როგორ არის კაპლანის ტურბინები შესაფერისი დაბალი სიჩქარის წყლის ნაკადებისთვის
ჰიდროელექტროსადგურები (ჰესები) იყენებენ წყლის პოტენციალურ და კინეტიკურ ენერგიას ელექტროენერგიის წარმოებისთვის. თუმცა, ყველა ადგილს არ აქვს დიდი წყლის დაწნევა ან სწრაფი დინება. ბევრი მდინარე, სარწყავი არხი და დაბლობი კაშხალი ხასიათდება შედარებით დაბალი სიჩქარის დინებით დაბალი და საშუალო დაწნევებით. ასეთ პირობებში, ტურბინის ტიპის არჩევანი განმსაზღვრელი ფაქტორია იმის დასადგენად, იქნება თუ არა ენერგეტიკული პროექტი ეფექტური და ეკონომიკურად სიცოცხლისუნარიანი. ასეთი სცენარებისთვის ერთ-ერთი ყველაზე ცნობილი გადაწყვეტაა კაპლანის ტურბინა, რეაქტიული ტურბინა, რომელიც სპეციალურად შექმნილია დაბალი დაწნევებისა და მაღალი ხარჯის დროს ეფექტურობის შესანარჩუნებლად - რაც ხშირად დაკავშირებულია დაბალი სიჩქარის წყლის ნაკადებთან.
დაბალი სიჩქარის ნაკადის მახასიათებლების გაგება
ნელა დინების წყალი, როგორც წესი, დაბლობ რაიონებში ან ოდნავ დახრილ მდინარეებზე გვხვდება. ამ ადგილებში, ზემოთა და ქვემოთ დინებას შორის სიმაღლის სხვაობა მცირეა, ამიტომ ხელმისაწვდომი წნევა და პოტენციური ენერგია ასევე უფრო დაბალია, ვიდრე მთებში ჰიდროელექტროსადგურებში. მიუხედავად ამისა, ამ რაიონებს ხშირად აქვთ დიდი და სტაბილური ხარჯი, განსაკუთრებით დიდი მდინარეების ან სარწყავი არხების ქვემოთ. მთავარი გამოწვევაა „მშვიდი“ ნაკადიდან მიღებული ენერგიის გარდაქმნა მექანიკურ ბრუნვად, რომელიც საკმარისად ძლიერია გენერატორის სამართავად.
სწორედ აქ ავლენს კაპლანის ტურბინა თავის უპირატესობას: იმპულსური ტურბინის (მაგ., პელტონის) მსგავსად მაღალი წნევის წყლის ჭავლის სიჩქარეზე დაყრდნობის ნაცვლად, კაპლანი ბრუნვის მომენტის გენერირებისთვის იყენებს ტურბინის კორპუსში (სპირალური კორპუსი და წრიული ლილვი) წნევისა და ნაკადის კომბინაციას.
რა არის კაპლანის ტურბინა?
კაპლანის ტურბინა არის რეაქტიული ტიპის წყლის ტურბინა ღერძული დინებით — წყალი მიედინება ტურბინის ღერძის პარალელურად. მისი ძრავა გემის პროპელერს წააგავს, მაგრამ გაცილებით რთული ტექნოლოგიით. კაპლანის მთავარი უნიკალური მახასიათებელია მისი ცვლადი დახრილობის ძრავის პირები და რეგულირებადი მიმმართველი ფრთები (ვიკეტის კარიბჭეები). ეს ორმაგი განლაგება კაპლანს ნაკადის სიჩქარისა და დაწნევის ცვლილებებთან მაღალ ადაპტირებადს ხდის.
ზოგადად, კაპლანი გამოდგება დაბალი დაწნევის დიაპაზონში (ხშირად დაახლოებით 2-30 მეტრი, დიზაინიდან გამომდინარე) და მაღალი ნაკადის სიჩქარის პირობებში გამოსაყენებლად. ეს განსაკუთრებით ხშირია დაბალი სიჩქარის ნაკადებში, რადგან მაღალი დაწნევის გარეშე მაღალი სიმძლავრის მისაღწევად, სისტემა ნაკადის მოცულობაზე უნდა იყოს დამოკიდებული.
