turbine hơi

turbine hơi

TURBIBNE HƠI

I/ GIỚI THIỆU :

I.1 Giới thiệu:

- Nhà máy điện là một nơi có nhiều thiết bị đồ sộ và phức tạp chúng phối hợp hoạt động để tạo ra điện năng Trong đó, có thể nói tua bin -

máy phát là một cụm thiết bị quan trọng nhất trong các thiết bị, một phần

do kích thước của nó, không giống như những thiết bị khác có thể lớn

hơn, nó thường được lắp trong nhà tua bin ngay trên chân đế của nó

Trong nhiều nhà máy, kích thước của tua bin này dài hơn 30m Có thể cho rằng tua bin là thiết bị quan trọng nhất đối với nhà máy điện.

- Cụm tua bin- máy phát là thiết bị quan trọng nhất trong nhà máy

điện Trong phần này, nội dung chỉ nói về tua bin, nên không đề cập đến những thiết bị còn lại Nó quan trọng, tuy nhiên phải hiểu rằng nó không thể tự làm việc độc lập được Nó chỉ là một bộ phận hoặc là một hệ

thống phụ của toàn bộ hệ thống phát điện Khi vận hành tuabin có nghĩa

là phải hiểu rằng đang vận hành toàn bộ nhà máy điện.

- Việc vận hành tua bin thường được xem như là một nghệ thuật

Nhiều người chỉ có ý nghĩ mơ hồ rằng làm thế nào mà tua bin chuyển đổi

năng lượng từ hơi để quay máy phát điện Thật khó mà vận hành tua bin

tốt trong mọi điều kiện nếu như không có sự hiểu biết về nguyên lý làm việc bên trong của nó.

- Mục đích của phần này là giới thiệu về nhà máy điện để đánh giá

đúng về tua bin Đồng thời cũng giới thiệu nguyên lý cơ bản để turbine sản xuất điện.

I.2 Lý thuyết nhà máy điện.

- Nhà máy nhiệt điện là một nhà máy chuyển đổi năng lượng Toàn bộ quá trình chuyển đổi năng lượng là một sự chuyển đổi của năng lượng từ nhiên liệu sang điện năng Sự chuyển đổi này cần một số giai đoạn trung gian Những giai đoạn trung gian này xảy ra được gọi là chu trình nhà máy điện Nó được gọi là chu

trình vì có "lưu chất làm việc" được tái sử dụng và tái sử dụng

trong một chu trình để chuyển năng lượng từ dạng này sang dạng khác Môi chất làm việc này là nước (Hình 1-1) trình bày về

nguyên lý của một chu trình nhà máy điện chạy chất đốt từ những sản phẩm hoá thạch (fossil) trong dạng sơ đồ cân bằng nhiệt dùng

để mô tả sự biến đổi năng lượng trong nhà máy

+ Bước đầu tiên trong quá trình chuyển đổi là từ nhiên liệu

sang nhiệt hoặc năng lượng nhiệt dạng hơi Quá trình này xảy ra trong lò hơi Bộ phận tạo hơi là một lò hơi trong một nhà máy

điện chạy bằng than, dầu hoặc gas Trong nhà máy điện hạt nhân thì lò hơi này chính là lò phản ứng hạt nhân Điều quan trọng phải hiểu là mặc dù chu trình của nhà máy nhiệt điện và nhà máy điện hạt nhân rất giống nhau nhưng nguồn hơi của hai loại nhà máy

điện này rất khác nhau

Sau đây sẽ mô tả về nhà máy nhiệt điện, còn những khác biệt so với nhà máy điện hạt nhân sẽ nói sau Lò hơi trong các nhà máy nhiệt điện và lò phản ứng trong các nhà máy điện hạt nhân đều được gọi là

lò hơi, chức năng của chúng thì giống nhau là chuyển đổi năng lượng

từ nhiên liệu sang nhiệt năng dạng hơi Nhiệt năng được giải phóng từ nhiên liệu sang dạng hơi được hấp thu bởi nước (đôi khi còn gọi là

"môi chất") bởi nó được sử dụng để vận chuyển nhiệt năng trong suốt chu trình Nước sẽ chuyển sang dạng hơi, khi hấp thu nhiệt năng trong

lò hơi và hơi này sẽ theo đường ống đến tuabin Trong những nhà máy nhiệt điện hiện đại thì nhiệt độ hơi này thường từ 482 ° C đến 565 ° C

và áp suất từ 1800 psig đến 3600 psig

+ Bước thứ hai trong quá trình chuyển đổi năng lượng này xảy ra khi hơi đi qua tua bin và nhiệt năng này biến thành cơ năng để quay

máy phát Hầu hết trong các nhà máy nhiệt điện lượng hơi này sẽ quay

về lò hơi để được làm nóng lại (bổ sung thêm nhiệt năng vào hơi) sau khi đi qua tua bin

+ Bước thứ ba trong quá trình chuyển đổi năng lượng xảy ra tại máy phát nơi cơ năng chuyển thành điện năng Không phải toàn bộ

năng lượng hơi đều chuyển sang cơ năng vì không phải toàn bộ hơi

đều đi qua tua bin Một ít hơi được phép trích (còn gọi là hơi trích) từ tua bin theo đường ống đến các bộ trao đổi nhiệt gọi là các bộ gia nhiệt nước cấp

Thông thường một lượng hơi trích này sử

dụng cho các tua bin nhỏ để chạy bơm nước cấp cho các hệ thống phụ khác của nhà máy

Hình 1-1: Sơ đồ đơn giản về chuyển đổi năng lượng

của một nhà máy điện.

