Почему гидроэлектростанции не используют каскады турбин вместо отдельных турбин?

23

В газотурбинном двигателе имеется несколько наборов лопастей - один за другим, и продукты сгорания проходят все наборы, и каждый набор лопастей получает некоторую мощность. Это увеличивает использование энергии от сжигания газа.

В то же время на гидроэлектростанциях используются турбины с одним набором лопастей, и типичный пример использования - это канал для подачи воды из надземного резервуара, а турбина находится внизу, и вода проходит через турбину, а затем просто стекает по реке. Я предполагаю, что есть некоторая механическая сила, оставшаяся нерассеянной, когда вода вытекает из турбины.

Почему водяные турбины не «сцеплены» так, что вода, выходящая из первой турбины, приводит в движение вторую турбину, используя остаточную механическую мощность?

Sharptooth
источник
3
Мощность зависит от перепада давления до и после, установка другой турбины позади первой снизит КПД первой.
фрик с трещоткой
1
Отметим еще одну, вторичную проблему: газовые турбины работают с очень чистой средой, которая ведет себя очень детерминистически. Водяные турбины работают на воде, которая подверглась только элементарной фильтрации на предмет большого количества мусора - они должны выдерживать воздействие гравия и других твердых загрязнителей в воде. Этого гораздо проще достичь с помощью одной большой и прочной конструкции, чем с несколькими более мелкими и, как результат, более хрупкими.
SF.
То, что вы предлагаете, очень похоже на сбор энергии после первичного потребления энергии, которая, как правило, слишком неэффективна, чтобы стоить делать. См. Эти вопросы для обсуждения по теме engineering.stackexchange.com/questions/372/… , engineering.stackexchange.com/questions/389/…
Пол
Для газовых турбин с каждой ступенью изменяются давление и, следовательно, плотность и, следовательно, объем, поэтому турбины должны строиться по-разному. Меня интересует то же самое, см. Здесь: phys.stackexchange.com/questions/24436/…
март

Ответы:

29

Выхлопные газы являются сжимаемыми жидкостями, а жидкая вода - нет.

Вот анимация того, как работает газовая турбина: https://www.youtube.com/watch?v=gqNtoy2x5bU

На стадии сгорания газ и сжатый воздух смешиваются вместе уже при высоком давлении. Сжигание выпускает энергию, запасенную в газе, нагревая выпущенные газы (выхлоп). Это создало бы еще более высокое давление, поэтому для предотвращения обратного потока секция сгорания имеет больший объем, чтобы поддерживать давление тем же или ниже. Этот большой объем газов высокого давления приводит в движение турбину. Когда эти сжатые газы высокого давления проходят через первый набор лопастей, давление уменьшается, и газы расширяются . Еще остается некоторое давление, и больше энергии можно извлечь с помощью другого набора лезвий, другого и т. Д.

Поскольку жидкая вода не сжимается, она не расширяется при снижении давления. Это на самом деле делает добычу энергии намного проще. Вы пропускаете воду через форсунку, снижая высокое давление внутри трубы до атмосферного давления снаружи форсунки и разгоняя воду до высокой скорости. Эта энергия может быть затем извлечена за один раз турбиной, потому что вода не расширяется и энергия уходит в другое место. Турбины Турго на самом деле очень эффективны при извлечении этой энергии, до 90%.

Вот почему многократные стадии не нужны в гидроэлектростанциях. Однако вы все равно можете «связать» их вместе в буквальном смысле. Если у вас очень большая капля, вы можете поставить серию маленьких турбин через определенные промежутки времени, чтобы вода выходила из одной в другую. Тем не менее, количество доступной энергии не изменилось бы от наличия турбины большего размера на самом дне и использования более высоких давлений.

jhabbott
источник
Я полагаю, что одна из причин, по которой вы хотите создать цепочку, - это уменьшить нагрузку на каждую турбину Вы не можете добывать больше энергии, но, возможно, сможете сэкономить на более дешевой технике.
Slebetman
«... создание еще более высокого давления ...»: Нет. Это приведет к обратному потоку. Более высокие давления на стадии сгорания, конечно, могут возникать в поршневом двигателе с микросхемой.
Джон Бентин
1
@JohnBentin верно, ты. Я обновил ответ, чтобы точнее представить процесс. Спасибо за помощь, чтобы улучшить этот ответ.
Джабботт
6

Чего не хватает, так это объяснения, почему вы не можете расширить от высокого давления до атмосферного в одноступенчатой ​​газовой турбине. Существует два типа газовых турбин - импульсные и реакционные турбины. Оба сталкиваются с одной и той же проблемой, но это легче понять в импульсной турбине.

