Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả làm việc của hệ động lực tuabin hơi tàu ba vì

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM - oOo LÃNH TRUNG ĐÔNG NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA HỆ ĐỘNG LỰC TUABIN HƠI PHỤ TÀU “BA VÌ” LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HCM 10-2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM - oOo LÃNH TRUNG ĐÔNG NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA HỆ ĐỘNG LỰC TUABIN HƠI PHỤ TÀU “BA VÌ” CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC MÃ SỐ: 60520116 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS- TS LÊ HỮU SƠN Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015 LUẬN VĂN ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hƣớng dẫn khoa học: PGS TS LÊ HỮU SƠN Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS BÙI XUÂN LÂM Cán chấm nhận xét 2: TS LÊ VĂN VANG Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ Trƣờng Đại học Giao thơng Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh ngày 10 tháng 10 năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) TS BÙI HỒNG DƢƠNG Chủ tịch Hội đồng; PGS.TS BÙI XUÂN LÂM Ủy viên, phản biện; TS LÊ VĂN VANG Ủy viên, phản biện; TS NGUYỄN SƠN TRÀ Ủy viên; TS NGÔ DUY NAM Ủy viên, thƣ ký; Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trƣởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn đƣợc sửa chữa CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA MÁY TÀU THỦY TS BÙI HỒNG DƢƠNG TS LÊ VĂN VANG i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình khoa học tơi thực dƣới hƣớng dẫn khoa học PGS TS MT Lê Hữu Sơn Ngoài nội dung tham khảo tài liệu đƣợc liệt kê phần tài liệu tham khảo, luận văn không chép nội dung cơng trình khoa học tƣơng tự Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm trƣớc pháp luật lời cam đoan Tp Hồ Chí Minh, Ngày tháng năm 2015 Tác giả : Lãnh Trung Đông ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian thực đề tài luận văn thạc sĩ, cố gắng nỗ lực thân, tác giả nhận đƣợc nhiều nguồn giúp đỡ quý báu Tôi xin chân thành biết ơn: PGS TS MT Lê Hữu Sơn Giảng viên đại học sau đại học thuộc trƣờng đại học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh Ngƣời thầy truyền đạt cho nhiều kiến thức chuyên môn kinh nghiệm nghiên cứu quý báu suốt thời gian thực đề tài, ngƣời tận tình hƣớng dẫn đầy tâm huyết q trình thực cơng trình nghiên cứu hồn tất luận văn Tơi xin cảm ơn đến: Quý Thầy Cô công tác trƣờng Đại học Giao Thơng Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh, truyền đạt cho kiến thức chuyên môn suốt thời gian học tập trƣờng Đồng nghiệp, bạn bè ngƣời thân gia đình giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện thời gian, vật chất, tinh thần giúp cho học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn Tp Hồ chí Minh, tháng năm 2015 Lãnh Trung Đông iii MỤC LỤC KÝ HIỆU vi MỤC LỤC SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH viii MỞ ĐẦU .1 Mục đích đề tài lý hình thành đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Mục