tuabin và nhà máy nhiệt điện

3, Thiết bị tuabin gồm Thiết bị chính + Phụ trợ của tuabin tuabin, hệ thống gia nhiệt và các đường ống dẫn4, Tổ tuabin – máy phát gồm Tuabin, máy phát điện, thiết bị ngưng hơi, bộ giả

& NHÀ MÁY NHIÊ ̣T ĐIÊ ̣N

Chủ đề 1:

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1 Khái niệm cơ bản và lịch sử phát triển

1.2 Nguyên lý làm việc

1.3 Phân loại

1.4 Chu trình làm việc

1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

2 Thiết bị tuabin khí : là mô ̣t loa ̣i động cơ nhiệt, thực

hiện quá trình biến hóa năng của nhiên liệu trong buồng đốt ở nhiệt độ cao thành cơ năng nhờ những bộ phận máy quay có cánh.

1 Tuabin hơi: là mô ̣t loa ̣i động cơ nhiê ̣t, trong đó thế

năng của dòng hơi ban đầu chuyển hóa thành động năng, sau đó thành cơ năng và làm quay trục kéo của đô ̣ng cơ, máy phát, bơm…

3, Thiết bị tuabin gồm Thiết bị chính + Phụ trợ của tuabin (tuabin, hệ thống gia nhiệt và các đường ống dẫn)

4, Tổ tuabin – máy phát gồm Tuabin, máy phát điện, thiết

bị ngưng hơi, bộ giảm tốc (nếu có)

5, Thông số ban đầu:

* TS hơi vào (po, to) trước van stop

* TS hơi ra (pk,tk) ở ngay sau mặt bích ống thoát tuabin

6, Các thông số định mức của tuabin:

Số vòng quay n, (to, po), nước, dầu, chân không …

Công suất định mức bảo hành ghi trong lý lịch TB

1.1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN TUABIN

 Tuabin nhiệt điện:

+ Tuabin hơi + tuabin khí

 Ngoài ra còn có:

- Tuabin nước sản xuất Thủy điện

- Tuabin gió sản xuất Phong điện

 Ưu điểm:

* Công suất lớn hơn nhiều do sử dụng được một

lượng hơi lớn không có cơ cấu trục khuỷu

* Hiệu suất cao nhờ quá trình hơi được cho giãn nở

và sinh công từ áp suất cao xuống áp suất thấp

* Có thể thu hồi nước ngưng do đó tăng chất lượng nước cấp với thông số vào cao

* Máy Chạy êm và thuận tiện trong vận hành

A TUABIN HƠI

- Năm 1883, Laval chế tạo ra tuabin xung lực một

 Tổn thất tốc độ ra rất lớn Hiệu quả kinh tế không

cao Công suất dưới 500 kW

Hình 1.8 Sơ đồ mặt cắt tuabin xung lực một tầng

2

3

4

6 5

A A

3 4

C¿÷t vaÕ traŒi theo

Àp su¡€t h≈i

- Năm 1984, Charles Parsons (kỹ sư người

Anh) chế tạo ra tuabin phản lực đầu tiên.

+ Gồm nhiều tầng gắn liền nhau và gắn trực tiếp lên trục tang trống

+ Hơi được giãn nở liên tục trong các tầng

 Giảm tổn thất tốc độ ra, nâng cao được hiệu suất của tuabin.

Hình 1.8 Tuabin phản lực nhiều tầng

R_ Luc doc truc

Hơi vào Bình ngưng

1 9

- Năm 1986 Charles Curtis (Mỹ) đưa vào

vận hành tuabin có tầng tốc độ.

 Giảm được số vòng quay và đơn giản

trong truyền động.

- Năm 1900 Rateau (Pháp) đã cho ra đời tuabin

xung lực nhiều tầng đầu tiên với công suất 735 kW

- Năm 1903, Aurel Stodola (Thụy Sỹ), lần đầu tiên trình bày về lý thuyết tuabin hơi.

