पनबिजली संयंत्र एकल टर्बाइनों के बजाय टर्बाइनों के कैस्केड का उपयोग क्यों नहीं करते हैं?

Question

एक गैस टरबाइन इंजन में ब्लेड के कई सेट होते हैं - एक के बाद एक सेट और दहन उत्पादों के सभी सेट पास होते हैं और ब्लेड के प्रत्येक सेट को कुछ शक्ति मिलती है। इससे जलती हुई गैस से शक्ति का उपयोग बढ़ जाता है।

इस बीच पनबिजली संयंत्र ब्लेड के एक सेट के साथ टर्बाइन का उपयोग करते हैं और विशिष्ट usecase है जहां एक ऊंचे जलाशय से पानी खिलाने के लिए एक चैनल है और टरबाइन नीचे है और टरबाइन के माध्यम से पानी चलता है और फिर बस नदी के नीचे बहती है। मुझे लगता है कि टरबाइन से पानी बहने पर अभी भी कुछ यांत्रिक शक्ति नहीं बची है।

पानी टरबाइन को "जंजीर" क्यों नहीं किया जाता है ताकि पहली टरबाइन से निकलने वाला पानी अवशिष्ट यांत्रिक शक्ति का उपयोग करके दूसरी टरबाइन को चलाए?

Comments

पावर पहले बनाम बाद में दबाव अंतर के कार्य में है, पहले के पीछे एक और टरबाइन लगाने से पहले की दक्षता कम हो जाएगी।

— शाफ़्ट फ़्रीक

एक और ध्यान दें, द्वितीयक चिंता: गैस टरबाइन बहुत ही स्वच्छ माध्यम से काम करते हैं, जो बहुत ही नियततापूर्ण तरीके से व्यवहार करता है। जल टर्बाइन पानी पर काम करते हैं जो बड़े मलबे के लिए केवल अल्पविकसित फ़िल्टरिंग से गुजरते हैं - उन्हें पानी में बजरी और अन्य ठोस दूषित पदार्थों के प्रभावों का सामना करना पड़ता है। एक से अधिक बड़े, ऊबड़-खाबड़ निर्माण के साथ-साथ कई छोटे और अधिक नाजुक लोगों के प्रभाव से इसे प्राप्त करना बहुत आसान है।

— एसएफ।

आप जो प्रस्ताव करते हैं, वह प्राथमिक ऊर्जा खपत के बाद ऊर्जा संचयन की तरह लगता है, जो आमतौर पर करने योग्य है। संबंधित चर्चा के लिए इन सवालों देखें engineering.stackexchange.com/questions/372/... , engineering.stackexchange.com/questions/389/...

— पॉल

गैस टर्बाइनों के लिए, प्रत्येक चरण के साथ दबाव और इस प्रकार घनत्व और इस तरह मात्रा में परिवर्तन होता है, इसलिए टर्बाइनों को अलग तरीके से बनाया जाना चाहिए। मैं एक ही बात के बारे में सोच रहा था, यहाँ देखें: Phys.stackexchange.com/questions/24436/…

— mart

Answer 1

निकास गस्सेस संपीड़ित तरल पदार्थ हैं, जबकि तरल पानी नहीं है।

यहां गैस टरबाइन कैसे काम करता है, इसका एक एनीमेशन दिया गया है: https://www.youtube.com/watch?v=gqNtoy2x5bU

दहन अवस्था में, गैस और संपीड़ित हवा को एक साथ मिलाया जाता है, पहले से ही उच्च दबाव पर। जलने से गैस में संग्रहित ऊर्जा निकल जाती है, जो जारी गैसों (निकास) को गर्म करती है। यह एक और भी अधिक दबाव पैदा करेगा, इसलिए दहन के प्रवाह को रोकने के लिए दबाव को समान या कम रखने के लिए दहन खंड एक बड़ा आयतन है। उच्च दबाव वाले गैसों की यह बड़ी मात्रा टरबाइन को चलाती है। चूंकि ये उच्च दाब संपीड़ित गैसें ब्लेड के पहले सेट से गुजरती हैं, दबाव कम हो जाता है और गैसों का विस्तार होता है । अभी भी कुछ दबाव बाकी है और ब्लेड के एक और सेट, और दूसरे, आदि के साथ अधिक ऊर्जा निकाली जा सकती है।