tiêu nghiên cứu đề tài Phạm vi giới hạn đề tài .3 Các phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể Kết cấu của luận văn .3 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐỘNG LỰC TUABIN HƠI NƢỚC 1.1 Quá trình phát triển cải tiến kỹ thuật hệ động lực tuabin 1.2 Sơ lƣợc tuabin nƣớc 1.2.1.Khái niệm: 1.2.2.Cấu tạo: .6 1.2.3.Nguyên lý hoạt động tuabin nƣớc 1.2.4.Giới thiệu số chủng loại Tuabin- Máy phát lắp tàu thủy 10 1.2.5.Phân loại 12 1.3 Ứng dụng tuabin 17 1.3.1.Ứng dụng 17 1.3.2.Ƣu, nhƣợc điểm hệ động lực tuabin tàu thuỷ 17 1.4 Tống quan tình hình nghiên cứu đề tài giới nƣớc .18 1.4.1.Tình hình nghiên cứu giới 18 1.4.2.Tình hình nghiên cứu nƣớc .19 CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI 20 iv 2.1.Cơ sở lý thuyết hệ động lực tuabin nƣớc .20 2.1.1.Chu trình Carnot nƣớc 20 2.1.2.Chu trình Rankine (chu trình thiết bị động lực nƣớc bản) 21 2.2.Các biện pháp nâng cao hiệu suất chu trình .23 2.2.1.Chu trình Rankine có q nhiệt trung gian .26 2.2.2.Chu trình hồi nhiệt chu trình trích gia nhiệt nƣớc cấp 27 2.2.3.Chu trình cấp nhiệt, cấp điện 30 2.3.Tính hiệu suất tuabin nƣớc hệ động lực tuabin 32 2.3.1.Hiệu suất nhiệt chu trình hay hiệu suất lý thuyết .32 2.3.2.Hiệu suất 35 2.3.3.Hiệu suất giới .36 2.3.4.Hiệu suất có ích 36 2.3.5.Hiệu suất vòng 36 2.3.6.Hiệu suất máy phát điện 37 2.4.Tính cơng suất tuabin nƣớc hệ động lực tuabin nƣớc 39 CHƢƠNG III: CÁC GIẢI PHÁP TĂNG HIỆU SUẤT VÀ CÔNG SUẤT CỦA HỆ ĐỘNG LỰC TUABIN HƠI PHỤ TÀU “BA VÌ” 41 3.1.Giới thiệu hệ động lực tuabin phụ tàu “Ba Vì” 41 3.1.1 Nồi .42 3.1.2.Hệ thống cấp dầu FO đốt nồi 45 3.1.3.Bơm cấp nƣớc nồi .46 3.1.4.Quạt gió nồi 47 3.1.5.Tuabin 47 3.1.6.Bình ngƣng .49 3.1.7.Bơm nƣớc ngƣng 49 3.1.8.Bộ ejector tạo chân không cho bình ngƣng 50 3.1.9.Bơm dầu hàng 50 v 3.1.10.Bơm vệ sinh hút khô hầm hàng (stripping pump) .50 3.1.11.Bơm làm mát bình ngƣng .51 3.1.12.Bơm Ballast 52 3.1.13.Két nƣớc ngƣng (Hot Well 1m3) 52 3.1.14.Hệ thống để sấy két dầu thô (heating coil) .53 3.2.Các giải pháp tăng hiệu suất công suất hệ động lực tuabin 54 3.2.1.Các giải pháp nâng cao hiệu làm việc thiết bị hệ động lực tuabin phụ tàu “Ba Vì” 54 3.2.2.Các giải pháp nâng cao chất lƣợng khai thác hệ động lực tuabin phụ tàu “Ba Vì” 67 3.2.3.Giải pháp cải tiến kết cấu hệ động lực tuabin phụ tàu “Ba Vì” .69 CHƢƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN 76 Kết luận 76 Kiến nghị 76 vi MỤC LỤC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa c Nhiệt dung riêng khối lƣợng (kJ/kg.K) q1 Nhiệt lƣợng cấp vào q2 Nhiệt lƣợng thải q3 Nhiệt lƣợng tổn thất hóa học q4 Nhiệt lƣợng tổn thất học q5 Nhiệt lƣợng tổn thất bề mặt q6 Nhiệt lƣợng tổn thất tro xỉ nóng mang i Entanpi (J/kg) i1 Thơng số trạng thái i2 Thông số trạng thái i3 Thông số trạng thái i4 Thông số trạng thái  Hiệu suất nhiệt lý thuyết c Hiệu suất giới e Hiệu suất có ích  Hiệu suất chung i Hiệu suất thị u Hiệu suất vòng G Hiệu suất máy phát điện d Suất tiêu hao (kg/kw.h) L0 Cơng chu trình (J/kg) Li Công thị (công thực tế) chu trình (J/kg) p1 Áp suất vào tuabin (bar, KG/cm2) p2 