- Năm 1912 tuabin hướng trục đầu tiên do anh em người

Thụy Điển Iunstre.

12

5

4

67

38

1, 2 Đĩa tuabin

3 Ống dẫn hơi mới

4, 5 Trục tuabin

6,7 Cánh quạt tầng trung gian

8, Thân tuabin

Hình 1.9.Sơ đồ tuabin hướng trục

+ Năm 1924, Tuabin ngưng hơi có công suất

2000 kW, po = 1,1 Mpa (11 kG/cm 2), 300oC

Thông số hơi ban đầu12,8Mpa(130Kg/cm2), 565oC

+ Năm 1965, tuabin 500MW với thông số hơi 23,5 Mpa (240kG/cm2).

+ Năm 1978 với tuabin 1200 MW có tần số quay 50s-1

và thông số hơi ban đầu 23,5 Mpa (240kG/cm2) 540oC,…

Với mục đích nâng cao hiệu quả và độ tin cậy,

đã có mấy xu hướng chính về sự phát triển ngành chế tạo tuabin như sau:

+ Nâng cao thông số hơi ban đầu.

+ Tăng công suất đơn vị tuabin, tổ tuabin máy phát.

+ Phát triển tuabin ngưng hơi, tuabin phối hợp sản xuất điện năng và nhiệt năng

(tuabin đối áp, tuabin cấp nhiệt thu hồi, tuabin có trích hơi điều chỉnh).

B TUABIN KHÍ

- Năm 1909 Hôlzwarth vận hành TBK công suất 150 kw,

chu trình đốt đẳng tích Hiệu suất tốt hơn (nhưng < 14%),

vận hành khó hơn

- Đến năm 1930 Whittle thiết kế TBK cho động cơ máy bay,

hiệu suất cao hơn ĐCĐT kiểu pittông.

- Năm 1902 Môss chế tạo TBK quay quạt nạp không khí

cho ĐCĐT kiểu pittông.

- Năm 1905 Armangen và Laval vận hành TBK công suất

400 kw, to = 560 oC, chu trình đẳng áp Hiệu suất thấp

(3%).

* Để nâng cao hiệu suất và công suất tuabin:

+ Sử dụng sơ đồ nhiệt phức tạp

+ Làm mát cũng như quá nhiệt trung gian

+ Hoặc làm nhiều trục.

 Nhờ vậy mà công suất và hiệu suất của tuabin

tăng lên không ngừng.

- Năm 1937 tuabin có động cơ là TBK đầu tiên ra đời

* Sau chiến tranh, TBK phát triển nhanh chóng, sử

dụng trong các máy bay chiến đấu và để phát điện

- Năm 1974 tuabin khí một trục đầu tiên, công suất đến 100

MW ở nhà máy điện Leopodau (Áo).

- Năm 1980 tuabin khí một trục CS 125 MW (V.94) của KWU (Đức) được đưa vào sử dụng

- Năm 1982 nhà máy điện chu trình hỗn hợp công suất mỗi

khối 375 MW, hiệu suất 42,3% được đưa vào vận hành ở Bank PaKong (Thái Lan).

đầu tiên 15 MW, có kết cấu gọn nhẹ, chạy ổn định

Chu trình hỗn hợp Khí-Hơi áp dụng cho NMNĐ Hohr

Wand (Áo)

- Năm 1990 tuabin khí một trục, (p > 200 MW, to

> 1200oC,  > 36%) ứng dụng rộng rãi cho các

nhà máy điện, đặc biệt ở các nước đang phát triển.

