Dlaczego elektrownie wodne nie używają kaskad turbin zamiast pojedynczych turbin?

23

W silniku z turbiną gazową jest wiele zestawów łopat - jeden zestaw po drugim, a produkty spalania przechodzą przez wszystkie zestawy, a każdy zestaw łopat otrzymuje pewną moc. Zwiększa to wykorzystanie energii ze spalania gazu.

Tymczasem elektrownie wodne używają turbin z jednym zestawem łopatek, a typowym przypadkiem jest kanał do dostarczania wody z podniesionego zbiornika, a turbina jest na dnie, a woda przepływa przez turbinę, a następnie po prostu spływa w dół rzeki. Zakładam, że kiedy mechaniczna woda wypływa z turbiny, pozostaje jeszcze niewykorzystana moc mechaniczna.

Dlaczego turbiny wodne nie są „powiązane”, tak że woda opuszczająca pierwszą turbinę napędza drugą turbinę wykorzystując resztkową moc mechaniczną?

sharptooth
źródło
3
Moc zależy od różnicy ciśnień przed i po, umieszczenie kolejnej turbiny za pierwszą obniżyłoby wydajność pierwszej.
maniak zapadkowy
1
Należy zwrócić uwagę na jeszcze jedną, drugą kwestię: turbiny gazowe pracują z bardzo czystym medium, które zachowuje się w bardzo deterministyczny sposób. Turbiny wodne działają na wodzie, która przeszła jedynie podstawowe filtrowanie dużych zanieczyszczeń - muszą wytrzymać uderzenia żwiru i innych stałych zanieczyszczeń w wodzie. O wiele łatwiej jest to osiągnąć za pomocą jednej dużej, wytrzymałej konstrukcji niż wielu mniejszych, a tym samym bardziej delikatnych.
SF.
To, co proponujesz, przypomina dużo pozyskiwania energii po zużyciu energii pierwotnej, co zwykle jest zbyt nieefektywne, aby warto było to robić. Zapoznaj się z tymi pytaniami, aby uzyskać dostęp do powiązanych dyskusji engineering.stackexchange.com/questions/372/… , engineering.stackexchange.com/questions/389/…
Paul
W przypadku turbin gazowych na każdym etapie zmienia się ciśnienie, a tym samym gęstość, a zatem i objętość, dlatego turbiny muszą być budowane inaczej. Zastanawiałem się nad tym samym, patrz tutaj: physics.stackexchange.com/questions/24436/…
mart

Odpowiedzi:

29

Gazy spalinowe są płynami ściśliwymi, podczas gdy ciekła woda nie.

Oto animacja działania turbiny gazowej: https://www.youtube.com/watch?v=gqNtoy2x5bU

Na etapie spalania gaz i sprężone powietrze są mieszane razem, już pod wysokim ciśnieniem. Spalanie uwalnia energię zgromadzoną w gazie, ogrzewając uwolnione gazy (spaliny). To stworzyłoby jeszcze wyższe ciśnienie, więc aby zapobiec przepływowi wstecznemu, sekcja spalania ma większą objętość, aby utrzymać ciśnienie na tym samym lub niższym poziomie. Ta duża objętość gazów wysokociśnieniowych napędza turbinę. Gdy te sprężone pod wysokim ciśnieniem gazy przechodzą przez pierwszy zestaw łopat, ciśnienie zmniejsza się, a gazy rozszerzają się . Wciąż pozostaje trochę presji i więcej energii można wydobyć za pomocą innego zestawu ostrzy, a także innych itd.

Ponieważ ciekła woda nie jest ściśliwa, nie rozszerza się wraz ze spadkiem ciśnienia. To w rzeczywistości znacznie ułatwia wydobycie energii. Przepuszczasz wodę przez dyszę, zmniejszając wysokie ciśnienie wewnątrz rury do ciśnienia atmosferycznego na zewnątrz dyszy i przyspieszając wodę do dużej prędkości. Energia ta może być następnie wydobyta za jednym razem przez turbinę, ponieważ woda nie rozszerza się, a energia ucieka gdzie indziej. Turbiny Turgo są w rzeczywistości bardzo wydajne w wydobywaniu tej energii, nawet do 90%.

