نطاق تطبيق توربين فرانسيس

التوربينات المائية هي نوع من آلات التوربينات في مجال السوائل. منذ حوالي عام 100 قبل الميلاد، وُلد النموذج الأولي للتوربينات المائية، وهو التوربين المائي. في ذلك الوقت، كانت وظيفتها الرئيسية تشغيل آلات معالجة الحبوب والري. تطورت التوربينات المائية، كجهاز ميكانيكي يعمل بتدفق المياه، إلى التوربينات المائية الحالية، وتوسع نطاق تطبيقاتها. فأين تُستخدم التوربينات المائية الحديثة بشكل رئيسي؟

تُستخدم توربينات المياه بشكل رئيسي في محطات توليد الطاقة بالضخ والتخزين. عندما يكون حمل نظام الطاقة أقل من الحمل الأساسي، يمكن استخدامها كمضخة مياه للاستفادة من فائض سعة توليد الطاقة لضخ المياه من خزان المصب إلى خزان المنبع وتخزين الطاقة في شكل طاقة كامنة؛ وعندما يكون حمل النظام أعلى من الحمل الأساسي، يمكن استخدامها كتربينات مياه لتوليد الكهرباء وضبط حمل الذروة. لذلك، لا يمكن لمحطات توليد الطاقة بالضخ والتخزين فقط زيادة طاقة نظام الطاقة، ولكنها يمكن أن تُحسّن كفاءة تشغيل وحدات توليد الطاقة الحرارية، وتُحسّن الكفاءة الكلية لنظام الطاقة. منذ خمسينيات القرن الماضي، حظيت وحدات تخزين الضخ بتقدير واسع وتطورت بسرعة في جميع أنحاء العالم.

تعتمد وحدات تخزين الضخ، المُطوّرة في المراحل الأولى أو ذات ضغط الماء العالي، في الغالب على نوع الآلات الثلاثية، أي أنها تتكون من محرك مولد، وتوربين مائي، ومضخة مياه متصلة على التوالي. ميزتها هي تصميم التوربين المائي ومضخة المياه بشكل منفصل، مما يوفر كفاءة عالية، واتجاه دوران الوحدة واحد عند التوليد والضخ، مما يُمكّن من التحويل السريع من توليد الطاقة إلى الضخ، أو من الضخ إلى توليد الطاقة. في الوقت نفسه، يمكن استخدام التوربين لبدء تشغيل الوحدة. أما عيوبها، فتتمثل في ارتفاع تكلفتها وضخامة استثماراتها في محطات الطاقة.

يمكن لشفرات مُشغِّل توربين مضخة التدفق المائل الدوران مع الحفاظ على أداء تشغيلي جيد عند تغير منسوب المياه والحمل. ومع ذلك، وبسبب محدودية الخصائص الهيدروليكية ومتانة المواد، لم يتجاوز منسوب المياه الأقصى 136.2 مترًا في أوائل الثمانينيات (محطة كوجين رقم 1 لتوليد الطاقة في اليابان). ولزيادة منسوب المياه، يلزم استخدام توربينات مضخات فرانسيس.

محطة توليد الطاقة المخزنة بالضخ مزودة بخزانين علوي وسفلي. في حالة تخزين الطاقة نفسها، يمكن أن يؤدي زيادة الضغط إلى تقليل سعة التخزين وزيادة سرعة الوحدة وخفض تكلفة المشروع. لذلك، تشهد محطات توليد الطاقة المخزنة للطاقة ذات الضغط العالي التي يزيد ارتفاعها عن 300 متر تطورًا سريعًا. تم تركيب توربين مضخة فرانسيس، صاحب أعلى ضغط مائي في العالم، في محطة توليد الطاقة بينباشتا في يوغوسلافيا. تبلغ قدرة وحدته الفردية 315 ميجاوات، ويبلغ ارتفاع ضغط الماء للتوربين 600.3 متر؛ ويبلغ ارتفاع المضخة 623.1 متر، وسرعة دورانها 428.6 دورة في الدقيقة. وقد بدأ تشغيلها عام 1977. منذ القرن العشرين، تتطور وحدات الطاقة الكهرومائية نحو معايير عالية وقدرات كبيرة. مع زيادة سعة نظام الطاقة وتطور الطاقة النووية، ولحل مشكلة تقليل ذروة الاستهلاك بشكل معقول، تعمل دول العالم بنشاط على بناء محطات طاقة تخزينية تعمل بالضخ، بالإضافة إلى تطوير أو توسيع محطات طاقة كبيرة الحجم في أنظمة المياه الرئيسية. ولذلك، شهدت توربينات الضخ تطورًا سريعًا.

باعتبارها آلة طاقة تُحوّل طاقة تدفق المياه إلى طاقة ميكانيكية دوارة، تُعدّ التوربينات المائية جزءًا لا غنى عنه في مجموعة مولدات التوربينات المائية. في الوقت الحاضر، تتزايد أهمية حماية البيئة. ويتزايد استخدام الطاقة الكهرومائية، وهي وسيلة لتوليد الطاقة باستخدام الطاقة النظيفة، وترويجها. وللاستفادة الكاملة من الموارد الهيدروليكية المتنوعة، حظيت حركة المد والجزر والأنهار السهلية ذات الانحدار المنخفض وحتى الأمواج باهتمام واسع، مما أدى إلى التطور السريع للتوربينات الأنبوبية وغيرها من الوحدات الصغيرة.