Nghiên cứu giải pháp cải tiến hệ thống tua bin tăng áp khí xả để nâng cao hiệu suất của các động cơ Wärtsilä RT-flex khi làm việc liên tục ở chế độ tải thấp

bài viết Nghiên cứu giải pháp cải tiến hệ thống tua bin tăng áp khí xả để nâng cao hiệu suất của các động cơ Wärtsilä RT-flex khi làm việc liên tục ở chế độ tải thấp nhằm giới thiệu giải pháp cải tiến hệ thống tua bin tăng áp khí xả để nâng cao hiệu suất của các động cơ Wärtsilä RT-flex khi khai thác động cơ liên tục ở các chế độ tải thấp hơn 60% tải của động cơ. Mời các bạn cùng tham khảo!

Kỷ yếu Hội thảo khoa học cấp Trường 2022 Tiểu ban Cơ khí động lực Nghiên cứu giải pháp cải tiến hệ thống tua bin tăng áp khí xả để nâng cao hiệu suất động Wärtsilä RT-flex làm việc liên tục chế độ tải thấp Phan Cao An Trường Viện Hàng hải Trường Đại học Giao thơng vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam truong.phan@ut.edu.vn Nguyễn Duy Tân Viện Hàng hải Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam tan.nguyen@ut.edu.vn Tóm tắt – Các động kỳ hãng Wärtsilä tối ưu hóa hoạt động với phụ tải phạm vi 60% công suất định mức Động làm việc liên tục chế độ tải thấp đến 10% công suất định mức, nhiên cần bảo dưỡng đặc biệt vận hành Bài báo nhằm giới thiệu giải pháp cải tiến hệ thống tua bin tăng áp khí xả để nâng cao hiệu suất động Wärtsilä RT-flex khai thác động liên tục chế độ tải thấp 60% tải động mức (CMCR) Động làm việc liên tục phạm vi ảnh hưởng đến điều kiện khai thác tối ưu Khi tải nằm khoảng từ 60 đến 65% CMCR, thông số làm việc động giới hạn bình thường Động làm việc liên tục chế độ tải thấp hơn, ảnh hưởng đến thông số khai thác chi tiết động Trong phạm vi tải từ 40 đến 60% CMCR, tùy thuộc vào loại động cơ, hiệu suất tua bin (turbine) tăng áp khí xả cịn thấp quạt gió phụ ngắt áp suất gió nạp tăng Tại chế độ tải thấp, động làm việc với tỷ lệ khơng khí / nhiên liệu thấp hơn, dẫn đến nhiệt độ khí xả cao Đây phạm vi hoạt động đặc biệt khơng thuận lợi Từ khóa – Động Wärtsilä RT-flex, chế độ tải thấp, hoạt động liên tục chế độ tải thấp, ngắt tua bin tăng áp khí xả, giải pháp cải tiến động hoạt động chế độ tải thấp I GIỚI THIỆU Các động hãng Wärtsilä tối ưu hóa hoạt động phạm vi tải 60% cơng suất định Hình Động Wärtsilä 8RT-flex68-D, kỳ, xi lanh, cơng suất 21.910 KW, 95 vịng/phút Động hoạt động liên tục phạm vi “tải thấp” dẫn đến nguy “ăn mòn nguội” gia tăng nhiệt độ buồng đốt thấp, tăng hình thành cáu cặn gây tắc nghẽn động thấp” nhờ vào hệ thống phun nhiên liệu điện tử kiểu Common Rail, cho phép áp suất phun cao lựa chọn ngắt phun nhiên liệu mức tải thấp, ngăn chặn việc đóng cáu cặn bon mức gây tắc bẩn hệ thống tăng áp Các động Wärtsilä RT-flex phù hợp hoạt động liên tục chế độ “tải thấp” “tải 33 Phan Cao An Trường, Nguyễn Duy Tân Một điều đáng quan tâm trình động làm việc liên tục chế độ tải thấp tích tụ nhiên liệu chưa cháy dầu bơi trơn đường ống góp khí xả chúng bốc cháy tải động tăng