1.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

CỦA TUABIN

1.2.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA

1.2.1.2 Nguyên lý làm việc của tuabin xung lực

2

3

4

6 5

A A

3 4

C¿÷t vaÕ traŒi theo

1.2.1.3 Nguyên lý làm việc của tuabin phản lực

công suất nhỏ

R_ L∆‹c do›c tru‹c

V√◊ b«nh ng∆ng

1 9

7 Buồng hơi mới

8 Pistong giảm tải

9 Ống dẫn hơi

10 Ống thoát

Sơ đồ mặt cắt một tuabin phản lực có công suất nhỏ

Sơ đồ thiết bị tuabin khí

2

1.2.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC TUABIN KHÍ

Sơ đồ nguyên lý làm việc của tuabin khí

1.3 PHÂN LOẠI TUABIN NHIỆT

1.3.1 PHÂN LOẠI TUABIN HƠI

1) Theo tính chất nhiệt của quá trình

* Tuabin ngưng hơi

* Tuabin đối áp

* Tuabin ngưng hơi có cửa trích hơi điều chỉnh

a, Tuabin ngưng hơi thuần túy

- Dùng để kéo máy phát điện sản xuất điện năng

Vào lò hơi

Bơm nc

Tuabin Hơi vào

Bình ngưng

Nuoc giai nhiet BN Máy phát

* Đặc điểm:

- Toàn bộ lưu lượng hơi mới (trừ lượng hơi trích gia nhiệt) đều đi qua tuabin giãn nở sinh công.

- Hơi ra khỏi tuabin được dẫn vào bình ngưng

- Nhiệt của hơi thoát được truyền cho nước làm mát và

mất đi một cách vô ích

b Tuabin đối áp

Hơi thoát có áp suất lớn hơn áp suất khí quyển được dẫn

về hộ tiêu thụ nhiệt để dùng cho sinh hoạt hoặc công nghiệp

Những nhà máy nhiệt điện mở rộng tuabin đối áp cĩ TS ban đầu cao (trên 88 bar, 535oC)

được “đặt chồng” trước tuabin hơi trung áp

Hƒ› duÕng nhi√‹t V√◊ loÕ h≈i

Ma–y pha–t Tuabin

H≈i m≈–i

N∆≈–c tu¡◊n hoaÕn B«nh ng∆ng

Hơi mới

Hơ ̣ dùng nhiê ̣t

c Tuabin ngưng hơi có cửa trích điều chỉnh

Sơ đồ nhiệt tuabin ngưng hơi có trích hơi điều chỉnh

Binh gia nhiet

Xupap hơi

Vao lo hoi

Nuoc tuan hoan

Máy phát Hơi vào

Binh ngung

Ho dung nhiet

Bơm Trich hoi gia nhiet

Xupap dieu chinh

 Dùng sản xuất phối hợp điện năng và nhiệt năng ở các Trung tâm nhiệt điện.

 Hơi trích được điều chỉnh phù hợp với nhu cầu HDN, hoặc từ cửa trích hơi không điều chỉnh.

 Hơi trích được điều chỉnh, lưu lượng hơi lớn.

 Không phụ thuộc vào phụ tải của tuabin.

 Áp suất trong cửa trích hơi được giữ ổn định

Các tâng Tuabin gồm: PHẦN CAO ÁP và PHẦN HẠ ÁP Hơi dãn nở ở PCA, rồi đến PHA và theo ống thoát vào BN

2).Theo áp suất của hơi dẫn vào tuabin

(với áp suất hơi mới từ 60 đến 140 bar)

d Tuabin trên cao áp

(với áp suất trên 140 bar)

3) Theo công dụng của tuabin hơi

a Truyền động cho máy phát điện

b Truyền động cho các quạt nén, máy nén và bơm

c Dùng cho vận tải. (Tuabin tàu thủy)

Dùng làm động cơ cho các tàu thủy dân dụng và

hải quân

1.3.2 PHÂN LOẠI TUABIN KHÍ

* Tuabin dùng cho máy bay : theo cách truyền công suất

+ Loại dùng năng lượng dòng khí

+ Loại tuabin quay cánh quạt.