Dlatego w elektrowniach wodnych nie jest potrzebnych wiele etapów. Jednak nadal można je „połączyć” razem w dosłownym sensie. Jeśli masz bardzo dużą kroplę, możesz umieścić serię małych turbin w odstępach w dół kropli, uwalniana woda z jednej przechodzi do drugiej. Jednak ilość dostępnej energii nie zmieniłaby się od posiadania większej turbiny na samym dole i zastosowania wyższych ciśnień.

jhabbott
źródło
Wydaje mi się, że jednym z powodów, dla którego chcesz stworzyć łańcuch, jest zmniejszenie obciążenia każdej turbiny. Nie możesz wydobyć więcej energii, ale być może uda ci się uniknąć tańszej inżynierii.
slebetman
„... tworząc jeszcze wyższe ciśnienie ...”: Nie. Doprowadziłoby to do odwrotnego przepływu. Wyższe ciśnienia na etapie spalania mogą oczywiście występować w silniku spalinowym tłokowym.
John Bentin
1
@JohnBentin masz rację. Zaktualizowałem odpowiedź, aby dokładniej przedstawić proces. Dziękujemy za pomoc w poprawieniu tej odpowiedzi.
jhabbott
6

Do tej pory brakuje wyjaśnienia, dlaczego nie można rozszerzyć ciśnienia z wysokiego na atmosferyczne w jednostopniowej turbinie gazowej. Istnieją dwa rodzaje turbin gazowych - turbiny impulsowe i reakcyjne. Oba mają ten sam problem, ale łatwiej jest zrozumieć w turbinie impulsowej.

Turbina impulsowa przyspiesza gaz przez dyszę od wysokiego ciśnienia P1 do niższego ciśnienia P2, zwiększając jego prędkość do V. Szybko poruszający się gaz uderza w łopatki turbiny i rezygnuje z pędu i energii kinetycznej, stając się gazem wolno poruszającym się pod ciśnieniem P2.

Problem polega na tym, że dla pewnej wartości różnicy ciśnień prędkość V osiąga prędkość dźwięku (w tym gazie w tej temperaturze). W którym momencie łopatki turbiny są wysoce nieefektywne.

Z bardzo starej książki, której nie mogę teraz znaleźć na temat turbin parowych (to samo: para jest gazem!) Wydajność zaczęła spadać gdzieś w pobliżu Macha 0,5, co odpowiadało 40% redukcji ciśnienia na etapie. (Rzeczywistą prędkość można znaleźć na podstawie równania Bernoulliego)

Dzięki temu można znaleźć liczbę etapów potrzebnych do efektywnego przekształcenia danego stosunku ciśnienia w moc na wale. Biorąc pod uwagę nowsze konstrukcje ostrzy, Mach 0,5 może nie być już górną granicą, ale obowiązuje ta sama podstawowa zasada.

W silniku odrzutowym statku powietrznego, po kilku etapach przyspieszenia poddźwiękowego, gorące gazy uciekają przez ostatnią dyszę i mogą znacznie przekraczać Mach 1, aby zapewnić ciąg dla samolotu - ale niezbyt skutecznie. (Silniki SR71 Blackbird przeszły na inny tryb pracy - praktycznie ramjet - dla operacji Mach 3)

Brian Drummond
źródło
3

Woda będzie musiała opuścić turbinę z prędkością. To, co określiłeś jako resztkową moc mechaniczną. Chodzi o to, że turbina już spowolniła wodę tak bardzo, jak można to rozsądnie zrobić, jednocześnie pozwalając wodzie opuścić roślinę i nie zalać jej. Więc dalsze spowolnienie z dodatkowym etapem turbiny po prostu nie wchodzi w grę. Jeśli można by to jeszcze bardziej spowolnić, to pierwsza turbina byłaby do tego zaprojektowana.

Istnieją przykłady turbin połączonych szeregowo: istnieją rzeki z więcej niż jedną elektrownią przepływową.