trở lại Điều gây hư hỏng nặng cho tua bin tăng áp khí xả vượt tốc đột ngột [1] Hình Chế độ động làm việc liên tục tải thấp [2] II NÂNG CAO HIỆU SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ hệ thống “Slow Steam Upgrade Kit” Kỹ thuật để tối ưu hóa hiệu suất động cơ, thay đổi số lượng tua bin tăng áp khí xả tham gia vào hoạt động tăng áp chung chế độ tải khác động A Giải pháp cải tiến hệ thống tăng áp Để tối ưu hóa hoạt động động chế độ tải thấp, hãng Wärtsilä phát triển giải pháp cải tiến hệ thống tua bin tăng áp khí xả cách trang bị thêm Hình Phương pháp ngắt tua bin tăng áp khí xả MET khỏi hệ thống tăng áp hãng Mitsubishi [3]  Giảm đáng kể suất tiêu hao nhiên liệu; Trong thực tế, tua bin tăng áp ngắt kết nối khỏi hệ thống tăng áp khí xả cách đóng “van chặn” Khi đó, hiệu suất (các) tua bin tăng áp lại tăng lên tải động thấp Việc cải tiến cho phép:  Tiết kiệm chi phí nhiên liệu phát sinh B Mô tả thiết bị cải tiến hệ thống tăng áp Để cải tiến hệ thống tăng áp khí xả nhằm nâng cao hiệu suất động chế độ thấp tải, hai van chặn dạng van bướm lắp đặt Một van lắp đường khí xả vào tua bin van lại lắp đường gió tăng áp khỏi máy nén  Khai thác động chế độ tải thấp hơn, không cần đến hoạt động quạt gió phụ;  Giảm nguy tắc bẩn tua bin tăng áp khí xả nồi kinh tế khí xả; 34 Nghiên cứu giải pháp cải tiến hệ thống tua bin tăng áp khí xả để nâng cao hiệu suất động Wärtsilä RT-flex… Hình Bố trí van chặn đường khí xả vào tua bin [1] Hình Bố trí van chặn đường gió khỏi máy nén [1] Với vị trí van lắp đặt vậy, ngắt lập hồn tồn tua bin khí xả khỏi hệ thống tăng áp động Lượng khí xả nhiều từ động đến (các) tua bin tăng áp khác Do đó, cải thiện hiệu suất hệ thống tăng áp thực cách tăng áp suất gió nạp cho phụ tải định Áp suất cháy cực đại cao hơn, nhiệt độ khí xả thấp cuối giảm suất tiêu hao nhiên liệu động Các van chặn đóng mở xi lanh (cylinder) khí nén loại có lị xo chịu tải Trong trường hợp áp suất khí nén, van chặn tự động mở Xi lanh khí nén kích hoạt van kiểu điện-khí nén kết nối với hệ thống điều khiển Trong trường hợp hệ thống điều khiển bị lỗi trường hợp khẩn cấp, van chặn mở cách ngắt van điện-khí nén tay xả khí Hình Van chặn đường khí xả vào tua bin tăng áp MET66MA 35 Phan Cao An Trường, Nguyễn Duy Tân Hình Bố trí thiết bị đóng/mở van chặn khí xả vào tua bin tăng áp MET66MA thực tế tàu Hệ thống tự động trang bị cho phép điều khiển chức lập (đóng van) hủy lập (mở van) tua bin khí xả khỏi hệ thống tăng áp phòng điều khiển máy từ xa buồng máy Hệ C Giao diện hình điều khiển hệ thống thống kết nối với hệ thống điều khiển từ xa động (RCS), thông qua hệ thống giám sát báo động buồng máy (AMS) Hình Giao diện hình điều khiển [1] Áp suất gió quét; Ngưỡng áp suất gió quét báo động giảm máy; Chỉ báo trạng thái van chặn gió khỏi máy nén; Vịng quay tua bin tăng áp số 1; Vào Menu thơng số hệ thống; Vịng quay tua bin số (nếu có); 10 Chức kiểm tra tín hiệu; Vịng quay tua