Импульсная турбина ускоряет газ через сопло от высокого давления P1 до более низкого давления P2, увеличивая свою скорость до V. Быстро движущийся газ ударяет по лопаткам турбины и теряет свой импульс и кинетическую энергию, превращаясь в медленно движущийся газ при давлении P2.

Проблема заключается в том, что для некоторого значения разности давлений скорость V достигает скорости звука (в этом газе при этой температуре). В этот момент лопасти турбины крайне неэффективны.

Из очень старой книги, которую я сейчас не могу найти о паровых турбинах (то же самое: пар - это газ!) Эффективность начала падать где-то около 0,5 Маха, что соответствовало снижению давления на ступени на 40%. (Фактическая скорость может быть найдена из уравнения Бернулли)

Что позволяет найти количество ступеней, необходимое для эффективного преобразования любого заданного отношения давления в мощность на валу. Учитывая новые конструкции лезвий, Mach 0.5 больше не может быть верхним пределом, но применяется тот же основной принцип.

В реактивном двигателе летательного аппарата после нескольких стадий дозвукового ускорения горячие газы выходят через одно последнее сопло и могут значительно превышать Мах 1, чтобы обеспечить тягу летательного аппарата, но не очень эффективно. (Двигатели SR71 Blackbird перешли на другой режим работы - практически ПВРД - для работы на Mach 3)

Брайан Драммонд
источник
3

Вода собирается покинуть турбину на скорости. Это то, что вы называете его остаточной механической силой. Дело в том, что турбина уже настолько замедлила воду, насколько это можно разумно сделать, и при этом позволяла воде покидать растение и не заливать его. Так что замедлять его дальше с помощью дополнительной ступени турбины просто не вариант. Если бы это могло быть замедлено далее, то первая турбина была бы разработана, чтобы сделать это.

В серии приводятся примеры турбин: есть реки с несколькими гидроузлами.

Но для большинства гидроаккумуляторов проще всего извлечь как можно больше кинетической энергии за один раз. Это меньше вещей, чтобы поддерживать и управлять. Последовательное их соединение просто уменьшит энергию, доступную для нижестоящих турбин.

В конечном счете, энергия, которую вы можете получить, ограничена высотой удельного веса воды (умноженное на g , ускорение силы тяжести), минус кинетическая энергия воды при выходе из растения. (Он не может уйти с нулевой кинетической энергией, поскольку нулевая кинетическая энергия будет означать, что он вообще не покинет растение).

Добавление большего количества турбин никак не влияет на это уравнение. Если капля такая же, масса воды одинаковая, а скорость воды, покидающей установку, одинакова, то количество собранной энергии одинаково (при условии постоянной эффективности турбины).

Я думаю, что из вашего вопроса вы задаетесь вопросом, почему гидроэлектростанция больше не похожа на ПГУ с ее многоступенчатыми турбинами. Гидростанция намного проще, эффективнее и эффективнее, чем ПГУ. У CCGT есть свои сложности, потому что это тепловая установка с высокосжимаемыми жидкостями и фазовым переходом (вода в пар). Гидростанция просто собирает кинетическую энергию. Каскад турбин не предлагает ничего, кроме осложнений для гидроэлектростанции.

EnergyNumbers
источник
Вопрос не очень хорошо сформулирован, но я думаю, что он больше относится к многоступенчатой ​​газовой турбине, а не к гирляндным цепочкам.
Джабботт
Этот ответ никоим образом не затрагивает вопрос об одноступенчатых и многоступенчатых турбинах. «Потраченная впустую» выработка энергии одной гидроэлектростанции не влияет на энергию, потребляемую другой станцией далеко вниз по течению.
Дэйв Твид
2
@Dave Энергия, которую мы можем извлечь из гидроэлектростанции, определяется просто высотой, с которой она падает. Вы можете сделать все это в одном (стиль скалы) или в нескольких (стиль лестницы), но вы все равно получаете ту же энергию. Единственное отличие заключается в необходимом проектировании: может быть более выгодно построить 4 средние и большие плотины, чем плотина 4000 футов, которая впадает в океан.
CorsiKa
2
@Dave Но это так. Многоступенчатая турбина «все в одном» (стиль обрыва) не отличается от многоступенчатой ​​турбины на различных станциях вниз по течению (стиль лестницы). Вы получаете одинаковую максимальную энергию в любом случае. Вопрос только в том, насколько эффективно вы сможете извлечь эту энергию и насколько вы сможете построить плотину. У лучшего растения есть плотина, которая рассекает реку высоко и сбрасывает ее прямо в океан, но это просто невозможно.
CorsiKa
1
@EnergyNumbers Я боюсь, что фатальная проблема этого ответа в том, что он имеет смысл только для людей, которые уже знают факты, которые он пытается изложить. Я думаю, что это будет звездный ответ, который должен иметь смысл для людей, которые еще не понимают.
CorsiKa
3

