Kaplani turbiin: parim lahendus madala kiirusega veevoolu jaoks
Hüdroelektrijaamade maailmas (PLTA) ei ole kõigis kohtades kiirevoolulisi jõgesid ega kõrgeid veesambaid. Paljudes piirkondades on veevool suhteliselt aeglane, kuid selle vooluhulk on suur ja stabiilne aastaringselt. Just sellistes tingimustes muutub Kaplani turbiin väga silmapaistvaks valikuks. See turbiin on tuntud kui üks tõhusamaid tehnoloogiaid madala kiirusega veevoolu kasutamiseks madala kuni keskmise veesamba korral, mistõttu sobib see kasutamiseks erinevates piirkondades, sealhulgas madalikel jõgedes ja niisutuskanalites.
Kaplani turbiini tundmaõppimine
Kaplani turbiin on reaktsiooniturbiini tüüp, mis töötab veesurve ja voolukiiruse muutuste abil, et pöörata jooksuratast (turbiiniratast). Selle turbiini töötas esmakordselt välja Viktor Kaplan 20. sajandi alguses. Kaplani disaini peamine eelis seisneb jooksuratta propellerilaadses kujus ja reguleeritavas labanurgas. Labanurga muutmise võimalus võimaldab turbiinil säilitada kõrge efektiivsuse hoolimata kõikuvast veevoolust.
Üldiselt kasutatakse Kaplani turbiine laialdaselt hüdroelektrijaamades, millel on madal surve (umbes 2–30 meetrit) ja suur vooluhulk. Erinevalt Peltoni turbiinidest, mis sobivad kõrge surve jaoks, või Francise turbiinidest, mis on paindlikumad keskmise surve jaoks, on Kaplani turbiinid "määratud" maksimeerima energiapotentsiaali aeglasemate voolude korral.
Kaplani turbiini tööpõhimõte
Kaplani turbiini tööpõhimõte algab sellest, et vesi voolab turbiini korpusesse läbi sisselaskekanali ehk sulguri. Seejärel läbib vesi juhtlabade, mis reguleerivad voolukiirust ja suunavad voolu õige nurga all. Seejärel põrkub vesi vastu jaoturit, pannes selle pöörlema.
Kaplani eristab tavalisest propellerturbiinist kahe juhtimismehhanismi olemasolu:
1. Väravavärava seadistus: kontrollib sissetuleva vee hulka.
2. Jooksulabade nurga reguleerimine: labade nurga muutmine nii, et see oleks alati voolusuuna jaoks optimaalne.
See kombinatsioon, mida tuntakse topeltreguleerimise nime all, muudab Kaplani turbiini eriti heaks olukorras, kus jõe vooluhulk kõigub hooajaliste või töötingimuste tõttu.
Pärast jooksuri pöörlemist väljub vesi läbi tõmbetoru. Tõmbetoru aitab tagasi saada osa rõhuenergiast ja suurendab turbiini üldist efektiivsust. See süsteem maksimeerib veeenergia kasutamist võrreldes konstruktsioonidega, kus rõhutagastus puudub.
Miks sobib Kaplani turbiin madala kiirusega voolude jaoks?
Madala kiirusega veevool on tavaliselt seotud madala rõhuga. Madala rõhu korral ei ole vee potentsiaalne energia eriti kõrge, seega on vaja süsteemi, mis on võimeline tootma suurest veekogusest (vooluhulgast) suurt energiat. Kaplani turbiin on just selleks loodud.
Mõned peamised põhjused, miks Kaplan nendes tingimustes silma paistab:
– Kõrge efektiivsus madalal rõhul: Kaplan suudab saavutada kõrge efektiivsuse (sageli >90% projekteerimistingimustes), kuna selle konstruktsioon vähendab energiakadusid.
– Optimaalne suure vooluhulga korral: mida suurem on vooluhulk, seda efektiivsemalt Kaplan töötab, eeldusel, et kanali ja jala disain on sobivad.
– Vastupidav koormuse muutustele: kahekordne reguleerimismehhanism aitab turbiinil vooluhulga muutudes stabiilsena ja tõhusana püsida.
Seega, kui asukohas on lai jõgi, pidev vooluhulk, kuid puuduvad juga või suured kõrguste erinevused, on Kaplan sageli kõige ökonoomsem ja tehnilisem lahendus.
Kaplani turbiini peamised komponendid
Kaplani toimivuse mõistmiseks on oluline ära tunda selle peamised komponendid:
1. Jooksja (turbiinpropeller)
Tavaliselt on sellel 3 kuni 6 tera, olenevalt suurusest ja vajadustest. Terad saavad oma telje ümber pöörata, et nurka reguleerida.
