ขอบเขตการใช้งานของกังหันฟรานซิส

กังหันน้ำเป็นเครื่องจักรประเภทกังหันในระบบกลไกของไหล ต้นแบบของกังหันน้ำ – กังหันน้ำ – ได้ถือกำเนิดขึ้นตั้งแต่ประมาณ 100 ปีก่อนคริสตกาล ในเวลานั้น หน้าที่หลักคือการขับเคลื่อนเครื่องจักรสำหรับการแปรรูปธัญพืชและการชลประทาน กังหันน้ำในฐานะอุปกรณ์เชิงกลที่ขับเคลื่อนด้วยการไหลของน้ำ ได้พัฒนามาจนถึงกังหันน้ำในปัจจุบัน และขอบเขตการใช้งานก็ขยายวงกว้างขึ้นเช่นกัน แล้วกังหันน้ำสมัยใหม่ส่วนใหญ่ใช้ในด้านใดบ้าง?

กังหันน้ำส่วนใหญ่ใช้ในโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับ เมื่อภาระของระบบไฟฟ้าต่ำกว่าภาระพื้นฐาน สามารถใช้เป็นเครื่องสูบน้ำเพื่อใช้กำลังการผลิตไฟฟ้าส่วนเกินในการสูบน้ำจากอ่างเก็บน้ำด้านล่างไปยังอ่างเก็บน้ำด้านบนและเก็บพลังงานในรูปของพลังงานศักยภาพ เมื่อภาระของระบบสูงกว่าภาระพื้นฐาน สามารถใช้เป็นกังหันน้ำเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าเพื่อปรับภาระสูงสุดได้ ดังนั้น โรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับอย่างเดียวจึงไม่สามารถเพิ่มกำลังไฟฟ้าของระบบไฟฟ้าได้ แต่สามารถปรับปรุงเศรษฐกิจในการดำเนินงานของหน่วยผลิตไฟฟ้าพลังความร้อนและปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของระบบไฟฟ้าได้ นับตั้งแต่ทศวรรษ 1950 เป็นต้นมา หน่วยผลิตไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับได้รับความนิยมและพัฒนาอย่างรวดเร็วทั่วโลก

ระบบผลิตไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับที่พัฒนาขึ้นในระยะแรกหรือในพื้นที่ที่มีระดับความสูงของน้ำสูง ส่วนใหญ่จะใช้แบบสามเครื่อง คือ ประกอบด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้า กังหันน้ำ และปั๊มน้ำแบบอนุกรม ข้อดีคือ กังหันน้ำและปั๊มน้ำถูกออกแบบแยกกัน ทำให้มีประสิทธิภาพสูง และทิศทางการหมุนของเครื่องจะเหมือนกันทั้งในขณะผลิตไฟฟ้าและสูบน้ำ ทำให้สามารถเปลี่ยนจากโหมดผลิตไฟฟ้าเป็นสูบน้ำ หรือจากสูบน้ำเป็นผลิตไฟฟ้าได้อย่างรวดเร็ว ในขณะเดียวกัน กังหันน้ำยังสามารถใช้ในการสตาร์ทเครื่องได้อีกด้วย ข้อเสียคือ ต้นทุนสูงและการลงทุนในโรงไฟฟ้ามีขนาดใหญ่

ใบพัดของกังหันน้ำแบบไหลเอียงสามารถหมุนและยังคงมีประสิทธิภาพการทำงานที่ดีแม้ว่าระดับน้ำและภาระจะเปลี่ยนแปลงไป อย่างไรก็ตาม ด้วยข้อจำกัดของลักษณะทางไฮดรอลิกและความแข็งแรงของวัสดุ ระดับน้ำสูงสุดจึงอยู่ที่เพียง 136.2 เมตร ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 (โรงไฟฟ้าโคเก็นหมายเลข 1 ในญี่ปุ่น) สำหรับระดับน้ำที่สูงกว่านี้ จำเป็นต้องใช้กังหันน้ำแบบฟรานซิส

โรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับมีอ่างเก็บน้ำบนและล่าง ภายใต้เงื่อนไขการเก็บพลังงานเท่าเดิม การเพิ่มระดับความสูงของน้ำสามารถลดความจุในการเก็บพลังงาน เพิ่มความเร็วรอบของหน่วย และลดต้นทุนโครงการได้ ดังนั้น โรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับที่มีระดับความสูงของน้ำมากกว่า 300 เมตรจึงกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว กังหันน้ำแบบฟรานซิสที่มีระดับความสูงของน้ำสูงที่สุดในโลกติดตั้งอยู่ที่โรงไฟฟ้าเบนาบาชตาในยูโกสลาเวีย มีกำลังการผลิตต่อหน่วย 315 เมกะวัตต์ และระดับความสูงของน้ำที่กังหันอยู่ที่ 600.3 เมตร ปั๊มมีระดับความสูงของน้ำ 623.1 เมตร และความเร็วรอบ 428.6 รอบต่อนาที เริ่มใช้งานในปี 1977 ตั้งแต่ศตวรรษที่ 20 หน่วยผลิตไฟฟ้าพลังน้ำได้พัฒนาไปสู่พารามิเตอร์สูงและกำลังการผลิตขนาดใหญ่ ด้วยการเพิ่มกำลังการผลิตในระบบไฟฟ้าและการพัฒนาพลังงานนิวเคลียร์ เพื่อแก้ปัญหาการลดภาระสูงสุดอย่างเหมาะสม ประเทศต่างๆ ทั่วโลกจึงเร่งสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับควบคู่ไปกับการพัฒนาหรือขยายโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่ในระบบน้ำสายหลักอย่างแข็งขัน ดังนั้น กังหันปั๊มน้ำจึงได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็ว

กังหันน้ำเป็นเครื่องจักรที่แปลงพลังงานจากการไหลของน้ำให้เป็นพลังงานกลแบบหมุน จึงเป็นส่วนประกอบที่ขาดไม่ได้ในชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันน้ำ ในปัจจุบัน ปัญหาการรักษาสิ่งแวดล้อมทวีความรุนแรงมากขึ้นเรื่อยๆ พลังงานน้ำซึ่งเป็นวิธีการผลิตไฟฟ้าที่ใช้พลังงานสะอาด กำลังได้รับความนิยมและการส่งเสริมเพิ่มมากขึ้น เพื่อให้สามารถใช้ประโยชน์จากทรัพยากรน้ำต่างๆ ได้อย่างเต็มที่ ทั้งน้ำขึ้นน้ำลง แม่น้ำที่ราบที่มีระดับน้ำต่ำ และแม้แต่คลื่น ก็ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง ซึ่งนำไปสู่การพัฒนาอย่างรวดเร็วของกังหันแบบท่อและหน่วยขนาดเล็กอื่นๆ