चूंकि तरल पानी संपीड़ित नहीं है, इसलिए यह विस्तार नहीं करता है क्योंकि दबाव कम हो जाता है। यह वास्तव में ऊर्जा निकालने में बहुत आसान बनाता है। आप एक नोजल के माध्यम से पानी पास करते हैं, नोजल के बाहर वायुमंडलीय दबाव के लिए पाइप के अंदर उच्च दबाव को कम करते हैं, और एक उच्च वेग तक पानी को तेज करते हैं। यह ऊर्जा टरबाइन द्वारा सभी को एक बार में बाहर निकाली जा सकती है, क्योंकि पानी का विस्तार नहीं है और ऊर्जा कहीं और बच रही है।टर्गो टर्बाइन वास्तव में इस ऊर्जा को निकालने में बहुत कुशल हैं, 90% तक।

यही कारण है कि पनबिजली संयंत्रों में कई चरणों की आवश्यकता नहीं होती है। हालाँकि आप अभी भी उन्हें शाब्दिक अर्थ में एक साथ 'चेन' कर सकते हैं। यदि आपके पास बहुत बड़ी गिरावट है, तो आप ड्रॉप डाउन के अंतराल पर छोटे टर्बाइनों की एक श्रृंखला रख सकते हैं, एक से दूसरे में जा रहा पानी। हालांकि, उपलब्ध ऊर्जा की मात्रा बहुत बड़े टरबाइन के नीचे होने और उच्च दबावों का उपयोग करने से नहीं बदलेगी।

Comments

मुझे लगता है कि एक कारण आप चेन को हर टरबाइन पर लोड कम करना चाहते हैं। आप अधिक ऊर्जा नहीं निकाल सकते, लेकिन आप शायद सस्ती इंजीनियरिंग से दूर हो सकते हैं।

— स्लीवतमैन

"... एक और भी अधिक दबाव बना रहा है ...": यह रिवर्स प्रवाह को जन्म देगा। दहन चरण में उच्च दबाव निश्चित रूप से एक आईसी आईसी इंजन में हो सकता है।

— जॉन बेंटिन

@ जॉनबेंटिन आप सही हैं। मैंने प्रक्रिया को सही ढंग से प्रस्तुत करने के लिए उत्तर को अपडेट किया है। इस उत्तर को बेहतर बनाने में मदद करने के लिए धन्यवाद।

— झब्बोट

Answer 2

अब तक जो कुछ भी याद नहीं है वह एक स्पष्टीकरण है कि आप उच्च दबाव से वायुमंडलीय तक एक ही चरण में गैस टरबाइन का विस्तार क्यों नहीं कर सकते। गैस टर्बाइन दो प्रकार के होते हैं - आवेग और प्रतिक्रिया टर्बाइन। दोनों एक ही समस्या का सामना करते हैं लेकिन आवेग टर्बाइन में समझना आसान है।

एक आवेग टरबाइन उच्च दबाव पी 1 से एक निम्न दबाव पी 2 से नोजल के माध्यम से गैस को तेज करता है, वी के लिए अपनी गति बढ़ाता है। तेज गति से चलने वाली गैस टरबाइन ब्लेड से टकराती है और अपनी गति और गतिज ऊर्जा को छोड़ देती है, जिससे दबाव पी 2 पर धीमी गैस बन जाती है।

समस्या यह है कि दबाव के अंतर के कुछ मूल्य के लिए, गति V ध्वनि की गति (उस तापमान पर गैस में) तक पहुंचती है। जिस बिंदु पर टरबाइन ब्लेड अत्यधिक अक्षम हैं।

एक बहुत पुरानी किताब से मैं अभी स्टीम टर्बाइन (एक ही चीज़: स्टीम एक गैस है!) के बारे में मच 0.5 के आस-पास कहीं गिरना शुरू नहीं कर पाया, जो एक चरण में 40% दबाव में कमी आई। (वास्तविक वेग बर्नौली समीकरण से पाया जा सकता है)

जो किसी भी दिए गए दबाव अनुपात को शाफ़्ट पावर में कुशलता से परिवर्तित करने के लिए आवश्यक चरणों की संख्या को खोजने का एक तरीका देता है। नए ब्लेड डिजाइनों को देखते हुए, मच 0.5 अब ऊपरी सीमा नहीं हो सकती है, लेकिन एक ही मूल सिद्धांत लागू होता है।

