ทำไมโรงไฟฟ้าพลังน้ำไม่ได้ใช้กังหันแทนน้ำตกแทนกังหันเดี่ยว

ในเครื่องยนต์กังหันก๊าซมีใบมีดหลายชุด - หนึ่งชุดหลังจากที่อื่นและผลิตภัณฑ์การเผาไหม้ผ่านชุดทั้งหมดและใบมีดแต่ละชุดจะได้รับพลังงาน เป็นการเพิ่มการใช้พลังงานจากการเผาไหม้ก๊าซ

ในขณะที่พืชพลังน้ำใช้กังหันกับใบมีดชุดเดียวและ usecase ทั่วไปคือที่ที่มีช่องทางสำหรับให้อาหารน้ำจากอ่างเก็บน้ำที่ยกระดับและกังหันอยู่ที่ด้านล่างและน้ำไหลผ่านกังหันแล้วไหลลงแม่น้ำ ฉันคิดว่ายังมีพลังทางกลที่เหลืออยู่โดยไม่หักเมื่อน้ำไหลออกจากกังหัน

เหตุใดกังหันน้ำจึงไม่ "ถูกล่ามโซ่" เพื่อให้น้ำที่ออกจากกังหันเครื่องแรกขับกังหันที่สองโดยใช้พลังงานเชิงกลที่เหลืออยู่

ก๊าซไอเสียเป็นของเหลวที่อัดได้ในขณะที่น้ำของเหลวไม่ได้

นี่คือภาพเคลื่อนไหวการทำงานของกังหันก๊าซ: https://www.youtube.com/watch?v=gqNtoy2x5bU

ในขั้นตอนการเผาไหม้ก๊าซและอากาศอัดจะถูกผสมเข้าด้วยกันแล้วที่ความดันสูง การเผาไหม้จะปล่อยพลังงานที่เก็บไว้ในก๊าซทำความร้อนก๊าซที่ปล่อยออกมา (ไอเสีย) สิ่งนี้จะสร้างแรงดันที่สูงขึ้นดังนั้นเพื่อป้องกันการไหลย้อนกลับส่วนการเผาไหม้เป็นปริมาตรที่มากขึ้นเพื่อรักษาแรงดันให้เท่าเดิมหรือต่ำกว่า ก๊าซแรงดันสูงปริมาณมากนี้ขับเคลื่อนกังหัน เหล่านี้เป็นก๊าซแรงดันสูงบีบอัดผ่านชุดแรกของใบมีด, ความดันลดและก๊าซขยาย ยังมีแรงกดดันเหลืออยู่และพลังงานมากขึ้นสามารถสกัดได้ด้วยใบมีดอีกชุดหนึ่งและอีกใบหนึ่งเป็นต้น

เนื่องจากน้ำของเหลวไม่สามารถบีบอัดได้จึงไม่ขยายตัวเนื่องจากแรงดันลดลง สิ่งนี้ทำให้ง่ายต่อการดึงพลังงานออกมา คุณผ่านน้ำผ่านหัวฉีดลดแรงดันสูงภายในท่อให้เป็นความดันบรรยากาศนอกหัวฉีดและเร่งน้ำให้สูงถึงความเร็วสูง พลังงานนี้สามารถสกัดได้ทั้งหมดในครั้งเดียวโดยกังหันเพราะน้ำไม่ได้ขยายตัวและพลังงานหนีออกจากที่อื่น กังหัน Turgoนั้นมีประสิทธิภาพในการสกัดพลังงานนี้มากถึง 90%

นี่คือเหตุผลที่ไม่จำเป็นต้องใช้หลายขั้นตอนในโรงไฟฟ้าพลังน้ำ อย่างไรก็ตามคุณยังสามารถ 'เชื่อมโยง' พวกมันเข้าด้วยกันในความหมายที่แท้จริง หากคุณมีหยดน้ำขนาดใหญ่มากคุณสามารถใส่กังหันขนาดเล็กหลาย ๆ ชุดเป็นระยะ ๆ หยดน้ำที่ปล่อยออกมาจากอันหนึ่งจะไหลไปสู่อีกอันหนึ่ง อย่างไรก็ตามปริมาณพลังงานที่มีอยู่จะไม่เปลี่ยนแปลงจากการมีกังหันขนาดใหญ่ขึ้นที่ด้านล่างสุดและใช้แรงกดดันที่สูงขึ้น

สิ่งที่ขาดหายไปคือคำอธิบายว่าทำไมคุณไม่สามารถขยายจากแรงดันสูงสู่บรรยากาศในกังหันก๊าซแบบขั้นตอนเดียว กังหันแก๊สมีสองประเภทคืออิมพัลส์และกังหันปฏิกิริยา ทั้งคู่ประสบปัญหาเดียวกัน แต่ก็เข้าใจง่ายขึ้นในกังหันอิมพัลส์

