Mengapa pembangkit listrik tenaga air tidak menggunakan turbin bukannya turbin tunggal?

Dalam mesin turbin gas ada beberapa set bilah - satu set demi satu dan produk pembakaran melewati semua set dan setiap set bilah mendapatkan sebagian daya. Ini meningkatkan pemanfaatan daya dari pembakaran gas.

Sementara itu pembangkit listrik tenaga air menggunakan turbin dengan satu set bilah dan usecase khas adalah di mana ada saluran untuk memberi makan air dari reservoir yang ditinggikan dan turbin berada di bagian bawah dan air mengalir melalui turbin dan kemudian mengalir ke sungai. Saya berasumsi masih ada tenaga mekanis yang tidak dieksplorasi ketika air mengalir keluar dari turbin.

Mengapa turbin air tidak "dirantai" sehingga air yang keluar dari turbin pertama menggerakkan turbin kedua menggunakan tenaga mekanis residual?

Gas buangan adalah cairan yang dapat dimampatkan, sedangkan air cair tidak.

Berikut ini animasi tentang cara kerja turbin gas: https://www.youtube.com/watch?v=gqNtoy2x5bU

Pada tahap pembakaran, gas dan udara tekan dicampur bersama, sudah pada tekanan tinggi. Pembakaran melepaskan energi yang tersimpan dalam gas, memanaskan gas yang dilepaskan (gas buang). Ini akan menciptakan tekanan yang lebih tinggi, jadi untuk mencegah aliran balik, bagian pembakaran adalah volume yang lebih besar untuk menjaga tekanan tetap sama atau lebih rendah. Volume besar gas bertekanan tinggi ini menggerakkan turbin. Ketika gas bertekanan bertekanan tinggi ini melewati set blade pertama, tekanan berkurang dan gas-gas mengembang . Masih ada beberapa tekanan yang tersisa dan lebih banyak energi dapat diekstraksi dengan satu set pisau, dan lainnya, dll.

Karena air cair tidak dapat dimampatkan, itu tidak berkembang ketika tekanan berkurang. Ini sebenarnya membuatnya lebih mudah untuk mengekstraksi energi. Anda melewatkan air melalui nosel, mengurangi tekanan tinggi di dalam pipa menjadi tekanan atmosfer di luar nosel, dan mempercepat air hingga kecepatan tinggi. Energi ini kemudian dapat diekstraksi secara bersamaan oleh turbin, karena air tidak mengembang dan energi keluar di tempat lain. Turbin Turgo sebenarnya sangat efisien dalam mengekstraksi energi ini, hingga 90%.

Inilah sebabnya mengapa beberapa tahap tidak diperlukan dalam pembangkit listrik tenaga air. Namun Anda masih bisa 'rantai' bersama-sama dalam arti harfiah. Jika Anda memiliki penurunan yang sangat besar, Anda bisa menempatkan serangkaian turbin kecil pada interval turun, air yang dilepaskan dari satu pergi ke yang lain. Namun, jumlah energi yang tersedia tidak akan berubah dari memiliki turbin yang lebih besar di bagian paling bawah dan menggunakan tekanan yang lebih tinggi.

Apa yang hilang sejauh ini adalah penjelasan mengapa Anda tidak dapat memperluas dari tekanan tinggi ke atmosfer dalam turbin gas satu tahap. Ada dua jenis turbin gas - turbin impuls dan reaksi. Keduanya menghadapi masalah yang sama tetapi lebih mudah dipahami dalam turbin impuls.

Turbin impuls mempercepat gas melalui nosel dari tekanan tinggi P1 ke P2 tekanan rendah, meningkatkan kecepatannya menjadi V. Gas yang bergerak cepat mengenai bilah turbin dan melepaskan momentum dan energi kinetiknya, menjadi gas yang bergerak lambat pada tekanan P2.

Masalahnya adalah bahwa untuk beberapa nilai perbedaan tekanan, kecepatan V mencapai kecepatan suara (dalam gas pada suhu itu). Pada saat itu bilah turbin sangat tidak efisien.

Dari buku yang sangat lama saya tidak dapat menemukan sekarang tentang turbin uap (hal yang sama: uap adalah gas!) Efisiensi mulai turun di suatu tempat di sekitar Mach 0,5 yang berhubungan dengan pengurangan tekanan 40% di panggung. (Kecepatan aktual dapat ditemukan dari persamaan Bernoulli)

Yang memberikan cara untuk menemukan jumlah tahapan yang Anda butuhkan untuk secara efisien mengubah rasio tekanan yang diberikan menjadi daya poros. Dengan desain blade yang lebih baru, Mach 0.5 mungkin tidak lagi menjadi batas atas tetapi prinsip dasar yang sama berlaku.

Dalam mesin jet pesawat terbang, setelah beberapa tahap akselerasi subsonik, gas panas keluar melalui satu nozzle terakhir dan mungkin melebihi Mach 1 untuk memberikan dorongan untuk pesawat - tetapi tidak terlalu efisien. (Mesin Blackbird SR71 beralih ke mode operasi yang berbeda - praktis ramjet - untuk operasi Mach 3)

Air harus meninggalkan turbin dengan cepat. Itu yang kau sebut sebagai sisa kekuatan mekanisnya. Masalahnya, turbin telah memperlambat air sebanyak yang bisa dilakukan secara wajar, sambil tetap membiarkan air meninggalkan pabrik dan tidak membanjirinya. Jadi memperlambatnya lebih jauh dengan turbin ekstra bukanlah pilihan. Jika bisa diperlambat lebih jauh, maka turbin pertama akan dirancang untuk melakukan itu.