एक विमान जेट इंजन में, सबसोनिक त्वरण के कई चरणों के बाद, गर्म गैसें एक आखिरी नोजल के माध्यम से बच जाती हैं और विमान के लिए जोर प्रदान करने के लिए मच 1 से अधिक हो सकती हैं - लेकिन बहुत कुशलता से नहीं। (SR71 ब्लैकबर्ड के इंजन ने ऑपरेशन के एक अलग मोड में संक्रमण किया - व्यावहारिक रूप से एक रैमजेट - मच 3 ऑपरेशन के लिए)

Answer 3

पानी को तेज गति से टरबाइन को छोड़ना होगा। जिसे आपने अपनी अवशिष्ट यांत्रिक शक्ति के रूप में संदर्भित किया है। बात यह है कि, टरबाइन ने पहले ही पानी को धीमा कर दिया है, जितना कि यथोचित रूप से किया जा सकता है, जबकि अभी भी पानी को संयंत्र को छोड़ने और बाढ़ नहीं करने की अनुमति देता है। तो टरबाइन के एक अतिरिक्त चरण के साथ इसे धीमा करना सिर्फ एक विकल्प नहीं है। यदि इसे और धीमा किया जा सकता है, तो ऐसा करने के लिए पहले टरबाइन को डिज़ाइन किया जाएगा।

श्रृंखला में टर्बाइन के उदाहरण हैं: एक से अधिक रन-ऑफ-रिवर हाइड्रो प्लांट वाली नदियां हैं।

लेकिन अधिकांश भंडारण हाइड्रो के लिए, यह केवल सबसे अधिक गतिज ऊर्जा निकालने के लिए सबसे सरल है जितना आप एक बार में कर सकते हैं। इसे बनाए रखने और प्रबंधित करने के लिए बहुत कम चीजें हैं। श्रृंखला में उनका पीछा करने से डाउनस्ट्रीम टर्बाइन के लिए उपलब्ध ऊर्जा कम हो जाएगी।

अंततः, आप जो ऊर्जा प्राप्त कर सकते हैं वह पानी के ड्रॉप टाइम वजन (बार जी) की ऊंचाई तक सीमित है , गुरुत्वाकर्षण के त्वरण) की , पौधे को छोड़ने पर पानी की गतिज ऊर्जा को घटा देता है। (यह शून्य गतिज ऊर्जा के साथ नहीं जा सकता, क्योंकि शून्य गतिज ऊर्जा का मतलब यह होगा कि यह पौधे को बिल्कुल नहीं छोड़ता)।

अधिक टर्बाइनों को जोड़ने से उस समीकरण पर कोई प्रभाव नहीं पड़ता है। यदि बूंद समान है, और पानी का द्रव्यमान समान है, और पौधे को छोड़ने वाले पानी की गति समान है, तो कटाई की गई ऊर्जा की मात्रा समान है (निरंतर टरबाइन दक्षता मानकर)।

मुझे लगता है, आपके प्रश्न से, आप सोच रहे हैं कि एक हाइड्रो प्लांट CCGT की तरह क्यों नहीं है, इसके मल्टी-स्टेज टर्बाइन हैं। एक हाइड्रो प्लांट सीसीजीटी की तुलना में बहुत सरल, अधिक कुशल और अधिक प्रभावी है। CCGT की जटिलताएँ हैं क्योंकि यह एक उच्च संयोजी तरल पदार्थ के साथ एक थर्मल प्लांट है और एक चरण संक्रमण (भाप करने के लिए पानी) है। पनबिजली संयंत्र सिर्फ गतिज ऊर्जा काटा जाता है। टर्बाइनों का एक झरना जटिलताओं के अलावा और कुछ नहीं प्रदान करता है एक हाइड्रो संयंत्र।

Comments

सवाल यह है कि सब कुछ ठीक नहीं है, लेकिन मुझे लगता है कि यह डेज़ी-चेनिंग पौधों के बजाय गैस टरबाइन के कई चरणों का अधिक उल्लेख कर रहा है।