Ale w przypadku większości magazynów wodnych najprościej jest po prostu wydobyć jak najwięcej energii kinetycznej za jednym razem. To mniej rzeczy do utrzymania i zarządzania. Łączenie ich szeregowo ograniczyłoby tylko energię dostępną dla turbin przepływowych.

Ostatecznie energia, którą można odzyskać, jest ograniczona do wysokości kropli razy masa wody (razy g , przyspieszenie grawitacyjne), minus energia kinetyczna wody po opuszczeniu rośliny. (Nie może odejść z zerową energią kinetyczną, ponieważ zerowa energia kinetyczna oznaczałaby, że w ogóle nie opuściła rośliny).

Dodanie większej liczby turbin nie ma żadnego wpływu na to równanie. Jeśli kropla jest taka sama, a masa wody jest taka sama, a prędkość wody opuszczającej zakład jest taka sama, wówczas ilość zebranej energii jest taka sama (przy założeniu stałej wydajności turbiny).

Myślę, że z twojego pytania zastanawiasz się, dlaczego elektrownia wodna nie przypomina CCGT z wielostopniowymi turbinami. Elektrownia wodna jest znacznie prostsza, wydajniejsza i skuteczniejsza niż CCGT. CCGT ma swoje komplikacje, ponieważ jest elektrownią termiczną z wysoce ściśliwymi płynami i przejściem fazowym (woda do pary). Elektrownia wodna właśnie zbiera energię kinetyczną. Kaskada turbin nie oferuje żadnych komplikacji dla elektrowni wodnych.

EnergyNumbers
źródło
Pytanie to nie jest tak dobrze sformułowane, ale myślę, że odnosi się bardziej do wielu etapów turbiny gazowej niż do łączenia łańcuchowego w instalacje razem.
jhabbott
Ta odpowiedź w żaden sposób nie odnosi się do kwestii turbin jedno- i wielostopniowych. „Zmarnowana” moc wyjściowa jednej elektrowni wodnej nie ma wpływu na energię wejściową innej elektrowni położonej znacznie poniżej.
Dave Tweed
2
@Dave Energia, którą jesteśmy w stanie wydobyć z elektrowni wodnej, zależy po prostu od wysokości, z której spada. Możesz zrobić to wszystko w jednym (w stylu klifowym) lub w kilku (w stylu schodów), ale nadal dostajesz tę samą energię. Jedyną różnicą jest niezbędna inżynieria: zbudowanie 4 średnich i dużych zapór może być bardziej opłacalne niż zapora o długości 4000 stóp, która wpada do oceanu.
corsiKa
2
@Dave Ale tak jest. Turbina wielostopniowa wszystko w jednym (w stylu klifowym) nie różni się niczym od wielostopniowej turbiny na różnych stacjach poniżej (w stylu schodów). Tak czy inaczej dostajesz tę samą maksymalną energię. Jedyne pytania dotyczą tego, jak skutecznie możesz wydobyć tę energię i jak duże jest możliwe zbudowanie tamy. Najlepsza roślina ma tamę, która tnie rzekę wysoko i zrzuca ją prosto do oceanu, ale to po prostu niemożliwe.
corsiKa
1
@EnergyNumbers Obawiam się, że fatalnym problemem tej odpowiedzi jest to, że ma sens tylko dla osób, które już znają fakty, które próbuje podać. Myślę, że to gwiezdna odpowiedź musi mieć sens dla ludzi, którzy jeszcze nie rozumieją.
corsiKa
3

Turbiny wodne są głównym źródłem energii elektrycznej. Turbina wodna zazwyczaj ma tylko jedną tarczę wirnika.

wprowadź opis zdjęcia tutaj

(od Old Moonraker z Wikipedii )

Turbiny gazowe są stosowane w generatorach energii elektrycznej na gaz ziemny, samolotach odrzutowych i kilku innych pojazdach.

Turbina gazowa ma na ogół wiele tarcz wirnika, które można podzielić na dwie grupy: tarcze wirnika sprężarki i tarcze wirnika turbiny.