Ada beberapa contoh turbin: ada sungai dengan lebih dari satu pembangkit hidro run-of-river.

Tetapi untuk sebagian besar penyimpanan hidro, paling sederhana hanya mengekstraksi energi kinetik sebanyak yang Anda bisa dalam sekali jalan. Ini lebih sedikit hal untuk dipelihara dan dikelola. Merantai mereka secara seri hanya akan mengurangi energi yang tersedia untuk turbin hilir.

Pada akhirnya, energi yang dapat Anda ambil terbatas pada ketinggian tetesan kali berat air (kali g , percepatan gravitasi), dikurangi energi kinetik air setelah meninggalkan tanaman. (Itu tidak dapat pergi dengan nol energi kinetik, karena nol energi kinetik berarti itu tidak meninggalkan tanaman sama sekali).

Menambahkan lebih banyak turbin tidak berpengaruh apa pun pada persamaan itu. Jika tetesannya sama, dan massa airnya sama, dan kecepatan air yang keluar dari pabrik sama, maka jumlah energi yang dipanen adalah sama (dengan asumsi efisiensi turbin konstan).

Saya pikir, dari pertanyaan Anda, Anda bertanya-tanya mengapa pembangkit listrik tenaga air tidak lebih seperti CCGT, dengan turbin multi-tahap. Pembangkit listrik tenaga air jauh lebih sederhana, lebih efisien, dan lebih efektif daripada CCGT. CCGT memiliki komplikasinya karena merupakan pembangkit termal dengan cairan yang sangat dapat dimampatkan dan transisi fase (air ke uap). Pabrik hidro hanya memanen energi kinetik. Turunnya turbin tidak menawarkan apa pun selain komplikasi pada pembangkit listrik tenaga air.

Turbin air adalah sumber utama tenaga listrik. Turbin air umumnya hanya memiliki satu rotor disk.

_{(dari Old Moonraker di Wikipedia )}

Turbin gas digunakan dalam generator tenaga listrik gas alam, pesawat jet, dan beberapa kendaraan lainnya.

Turbin gas umumnya memiliki banyak cakram rotor, yang dapat dibagi menjadi dua kelompok: cakram rotor kompresor dan cakram rotor turbin.

Bagian kompresor turbin gas memerlukan banyak cakram rotor, karena mengurangi jumlah cakram rotor mengurangi efisiensi dengan (a) meningkatkan perbedaan tekanan di setiap cakram untuk menjaga rasio kompresi total yang sama, mengurangi efisiensi kompresi, atau (b) ) menjaga perbedaan tekanan di setiap disk sama, mengurangi rasio kompresi total, yang mengurangi efisiensi siklus Brayton .

Turbin air tidak perlu bagian kompresor.

Walaupun pada prinsipnya turbin gas dapat memiliki banyak rotor disk, dalam praktiknya kami menemukan bahwa turbin pesawat umumnya hanya memiliki 1 atau 2 cakram rotor, dan (melesat ke tanah) turbin gas alam umumnya hanya memiliki 1 atau 2 atau 3 cakram rotor, tidak jauh berbeda dengan turbin air yang hanya memiliki 1 rotor disk.

Turbin gas yang digunakan dalam generator tenaga listrik adalah generator listrik bertenaga minyak atau gas alam dan dirancang untuk mengekstraksi energi sebanyak mungkin dengan tenaga listrik; dorongan yang mendorong baut menahannya di tanah tidak perlu.

Contoh:

• Hitachi H-25

_{(Hitachi H-25 dari Russell Ray, Power Engineering)}

• Turbin gas mikro 100-kW

_{(Foto turbin gas mikro 100-kW dari M. Cadorin et. Al "Analisis Turbin Gas Mikro yang Diolah dengan Gas Alam dan Gas Sintesis: Bangku Uji MGT dan Analisis CFD Pembakaran" )}

• Turbin Gas Siemens 200

_{Turbin Gas Siemens 200 (SGT-200) untuk pembangkit listrik industri}

• Turbin gas GE

_{(dari Tekla Perry: "Turbin Gas Baru GE Bermain dengan Baik dengan Energi Terbarukan" .)}

_{( Turbin gas OP16 2 MW kelas OPRA )}

_{( gas alam atau Saturn 20 yang diberdayakan dengan minyak di Amherst College )}

Alasan mengapa generator listrik tenaga air pada dasarnya berbeda dengan turbin gas adalah karena air di bawah tekanan bukan gas, dan tidak mengubah ukuran secara signifikan karena energi diekstraksi darinya.

Mesin gas harus memperhitungkan perubahan termal dan volume yang cukup besar dari gas-gas di dalam mesin, sehingga diperlukan beberapa bagian dan banyak bahan.

Turbin hidroelektrik memiliki tantangan yang berbeda, dan harus mentolerir benda seperti dedaunan dan cabang yang melewatinya.

Skema desain elemen berputar dari turbin hidroelektrik secara substansial berbeda dengan mesin gas: sekrup archimedes, kipas kaplan, roda Pelton, turbin crossflow dan roda air.

Desain multi-tahap digunakan dalam beberapa keadaan.