Tại sao các nhà máy thủy điện không sử dụng các tầng của tuabin thay vì các tuabin đơn?

Trong một động cơ tua-bin khí có nhiều bộ lưỡi dao - bộ này đến bộ khác và các sản phẩm đốt cháy vượt qua tất cả các bộ và mỗi bộ lưỡi dao sẽ nhận được một phần năng lượng. Điều này làm tăng việc sử dụng năng lượng từ khí đốt.

Trong khi đó, các nhà máy thủy điện sử dụng tua-bin với một bộ lưỡi dao và usecase điển hình là nơi có kênh cấp nước từ hồ chứa trên cao và tua-bin ở dưới đáy và nước chảy qua tua-bin rồi chảy xuống sông. Tôi cho rằng vẫn còn một số năng lượng cơ học bị bỏ lại khi nước chảy ra khỏi tuabin.

Tại sao các tuabin nước không bị "xiềng xích" để nước thoát ra khỏi tuabin thứ nhất làm cho tuabin thứ hai sử dụng năng lượng cơ học còn lại?

Các khí thải là chất lỏng có thể nén, trong khi nước lỏng thì không.

Đây là hình ảnh động về cách thức hoạt động của tuabin khí: https://www.youtube.com/watch?v=gqNtoy2x5bU

Ở giai đoạn đốt cháy, khí và khí nén được trộn với nhau, đã ở áp suất cao. Việc đốt cháy giải phóng năng lượng được lưu trữ trong khí, làm nóng các khí thoát ra (khí thải). Điều này sẽ tạo ra một áp suất thậm chí cao hơn, vì vậy để ngăn dòng chảy ngược, phần đốt cháy là một thể tích lớn hơn để giữ áp suất như cũ hoặc thấp hơn. Khối lượng lớn khí áp suất cao này điều khiển tuabin. Khi các khí nén áp suất cao này đi qua bộ lưỡi dao đầu tiên, áp suất giảm và khí giãn nở . Vẫn còn một số áp lực còn lại và có thể rút thêm năng lượng bằng một bộ lưỡi khác, và một bộ khác, v.v.

Vì nước lỏng không nén được, nó không giãn nở khi áp suất giảm. Điều này thực sự làm cho việc trích xuất năng lượng dễ dàng hơn nhiều. Bạn truyền nước qua vòi phun, giảm áp suất cao bên trong đường ống xuống áp suất khí quyển bên ngoài vòi và tăng tốc nước lên tốc độ cao. Năng lượng này sau đó có thể được rút ra tất cả trong một lần bởi tuabin, vì nước không giãn nở và năng lượng thoát ra ở nơi khác. Tua bin Turgo thực sự rất hiệu quả trong việc trích xuất năng lượng này, lên tới 90%.

Đây là lý do tại sao nhiều giai đoạn không cần thiết trong các nhà máy thủy điện. Tuy nhiên, bạn vẫn có thể 'xâu chuỗi' chúng lại với nhau theo nghĩa đen. Nếu bạn có một giọt rất lớn, bạn có thể đặt một loạt các tuabin nhỏ trong khoảng thời gian thả xuống, nước được giải phóng từ cái này sang cái khác. Tuy nhiên, lượng năng lượng có sẵn sẽ không thay đổi từ việc có một tuabin lớn hơn ở dưới cùng và sử dụng áp suất cao hơn.

Những gì còn thiếu cho đến nay là một lời giải thích tại sao bạn không thể mở rộng từ áp suất cao sang khí quyển trong một tuabin khí một tầng. Có hai loại tua bin khí - tua bin xung và tua bin phản ứng. Cả hai đều phải đối mặt với cùng một vấn đề nhưng nó dễ hiểu hơn trong tuabin xung lực.

Tua bin xung tăng tốc khí qua vòi phun từ áp suất cao P1 đến áp suất thấp hơn P2, tăng tốc độ lên V. Khí chuyển động nhanh chạm vào các cánh tuabin và từ bỏ động lượng và động năng, trở thành khí chuyển động chậm ở áp suất P2.

Vấn đề là đối với một số giá trị chênh lệch áp suất, tốc độ V đạt đến tốc độ âm thanh (trong khí đó ở nhiệt độ đó). Tại điểm đó các cánh tuabin rất kém hiệu quả.

Từ một cuốn sách rất cũ, tôi không thể tìm thấy ngay bây giờ về tua bin hơi nước (điều tương tự: hơi nước là một loại khí!), Hiệu suất bắt đầu giảm ở đâu đó quanh Mach 0,5, tương ứng với việc giảm áp suất 40% trong một giai đoạn. (Vận tốc thực tế có thể được tìm thấy từ phương trình Bernoulli)

Cung cấp một cách để tìm số lượng giai đoạn bạn cần để chuyển đổi hiệu quả bất kỳ tỷ lệ áp suất nhất định nào thành công suất trục. Với các thiết kế lưỡi mới hơn, Mach 0,5 có thể không còn là giới hạn trên mà áp dụng nguyên tắc cơ bản tương tự.

Trong động cơ máy bay phản lực, sau nhiều giai đoạn tăng tốc cận âm, khí nóng thoát qua một vòi phun cuối cùng và có thể vượt quá Mach 1 để cung cấp lực đẩy cho máy bay - nhưng không hiệu quả lắm. (Các động cơ của SR71 Blackbird đã chuyển sang một chế độ hoạt động khác - thực tế là một máy bay phản lực - cho hoạt động Mach 3)

Nước sẽ phải rời khỏi tuabin với tốc độ. Đó là những gì bạn đã gọi là sức mạnh cơ học còn lại của nó. Vấn đề là, tuabin đã làm chậm nước nhiều nhất có thể được thực hiện, trong khi vẫn cho phép nước rời khỏi nhà máy và không làm ngập nó. Vì vậy, làm chậm nó xuống hơn nữa với một giai đoạn thêm của tuabin không phải là một lựa chọn. Nếu nó có thể bị chậm hơn nữa, thì tuabin đầu tiên sẽ được thiết kế để làm điều đó.