2. Väravavärav / juhtlipp
Juhtlabade rida, mis kontrollivad sissevoolu ja suunavad vett jooksja poole.
3. Tõmbetoru
Kanal, mis aeglustab väljavoolu ja muundab kineetilise energia rõhuenergiaks, suurendades seeläbi efektiivsust.
4. Võll
Jooksja ühendamine generaatoriga. See võib olla vertikaalne või horisontaalne, kuigi vertikaalset mudelit kasutatakse sagedamini suurte võimsuste korral.
5. Juhtimis- ja täitursüsteemid
Reguleerib automaatselt jooksuri labade ja värava liikumist vastavalt generaatori tühjenemisele ja koormusele.
Kaplani turbiini eelised
Kaplani turbiini tuntakse teatud tingimuste "tšempionina". Siin on mõned eelised, mis muudavad selle populaarseks valikuks:
– Kõrge efektiivsus laias töövahemikus
Kuna jooksulabasid saab reguleerida, jääb turbiin tõhusaks laias voolukiiruste vahemikus.
– Sobib suurtele ja väikestele hüdroelektrijaamadele
Kaplan ei ole mõeldud ainult suurte tammide jaoks; väiksemaid versioone saab kasutada niisutuskanalite või lüüsiväravate jaoks.
– Kiire reageerimine koormuse muutustele
Juhtimissüsteem võimaldab turbiinil stabiilselt kohaneda elektrienergia nõudluse muutustega.
– Sõbralikum madalate vooluhulkade suhtes
Võrreldes teiste turbiinidega "pigistab" Kaplan vähem kiiresti voolavast veest rohkem energiat.
Väljakutsed ja puudused
Vaatamata eelistele on Kaplani turbiinil ka mitmeid väljakutseid:
– Esialgsed kulud on suhteliselt kõrged
Tänu keerukama tera reguleerimismehhanismi ja juhtimissüsteemi olemasolule.
– Keerulisem hooldus
Rohkem liikuvaid osi vajab regulaarset kontrolli, määrimist ja kalibreerimist.
– Ebaõige konstruktsiooni/käitamise korral kavitatsioonile vastuvõtlik
Madala rõhu korral võivad tekkida aurumullid, mis võivad labade pindu kahjustada. Seetõttu tuleb tõmbetoru konstruktsiooni ja tööseadistusi hoolikalt läbi mõelda.
– Nõuab kõrget valmistamiskvaliteeti
Nii et tera saab täpselt liikuda ning on korrosiooni- ja erosioonikindel.
Suure vooluhulga ja madala rõhuga projektide puhul kaaluvad pikaajalised efektiivsuse ja energiatootmise tulemused sageli üles kõrgemad esialgsed kulud.
Kaplani turbiini rakendused välitingimustes
Kaplani turbiine kasutatakse laialdaselt:
– Madaliku jõe läbivoolul põhinev hüdroenergia (ilma suurte reservuaarideta).
– Väikese veesurve, aga suure vooluhulgaga tamm.
– Minihüdroprojekt niisutuskanalites.
– Stabiilse vooluga suudmealade või kanalite lähedal asuvad elektrijaamad.
Indoneesias, kus on palju suuri jõgesid ja ulatuslik niisutusvõrk, on Kaplani turbiinide rakendamise potentsiaal üsna suur, eriti kaugete piirkondade elektrifitseerimiseks minihüdroelektrijaamadega, mis kasutavad väikeseid, kuid ühtlasi vooluhulki.
Järeldus
Kaplani turbiinid on suurepärane lahendus väikese kiirusega veevoolude jaoks, eriti madala kuni keskmise rõhu ja suure vooluhulgaga süsteemides. Tänu reguleeritavale rootorikonstruktsioonile ja kahekordsele reguleerimismehhanismile suudavad Kaplani turbiinid säilitada kõrge efektiivsuse laias valikus töötingimustes. Kuigi ehitus- ja hoolduskulud kipuvad olema kõrgemad kui mõnedel teistel turbiinitüüpidel, muudab nende pikaajaline jõudlus investeeringu sageli seda väärt.
Lõppkokkuvõttes ei ole hüdroenergia turbiini valik universaalne lähenemisviis; see peab arvestama tõstekõrgust, vooluhulka, hooajalisi kõikumisi ja energiavajadust. Kui aga on saadaval mõõdukas, kuid rikkalik veevool, osutub Kaplani turbiin peaaegu alati kõige loogilisemaks ja tõhusamaks lahenduseks.