กังหันอิมพัลส์เร่งก๊าซผ่านหัวฉีดจากแรงดันสูง P1 ถึงแรงดัน P2 ที่ต่ำกว่าเพิ่มความเร็วของมันเป็น V ก๊าซที่เคลื่อนที่เร็วจะกระทบกับใบพัดกังหันและให้โมเมนตัมและพลังงานจลน์กลายเป็นก๊าซเคลื่อนที่ช้าที่ความดัน P2

ปัญหาคือว่าสำหรับค่าความแตกต่างของความดันความเร็ว V ถึงความเร็วของเสียง (ในก๊าซที่อุณหภูมินั้น) ณ จุดนี้ใบพัดกังหันไม่มีประสิทธิภาพสูง

จากหนังสือเล่มเก่า ๆ ฉันไม่สามารถหากังหันไอน้ำได้ (เหมือนกัน: ไอน้ำเป็นแก๊ส!) เริ่มมีประสิทธิภาพลดลงที่ไหนสักแห่งรอบมัค 0.5 ซึ่งตรงกับการลดแรงดัน 40% ในเวที (ความเร็วที่แท้จริงสามารถพบได้จากสมการเบอร์นูลลี)

ซึ่งให้วิธีการค้นหาจำนวนขั้นตอนที่คุณต้องการแปลงอัตราส่วนแรงดันที่กำหนดให้เป็นกำลังเพลา เนื่องจากการออกแบบใบมีดที่ใหม่กว่า Mach 0.5 อาจไม่ใช่ขีด จำกัด สูงสุดอีกต่อไป แต่ใช้หลักการพื้นฐานเดียวกันนี้

ในเครื่องยนต์ไอพ่นของเครื่องบินหลังจากการเร่งความเร็วแบบเปรี้ยงปร้างหลายขั้นตอนก๊าซร้อนจะทะลุผ่านหัวฉีดสุดท้ายและอาจเกิน Mach 1 เพื่อให้แรงขับของเครื่องบิน - แต่ไม่ได้มีประสิทธิภาพมากนัก (เครื่องยนต์ของ SR71 Blackbird เปลี่ยนไปเป็นโหมดการทำงานที่แตกต่าง - ในทางปฏิบัติเป็น ramjet - สำหรับการทำงานของ Mach 3)

น้ำจะต้องออกจากกังหันด้วยความเร็ว นั่นคือสิ่งที่คุณเรียกว่าพลังงานกลที่เหลืออยู่ สิ่งที่เกิดขึ้นคือกังหันได้ชะลอน้ำลงให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้พอสมควรในขณะที่ยังปล่อยให้น้ำออกจากโรงงานและไม่ทำให้น้ำท่วม ดังนั้นการทำให้ช้าลงอีกด้วยขั้นตอนพิเศษของกังหันไม่ใช่ตัวเลือก ถ้ามันสามารถชะลอความเร็วลงไปอีกกังหันกังหันแรกจะถูกออกแบบให้ทำเช่นนั้น

มีตัวอย่างของกังหันในซีรีส์: มีแม่น้ำที่มีโรงงานพลังน้ำไหลมากกว่าหนึ่งแห่ง

แต่สำหรับพลังน้ำในการจัดเก็บส่วนใหญ่มันง่ายที่สุดเพียงดึงพลังงานจลน์มากเท่าที่คุณจะทำได้ในครั้งเดียว มีสิ่งต่าง ๆ ในการบำรุงรักษาและจัดการน้อยกว่า การผูกมัดพวกมันเป็นชุดจะช่วยลดพลังงานที่มีให้กับกังหันท้ายน้ำ

ในที่สุดพลังงานที่คุณสามารถเรียกคืนได้จะถูก จำกัด ไว้ที่ความสูงของหยดน้ำคูณน้ำหนักของน้ำ ( คูณ g , ความเร่งของแรงโน้มถ่วง) ลบด้วยพลังงานจลน์ของน้ำเมื่อออกจากโรงงาน (มันไม่สามารถปล่อยด้วยพลังงานจลน์เป็นศูนย์ได้เนื่องจากพลังงานจลน์ศูนย์จะหมายความว่ามันไม่ได้ออกจากโรงงานเลย)

การเพิ่มกังหันมากขึ้นจะไม่มีผลใด ๆ กับสมการนั้น ถ้าหยดน้ำมีค่าเท่ากันและมวลของน้ำจะเท่ากันและความเร็วของน้ำที่ออกจากโรงงานจะเท่ากันดังนั้นปริมาณพลังงานที่เก็บเกี่ยวได้จะเท่ากัน (สมมติว่าประสิทธิภาพของกังหันคงที่)

ฉันคิดว่าจากคำถามของคุณคุณกำลังสงสัยว่าทำไมโรงไฟฟ้าพลังน้ำไม่เหมือน CCGT มากกว่าด้วยกังหันแบบหลายขั้นตอน โรงไฟฟ้าพลังน้ำนั้นง่ายกว่ามีประสิทธิภาพมากกว่าและมีประสิทธิภาพมากกว่า CCGT CCGT มีภาวะแทรกซ้อนเนื่องจากเป็นพืชความร้อนที่มีของเหลวอัดได้สูงและการเปลี่ยนสถานะ (น้ำเป็นไอน้ำ) โรงไฟฟ้าพลังน้ำกำลังเก็บเกี่ยวพลังงานจลน์ น้ำตกกังหันไม่ได้ให้อะไรนอกจากสิ่งที่ซับซ้อนให้กับโรงไฟฟ้าพลังน้ำ