1) Theo lĩnh vực sử dụng

* Thiết bị tuabin công nghiệp:

+ Tuabin có số vòng quay không đổi :

Tuabin chạy ngọn, tải gốc; trong trạm cấp nhiệt

+ Tuabin có số vòng quay thay đổi : tuabin dùng cho máy nén, bơm, quạt,

2) Theo loại nhiên liệu được sử dụng

- Tuabin khí dùng nhiên liệu khí

- Tuabin dùng nhiên liệu lỏng nhẹ

- Tuabin dùng nhiên liệu lỏng nặng

- Tuabin dùng nhiên liệu rắn

1.4 CHU TRÌNH LÀM VIỆC CỦA TUABIN

1.4.1 CHU TRÌNH LÀM VIỆC TUABIN HƠI

1 Chu trình Renkin và hiệu suất nhiệt chu trình

Chu trình Rankin trên đồ T-s.

bc_ QT nhận nhiệt hóa hơi

đẳng áp của nước trong

dàn ống sinh hơi

cd_ QT hơi nhận nhiệt đẳng

áp trong bộ quá nhiệt.

de_ QT hơi giãn nở đoạn

nhiệt sinh công trong

b

'

To

- Nhiệt lượng môi chất nhận được trong lò hơi: Cho 1kg hơi

q1 = io - ia (1.1)

- Nhiệt lượng môi chất nhả cho nước làm mát tại bình ngưng:

q2 = ik’ - ik (1.2)

- Công có ích lý thuyết của 1 kg hơi:

= (ik - io) - (ia - i’k) = lT – lB

- Hiệu suất nhiệt của chu trình

* Tính toán nhiệt chu trình

* Giải thích chu trình:

''''()()

oktakokt tokakok

iiiiii lqiiiiii

(1.4)

Trong đó:

io: entanpi của hơi ra khỏi bộ quá nhiệt, [kJ/kg].

ia: entanpi của nước cấp vào lò hơi, [kJ/kg].

ikt: entanpi hơi thoát từ tuabin [kJ/ Kg]

i'k: entanpi của nước ngưng [KJ/Kg].

lT = io- ik: công của 1 kg hơi trong tuabin lý tưởng,

lB = ia- i’k: công tiêu hao để bơm 1kg nước vào lò

hơi.

ho = io - ikt_ Nhiệt giáng lý thuyết

li = hi = io – ik nhiệt giáng sử dụng của tuabin.

Chu trình nhiệt thực tế trên đồ thị T-s

s

d T

a

'

2 1

- Hiệu suất trong tương đối của tuabin

là tỷ số giữa nhiệt giáng sử dụng hi và nhiệt giáng lý thuyết ho:

h



kt o

k o

i i

i i

o o

i i

i i

i

q

h h

h q

h q

2 Các biện pháp nâng cao hiệu suất tuyệt đối của

chu trình tuabin hơi nước

a, Thay đổi thông số của chu trình

C ó thể thay thế chu trình Renkin bằng chu trình cacnô

tương đương, ta có:

td

k td

c t

T T

* Tăng nhiệt độ trung bình của nguồn nóng T1tb

+ Tăng nhiệt độ hơi ban đầu To ,(po,T1) = const.

Tăng To lên To’ tăng Ttđ

lên Ttđ’, trong khi Tk =

 Hiệu suất tương đối của

tuabin cũng tăng lên.

Với nhiệt độ cao làm giảm giới hạn chảy và tăng tốc độ rão của kim loại  phải sử dụng thép chịu nhiệt tốt cho BQN, ODH, phần đầu của thân tuabin  tăng kinh phí đầu tư

 Hạn chế:

+ Tăng áp suất hơi quá nhiệt po, (To,T1) = Const.

T t¬1

T t¬2

a

Ban đầu, khi tăng po  Ttđ tăng Nhưng sau nhịp độ

tăng đó chậm dần Nếu tiếp tục tăng po nữa sẽ làm giảm Ttđ và giảm hiệu quả kinh tế chu trình.