Có những ví dụ về tuabin nối tiếp: có những dòng sông có nhiều hơn một nhà máy thủy điện chạy trên sông.

Nhưng đối với hầu hết các hydro lưu trữ, đơn giản nhất là chỉ cần trích xuất càng nhiều động năng càng tốt trong một lần. Đó là ít thứ để duy trì và quản lý. Xâu chuỗi chúng theo chuỗi sẽ chỉ làm giảm năng lượng có sẵn cho các tuabin hạ lưu.

Cuối cùng, năng lượng bạn có thể lấy được giới hạn ở chiều cao của trọng lượng lần rơi của nước (lần g , gia tốc của trọng lực), trừ đi động năng của nước khi rời khỏi cây. (Nó không thể rời đi với động năng bằng không, vì động năng bằng không có nghĩa là nó hoàn toàn không rời khỏi nhà máy).

Thêm nhiều tuabin không ảnh hưởng gì đến phương trình đó. Nếu giọt giống nhau và khối lượng nước là như nhau và tốc độ nước rời khỏi nhà máy là như nhau, thì lượng năng lượng thu hoạch là như nhau (giả sử hiệu suất tuabin không đổi).

Tôi nghĩ, từ câu hỏi của bạn, bạn đang tự hỏi tại sao một nhà máy thủy điện không giống CCGT hơn, với các tuabin nhiều tầng. Một nhà máy thủy điện đơn giản hơn, hiệu quả hơn và hiệu quả hơn so với CCGT. Một CCGT có các biến chứng của nó bởi vì nó là một nhà máy nhiệt với chất lỏng có khả năng nén cao và chuyển pha (nước thành hơi). Một nhà máy thủy điện chỉ đang thu hoạch động năng. Một loạt các tuabin không cung cấp bất cứ điều gì ngoài các biến chứng cho một nhà máy thủy điện.

Tua bin nước là một nguồn năng lượng điện chính. Một tuabin nước thường chỉ có một đĩa rôto.

_{(từ Old Moonraker tại Wikipedia )}

Tua bin khí được sử dụng trong các máy phát điện chạy bằng khí đốt tự nhiên, máy bay phản lực và một số phương tiện khác.

Một tuabin khí thường có rất nhiều đĩa rôto, có thể được chia thành hai nhóm: đĩa rôto máy nén và đĩa rôto tuabin.

Phần máy nén của tuabin khí cần rất nhiều đĩa rôto, vì việc giảm số lượng đĩa rôto làm giảm hiệu suất bằng cách (a) tăng chênh lệch áp suất trên mỗi đĩa để giữ cho tổng tỷ số nén như nhau, giảm hiệu suất nén hoặc (b ) giữ chênh lệch áp suất trên mỗi đĩa như nhau, làm giảm tổng tỷ số nén, làm giảm hiệu quả của chu trình Brayton .

Tua bin nước không cần phần máy nén.

Mặc dù về nguyên tắc, một tuabin khí có thể có rất nhiều đĩa rôto, trong thực tế chúng ta thấy rằng các tuabin máy bay thường chỉ có 1 hoặc 2 đĩa rôto, và (bắt vít xuống đất) các tuabin khí tự nhiên thường chỉ có 1 hoặc 2 hoặc 3 đĩa rôto, không khác nhiều so với tuabin nước chỉ có 1 đĩa rôto.

Tua bin khí được sử dụng trong máy phát điện là máy phát điện chạy bằng dầu hoặc khí tự nhiên và được thiết kế để lấy năng lượng nhiều nhất có thể như năng lượng điện; lực đẩy chống lại các bu lông giữ chúng trên mặt đất là không cần thiết.

Ví dụ:

• Máy ảnh H-25

_{(Hitachi H-25 từ Russell Ray, Kỹ thuật điện)}

• Tua bin khí siêu nhỏ 100 kW

_{(100-kW vi khí tuabin ảnh từ M. Cadorin et al "Phân tích một Turbine Micro Gas Fed: Natural Gas và Synthesis Gas: MGT Test Bench và phân tích CFD buồng đốt". )}

• Tua bin khí Siemens 200

_{Tua bin khí Siemens 200 (SGT-200) để phát điện công nghiệp}

• Tua bin khí GE

_{(từ Tekla Perry: "Tua bin khí mới của GE chơi độc đáo với năng lượng tái tạo" .)}

_{( Tua bin khí OP16 loại 2 MW của OPRA )}

_{( Saturn 20 chạy bằng khí tự nhiên hoặc chạy bằng dầu tại Amherst College )}

Lý do tại sao một máy phát thủy điện khác về cơ bản với tuabin khí là bởi vì nước dưới áp lực không phải là chất khí và không thay đổi kích thước đáng kể vì năng lượng được chiết xuất từ ​​nó.

Một động cơ khí phải tính đến sự thay đổi đáng kể về nhiệt và thể tích của khí bên trong động cơ, do đó thường cần nhiều bộ phận và nhiều vật liệu.

Tua bin thủy điện có những thách thức khác nhau, và phải chịu đựng các vật phẩm như lá và cành cây đi qua chúng.

Các sơ đồ thiết kế của các phần tử quay của tuabin thủy điện khác biệt cơ bản với động cơ khí: vít archimedes, quạt kaplan, bánh xe Pelton, tua bin dòng chảy và bánh xe nước.

Thiết kế nhiều giai đoạn được sử dụng trong một số trường hợp.