مهندسی بی‌نهایت: سد سه‌دره، بزرگ‌ترین سد و نیروگاه جهان

در این میان «سد سه‌دره‌» (Three Gorges Dam) با ابعاد و مقیاس بی‌نظیر خود بهترین نمونه برای مطالعه است و بررسی تاریخچه‌ی آن درس‌های ارزشمندی برای مهندسان سراسر دنیا دارد. بزرگ‌ترین سد دنیا که روی رودخانه‌ی یانگ‌تسه‌ی چین ساخته شده است، نه‌تنها بزرگ‌ترین نیروگاه برق-آبی دنیا را در دل خود جای داده است، بلکه از لحاظ ظرفیت تولید برق بین دیگر انواع نیروگاه‌های دنیا نیز نمونه و رقیبی ندارد. برای مقایسه ظرفیت نیروگاه سد سه‌دره برابر با یک‌چهارم ظرفیت تمامی نیروگاه‌های ایران، ۱۰ برابر بیشتر از نیروگاه شهید سلیمی نکا، ۲۲ برابر بیشتر از ظرفیت نیروگاه اتمی بوشهر و با اختلاف بیشتر از مجموع ظرفیت تمام نیروگاه‌های برق‌آبی ساخته شده در ایران است.

در ادامه با قسمتی دیگر از مجموعه مقالات مهندسی بی‌نهایت همراه زومیت باشید تا با این شکوه مهندسی بیشتر آشنا شویم.

در سال ۱۹۳۲ میلادی، قسمت بزرگی از چین از جمله استان ایچانگ (که سد سه‌دره در آن واقع است) به تصرف قوای اشغال‌گر ژاپنی درآمد. نیروهای نظامی ژاپن که خود متوجه اهمیت ساخت سد روی رودخانه‌ی یانگ‌تسه شده بودند، تحقیقات خود روی جغرافیای منطقه را آغاز کردند تا در صورت پیروزی کامل بر چین، پروژه‌ی ساخت سد را با نام «طرح اوتانی» به پیش ببرند.

موقعیت سد سه دره روی رودخانه یانگ تسه در مرکز کشور چین

بنا به طرح پیشنهادی قرار بود کشتی‌ها هنگام رسیدن به سد در لنگرگاه‌هایی در دو سوی سد متوقف شوند و سپس توسط جرثقیل‌های بزرگ به بالا یا پایین سد منتقل شوند. تا به امروز هنوز مشخص نیست که منطق پشت این راه‌حل پیشنهادی برای صرفه‌جویی در مصرف آب بوده است یا مهندسان در آن زمان فکر می‌کردند که اختلاف ارتفاع بالا و پایین سد به حدی است که به‌کارگیری روش‌های جایگزین را عملا غیر ممکن می‌کند. با اینکه فرایند ارزیابی محل، مطالعات اقتصادی و طراحی سد با سرعت آهسته و پیوسته‌ای به پیش می‌رفت، جنگ داخلی چین در سال ۱۹۴۷ میلادی بار دیگر باعث شد تا فرایند طراحی و ساخت سد متوقف شود.

یادبود قربانیان سیل سال ۱۹۵۴ رودخانه یانگ تسه، به همراه شعر «شنا» از مائو، درباره‌ی ساخت سد

مائو به‌حدی هوادار ساخت این سد بود که حزب متبوعش در سال‌های دهه‌ی ۵۰ و ۶۰ میلادی مهندسانی که در جریان «کمپین یک‌صد گل» به انتقاد از این پروژه پرداخته بودند را دستگیر و زندانی می‌کرد. هرچند به دلیل علاقه‌ی شخص مائو، پروژه‌ی سد به‌ظاهر از اولویت‌های حزب کمونیست بود، اما روند توسعه‌ی طرح تا دهه‌ی ۸۰ میلادی به کندی پیش می‌رفت.