Sekcja sprężarki turbiny gazowej wymaga dużej liczby tarcz wirnika, ponieważ zmniejszenie liczby tarcz wirnika zmniejsza wydajność poprzez (a) zwiększenie różnicy ciśnień na każdym dysku, aby utrzymać ten sam całkowity współczynnik sprężania, zmniejszenie wydajności sprężania lub (b ) utrzymywanie różnicy ciśnień na każdym dysku bez zmian, zmniejszając całkowity stopień kompresji, co zmniejsza wydajność cyklu Braytona .

Turbiny wodne nie potrzebują sekcji sprężarki.

Podczas gdy w zasadzie turbina gazowa może mieć wiele tarcz wirnikowych, w praktyce okazuje się, że turbiny lotnicze mają zwykle tylko 1 lub 2 tarcze wirnikowe, a (przykręcone do ziemi) turbiny gazowe na ogół mają tylko 1 lub 2 lub 3 tarcze wirnikowe, niewiele różni się od turbin wodnych, które mają tylko 1 tarczę wirnika.

Turbiny gazowe stosowane w generatorach energii elektrycznej są generatorami elektrycznymi zasilanymi olejem lub gazem ziemnym i mają na celu wydobycie jak największej ilości energii, jak to możliwe; nacisk na śruby przytrzymujące je na ziemi jest niepotrzebny.

Przykłady:

(Hitachi H-25 z Russell Ray, energetyka)

(Zdjęcie mikro turbiny gazowej o mocy 100 kW, autorstwa M. Cadorina i in. „Analiza turbiny mikrogazowej zasilanej gazem ziemnym i gazem syntezowym: Stanowisko testowe MGT i analiza CFD Combustor” )

Siemens Gas Turbine 200 (SGT-200) do przemysłowego wytwarzania energii

(z Tekla Perry: „Nowe turbiny gazowe GE ładnie bawią się odnawialnymi źródłami energii” ).

wprowadź opis zdjęcia tutaj

( Turbina gazowa OP16 2 MW klasy OPRA )

wprowadź opis zdjęcia tutaj

( napędzany gazem ziemnym lub olejem Saturn 20 w Amherst College )

David Cary
źródło
Powodem, dla którego kilka tarcz wirnikowych w turboodrzutniku jest zmniejszenie energii pobieranej przez turbinę: chodzi o to, aby pozostawić tyle spalin, ile jest praktyczne w wydechu, aby wytworzyć ciąg. Turbośmigła będą miały więcej dysków, ponieważ będą musiały pobrać więcej mocy dla śmigła.
Brian Drummond
@BrianDrummond: Dobra uwaga. Uświadomiłeś mi, że (przykręcone do ziemi) generatory energii elektrycznej z turbiny na gaz ziemny są bardziej porównywalne z (przykręconymi do ziemi) hydroelektrycznymi generatorami energii, więc zamieniłem obrazy. Zgadzam się, że turbośmigła potrzebują mniej energii w spalinach niż turboodrzuty; (przykręcone do ziemi) turbiny na gaz ziemny nie potrzebują energii w spalinach.
David Cary
3

Powodem, dla którego generator hydroelektryczny zasadniczo różni się od turbiny gazowej, jest to, że woda pod ciśnieniem nie jest gazem i nie zmienia znacząco wielkości, gdy pobierana jest z niej energia.

Silnik gazowy musi uwzględniać znaczne zmiany termiczne i objętościowe gazów wewnątrz silnika, dlatego na ogół wymagane są różne części i materiały.

Turbiny hydroelektryczne mają różne wyzwania i muszą tolerować przechodzące przez nie przedmioty i liście.

Schematy konstrukcyjne elementów wirujących turbin hydroelektrycznych są zasadniczo różne od silników gazowych: śruby Archimedesa, wentylatory kaplanowe, koła Pelton, turbiny przepływowe i koła wodne.

W niektórych okolicznościach stosuje się konstrukcje wieloetapowe.

Da Bishop
źródło