Hạn chế:

 Tăng độ ẩm cuối của hơi, do đó oiTB giảm

 Tăng khả năng bị rỗ, bị mài mòn dãy cánh

tuabin bởi các giọt ẩm

 Độ ẩm cuối tuabin không quá 14%.

 Thực tế, đồng thời tăng To và po  Gọi là cặp

thông số kết đôi (to, po)

Hoặc dùng chu trình quá nhiệt trung gian hơi.

+ Giảm nhiệt độ trung bình của QT ngưng tụ Tk

Giữ (po,To) = const, đồng thời giảm Tk thì tđ tăng lên.

Với Tk = f (t, lưu lượng nước làm mát): Tk = t’th + tth +

t

Trong đó:

t’th: nhiệt độ nước làm mát tuần hoàn khi vào bình ngưng

tth: độ tăng nhiệt độ của nước làm mát.

t: độ hâm không tới mức.

* Hạn chế:

- Tk bị giới hạn bởi nhiệt độ nước làm mát

- Giảm Tk bằng cách tăng bội số tuần hoàn nước làm mát

 Nhưng lại tốn điện năng cho bơm và tăng tốc độ nước

tuần hoàn nên tăng khả năng mài mòn các ống đồng.

b, Quá nhiệt hơi trung gian và trích hơi gia nhiệt nước cấp

Mục đích:

+ Làm giảm độ ẩm của hơi trong các tầng cuối tuabin

 Tăng oi của các tầng và TB cũng tăng lên.

+ Tăng đáng kể po với To = const và đảm bảo được

độ ẩm cuối trung bình.

* Chu trình quá nhiệt trung gian hơi

Sơ đồ tuabin nhiệt điện có

quá nhiệt trung gian hơi

Chu trình nhiệt có quá

nhiệt hơi trung gian

Quá trình giãn nở của hơi trên đồ thị i-s trong

tuabin có quá nhiệt trung gian

- Công lý thuyết: lo= (io- i1t) + (io1- ikt) (1.11)

- Nhiệt lượng cung cấp cho 1 kg hơi là:

q1 = (i-o - i’k) + (io1 - i1t) (1.12)

- Hiệu suất tuyệt đối của chu trình lý tưởng:

- Hiệu suất trong tuyệt đối

) (

) (

) (

1 1

'

01 1

kt t

o o

t

i i

i i

i i

i i

) (

) (

) (

1 01

'

"

1

' 1

i i

i i

i i

i i

k o

oi kt

o oi

t o

Và i1 = io- (io- i1t)’oi

Ở đây: hi ’ = (i o - i1t)oi ’

hi ”= (i o1 - ikt)oi”

1 01

'

"

1

' 1

) (

) (

) (

) (

oi t

k o

oi kt

o oi

t o

i

i i

i i

i i

i i

'

"

1 1

i

k o

i i

i

h

i i

h h

Nhược điểm: Cấu tạo tuabin phức tạp hơn, tăng tiêu hao

kim loại của thép hợp kim cao cấp  tăng1012% chi phí.

* Chu trình trích hơi gia nhiệt nước cấp

 Tuabin ngưng hơi

có một bình gia nhiệt hồi nhiệt kiểu bề mặt

đun nóng tới nhiệt độ gần với nhiệt độ bão hòa của hơi trích

3

6

i n 7

i 1 i' n

Đặc điểm chu trình:

- Khi 1kg hơi vào TB giãn nở PCA từ p1 đến p2, ta trích một lượng hơi gt gia nhiệt nước cấp, lượng hơi qua PHA rồi vào bình ngưng giảm còn gk:

gk = 1 – gt (1.17)

- Lượng nhiệt nhả ra trong bình ngưng lúc này:

=> Khi đó, hiệu suất chu trình:

2 1

q

l q

 q2 Giảm => hiệu suất nhiệt của chu trình đã tăng lên.

 Muốn nâng cao hiệu quả của chu trình hồi nhiệt thì

người ta áp dụng gia nhiệt nhiều cấp.