กังหันน้ำเป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าที่สำคัญ โดยทั่วไปกังหันน้ำจะมีจานโรเตอร์เพียงจานเดียว

_{(จากOld Moonraker ที่ Wikipedia )}

กังหันแก๊สถูกใช้ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังงานก๊าซธรรมชาติเครื่องบินเจ็ทและยานพาหนะอื่น ๆ

โดยทั่วไปกังหันก๊าซจะมีจานโรเตอร์เป็นจำนวนมากซึ่งสามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม: ดิสก์โรเตอร์คอมเพรสเซอร์และดิสก์ใบพัดกังหัน

ส่วนคอมเพรสเซอร์ของกังหันก๊าซต้องการจานโรเตอร์จำนวนมากเนื่องจากการลดจำนวนจานดิสก์ของใบพัดลดประสิทธิภาพโดย (a) เพิ่มความแตกต่างของแรงดันในแต่ละดิสก์เพื่อให้อัตราส่วนการบีบอัดรวมเท่ากันลดประสิทธิภาพการบีบอัดหรือ (b ) การรักษาค่าความดันข้ามแต่ละดิสก์เดียวกันลดอัตราส่วนการอัดรวมซึ่งลดประสิทธิภาพของวงจร Brayton

กังหันน้ำไม่จำเป็นต้องมีส่วนของคอมเพรสเซอร์

โดยหลักการแล้วกังหันก๊าซอาจมีจานโรเตอร์จำนวนมาก แต่ในทางปฏิบัติเราพบว่าโดยทั่วไปแล้วเครื่องบินกังหันจะมีดิสก์โรเตอร์เพียง 1 หรือ 2 ตัวและยึดติดกับพื้น) กังหันก๊าซธรรมชาติโดยทั่วไปจะมีดิสก์โรเตอร์เพียง 1 หรือ 2 หรือ 3 ตัว ไม่แตกต่างจากกังหันน้ำที่มีจานโรเตอร์เพียงจานเดียว

กังหันก๊าซที่ใช้ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ใช้น้ำมันหรือก๊าซธรรมชาติและถูกออกแบบมาเพื่อดึงพลังงานให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ไม่จำเป็นต้องใช้แรงผลักดันกับสลักเกลียวบนพื้น

ตัวอย่าง:

• ฮิตาชิ H-25

_{(Hitachi H-25 จาก Russell Ray, วิศวกรรมกำลังไฟฟ้า)}

• กังหันก๊าซขนาดเล็ก 100 kW

_{(ภาพถ่ายกังหันก๊าซขนาดเล็กขนาด 100 kW จากM. Cadorin et. al "การวิเคราะห์ Fed Micro Turbine จากก๊าซธรรมชาติและก๊าซสังเคราะห์: MGT Test Bench และ Combustor CFD Analysis" )}

• กังหันก๊าซซีเมนส์ 200

_{กังหันก๊าซซีเมนส์ 200 (SGT-200) สำหรับการผลิตพลังงานอุตสาหกรรม}

• กังหันก๊าซ GE

_{(จากTekla Perry: "กังหันก๊าซตัวใหม่ของ GE เล่นได้ดีกับพลังงานหมุนเวียน" )}

_{( กังหันก๊าซ OP16 ขนาด 2 เมกะวัตต์ของ OPRA )}

_{( ก๊าซธรรมชาติหรือน้ำมัน Saturn 20 ที่วิทยาลัยแอมเฮิร์สต์ )}

เหตุผลที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำแตกต่างจากกังหันแก๊สเพราะน้ำภายใต้ความดันไม่ใช่ก๊าซและไม่เปลี่ยนขนาดอย่างมีนัยสำคัญเมื่อพลังงานถูกดึงออกมา

เครื่องยนต์ก๊าซต้องคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและปริมาณก๊าซภายในเครื่องยนต์ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีชิ้นส่วนและวัสดุหลายชนิด

กังหันไฟฟ้าพลังน้ำมีความท้าทายที่แตกต่างกันและต้องทนต่อสิ่งต่าง ๆ เช่นใบไม้และกิ่งไม้ที่ผ่านพวกมัน

รูปแบบการออกแบบขององค์ประกอบที่หมุนได้ของกังหันพลังน้ำนั้นแตกต่างอย่างมากกับเครื่องยนต์แก๊ส: สกรูอาร์คิมีดีส, พัดลมแคปแลน, ล้อเพลตัน, กังหันเพลตและกังหันน้ำ

การออกแบบหลายขั้นตอนมีการใช้งานในบางสถานการณ์