Turbina wodna to maszyna przepływowa w maszynach przepływowych. Już około 100 r. p.n.e. narodził się prototyp turbiny wodnej – koło wodne. W tamtym czasie jej główną funkcją było napędzanie maszyn do przetwórstwa zboża i nawadniania. Koło wodne, jako urządzenie mechaniczne wykorzystujące przepływ wody jako siłę napędową, rozwinęło się w obecną turbinę wodną, a zakres jego zastosowań również uległ rozszerzeniu. Gdzie zatem znajdują zastosowanie współczesne turbiny wodne?
Turbiny są stosowane głównie w elektrowniach szczytowo-pompowych. Gdy obciążenie systemu elektroenergetycznego jest niższe od obciążenia podstawowego, turbiny mogą pełnić funkcję pompy wodnej, wykorzystując nadmiar mocy wytwórczej do pompowania wody ze zbiornika dolnego do zbiornika górnego, gdzie gromadzą energię w postaci energii potencjalnej. Gdy obciążenie systemu jest wyższe od obciążenia podstawowego, turbiny mogą pełnić funkcję turbiny hydraulicznej, wytwarzając energię elektryczną w celu regulacji obciążeń szczytowych. Zatem elektrownia szczytowo-pompowa nie jest w stanie zwiększyć mocy systemu elektroenergetycznego, ale może poprawić ekonomikę eksploatacji bloków cieplnych i ogólną sprawność systemu elektroenergetycznego. Od lat 50. XX wieku elektrownie szczytowo-pompowe cieszą się dużym uznaniem i dynamicznie rozwijają się na całym świecie.
Większość elektrowni szczytowo-pompowych, rozwijanych na wczesnym etapie rozwoju lub charakteryzujących się wysokim ciśnieniem wody, wykorzystuje układ trójmaszynowy, czyli składający się z silnika generatora, turbiny wodnej i pompy wodnej połączonych szeregowo. Zaletą takiego rozwiązania jest niezależna konstrukcja turbiny i pompy wodnej, co pozwala na uzyskanie wyższej sprawności. Jednocześnie elektrownia obraca się w tym samym kierunku podczas wytwarzania energii elektrycznej i pompowania wody, co pozwala na szybkie przełączenie z trybu wytwarzania energii elektrycznej na pompowanie lub z trybu pompowania na wytwarzanie energii elektrycznej. Jednocześnie turbina może być używana do rozruchu elektrowni. Wadą takiego rozwiązania są wysokie koszty i wysokie nakłady inwestycyjne na elektrownię.
Łopatki wirnika turbiny pompy o przepływie skośnym można obracać, a turbina nadal zapewnia dobrą wydajność roboczą przy zmianach wysokości podnoszenia i obciążenia. Jednak ze względu na ograniczenia hydrauliczne i wytrzymałość materiałów, na początku lat 80. jej wysokość podnoszenia netto wynosiła zaledwie 136,2 metra (pierwsza elektrownia w Takagen w Japonii). W przypadku większych wysokości podnoszenia wymagane są turbiny pompowe Francisa.
Elektrownia szczytowo-pompowa posiada zbiorniki górne i dolne. Przy założeniu magazynowania tej samej energii, zwiększenie wysokości podnoszenia może zmniejszyć pojemność magazynową, zwiększyć prędkość jednostki i obniżyć koszty projektu. W związku z tym nastąpił szybki rozwój elektrowni magazynujących energię o wysokim spadzie powyżej 300 metrów. Pompo-turbina Francisa o najwyższym na świecie spadzie wody została zainstalowana w elektrowni Baina Basta w Jugosławii. Od XX wieku jednostki hydroenergetyczne rozwijają się w kierunku wysokich parametrów i dużej mocy. Wraz ze wzrostem mocy cieplnej w systemie elektroenergetycznym i rozwojem energetyki jądrowej, w celu rozwiązania problemu rozsądnej regulacji szczytowej, oprócz energicznego rozwoju lub rozbudowy elektrowni wielkoskalowych w głównych systemach wodnych, kraje na całym świecie aktywnie budują elektrownie szczytowo-pompowe, co skutkuje szybkim rozwojem pompo-turbin.
Jako maszyna energetyczna, która przekształca energię przepływu wody w energię mechaniczną wirowania, turbina wodna jest niezbędnym elementem hydrozespołu. Obecnie problem ochrony środowiska staje się coraz poważniejszy, a zastosowanie i promocja energetyki wodnej, wykorzystującej czystą energię, stale rosną. Aby w pełni wykorzystać różnorodne zasoby hydrauliczne, pływy, rzeki nizinne o bardzo niskim spadku, a nawet fale, również przyciągnęły powszechną uwagę, co doprowadziło do szybkiego rozwoju turbin rurowych i innych małych jednostek.
Czas publikacji: 23-03-2022