რატომ არის კაპლანი ეფექტური დაბალი სიჩქარის ნაკადებზე?
1. შექმნილია დაბალი წნევისა და დიდი გამონადენის შესანარჩუნებლად
ჰიდრავლიკური სიმძლავრის მარტივად გაგება შესაძლებელია შემდეგი დამოკიდებულების მეშვეობით: სიმძლავრე იზრდება დიდი ხარჯის (Q) და/ან დაწნევის (H) დროს. დაბალი სიჩქარის ნაკადების დროს, H, როგორც წესი, მცირეა. ამიტომ, გონივრული სტრატეგიაა ხარჯის გამოყენების მაქსიმიზაცია. კაპლანის ტურბინას აქვს გეომეტრია და ნაკადის არხი, რომელიც საშუალებას იძლევა წყლის დიდი მოცულობის ნაკადი შედარებით მცირე დანაკარგებით.
კაპლანის ტურბინას დიდი დიამეტრი აქვს და შეუძლია ენერგიის შთანთქმა უფრო ნელი დინებებიდან. ეს ნიშნავს, რომ მაშინაც კი, როდესაც წყალი მაღალი სიჩქარით არ მოძრაობს, ტურბინას მაინც შეუძლია საკმარისი ბრუნვის მომენტის გენერირება.
2. ეფექტურობის შესანარჩუნებლად შესაძლებელია საბურავის პირის დახრა.
ბევრ მდინარის სისტემაში ჩამონადენი სეზონების მიხედვით იცვლება. თუ ტურბინა არ არის ადაპტირებადი, ეფექტურობა მკვეთრად შემცირდება დაბალი ჩამონადენის დროს ან წნევის ცვლილებისას. კაპლანის ტურბინაში, წყლის ნაკადთან მიმართებაში შეტევის კუთხის რეგულირებისთვის შესაძლებელია მოძრავი ფრთების ბრუნვა. ეს მნიშვნელოვანია, რადგან შეტევის სწორი კუთხე:
- ტურბულენტობის შემცირება,
- ენერგიის დანაკარგების შემცირება;
– მოერიდეთ ნაკადში გაჩერებებს,
– და შეინარჩუნეთ ეფექტურობა სხვადასხვა საოპერაციო პირობებში.
ეს შესაძლებლობა კაპლანს მარტივ პროპელერიან ტურბინებთან (ფიქსირებული პირები) შედარებით უპირატესობას ანიჭებს, რომლებიც, როგორც წესი, მხოლოდ ერთ კონკრეტულ სამუშაო წერტილში არიან ოპტიმალურები.
3. კარიბჭე შეუფერხებლად არეგულირებს ნაკადს
ლილვის პირების რეგულირების გარდა, Kaplan-ს ასევე აქვს კარიბჭეები, რომელთა გახსნა და დახურვა შესაძლებელია ლილვში შემავალი წყლის რაოდენობის რეგულირებისთვის. დაბალი ნაკადის სიჩქარის დროს, ნაკადის კონტროლი გადამწყვეტია ტურბინის სტაბილური ბრუნვისა და გენერატორის სიმძლავრის შესანარჩუნებლად. კარიბჭეები ხელს უწყობს ნაკადის სწორი სქემით ლილვში წარმართვას (არასაჭირო მორევის მინიმუმამდე დაყვანა), რითაც მაქსიმალურად იზრდება წყლის ენერგიის გამოყენება.
კარიბჭისა და დახრილი წყლის პირების კონტროლის კომბინაციას ხშირად ორმაგ რეგულირებას უწოდებენ და ეს კაპლანის „მთავარი იარაღია“ დაბალი წნევის მდინარეებში ჩამონადენის ხშირი ვარიაციების მოსაგვარებლად.