سرانجام داستان پرفراز و نشیب توسعه‌ی طرح ساخت سد در سال ۱۹۹۲ میلادی با تصویب ساخت آن در کنگره‌ی خلق چین به نتیجه رسید و فرایند ساخت سد بالاخره در اواخر سال ۱۹۹۴ آغاز شد. هرچند انتظار می‌رفت سد در سال ۲۰۰۹ میلادی به‌طور کامل به بهره‌برداری برسد، اما پروژه‌های جانبی از جمله نیروگاه زیرزمینی با ۶ ژنراتور اضافه، باعث شدند تا بهره‌برداری کامل از سد تا سال ۲۰۱۲ میلادی به تعویق بیوفتد. پروژه‌ی بالابر کشتی که به دلیل فراهم کردن امکان کشتی‌رانی روی رودخانه از همان ابتدا قسمت مهمی از پروژه تلقی می‌شد نیز در سال ۲۰۱۵ به بهره‌برداری رسید.

نمای هوایی از رودخانه‌ی یانگ تسه در محل ساخت سد سه‌دره

هنگامی که سطح آب پشت سد به حداکثر میزان خود دست پیدا می‌کند، ارتفاع رودخانه به ۱۷۵ متر از سطح دریا (۱۱۰ متر بالاتر از سطح رودخانه در پایین‌دست)، طول رودخانه‌ی پشت سد به ۶۶۰ کیلومتر و عرض آن به ۱.۱۲ کیلومتر می‌رسد. در چنین شرایطی حجم آب ذخیره شده پشت سد ۳۹.۳ کیلومتر مکعب و سطح آن برابر با ۱۰۴۵ کیلومتر مربع است. از این میزان مساحتی برابر با ۶۳۲ هزار کیلومتر مربع از زمین‌های پشت سد پس از کامل شدن پروژه زیر آب رفته است.

دولت چین پیش از آغاز ساخت، هزینه‌ی ساخت سد سه‌دره را حدود ۲۲.۵ میلیارد دلار تخمین زده بود؛ اما با پایان سال ۲۰۰۸ میلادی و تکمیل شدن بخش اعظم پروژه، هزینه‌ی ساخت سد از ۱۸.۵ میلیارد دلار تجاوز نکرد. از این میزان ۸.۲ میلیارد دلار صرف ساخت و ساز، ۸.۵ میلیارد دلار صرف جابه‌جا کردن اهالی منطقه (که پس از تکمیل سد خانه‌های‌شان به زیر آب می‌رفت) و ۱.۹ میلیارد دلار دیگر صرف دیگر هزینه‌های مرتبط با پروژه‌ی سد شد.

در سال ۲۰۰۹ پیش‌بینی می‌شد که هزینه‌ی بخش ساخت و ساز سد پس از تولید هزار تراوات-ساعت الکتریسیته و هزینه‌ی کلی پروژه پس از ۱۰ سال (تا سال ۲۰۱۹ میلادی) به‌طور کامل ازطریق خود سد بازخواهد گشت؛ هرچند سد سه‌دره از لحاظ اقتصادی فراتر از انتظار ظاهر شد و تمام هزینه‌ی خود را تا دسامبر ۲۰۱۳ میلادی جبران کرد.

سد سه‌دره با استفاده از ۳۴ ژنراتور (۳۲ ژنراتور اصلی، هر یک با ظرفیت ۷۰۰ مگاوات و ۲ ژنراتور ۵۰ مگاواتی) ظرفیتی برابر با ۲۲ هزار و ۵۰۰ مگاوات دارد. از این لحاظ سد سه‌دره نه‌تنها عنوان «بزرگ‌ترین نیروگاه برق‌آبی (هیدروالکتریک) جهان» را دراختیار دارد، بلکه در میان تمامی انواع نیروگاه‌های تولید الکتریسیته در سطح جهان نیز رتبه‌ی اول را به خود اختصاص داده است.

فرایند نصب ۱۲ ژنراتور اصلی جنوبی در سال ۲۰۰۷ آغاز شد. پس از نصب ۶ عدد از ژنراتورهای جنوبی تا سال ۲۰۰۸، ظرفیت نیروگاه سد سه‌دره به ۱۴.۱ گیگاوات افزایش کرد و بالاخره توانست با عبور از نیروگاه سد ایتایپو، عنوان بزرگ‌ترین نیروگاه برق‌آبی دنیا را از آن خود کند. نهایتا در سال ۲۰۱۲ میلادی با نصب باقی ژنراتورهای جنوبی و ۶ ژنراتور زیرزمینی، پس از ۹ سال ساخت و ساز و نصب و آزمایش، نیروگاه سد سه‌دره به حداکثر ظرفیت خود برابر با ۲۲.۵ گیگاوات رسید.