bin số (nếu có); 11 Nút dừng hệ thống; Ngưỡng vòng quay tua bin báo động giảm máy; 12 Nút khởi động hệ thống; Chỉ báo trạng thái van chặn khí xả vào tua bin; 14 Trạng thái hệ thống 36 13 Hiển thị thông tin báo động hệ thống; Nghiên cứu giải pháp cải tiến hệ thống tua bin tăng áp khí xả để nâng cao hiệu suất động Wärtsilä RT-flex… BẢNG I TRẠNG THÁI CỦA CÁC VAN CHẶN Chỉ báo trạng thái Van khí xả Van gió nén Van đóng Màu đỏ Màu đỏ Van trạng thái chuyển tiếp Màu vàng Màu vàng Van mở Màu xanh Màu xanh BẢNG II TRẠNG THÁI CỦA TUA BIN TĂNG ÁP Chỉ báo trạng thái Tua bin ngắt cô lập số Không làm việc Màu đỏ Đang trạng thái chuyển tiếp Màu vàng Làm việc bình thường Màu xanh  Các van chặn khí xả/gió nén vị trí mở; D Kích hoạt hệ thống Chỉ kích hoạt khởi động hệ thống điều kiện sau thỏa mãn:  Thời gian ổn định động trước kích hoạt hệ thống đảm bảo;  Áp suất gió qt phạm vi Start/Stop;  Khơng có hư hỏng hệ thống  Vòng quay tua bin phạm vi Start/Stop; Hình Màn hình trạng thái sẵn sàng kích hoạt hệ thống [1]  Khi tín hiệu gửi đến van điện từ, hình, màu sắc van chặn chuyển từ màu xanh sang màu vàng để báo chuyển động van; Khi điều kiện thỏa mãn, nút “START” trạng thái sáng, hình hệ thống hiển thị “ Sẵn sàng để kích hoạt hệ thống” trạng thái hiển thị “Deactivated – Huỷ kích hoạt”, nên tiến hành kích hoạt hệ thống để lập tua bin khí xả khỏi hệ thống tăng áp  Ấn nút khởi động hệ thống “START” xác nhận để kích hoạt hệ thống;  Khi van chặn vị trí đóng, màu sắc van tiếp tục chuyển sang đỏ Bộ đếm thời gian cho phép 90 giây để van chuyển trạng thái sang đóng Trong khoảng thời gian này, van chưa đóng,  báo động xuất hình Khi đó, cần kiểm tra lại van chặn van điện từ độ khai thác mong muốn giới hạn tốc độ tua bin áp suất gió quét cho phép Khi hai van chặn đóng hồn tồn, hệ thống kích hoạt, tăng tải động từ từ đến tốc Các giá trị giới hạn thiết lập dựa kiến thức kinh nghiệm tốt Mặc dù hệ thống có 37 Phan Cao An Trường, Nguyễn Duy Tân  Áp suất gió quét phạm vi Start/Stop; trang bị khóa liên động an tồn, cần phải quan sát chặt chẽ hoạt động động suốt q trình ngắt lập tua bin tăng áp Cần lưu ý giám sát thông số sau:  Vòng quay tua bin phạm vi Start/Stop;  Các van chặn khí xả/gió nén vị trí đóng;  Thời gian ổn định động trước hủy kích hoạt hệ thống đảm bảo  Vịng quay tua bin tăng áp khí xả hoạt động; Khi điều kiện thỏa mãn, nút “STOP” trạng thái sáng, hình hệ thống hiển thị “Hệ thống trạng thái kích hoạt” trạng thái hiển thị “Active –Kích hoạt”, tiến hành hủy kích hoạt hệ thống để hủy bỏ chế độ cô lập tua bin khí xả khỏi hệ thống tăng áp [1]  Nhiệt độ dầu bôi trơn tua bin;  Nhiệt độ khí xả động E Hủy kích hoạt hệ thống Chỉ hủy kích hoạt hệ thống điều kiện sau thỏa mãn: Hình 10 Màn hình sẵn sàng để hủy kích hoạt hệ thống [1]  Cũng kích hoạt, tốc độ tua bin tăng áp áp suất gió quét giảm giới hạn trì phút để động ổn định; động bình thường Một lị xo tích hợp bên truyền động van (Valve