهم می‌کند.

---

۱. نقش توربین در شبکه‌های آبرسانی

توربین در شبکه آبرسانی معمولاً در نقاطی نصب می‌شود که:

• فشار بالادست بیش از حد مجاز است
• اختلاف ارتفاع قابل‌توجهی وجود دارد
• دبی عبوری نسبتاً پایدار است

از دیدگاه هیدرولیکی، توربین مانند یک عنصر افت هد کنترل‌شده عمل می‌کند که انرژی جریان را به توان مکانیکی و سپس الکتریکی تبدیل می‌کند.

---

۲. مدل‌سازی توربین در EPANET

نرم‌افزار EPANET المان مستقل توربین ندارد، اما شبیه‌سازی آن به‌صورت غیرمستقیم انجام می‌شود.

مدل‌سازی به‌صورت پمپ با هد منفی

رایج‌ترین روش، تعریف توربین به‌صورت:

• Pump با منحنی هد–دبی منفی
• نمایش برداشت انرژی از جریان به‌جای افزودن هد

در این حالت:

• هد منفی ⇒ افت هد ایجادشده توسط توربین
• دبی عبوری ⇒ دبی واقعی توربین

این روش امکان تحلیل دقیق رفتار هیدرولیکی شبکه را فراهم می‌کند.

---

۳. اجزای شبکه‌ی مورد تحلیل

شبکه‌ی آبرسانی شامل توربین معمولاً از اجزای زیر تشکیل می‌شود:

• منبع یا مخزن (Reservoir)
• لوله انتقال
• توربین (مدل شده به‌صورت پمپ معکوس)
• شبکه توزیع پایین‌دست
• گره‌های مصرف با الگوی زمانی

---

۴. تحلیل هیدرولیکی شبکه در EPANET

تحلیل شبکه به‌صورت Extended Period Simulation (EPS) انجام می‌شود تا تغییرات دبی و فشار در طول زمان بررسی گردد. خروجی‌های مهم شامل:

• دبی عبوری از توربین
• افت هد در محل توربین
• فشار گره‌های بالادست و پایین‌دست
• پایداری هیدرولیکی شبکه در ساعات مختلف

این خروجی‌ها مستقیماً در محاسبه توان توربین استفاده می‌شوند.

---

۵. محاسبه توان خروجی توربین

توان قابل‌بازیابی از توربین با استفاده از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

$P=\rho gQH\eta$P=ρgQHη

که در آن:

• $P$P : توان خروجی توربین (وات)
• $Q$Q : دبی عبوری از توربین (m³/s)
• $H$H : هد قابل‌برداشت یا افت هد توربین (m)
• $\eta$η : راندمان توربین
• $\rho$ρ : چگالی آب
• $g$g : شتاب گرانش

مقادیر $Q$Q و $H$H از خروجی‌های EPANET استخراج می‌شوند و راندمان بر اساس نوع توربین یا داده‌های سازنده در نظر گرفته می‌شود.

---

۶. بررسی سناریوهای بهره‌برداری

در تحلیل شبکه‌های دارای توربین، ارزیابی سناریوهای مختلف ضروری است:

• تغییرات دبی مصرف در شبانه‌روز
• حداقل دبی لازم برای عملکرد پایدار توربین
• شرایط اوج مصرف
• حالت بای‌پس توربین در شرایط اضطراری

این بررسی‌ها به انتخاب بهینه محل و ظرفیت توربین کمک می‌کند.

---

۷. مزایا و محدودیت‌های تحلیل با EPANET

مزایا

• امکان تحلیل هم‌زمان شبکه و توربین
• استخراج دقیق دبی و افت هد
• مناسب برای مطالعات امکان‌سنجی بازیابی انرژی

محدودیت‌ها

• عدم مدل‌سازی مستقیم توربین
• عدم تحلیل جزئیات مکانیکی و الکتریکی
• فرض جریان پایا در هر گام زمانی

---

جمع‌بندی

تحلیل شبکه‌ی آبرسانی و محاسبه‌ی توان خروجی توربین با EPANET ابزاری کاربردی برای مدیریت فشار و بازیابی انرژی در شبکه‌های توزیع آب است. با مدل‌سازی صحیح توربین به‌صورت پمپ با هد منفی و تحلیل زمانی شبکه، می‌توان توان قابل‌استحصال را برآورد کرده و تصمیم‌های فنی و اقتصادی آگاهانه‌تری اتخاذ نمود.

کلیدواژه ها : تحلیل شبکه آبرسانی-EPANET-توربین آبی-Hydro Turbine-محاسبه توان توربین-بازیابی انرژی-پمپ با هد منفی-افت هد-Extended Period Simulation (EPS)-شبکه توزیع آب-تحلیل هیدرولیکی-اختلاف تراز-مدلسازی توربین