ژنراتورهای اصلی سد هرکدام وزنی برابر با ۶ هزار تن دارند و برای «هد هیدرولیک» برابر با ۸۰ متر طراحی شده‌اند. نرخ جریان آب در توربین‌ها بسته به میزان هد موجود بین ۶۰۰ تا ۹۵۰ متر مکعب در ثانیه متغیر است و هرچه مقدار هد بیشتر باشد، آب کمتری برای رسیدن به توان کامل نیاز است.

یکی از توربین‌های فرانسیس سد سه‌دره، قبل از نصب

ژنراتورهای سد سه‌دره محصول همکاری دو تیم مهندسی متشکل از بزرگ‌ترین تولید‌کننده‌های توربین و ژنراتور در سطح جهان است. تیم اول شامل شرکت فرانسوی آلستوم، شرکت سوئدی-سوییسی ABB، شرکت نروژی کوِرنر و شرکت چینی هاربین موتور می‌شد و تیم دوم متشکل از شرکت‌های آلمانی و آمریکایی فویت، زیمنس و جنرال الکتریک و شرکت چینی اورینتال موتور (معروف به تیم VGS) بود. حضور یک شرکت بومی در هر دو گروه به این علت بود که قرار داد ساخت ژنراتورها شامل انتقال تکنولوژی ساخت به چینی‌ها نیز می‌شد.

از چپ به راست: نمودار شماتیک اجزای تشکیل‌دهنده‌ی ژنراتور و توربین سد سه‌دره، ماکت نمای برش خورده ژنراتور و توربین، نمونه‌ی واقعی ژنراتور و توربین در حال نصب درون سد

سد سه‌دره برای تولید انرژی از توربین‌های فرانسیس با قطر ۹.۷ یا ۱۰.۴ متر (بسته به اینکه طراحی تیم VGS یا آلستوم باشند) با سرعت گردش ۷۵ دور بر دقیقه (rpm) استفاده می‌کند. این یعنی برای اینکه ژنراتور بتواند برقی با فرکانس ۵۰ هرتز تولید کند، روتورها باید ۸۰ قطب در هر فاز داشته باشند؛ که برای برق سه‌فاز ۵۰ هرتز سه‌دره، این میزان به ۲۴۰ قطب به ازای هر روتور می‌رسد. اکثر ژنراتورهای سد توسط آب خنک می‌شوند، اما در مدل‌های جدیدتر از سرمایش هوایی نیز استفاده می‌شود که باعث ساده‌تر شدن روند طراحی و تولید، و آسان‌تر شدن نگه‌داری و تعمیرات می‌شود.

محل قرارگیری توربین‌ها و ژنراتورها، قبل و بعد از تکمیل سد

توان طراحی ژنراتورها برابر با ۷۷۸ مگاولت‌آمپر، حداکثر توان آن‌ها ۸۴۰ مگاولت‌آمپر و ضریب توان (پاورفاکتور، نسبت توان واقعی به توان ظاهری) آن‌ها برابر با ۰.۹ است. ولتاژ برق تولید شده توسط ژنراتورها برابر با ۲۰ کیلوولت است؛ اما برای انتقال دادن ازطریق خطوط انتقال نیرو، این ولتاژ تا ۵۰۰ کیلوولت افزایش پیدا می‌کند. استاتورهای استفاده شده در ژنراتورهای سد سه‌دره، با داشتن قطر خارجی ۲۱ متری و قطر داخلی ۱۸.۵ متری، بزرگ‌ترین استاتورهای جهان به‌شمار می‌روند و با بهره‌وری میانگین ۹۴ درصدی و حداکثر ۹۶.۵ درصدی، یکی از بهینه‌ترین ژنراتورها بین انواع مشابه خود محسوب می‌شوند.