1.4.2 CHU TRÌNH LÀM VIỆC TUABIN KHÍ

1 Chu trình hở đơn giản nhất không dùng bộ trao đổi nhiệt

Khí thoát Không khí

3

 Chu trình cháy đẳng áp p = const.

Ưu, nhược điểm của chu trình:

- Ưu điểm: đơn giản, vận hành an toàn và nhanh nhạy.

- Nhược điểm : hiệu suất tương đối thấp, công suất nhỏ (25  50 MW).

2 Chu trình hở có trao đổi nhiệt

Tận dụng nhiệt khí thải được gia nhiệt không khí nén trước khi vào buồng đốt 

Nâng cao hiệu suất nhiệt của chu trình

MP

M

T1 T2

Ưu điểm: đơn giản, hiệu suất cao.

Nhược điểm: công suất riêng nhỏ, trọng lượng lớn

và tốn nhiều diện tích.

7 9

Hiệu suất NMNĐ tuabin hơi chủ yếu phụ thuộc vào:

+ Nhiệt độ hơi vào tuabin, chỉ đạt đến 600oC (Do giới hạn

bởi sức chịu đựng của kim loại)

+ Nhiệt độ ra của nước làm mát, thấp nhất chỉ khoảng

30oC (phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường)

Các tuabin khí vận hành ở nhiệt độ khoảng 1200oC và

nhiệt độ ra khoảng 600oC

* Khi dùng chu trình hỗn hợp khí – hơi, hiệu suất

chu trình cao hơn khoảng 1,5 lần hiệu suất của nhà

máy điện truyền thống.

Giải thích chu trình:

- Không khí được nén đến áp suất cao và đưa vào buồng đốt.

- Nhiên liệu được VPNL phun vào buồng đốt, hòa trộn cùng

không khí nén và bốc cháy nhờ bugi

- SPC (p,t) cao được hòa trộn với không khí thứ cấp rồi đưa vào TBK sinh công và quay MP điện (5)

Một phần công suất sinh ra sẽ truyền động cho MN.

- Dòng khí ra khỏi TBK có t = 500  600oC được đưa vào lò hơi (6) để sản xuất ra hơi và làm quay TBH(7) kéo máy phát điện (8).

1.4.4 CHU TRÌNH SẢN XUẤT PHỐI HỢP NHIỆT

NĂNG VÀ ĐIỆN NĂNG

1 Sản xuất riêng rẽ điện năng và nhiệt năng

 Tổng lượng hơi cần khi sản xuất riêng rẽ là:

b, Sản xuất phối hợp điện năng và nhiệt năng

Sơ đồ sản xuất phối hợp điện năng và nhiệt năng.

Giả sử tuabin là tuabin ngưng hơi thuần túy (Gn = 0)

Để sản xuất lượng điện Nđ cần tiêu hao lượng hơi là:

mp co

T k

o

d đ

i i

N G

T k

o

d

i i

N G





 )







Thay Nđ- từ công thức (1.22) vào (1.23) ta có:

mp co

T k

o

mp co

T k

n n

i i

i i

G G

) (

k n

i i

i

i G

)

Trong đó:

y i

i

i i

k o

k n







) (

)

(

được gọi là hệ số năng lượng của dòng hơi trích

Như vậy lượng hơi tiêu tốn khi sản xuất phối hợp điện

& nhiệt năng là:

i

i i

k o

k n

Vì (in - ik) < (io - ik), do

đó:

Lượng hơi đi vào bình ngưng khi sản xuất phối hợp:

Gk’ = Gph – Gn

Kết luận:

Khi sản xuất phối hợp điện năng và nhiệt năng, nhờ

giảm Gk hơi vào bình ngưng nên giảm được Qk do

đó tăng hiệu suất nhiệt chu trình.

Lượng hơi đi vào bình ngưng giảm được khi sản suất

phối hợp so với khi sản xuất riêng rẽ là:

(1.30)

Chủ đề 2

SỰ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG

TRONG TẦNG TUABIN