ขอบเขตการใช้งานและสถานการณ์ของกังหันแบบท่อต่อเพลา

กังหันน้ำแบบท่อต่อเพลา หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า กังหันน้ำแบบท่อ “รูปตัว S” เป็นเทคโนโลยีที่สำคัญในด้านการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำระดับต่ำ แตกต่างจากกังหันน้ำแบบหลอดไฟที่ตัวกำเนิดไฟฟ้าอยู่ภายใน “หลอดไฟ” ที่จมอยู่ใต้น้ำ การออกแบบแบบต่อเพลาจะมีเพลาของกังหันที่ยื่นผ่านท่อน้ำโค้งไปยังตัวกำเนิดไฟฟ้าภายนอก การกำหนดค่านี้มีข้อดีที่ชัดเจนในแง่ของการเข้าถึงการบำรุงรักษาและความคุ้มค่าสำหรับสภาวะไฮดรอลิกเฉพาะบางอย่าง
ขอบเขตการใช้งานทางเทคนิค
ขอบเขตการใช้งานของกังหันน้ำแบบท่อต่อเพลาส่วนใหญ่กำหนดโดยระดับความดันไฮดรอลิกและอัตราการไหล กังหันน้ำเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาให้ทำงานในกรณีที่กังหันน้ำแบบไหลตามแนวแกนแนวตั้งหรือกังหันน้ำแบบฟรานซิสแบบดั้งเดิมไม่มีประสิทธิภาพหรือมีค่าใช้จ่ายสูงเกินไป
ช่วงแรงดันน้ำ: โดยทั่วไปแล้วออกแบบมาเพื่อใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีแรงดันน้ำต่ำ ตั้งแต่ 2 เมตร ถึง 25 เมตร บางแบบที่ออกแบบมาเป็นพิเศษอาจใช้งานได้ไกลกว่านี้เล็กน้อย แต่ประสิทธิภาพสูงสุดมักอยู่ที่ระหว่าง 3 เมตร ถึง 15 เมตร
ความสามารถในการรับน้ำ: กังหันน้ำเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาให้รองรับปริมาณน้ำไหลออกจำนวนมากเมื่อเทียบกับขนาดของมัน เส้นทางการไหลแบบตรงช่วยลดการสูญเสียทางไฮดรอลิก ทำให้เหมาะสำหรับพื้นที่ที่มีอัตราการไหลสูงและระดับความสูงต่ำ
กำลังการผลิตต่อหน่วย: โดยทั่วไปใช้สำหรับโครงการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็กถึงขนาดกลาง โดยมีกำลังการผลิตต่อหน่วยโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 50 กิโลวัตต์ถึง 15 เมกะวัตต์
สถานการณ์การใช้งาน
ก. โรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบไหลผ่าน
สถานการณ์ที่พบได้บ่อยที่สุดสำหรับหน่วยต่อขยายเพลาคือในโครงการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำแบบไหลผ่านในแม่น้ำที่ราบหรือส่วนท้ายน้ำของลุ่มน้ำขนาดใหญ่ เนื่องจากแม่น้ำเหล่านี้มีความลาดชันในแนวดิ่งน้อย แต่มีปริมาณน้ำมากและสม่ำเสมอ การจัดเรียงในแนวนอนของกังหันแบบ S ช่วยให้สามารถออกแบบโรงไฟฟ้าให้มีขนาดกะทัดรัดและลดต้นทุนการขุดเจาะได้
ข. คลองชลประทานและโครงการอนุรักษ์น้ำ
ระบบชลประทานขนาดใหญ่หลายแห่งมีช่วงน้ำลด (ความลาดชัน) ที่สำคัญระหว่างระดับความสูงที่แตกต่างกันของคลอง กังหันน้ำแบบท่อต่อเพลาจึงมักถูกติดตั้งในบริเวณช่วงน้ำลดเหล่านี้เพื่อดึงพลังงานที่อาจสูญเปล่ากลับมาใช้ใหม่ โครงสร้างที่เรียบง่ายของกังหันน้ำทำให้สามารถติดตั้งเข้ากับโครงสร้างพื้นฐานของคลองที่มีอยู่ได้โดยรบกวนการจัดการน้ำน้อยที่สุด