از طرف دیگر، همان‌طور که در نمودارها دیده می‌شود، توان خروجی در فصل‌های خشک نیز به دلیل جریان پایین رودخانه محدود است. درواقع حداکثر توان خروجی سد با توجه به میانگین نرخ جریان آب در محل احداث سد، ارتفاع ۱۷۵ متری آب و بهره‌وری ۹۰.۱۵ درصدی محاسبه شده است.

شرکت‌های دولتی تولید و توزیع برق در چین، وظیفه‌ی انتقال انرژی الکتریکی تولید شده توسط سد سه‌دره را بر عهده دارند. هزینه‌ی برق سد سه‌دره برای مصرف‌کنندگان تا سال ۲۰۰۸ برابر با ۳۵ دلار به ازای هر مگاوات-ساعت بود. هم‌اکنون نه استان و ۲ شهر در چین از برق این سد استفاده می‌کنند و هزینه‌ی پرداختی آن‌ها بین ۳۲.۵ تا ۵۷.۵ دلار برای هر مگاوات-ساعت متغییر است. مشتریانی که بهای بالاتری برای برق مصرفی پرداخت می‌کنند (مانند ساکنین شهر شانگهای) در اولویت بالاتری نسبت به دیگر مصرف‌کنندگان قرار دارند.

خطوط انتقال نیروی سد سه دره

هرچند در ابتدا قرار بود سد سه‌دره مسئولیت تولید ۱۰ درصد از کل برق کشور را بر عهده داشته باشد، اما رشد صنعتی و اقتصادی خیره‌کننده‌ی چین باعث شد مصرف برق این کشور به طرز انفجارگونه‌ای افزایش پیدا کند و ظرف مدت کوتاهی چندین برابر شود؛ به‌طوری‌که در سال ۲۰۱۱ الکتریسیته‌ی مصرفی در چین به ۴۶۹۲ تراوات-ساعت رسید و سد سه‌دره در آن سال توانست تنها ۱.۷ درصد از این میزان انرژی الکتریکی را تولید کند.

جالب است بدانید ساخت سد روی رودخانه‌ی یانگ‌تسه نه‌تنها فرایند کشتی‌رانی روی آن را مختل نکرده است، بلکه ظرفیت باربری روی آن را از ۱۰ میلیون تن در سال به ۱۰۰ میلیون تن افزایش، و هزینه‌های مرتبط با آن را تا ۳۷ درصد کاهش داده است. دلیل افزایش ظرفیت و کاهش قیمت کشتی‌رانی باوجود ساخت سد این است که با بالا آمدن سطح آب رودخانه‌ی یانگ‌تسه و افزایش پهنای آن، اکنون کشتی‌های بزرگ‌تر و مرتفع‌تری می‌توانند مسافت ۲۴۰۰ کیلومتری شانگهای-چانگ‌کینگ را طی کنند. همچنین عبور از دره‌های مشهور رودخانه‌ی یانگ‌تسه (که سد سه‌دره نیز نام خود را از آن‌ها وام گرفته است) دیگر مانند گذشته خطرناک نیست.

ویدیوی تایم لپس عبور کشتی از سد سه‌دره ازطریق قفل آب‌بند (سد سلولی)

عبور کشتی‌ها از سد سه‌دره به دو روش قفل آب‌بند (سد سلولی) و استفاده از بالابر میسر می‌شود. دو مجموعه آب‌بند در نزدیکی سده سه‌دره ساخته شده است که هر کدام از آن‌ها از ۵ سلول تشکیل شده‌اند. سلول‌های انتقال کشتی سد سه‌دره هرکدام ۲۸۰ متر طول، ۳۵ متر عرض و ۵ متر عمق دارند و با استفاده از آن‌ها می‌توان کشتی‌هایی با وزن ۱۰ هزار تن را طی مدت تقریباً ۴ ساعت جابه‌جا کرد.

علاوه بر قفل آب‌بند، سد سه‌دره به تعدادی بالابر کشتی نیز مجهز است. آسانسور کشتی سد سه‌دره قادر است کشتی‌هایی با وزن ۳ هزار تن را در فاصله‌ی عمودی ۱۱۳ متری بین بالا تا پایین سد جابه‌جا کند. جابجایی کشتی‌ها به این روش بین ۳۰ تا ۴۰ دقیقه (در مقایسه با ۴ ساعت زمان مورد نیاز برای جابجایی ازطریق سلول‌های طبقاتی) طول می‌کشد.