4. ღერძული ნაკადი ამცირებს ენერგიის დანაკარგს
კაპლანის ტურბინა წყალს ღერძულად, შედარებით „სწორად“ მოძრაობს ღერძის გასწვრივ. უფრო მარტივი ნაკადის გზა ამცირებს დანაკარგებს მიმართულების მკვეთრი ცვლილებების გამო. შეზღუდული ენერგიის (დაბალი წნევის) პირობებში, ნებისმიერი დანაკარგი მნიშვნელოვანი ხდება. კაპლანის დიზაინი ცდილობს უზრუნველყოს წყლის წნევისა და სიჩქარის ყველაზე ეფექტური გარდაქმნა მექანიკურ ენერგიად.
გარდა ამისა, გამოსასვლელში გამწოვი მილის გამოყენება ხელს უწყობს დარჩენილი წნევის/სიჩქარის ენერგიის ნაწილის აღდგენას, რაც ზრდის საერთო ეფექტურობას. დაბალი სიჩქარის მქონე ადგილებისთვის, გამწოვი მილის მეშვეობით ენერგიის აღდგენა ფასდაუდებელია.
მოკლე შედარება სხვა ტურბინებთან
კაპლანი პელტონის წინააღმდეგ
პელტონის ტურბინები გამოირჩევიან მაღალი დაწნევით, დაბალი ნაკადის სიჩქარით და მაღალსიჩქარიანი ჭავლით. დაბალი ნაკადის სიჩქარითა და დაბალი დაწნევით პელტონის ტურბინები არ არის იდეალური, რადგან მათ არ აქვთ საკმარისი წნევა ძლიერი ჭავლის ფორმირებისთვის. კაპლანის ტურბინები უფრო შესაფერისია, რადგან ისინი მუშაობენ როგორც რეაქტიული ტურბინები, დიდი მოცულობის ნაკადების გამოყენებით.
კაპლანი ფრენსისის წინააღმდეგ
ფრენსისის ტურბინები, როგორც წესი, საშუალო დაწნევის მქონე პროექტებისთვისაა შესაფერისი. დაბალი დაწნევის დროს ფრენსისის ტურბინებს შეუძლიათ მუშაობა, მაგრამ ხშირად ისინი ისეთივე ეფექტური არ არიან, როგორც კაპლანის ტურბინები, განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც ნაკადის სიჩქარე მერყეობს. კაპლანის ტურბინები, როგორც წესი, დაბალი დაწნევის მქონე პროექტებისთვის სასურველი არჩევანია.
კაპლანი vs კროსფლოუ
განივი ნაკადის ტურბინები ფართოდ გამოიყენება მცირე მასშტაბებზე მათი მარტივი კონსტრუქციის, დაბალი ღირებულებისა და ჭუჭყის მიმართ ტოლერანტობის გამო. თუმცა, მათი ეფექტურობა, როგორც წესი, ჩამოუვარდება კაპლანის ტურბინების ეფექტურობას მაღალი ნაკადის აპლიკაციებისა და მაღალი ეფექტურობის მოთხოვნის მქონე ოპერაციებისთვის. როდესაც მიზანი უფრო მაღალი სიმძლავრე და მაქსიმალური ეფექტურობაა, კაპლანის ტურბინებს ხშირად უპირატესობა აქვთ.
კაპლანის ტურბინის გამოყენება დაბალი სიჩქარის ნაკადში
კაპლანის ტურბინები ფართოდ გამოიყენება:
– მდინარის ჩამონადენის ჰიდროელექტროსადგურები (დიდი წყალსაცავების გარეშე) დაბლობის მდინარეებზე,
– დაბალი კაშხალი (დაბალი წნევის კაშხალი),
– სტაბილური ხარჯის მქონე სარწყავი არხები,
– მასშტაბური მიკროჰიდროპროექტები მცირე დაწნევით, მაგრამ უხვი დინებით.