Водяные турбины являются основным источником электроэнергии. Водяная турбина обычно имеет только один диск ротора.

введите описание изображения здесь

(из Old Moonraker в Википедии )

Газовые турбины используются в генераторах электроэнергии на природном газе, реактивных самолетах и ​​некоторых других транспортных средствах.

Газовая турбина обычно имеет множество дисков ротора, которые можно разделить на две группы: диски ротора компрессора и диски ротора турбины.

Секция компрессора газовой турбины требует большого количества дисков ротора, поскольку уменьшение количества дисков ротора снижает эффективность, либо (а) увеличивая перепад давления на каждом диске, чтобы сохранить общую степень сжатия одинаковой, снижая эффективность сжатия, либо (b ) поддерживая одинаковый перепад давления на каждом диске, уменьшая общую степень сжатия, что снижает эффективность цикла Брайтона .

Водяные турбины не нуждаются в секции компрессора.

Хотя в принципе газовая турбина может иметь много дисков ротора, на практике мы обнаруживаем, что авиационные турбины, как правило, имеют только 1 или 2 диска ротора, и (прикрепленные болтами к земле) турбины природного газа обычно имеют только 1, 2 или 3 диска ротора, не сильно отличается от водяных турбин, которые имеют только 1 диск ротора.

Газовые турбины, используемые в электрогенераторах, являются электрогенераторами, работающими на нефти или на природном газе, и предназначены для извлечения как можно большего количества энергии, чем электроэнергии; толкание болтов, удерживающих их на земле, не требуется.

Примеры:

(Hitachi H-25 от Рассела Рэя, Энергетика)

(Фото микротурбины мощностью 100 кВт от М. Кадорина и др. "Анализ микротурбинной турбины, питаемой природным газом и синтез-газом: испытательный стенд MGT и анализ CFD камеры сгорания" )

Siemens Gas Turbine 200 (SGT-200) для промышленного производства электроэнергии

(от Tekla Perry: «Новые газовые турбины GE прекрасно работают с возобновляемыми источниками энергии» .)

введите описание изображения здесь

( Газовая турбина OP16 класса OP16 мощностью 2 МВт )

введите описание изображения здесь

( природный газ или нефть на Сатурне 20 в колледже Амхерст )

Дэвид Кэри
источник
Причина, по которой в турбореактивном двигателе мало дисков ротора, заключается в уменьшении энергии, выделяемой турбиной: суть заключается в том, чтобы оставить в выхлопе столько энергии, сколько практично, для создания тяги. Турбовинты будут иметь больше дисков, потому что им нужно больше энергии для винта.
Брайан Драммонд
@BrianDrummond: Хорошая мысль. Вы заставили меня понять, что (прикрученные к земле) турбогенераторы на природном газе более сопоставимы с (прикрученными к земле) гидроэлектростанциями, поэтому я поменял изображения. Я согласен, что турбовинтовому двигателю требуется меньше энергии, чем турбореактивным двигателям; (прикрученные к земле) газовые турбины не нуждаются в энергии в выхлопе.
Дэвид Кэри
3

Причина, по которой гидроэлектрический генератор в корне отличается от газовой турбины, заключается в том, что вода под давлением не является газом и не меняет размер значительно, поскольку энергия извлекается из него.

Газовый двигатель должен учитывать значительные тепловые и объемные изменения газов внутри двигателя, поэтому обычно требуется множество деталей и множество материалов.

Гидроэлектрические турбины сталкиваются с различными проблемами и должны терпеть такие предметы, как листья и ветви, проходящие через них.

Конструктивные схемы вращающихся элементов гидроэлектрических турбин существенно отличаются от газовых двигателей: винты Архимеда, вентиляторы Каплана, колеса Пелтона, турбины с поперечным потоком и водяные колеса.

Многоступенчатые конструкции используются при некоторых обстоятельствах.

Епископ
источник