ค. การปรับปรุงและยกระดับสถานีรถไฟเก่า
โรงไฟฟ้าพลังน้ำเก่าที่เดิมใช้กังหันแบบไหลตามแนวแกนแนวตั้งหรือกังหันฟรานซิสที่เสื่อมสภาพ มักประสบปัญหาประสิทธิภาพลดลง กังหันแบบต่อเพลาเป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมสำหรับโครงการ "ฟื้นฟู" เนื่องจากมีโครงสร้างที่ยืดหยุ่น จึงสามารถติดตั้งเข้ากับโครงสร้างทางวิศวกรรมโยธาที่มีอยู่ของโรงไฟฟ้าเก่าได้ ทำให้เพิ่มกำลังการผลิตได้อย่างมาก และลดความซับซ้อนในการบำรุงรักษาเครื่องกำเนิดไฟฟ้าภายนอกในอนาคต
ง. การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานน้ำขึ้นน้ำลง
ในพื้นที่ชายฝั่งที่มีระดับน้ำขึ้นน้ำลงสูง สามารถใช้กังหันน้ำแบบต่อเพลาในเขื่อนกั้นน้ำได้ ความสามารถในการรับมือกับกระแสน้ำขนาดใหญ่และการปกป้องเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (ซึ่งอยู่นอกทางเดินน้ำเค็ม) ทำให้กังหันน้ำแบบนี้เป็นตัวเลือกที่ทนทานสำหรับสภาพแวดล้อมทางทะเล เมื่อเทียบกับกังหันน้ำแบบหัวบอลที่จมอยู่ใต้น้ำทั้งหมด
3. ข้อดีในการนำไปใช้งาน
การเลือกใช้กังหันแบบต่อเพลาในสถานการณ์ข้างต้นนั้นมีข้อดีในทางปฏิบัติหลายประการ:
ความสะดวกในการบำรุงรักษา: เนื่องจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เกียร์บ็อกซ์ (ถ้ามี) และระบบกระตุ้นไฟฟ้าตั้งอยู่นอกทางเดินน้ำในสภาพแวดล้อมที่แห้ง การตรวจสอบและซ่อมแซมตามปกติจึงง่ายและปลอดภัยกว่ามาก
ลดต้นทุนด้านวิศวกรรมโยธา: การวางผังในแนวนอนต้องการการขุดลึกน้อยกว่าเมื่อเทียบกับการวางผังในแนวตั้ง ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างยิ่งในพื้นที่ที่มีระดับน้ำใต้ดินสูงหรือหินแข็ง
ประสิทธิภาพทางไฮดรอลิกสูง: การออกแบบทางเดินน้ำที่เรียบง่าย (โดยมีส่วนโค้งเล็กน้อยสำหรับส่วนต่อขยายของเพลา) ส่งผลให้ประสิทธิภาพทางไฮดรอลิกสูงและประสิทธิภาพการป้องกันการเกิดโพรงอากาศที่ดีเยี่ยม

กังหันน้ำแบบท่อต่อเพลา (Shaft Extension Tubular Turbine) มีบทบาทสำคัญในด้านพลังงานหมุนเวียน โดยเน้นช่วงความสูงของระดับน้ำ 2-25 เมตร ทำให้เป็นทางเลือกที่คุ้มค่าทางเศรษฐกิจสำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงานจากแม่น้ำที่มีระดับความสูงต่ำ ระบบชลประทาน และโครงการปรับปรุงต่างๆ เนื่องจากทั่วโลกกำลังหันมาให้ความสำคัญกับพลังงานหมุนเวียนแบบกระจายศูนย์และขนาดเล็กมากขึ้น การใช้งานกังหันน้ำแบบ S-type จึงคาดว่าจะเติบโตขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากเป็นทางเลือกที่เชื่อถือได้และบำรุงรักษาง่ายกว่ากังหันน้ำที่มีโครงสร้างซับซ้อนกว่า