Áp suất khỏi tuabin (áp suất ngƣng tụ) N Cơng suất (kW) Ne Cơng suất có ích vii Ni Cơng suất thị n Vịng quay (vịng/phút) Hlt Nhiệt giáng lý thuyết tuabin (J/kg) Hi Nhiệt giáng thị tuabin (J/kg) s Entropi t1 Nhiệt độ vào tuabin (°C) ttb Nhiệt độ trung bình (°C) ν Thể tích riêng (m3/kg) Gh Lƣu lƣơng qua tuabin X2 Độ khô ρ Khối lƣợng riêng (kg/m3) ∆h1 Tổn thất profin cánh ∆h2 Tổn thất mép cánh ∆h3 Tổn thất tạo thành xoáy ∆h4 Tổn thất lệch hƣớng dòng đến ∆hth Tổn thất thải ∆hrl Tổn thất rò lọt ∆hsc Tổn thất sức cản gây nên ∆hcb Tổn thất cấp cục gây nên ∆hha Tổn thất ẩm gây nên 63 Tổn thất rò lọt ∆hrl Giữa phần tĩnh phần động tuabin có khe hở, khe hở nguyên nhân gây nên tổn thất rị lọt tuabin Có loại khe hở tuabin: khe hở hƣớng trục (khe hở dọc trục) S3, S4, Sa, Sa' khe hở hƣớng kính Srk, Srw, S1, S2, S5 hình 21 Các khe hở hướng trục khe hở hướng kính tuabin a - Các khe hở tuabin xung kích; b - Các khe hở tuabin phản kích Do có rị lọt nên lƣợng thực tế giãn nở sinh công giảm đi, mặt khác lƣợng rị lọt khơng tham gia sinh công làm tăng entanpi sau khỏi tuabin, làm tăng tổn thất thải ∆hth Khe hở dọc trục phụ thuộc vào khoảng cách cánh tuabin tới bệ đỡ chặn Bệ đỡ chặn thƣờng lắp phía vào, tầng sau khe hở dọc trục lớn Ở tầng đầu sđ = 1,5†2 mm Ở tầng sau sđ lên đến 10 mm Khe hở hƣớng kính phụ thuộc chủ yếu vào kết cấu chi tiết tuabin sr > 0,2 mm Để giảm tổn thất khe hở hƣớng kính gây nên, kết cấu tuabin thƣờng sử dụng vành làm kín chi tiết quay chi tiết tĩnh tuabin 64 Tổn thất sức cản gây nên ∆hsc Tổn thất sức cản gây nên ∆hsc tổn thất gây cánh động quay mơi trƣờng nƣớc có mật độ ρ Tổn thất cấp cục gây nên ∆hcb Tổn thất cấp cục gây nên ∆hcb xảy tải phận, cấp vào phần cánh động, phần khơng có cánh có xu hút vào tạo nên tổn thất cục bộ; mặt khác cánh vào khỏi vùng cấp xuất va đập thủy lực làm tăng thêm tổn thất Tổn thất ẩm gây nên ∆hha Tổn thất ẩm gây nên ∆hha hạt nƣớc ẩm làm hãm chuyển động cánh động, làm xuất xốy dịng thứ cấp dòng hơi, làm tăng tổn thất cánh tuabin Tổn thất thƣờng xuất tầng tuabin thấp áp, trở thành ẩm Để giảm tổn thất ẩm gây nên phải trì độ khơ tầng cuối tuabin thích hợp X > 0,88 hình 22 Biến đổi lượng tầng tuabin xung kích có xét đến tất tổn thất 65 hình 23 Biến đổi lượng tầng tuabin phản kích có xét đến tất tổn thất Trong tầng tuabin làm việc vùng ẩm, cánh tuabin thƣờng bị mài mòn Sự va đập hạt nƣớc vào mép vào cánh động, mặt làm giảm hiệu suất tầng, mặt khác phá hủy bề mặt kim loại cánh, tức cánh tuabin bị mài mòn Để đánh giá ảnh hƣởng độ ẩm tới hiệu suất tuabin thƣờng ngƣời ta áp dụng quy tắc: vùng ẩm hiệu suất tầng giảm tỷ lệ với độ khô Nếu ký hiệu 0ikhô hiệu suất tầng làm việc khơ bão hồ, tầng làm việc ẩm hiệu suất là: 0ix = 0ikhơx; Nhƣ vậy: Tổn thất ẩm tìm theo cơng thức: hx   x E0 ; 66 đó: x = (1 – x)0ikhơ Đó công thức dùng để đánh giá sơ ảnh hƣởng độ ẩm tới hiệu suất tuabin Trong tầng tuabin làm việc ỏ vùng ẩm cánh tuabin thƣờng bị mài mòn Do va đập giọt nƣớc vào bề mặt mép vào cánh động, lúc đầu bề mặt cánh bị nhám, dần bị rỗ, có lỗ thủng, bị nham nhở nhƣ cƣa, hình dạng profin cánh bị thay đổi Cánh bị mài mịn tới 0,20,3 cung Nếu làm việc lâu dài phần cánh bị phá huỷ hoàn toàn Kết giảm độ bền cánh giảm hiệu suất tầng Sự mài mòn cánh động liền với phá huỷ kim loại cánh tuabin mỏi chịu ứng suất cao giọt nƣớc va đập vào bề mặt cánh Giọt nƣớc tƣơng tác với bề mặt cánh với áp suất đến 310 MPa tốc độ va chạm tới 310 m/s, tốc độ vòng u vƣợt 300 m/s Ngoài ứng suất cơ, han rỉ kim loại, xâm thực… ảnh hƣởng đến q trình mài mịn cánh tuabin Để bảo vệ cánh tuabin khỏi bị mòn ngƣời ta áp dụng biện pháp sau đây:  Giảm độ ẩm đầu tuabin cách nâng cao nhiệt độ trung gian,  Giảm độ ẩm thực tế trƣớc dãy cánh động cách áp dụng biện pháp tách nƣớc có hiệu phần chảy (tách nƣớc ngoại vi tầng …);  Áp dụng xẻ rãnh dọc phần vào lƣng, gần đỉnh cánh quạt, nƣớc rãnh giảm bớt va đập giọt nƣớc, ngồi ra, rãnh cịn có tác dụng tách nƣớc nữa;  Sử dụng kim loại chịu mòn để làm cánh (thép không rỉ, hợp kim…), tăng bền bề mặt (ví dụ, cách tơi), dùng kim loại bảo vệ 67 3.2.2.Các giải pháp nâng cao chất lƣợng khai thác hệ động lực tuabin phụ tàu “Ba Vì” Vận hành tuabin nhằm mục đích đảm bảo chất lƣợng, an toàn, với độ tin cậy cao hiệu kinh tế tối đa Trình tự thao tác vận hành cụ thể đƣợc ghi quy trình vận hành lập riêng cho loại tuabin cụ thể Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả đề xuất nội dung quy trình vận hành Vận hành tuabin thực cơng việc nhƣ sau:  Kiểm tra, chuẩn bị điều kiện vận hành  Chuẩn bị khởi động  Khởi động  Kiểm sốt thiết bị làm việc bình thƣờng  Ngừng thiết bị Trong phần xem xét số vấn đề cần lƣu ý chuẩn bị khởi động ngừng thiết bị Đây hai giai đoạn quan trọng vận hành tuabin lúc trạng thái học nhiệt phận, chi tiết tuabin đƣờng ống dẫn thay đổi lớn 3.2.2.1.Chuẩn bị đƣa tuabin vào hoạt động  Chuẩn bị đƣa tuabin vào làm việc bao gồm bƣớc sau: Kiểm tra bên tuabin Ta phải tiến hành kiểm tra thiết bị tuabin trƣớc sau đƣa tuabin vào làm việc nhƣ: Kiểm tra trực quan thiết bị đo lƣờng nhƣ nhiệt kế, áp kế, tốc độ kế, mức dầu bơi trơn Chân khơng kế thơng với khí phải giá trị „0‟ Mở van xả để xả nƣớc ngƣng tụ đƣờng ống, sau sấy đƣờng ống dẫn cách từ từ mở van cấp Nếu mở van nhanh làm kim loại ống chuyển đột ngột từ lạnh sang nóng tạo ứng suất giãn nở nhiệt, nƣớc ngƣng tụ bị dòng với vận tốc lớn gây tƣợng 68 thuỷ kích làm ống dao động mạnh dẫn tới hậu nghiêm trọng nhƣ nứt mối hàn, bật bích nối Ngồi ống xả cịn làm nhiệm vụ lƣu thơng sấy Xả nƣớc thân tuabin Khởi động bơm dầu bơi trơn cho tuabin Khởi động bơm làm mát bình ngƣng Khởi động bơm nƣớc ngƣng mở van cấp nƣớc làm đầy bình ngƣng Khởi động bơm Ejector tạo chân khơng bình ngƣng Sau hồn tất việc xả nƣớc, tiến hành sấy nóng tuabin  Sấy nóng tuabin Đóng van xả nƣớc đƣờng ống tuabin lại Mở nhỏ van cấp (khoảng vịng) Xoay núm điều khiển từ vị trí “OFF” sang vị trí ”standby” bảng điều khiển Lúc tuabin quay với tốc độ khoảng 50- 70 v/p Nếu thực q trình sấy khơng tốt xảy hậu nhƣ: xuất ứng suất nhiệt thân tuabin van điều chỉnh, cong vênh giãn nở thân thân dƣới không đều, rotor bị rung ứng suất nhiệt, thay đổi kích