თანამედროვე განახლებადი ენერგიის კონტექსტში, კაპლანის მეთოდი ასევე აქტუალურია, რადგან ის საშუალებას იძლევა გამოყენებული იქნას ისეთი ადგილები, რომლებიც ადრე ნაკლებად პერსპექტიულად ითვლებოდა მაღალი წნევის არარსებობის გამო. სათანადო დაგეგმვის შემთხვევაში, „მშვიდ“ მდინარეებსაც კი შეუძლიათ ელექტროენერგიის მნიშვნელოვანი რაოდენობით გამომუშავება.
გამოწვევები და ყურადღება უნდა მიაქციოთ
მიუხედავად იმისა, რომ კაპლანის ტურბინა იდეალურია დაბალი სიჩქარის ნაკადებისთვის, მას თავისი სირთულეები არ აკლდება:
1. მექანიკური სირთულე: მორბენალი ფრთების დახრილობის კონტროლის სისტემა ზრდის მოძრავ კომპონენტებს და მოვლა-პატრონობის მოთხოვნებს.
2. საწყისი ღირებულება: წარმოების სიზუსტისა და მართვის სისტემების გამო, ისინი, როგორც წესი, უფრო ძვირია, ვიდრე მარტივი ტურბინები.
3. კავიტაცია: დაბალი წნევის დროს და გარკვეული ექსპლუატაციის პირობებში შეიძლება წარმოიშვას კავიტაციის რისკი, ამიტომ სარქვლის მილის, წნევის და გამწევი მილის დიზაინი ფრთხილად უნდა იყოს გათვლილი.
4. წყლის ხარისხი: ნალექმა, ნაგავმა და აბრაზიულმა მასალებმა შეიძლება დააჩქაროს პირებისა და კომპონენტების ცვეთა, ამიტომ აუცილებელია ფილტრაციის სისტემა (ნაგვის თარო) და ნალექის მართვა.
თუმცა, ბევრ პროექტში, კაპლანის ეფექტურობის უპირატესობებსა და ადაპტაციურ შესაძლებლობებს შეუძლია ამ დამატებითი ხარჯების კომპენსირება მთელი წლის განმავლობაში უფრო სტაბილური და მაღალი ენერგიის წარმოების გზით.
დასკვნა
კაპლანის ტურბინა შესაფერისია დაბალი სიჩქარის წყლის ნაკადებისთვის, რადგან ის შექმნილია ოპტიმალურად მუშაობისთვის დაბალი დაწნევისა და მაღალი ხარჯის დროს, ორი პირობა, რომლებიც ყველაზე ხშირად თან ახლავს დაბლობის მდინარის ნაკადებს. მის ეფექტურობას მხარს უჭერს ღერძული ნაკადის დიზაინი, გამწოვი მილების გამოყენება და ორმაგი რეგულირების მთავარი უპირატესობა: კარიბჭეები არეგულირებენ ხარჯს, ხოლო რეგულირებადი მოძრავი პირები ინარჩუნებენ შეტევის იდეალურ კუთხეს სხვადასხვა პირობებში. ამრიგად, კაპლანი საიმედო არჩევანია წყლის ნაკადების ენერგეტიკული პოტენციალის მაქსიმიზაციისთვის, რომლებიც არ არის ძალიან სწრაფი, მაგრამ მოცულობით უხვი, რაც ხელს უწყობს უფრო სუფთა და მდგრადი ჰიდროენერგიის გენერაციის შესაძლებლობების გაფართოებას.
თუ გსურთ, შემიძლია ეს სტატია უფრო ტექნიკური ხასიათის იყოს (სიმძლავრის, ეფექტურობისა და შესრულების მრუდის ფორმულებით) ან უფრო პოპულარული იყოს ფართო მკითხველისთვის, ასევე დავამატო კაპლანის ჰიდროელექტროსადგურის კონკრეტული მდინარეების კვლევების მაგალითები.