آسانسور کشتی سد سه‌دره برای جابه‌جا کردن کشتی‌ها از سیستم چرخ‌دنده‌های حلزونی استفاده می‌کند و کل آسانسور برای بالا و پایین رفتن روی چرخ‌دنده‌های شانه‌ای متصل به ۴ برج ۱۹۵ متری سوار می‌شود. مهندسان آلمانی و چینی به‌صورت مشترک وظیفه‌ی طراحی و ساخت آسانسورهای مخصوص کشتی سد سه‌دره را برعهده داشته‌اند. با بهره‌برداری در سال ۲۰۱۲، پروژه‌ی آسانسور سد یکی از آخرین قسمت‌های تکمیل شده‌ی آن به‌شمار می‌رود.

به منظور به حداکثر رساندن کارایی سد سه‌دره و جلوگیری از رسوب‌سازی رود جینشا (قسمت بالایی رود یانگ‌تسه) مقامات چینی تصمیم گرفته‌اند تا مجموعه‌ای از سدها را روی رود جینشا احداث کنند. از میان این سدها می‌توان به سد پیشنهادی وودانگ‌ده، سد در حال احداث بایهتان و سدهای تکمیل شده‌ی ژیلودو و شیانگ‌جیابا اشاره کرد. مجموع ظرفیت این ۴ سد به ۳۸.۵ گیگاوات (تقریباً دو برابر سد سه‌دره و برابر با نیمی از کل ظرفیت تولید برق ایران) می‌رسد.

مقایسه‌ی بستر رودخانه‌ی یانگ‌تسه بین سال‌های ۱۹۸۷ و ۲۰۰۶

علاوه بر این، افزایش ظرفیت کشتی‌رانی رود یانگ‌تسه باعث شده است تا از زمان تکمیل شدن سد، مقدار به‌مراتب بیشتری از کالا با استفاده از کشتی (که نسبت به دیگر روش‌های حمل و نقل کالا بسیار بهینه‌تر است) جابه‌جا شوند. تنها بین سال‌های ۲۰۰۴ تا ۲۰۰۷ حدود ۱۹۸ میلیون تن کالا از سد سه‌دره عبور کرده است؛ که نسبت به جابجایی با قطار هزینه‌ی آن ۲۵ درصد و گازهای گلخانه‌ای منتشر شده‌ی آن ۱۰ میلیون تن کم‌تر بوده است.

سابقه‌ی نگرانی فعالان محیط زیست درباره‌ی تأثیر منفی ساخت سد سه‌دره بر حیات وحش منطقه، به پیش از سال ۱۹۹۲ و تصویب طرح ساخت آن در کنگره‌ی خلق چین بازمی‌گردد. از میان گونه‌های جانوری که بر اثر ساخت سد تحت تأثیر قرار گرفته‌اند، دلفین رودخانه‌‌ای چین یا «بایجی» بیشترین صدمه را دیده است؛ تا جایی که بسیاری از جانورشناسان عقیده دارند این گونه‌ی نادر عملا منقرض شده است. هرچند موضوعاتی از این دست باعث شده‌اند تا سد سه‌دره به موضوعی بحث‌برانگیز در داخل و خارج از چین تبدیل شود، اما موفقیت چشمگیر مهندسان سازنده‌ی سد در به ثمر رساندن بی‌نقص یکی از عظیم‌ترین پروژه‌های عمرانی جهان باعث شده است تا انتقادات وارد شده به این سد در حاشیه قرار بگیرد.

نظر شما درباره‌ی ساخت سدهای بزرگ مانند سد سه‌دره چیست؟ آیا فواید آن‌ها مانند کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و جلوگیری از وقوع سیل باعث می‌شود که بتوان از اثرات مخرب زیست محیطی آن‌ها چشم‌پوشی کرد؟ نظرات خود را با ما و خوانندگان زومیت در میان بگذارید.