actutor) để kích hoạt hệ thống an tồn  Ấn nút“STOP” xác nhận để dừng kích hoạt hệ thống; F Tự động điều khiển hủy kích hoạt hệ thống Khi chức tự động hủy kích hoạt hệ thống xác định tình trạng động chuyển trạng thái chạy sang trạng thái dừng, sau thời gian đặt, van chặn tự động chuyển sang vị trí mở hệ thống chuyển sang trạng thái hủy kích hoạt  Khi tín hiệu gửi đến van điện từ để mở trở lại van chặn, hình, màu sắc van chặn chuyển từ đỏ sang vàng, sau chuyển sang màu xanh để báo chuyển động van trở lại vị trí mở ban đầu; G Kiểm tra hệ thống  Do thiết kế an toàn hệ thống, trường hợp điều khiển có cố nghiêm trọng nguồn cấp điện khí nén bị gián đoạn, hai van chặn chuyển sang vị trí mở, cho phép động hoạt Chức kiểm tra tín hiệu thực hệ thống hủy kích hoạt động trạng thái dừng Nút "Kiểm tra - Testing" sáng điều kiện đáp ứng [1] 38 Nghiên cứu giải pháp cải tiến hệ thống tua bin tăng áp khí xả để nâng cao hiệu suất động Wärtsilä RT-flex… Nút chức kiểm tra hệ thống; Báo động kích hoạt hệ thống; Báo động vịng quay tua bin/áp suất gió qt cao; Đóng/mở van chặn; Thời gian đóng van chặn; Thời gian mở van chặn; Số chạy kích hoạt hệ thống phiên phần mềm điều khiển; Báo động giảm máy áp suất gió quét cao; 10 Báo động giảm máy vòng quay tua bin tăng áp cao; 11 Trạng thái van (Màu đỏ - Van đóng / Màu vàng – Chuyển tiếp) / Màu xanh – Van mở) Hình 11 Giao diện chức kiểm tra hệ thống [1] III CÁC VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý ĐỐI VỚI ĐỘNG CƠ KHI KÍCH HOẠT HỆ THỐNG thích hợp Kiểm tra gia nhiệt cho đường cấp nhiên liệu sử dụng; Các lưu ý sau cần tuân thủ để hạn chế ảnh hưởng việc khai thác động liên tục chế độ thấp tải [2]:  Tỷ lệ cấp dầu bôi trơn sơ mi xi lanh phụ thuộc vào tải thường không cần điều chỉnh lại Tuy nhiên, cần thường xuyên kiểm tra mặt piston để theo dõi tình trạng hoạt động piston dấu hiệu việc bôi trơn mức;  Nhiệt độ khí thải khỏi động phải giữ 250°C để ngăn chặn ăn mịn nguội, bám bẩn bầu góp khí xả vành ống phun tua bin Nếu nhiệt độ khí xả giảm xuống 250°C phải tăng tải động cơ;  Độ nhớt tối ưu nhiên liệu nên trì mức thấp mức khuyến nghị tài liệu hướng dẫn vận hành động từ 12 đến 17 cSt;  Nếu nhiệt độ khí xả động cao (trên 450 °C trước tua bin), quạt gió phụ bật chuyển sang chế độ “chạy liên tục” Tuy nhiên, cần phải lưu ý khơng phải tất quạt gió phụ thích hợp để chạy liên tục cao tải áp suất gió quét cao Kiểm tra quạt gió phụ phù hợp chạy liên tục dòng điện định mức để tránh làm hỏng động điện phận điện khác;  Giữ nhiệt độ nước làm mát sơ mi xi lanh mức giới hạn (tham khảo tài liệu hướng dẫn vận hành để biết thông số kỹ thuật chi tiết);  Giữ nhiệt độ khí quét khoảng 40 đến 48°C nhằm đảm bảo nhiệt độ buồng đốt nhiệt độ chi tiết thích hợp;  Chú ý đến dãy tốc độ bị cấm khai thác;  Mỗi ngày, nên tăng tải động 80% vòng quay định mức (MCR) thời gian để đốt cháy cặn carbon tích tụ Việc tăng tải phải thực cẩn thận bước nhỏ để tránh điều