— jhabbott

यह उत्तर किसी भी तरह से एकल-मंच बनाम बहु-चरण टर्बाइन के सवाल को संबोधित नहीं करता है। एक पनबिजली संयंत्र के "बर्बाद" ऊर्जा उत्पादन का दूसरे संयंत्र के इनपुट ऊर्जा पर कोई प्रभाव नहीं पड़ता है।

— डेव ट्वीड

@ क्या वह ऊर्जा जिसे हम एक पनबिजली संयंत्र से निकालने में सक्षम हैं, बस उस ऊंचाई से निर्धारित की जाती है जिससे वह गिरती है। आप यह सब एक (चट्टान शैली) या कुछ (सीढ़ियों शैली) में कर सकते हैं, लेकिन आप अभी भी उसी ऊर्जा को बाहर निकालते हैं। एकमात्र अंतर आवश्यक इंजीनियरिंग है: समुद्र में खाली होने वाले 4000 फुट बांध की तुलना में 4 मध्यम से बड़े बांध बनाने में अधिक लागत प्रभावी हो सकती है।

— corsiKa

@ लेकिन यह करता है। मल्टीस्टेज टर्बाइन इन वन (क्लिफ स्टाइल) सभी मल्टीस्टेज टर्बाइन से अलग स्टेशनों के डाउनस्ट्रीम (स्टिफ़ स्टाइल) से अलग नहीं है। आपको उसी तरह से अधिकतम ऊर्जा मिलती है। एकमात्र सवाल यह है कि आप कितनी कुशलता से उस ऊर्जा को निकाल सकते हैं और आप कितना बड़ा बांध बना सकते हैं। सबसे अच्छे पौधे में एक बांध होता है जो नदी को ऊंचा काटता है और इसे सीधे समुद्र में गिरा देता है, लेकिन यह संभव नहीं है।

— corsiKa

@EnergyNumbers मुझे डर है कि इस उत्तर की घातक समस्या यह केवल उन लोगों को समझ में आती है जो पहले से ही उन तथ्यों को जानते हैं जो यह बताने की कोशिश कर रहे हैं। मुझे लगता है कि इसके लिए एक तारकीय जवाब होना चाहिए, यह उन लोगों के लिए समझ में आता है जो पहले से ही नहीं समझते हैं।

— corsiKa

Answer 4

जल टर्बाइन विद्युत शक्ति का एक प्रमुख स्रोत हैं। एक पानी टरबाइन में आम तौर पर केवल एक रोटर डिस्क होता है।

_{( विकिपीडिया पर पुराने मूनरेकर से )}

गैस टर्बाइन का उपयोग प्राकृतिक गैस इलेक्ट्रिक पावर जनरेटर, जेट विमान और कुछ अन्य वाहनों में किया जाता है।

गैस टरबाइन में आमतौर पर बहुत सारे रोटर डिस्क होते हैं, जिन्हें दो समूहों में विभाजित किया जा सकता है: कंप्रेसर रोटर डिस्क और टर्बाइन रोटर डिस्क।

गैस टरबाइन के कंप्रेसर खंड को बहुत सारे रोटर डिस्क की आवश्यकता होती है, क्योंकि रोटर डिस्क की संख्या को कम करने से या तो (a) दक्षता कम हो जाती है, जिससे प्रत्येक डिस्क में दबाव अंतर बढ़ जाता है ताकि कुल संपीड़न अनुपात समान रहे, संपीड़न दक्षता कम हो, या (b ) प्रत्येक डिस्क पर दबाव अंतर को समान रखते हुए, कुल संपीड़न अनुपात को कम करना, जो ब्रेटन चक्र की दक्षता को कम करता है ।

जल टर्बाइनों को एक कंप्रेसर अनुभाग की आवश्यकता नहीं होती है।

हालांकि सिद्धांत रूप में, गैस टरबाइन में बहुत सारे रोटर डिस्क हो सकते हैं, व्यवहार में हम पाते हैं कि विमान टर्बाइनों में आम तौर पर केवल 1 या 2 रोटर डिस्क होते हैं, और (जमीन से टकराए हुए) प्राकृतिक गैस टर्बाइनों में आम तौर पर केवल 1 या 2 या 3 रोटर डिस्क होते हैं, पानी टर्बाइनों से बहुत अलग नहीं है, जिसमें केवल 1 रोटर डिस्क है।