thƣớc dài rotor stator khơng tƣơng ứng dẫn đến va chạm, đọng nƣớc tuabin gây thủy kích Thời gian sấy tuabin từ 15-30 phút, thời gian sấy khơng cần thiết phải mở van cấp nƣớc làm mát cho sinh hàn dầu bơi trơn tuabin Sau kết thúc q trình sấy tuabin, thơng báo cho phịng CCR (central control room) xoay núm điều khiển sang vị trí “remote” để CCR điều khiển tốc độ tuabin, mở van cấp nƣớc làm mát cho sinh hàn dầu bôi trơn tuabin 69 3.2.2.2.Dừng tuabin Khi có lệnh dừng tuabin từ CCR, đóng van cấp chính, xoay núm điều khiển vị trí “OFF” Lúc tuabin cịn quay theo quán tính, tuabin dừng hẳn, mở van xả nƣớc từ thân tuabin Trong thời gian tuabin nguội thƣờng xuất ứng xuất nhiệt, nhƣ thời gian sấy nóng tuabin Thời gian làm nguội tuabin phụ thuộc vào loại tuabin, phụ thuộc vào nhiệt độ nhiệt Nhiệt độ nhiệt lớn, thời gian làm nguội tuabin dài Trong thời gian làm nguội tuabin, trục tuabin không quay q trình làm nguội tuabin diễn khơng đều, phần dƣới tuabin nhiệt độ thấp phần tuabin (do khơng khí nóng đƣợc đẩy lên phía trên), chênh lệch nhiệt độ phần phần dƣới tuabin lên đến 60°C Do phần dƣới tuabin nguội nhanh hơn, nên phần dƣới trục tuabin nguội nhanh hơn, làm cho phần dƣới trục tuabin bị co lại nhiều so với phần trên, trục tuabin bị võng lên Vì vậy, ta quay trục 1800 Dừng tuabin khoảng 30 phút sau, tắt: bơm dầu bôi trơn cho tuabin, bơm làm mát bình ngƣng, đóng van cấp nƣớc làm đầy bình ngƣng, bơm nƣớc ngƣng, bơm Ejector tạo chân khơng bình ngƣng 3.2.3.Giải pháp cải tiến kết cấu hệ động lực tuabin phụ tàu “Ba Vì”  Để nâng cao hiệu suất nhiệt chu trình, áp dụng giải pháp cải tiến kết cấu ta có: Các giải pháp để tăng hiệu số nhiệt độ nguồn nóng nguồn lạnh nhƣ:  Tăng áp suất hơi, nhiệt độ vào tuabin, giải pháp không khả thi, bị hạn chế độ bền vật liệu, kết cấu hệ động lực hơi, phải hoán cải nồi hơi, Đây khoản đầu tƣ tốn  Giảm áp suất cuối (tăng chân khơng bình ngƣng) Áp dụng chu trình gia nhiệt nƣớc cấp; chu trình nhiệt trung gian… 70 Nhìn chung giải pháp phải đầu tƣ lớn, tốn không đáp ứng đƣợc với đặc điểm kết cấu tuabin tàu “Ba Vì” Do có giải pháp giảm áp suất bình ngƣng thực đƣợc  Xét tốn sau: tính hiệu suất nhiệt công suất hệ động lực tuabin phụ tàu “Ba Vì”, giảm áp suất p2 (áp suất bình ngƣng) Chu trình Rankine thiết bị động lực nƣớc (hệ tuabin tàu “Ba Vì”) có nhiệt độ áp suất vào tuabin t1 = 220°C, p1 = 14 bar, áp suất bình ngƣng p2 = 0,8 bar Công suất sinh tuabin (danh nghĩa) N = 1690 kw Xác định hiệu suất nhiệt cơng chu trình Giải hình 24 Chu trình động lực nước tàu Ba Vì Từ bảng thơng số nhiệt động nƣớc bão hịa ứng với áp suất p = 14 bar tìm đƣợc nhiệt độ sôi tƣơng ứng t s = 195,04° C < t1 = 220° C, sử dụng cho tuabin nhiệt Tra bảng thông số nhiệt động nhiệt với p1 = 14 bar, t1 = 220° C ta có: v1 = 0,1515 m3/kg; i1 = 2855 kJ/kg; s1 = 6,602 kJ/kg.K Hơi ngƣng tụ áp suất p2 = 0,8 bar, với áp suất từ bảng nƣớc bão hòa, ta tra đƣợc: i'2= 391,8 kJ/kg, i''2 =2665 kJ/kg, s'2 = 1,2330 kJ/kg.K, s''2 = 7,434 kJ/kg.°K 71 Vì trình giãn nở tuabin (1 – 2) trình đoạn nhiệt (s1 = s2) s1 = s2 = 6,602 kJ/kg.K Vì s'2