kiện hoạt động bất lợi piston carbon tích tụ đỉnh xảy cháy ống góp khí xả;  Cần tránh bật tắt liên tục quạt gió phụ Nếu cần thiết, chuyển quạt gió phụ sang chế độ điều khiển tay;  Đặc biệt hoạt động tải thấp, thiết bị phun nhiên liệu phải tình trạng tối ưu để đảm bảo vòi phun riêng biệt đạt mức phun nhiên liệu 39 Phan Cao An Trường, Nguyễn Duy Tân  Có thể yêu cầu thổi muội than thường xuyên nồi kinh tế khí xả có cánh tản nhiệt gần dẫn đến nguy gia tăng mức việc đóng cáu cặn, tắc bẩn làm tăng nhiệt độ khí xả động cơ… Hệ thống cải tiến giúp ngăn chặn rủi ro, cho phép động khai thác mức tải thấp xuống đến 10% CMCR Động với hệ thống tăng áp cải tiến hoạt động đạt đến công suất thiết kế lúc, tương ứng với tốc độ tối đa biển IV KẾT LUẬN Việc cải tiến hệ thống tăng áp khí xả cho động Wärtsilä RT-flex cách trang bị hệ thống “Slow Steam Upgrade Kit” trình bày giúp mở rộng phạm vi tải khai thác động cơ, cho phép động làm việc liên tục mức tải phạm vi từ 10 đến 100% cơng suất định mức (CMCR), khơng có giới hạn phụ Việc trang bị hệ thống “Slow Steam Upgrade Kit” cho hệ thống tăng áp khí xả giúp giảm tiết kiệm chi phí nhiên liệu đáng kể cho chủ tàu, đặc biệt đội tàu container có tải trọng lớn Khi khai thác động liên tục chế độ thấp tải 50% CMCR, khơng có giải pháp cải tiến kèm, Hình 12 Đường cong suất tiêu hao nhiên liệu động tiêu chuẩn (đỏ) động có trang bị hệ thống “Slow Steam Upgrade Kit” (xanh lá) [2] Lấy ví dụ động Wärtsilä 12RTA96C, công suất định mức (100% CMCR) 68.640 KW vịng quay 102 vịng/phút, có số hoạt động bình quân năm 7.000 Khi cải tiến hệ thống tăng áp khí xả cách trang bị hệ thống “Slow Steam Upgrade Kit”, khai thác động liên tục chế độ tải 45% CMCR, giúp tiết kiệm 8,8 g/KWh nhiên liệu tốc độ, tương ứng tiết kiệm 0,272 nhiên liệu/giờ Do đó, năm khai thác, tiết kiệm lượng nhiên liệu lên đến 1.904 [3] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Wartsila Switzerland Ltd., “Slow Steam Upgrade Kit”, 8RT-flex68-D_V0, Wartsila, Helsinki, Finland, 2009 [2] Wartsila, “Service Bulletin, Technical Information to all Owners/Operators of RTA and RT-flex Engines, Continuous Low Load Operation”, Helsinki, Finland, 2007 [3] Mitsubishi Heavy Industries Marine Machinery & Engine Co., Ltd, “MET turbocharger Cut-Out”, Mitsubishi Heavy Industries Group, Tokyo, Japan, 2013 40 ... thuật để tối ưu hóa hiệu suất động cơ, thay đổi số lượng tua bin tăng áp khí xả tham gia vào hoạt động tăng áp chung chế độ tải khác động A Giải pháp cải tiến hệ thống tăng áp Để tối ưu hóa hoạt động. .. động động chế độ tải thấp, hãng Wärtsilä phát triển giải pháp cải tiến hệ thống tua bin tăng áp khí xả cách trang bị thêm Hình Phương pháp ngắt tua bin tăng áp khí xả MET khỏi hệ thống tăng áp. .. tồn tua bin khí xả khỏi hệ thống tăng áp động Lượng khí xả nhiều từ động đến (các) tua bin tăng áp khác Do đó, cải thiện hiệu suất hệ thống tăng áp thực cách tăng áp suất gió nạp cho phụ tải