इलेक्ट्रिक पावर जनरेटर में उपयोग किए जाने वाले गैस टर्बाइन तेल-चालित या प्राकृतिक गैस-चालित इलेक्ट्रिक जनरेटर हैं और इन्हें यथासंभव अधिक ऊर्जा निकालने के लिए डिज़ाइन किया गया है; जोर उन्हें जमीन पर पकड़े बोल्ट के खिलाफ धक्का अनावश्यक है।

उदाहरण:

• हिताची एच -25

_{(रसेल रे, पावर इंजीनियरिंग से हिताची एच -25)}

• 100-kW माइक्रो गैस टरबाइन

_{( एम। कौरडिन एट अल। "प्राकृतिक गैस और संश्लेषण गैस द्वारा एक माइक्रो गैस टर्बाइन फेड का विश्लेषण: एमजीटी टेस्ट बेंच और कम्यूटर सीएफडी विश्लेषण" से 100-किलोवाट माइक्रो गैस टरबाइन फोटो । )}

• सीमेंस गैस टर्बाइन 200

_{औद्योगिक बिजली उत्पादन के लिए सीमेंस गैस टर्बाइन 200 (SGT-200)}

• जीई गैस टरबाइन

_{( टेक्ला पेरी से: "जीई की नई गैस टर्बाइन प्ले निकी विथ रिन्यूएबल्स" ।)}

_{( OPRA के 2 मेगावाट वर्ग OP16 गैस टरबाइन )}

_{( एमहर्स्ट कॉलेज में प्राकृतिक गैस या तेल से संचालित शनि 20 )}

Comments

टर्बोजेट में कुछ रोटर डिस्क का कारण टरबाइन द्वारा निकाली गई ऊर्जा को कम करना है: पूरे बिंदु को थ्रस्ट का उत्पादन करने के लिए निकास में व्यावहारिक रूप से उतनी ही ऊर्जा छोड़ना है। टर्बोप्रॉप में अधिक डिस्क होंगे क्योंकि उन्हें प्रोपेलर के लिए अधिक शक्ति निकालने की आवश्यकता होती है।

— ब्रायन ड्रमंड

@BrianDrummond: अच्छी बात है। आपने मुझे यह महसूस कराया कि (जमीन से टकराकर) प्राकृतिक-गैस टरबाइन इलेक्ट्रिक पावर जेनरेटर हाइड्रोइलेक्ट्रिक पावर जेनरेटरों के मुकाबले (जमीन से टकराकर) तुलनात्मक हैं, इसलिए मैंने छवियों की अदला-बदली की। मैं मानता हूँ कि टर्बोप्रोप्स को टर्बोजेट की तुलना में निकास में कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है; (जमीन से टकराकर) प्राकृतिक-गैस टर्बाइनों को निकास में किसी भी ऊर्जा की आवश्यकता नहीं होती है।

— डेविड कैरी

Answer 5

हाइड्रोइलेक्ट्रिक जेनरेटर गैस टरबाइन के लिए मूलभूत रूप से भिन्न क्यों होता है इसका कारण यह है कि दबाव में पानी एक गैस नहीं है, और ऊर्जा के रूप में निकाले जाने के कारण आकार में महत्वपूर्ण परिवर्तन नहीं होता है।

एक गैस इंजन को इंजन के अंदर गैसों के काफी थर्मल और मात्रा में परिवर्तन के लिए जिम्मेदार होता है, इसलिए आमतौर पर कई भागों और कई सामग्रियों की आवश्यकता होती है।

हाइड्रोइलेक्ट्रिक टर्बाइनों की अलग-अलग चुनौतियाँ होती हैं, और पत्तियों और उनके बीच से गुजरने वाली शाखाओं को सहन करना पड़ता है।

पनबिजली टरबाइनों के घूर्णन तत्वों की डिजाइन योजनाएं गैस इंजनों के लिए काफी भिन्न होती हैं: आर्कमिडीज शिकंजा, कपलान प्रशंसक, पेल्टन व्हील, क्रॉसफ्लो टर्बाइन और पानी के पहिये।

मल्टी-स्टेज डिज़ाइन कुछ परिस्थितियों में कार्यरत हैं।