Tuy nhiên, phần lớn hơi thoát ra từ tua bin sẽ

được gom vào bình ngưng (condenser) Bình ngưng này cho phép áp suất hơi thoát được duy trì gần như chân không (thông thường khoảng 1 psig, so với áp suất môi trường là 14,7 psig) Việc duy trì áp suất

thấp này sẽ làm cho tua bin nhận được năng lượng

càng nhiều từ hơi Đồng thời bình ngưng cũng ngưng hơi thoát thành nước vì vậy nước đó có thể tái sử

dụng trong chu trình Việc ngưng hơi này cần phải

tách nhiệt khỏi hơi Bình ngưng đơn giản chỉ là một

bộ trao đổi nhiệt lớn làm cho nhiệt này chuyển sang nước tuần hoàn Khoảng 1/3 nhiệt năng hơi từ lò đưa vào sẽ bị loại trong bình ngưng.

Hình 1.2: Chiều của dòng hơi trong Turbine

Hình 1.3a: hệ thống thiết bị phụ Turbine hơi

Hơi sau khi được ngưng gọi là nước ngưng (condensate) sẽ gom vào bồn bình ngưng Nước từ hotwell sẽ được bơm bồn nước ngưng và từ đây nước được bơm vào hệ thống nước cấp lò để tái sử dụng trong lò hơi Những bơm này đồng thời cũng bơm nước ngưng qua các bộ trao đổi nhiệt (như bộ hơi

chèn tua bin, các bộ làm mát nhớt tua bin, các bộ làm mát máy phát bằng

hydrogen) và các bộ gia nhiệt nước cấp Những bộ trao đổi nhiệt và bộ gia

nhiệt nước cấp sẽ hâm nóng nước gần đến nhiệt độ sôi khi nước vào lò hơi Hâm nóng nước ngưng trước khi vào lò sẽ làm cho chu trình hiệu quả hơn và tránh được việc nước lạnh vào lò sẽ gây sốc nhiệt và rạn nứt.

Như đã đề cập trên, chu trình của nhà máy nhiệt điện và nhà máy điện hạt nhân rất giống nhau, tuy nhiên có một số điểm rất khác Điều khác biệt

quan trọng nhất là hầu hết các lò phản ứng hạt nhân tạo hơi ở áp suất và nhiệt

độ thấp hơn đáng kể so với các nhà máy nhiệt điện, điển hình là khoảng 960 psig và 285 0 C.

Trên thực tế áp suất và nhiệt độ còn thấp hơn, nhiệt độ hơi chỉ bằng hoặc cao hơn điểm sôi chút ít đối với áp suất mà lò phản ứng hoạt động Điều này

có nghĩa là hơi trong tua bin của nhà máy điện hạt nhân được ngưng tụ ngay khi vào tua bin Đối với tua bin của các nhà máy nhiệt điện, hơi khô hiện hữu trong hầu hết khắp mọi ngõ ngách tua bin vì nhiệt độ cao hơn nhiều Điều này

sẽ gây ra sự cố đặc biệt cho tua bin của nhà máy điện hạt nhân vì nước giọt sẽ gây mất hiệu quả và ăn mòn tua bin.

Tua bin của nhà máy điện hạt nhân có những đặc tính đặc biệt là loại độ ẩm khi nó hình thành, tuy nhiên chỉ những đặc

tính này thì không đủ Trong chu trình nhà máy điện hạt nhân cần phải có những thiết bị đặc biệt gọi là những bộ tách ẩm

(moisture separator) để loại sự ngưng tụ Các bộ tách ẩm này

được lắp đặt trên đường ống giữa phần cao áp và hạ áp của tua bin Lưu ý rằng do không có tua bin trung áp, nên hơi không trở

về lò phản ứng và được gia nhiệt như các lò hơi nhà máy nhiệt điện thuần tuý Một số nhà máy điện hạt nhân có bộ gia nhiệt, tuy nhiên nó hoàn toàn khác so với của nhiệt điện thuần tuý

Hơi từ lò phản ứng hoặc hơi trích từ tua bin được sử dụng trong bộ trao đổi nhiệt loại vỏ (shell) hoặc loại ống Thông

thường, xu hướng thiết kế hiện nay là các ống của bộ gia nhiệt (reheater) được lắp trong bộ tách ẩm để tiết kiệm không gian Trong những trường hợp này, bồn chứa (vessel) được gọi là bộ tách ẩm hoặc là bộ gia nhiệt

Tất cả các bộ phận khác nhau trong một nhà máy điện có hoạt động liên kết với nhau Ví dụ, nếu có sự cố gây giảm áp suất tại lò hơi thì các van của tua bin sẽ đóng lại để giữ khỏi giảm áp suất Điều này sẽ làm cho công suất máy phát giảm Cũng như có nhiều ảnh hưởng khác như thay đổi áp suất trong bình ngưng, thay đổi

nhiệt độ nước sắp hoá hơi vào lò, v.v… Vì vậy, khi nói về việc vận hành tua bin - máy phát thì phải hiểu rằng vận hành toàn bộ nhà máy điện Điều quan trọng đối với vận hành viên là phải hiểu biết về sự tương tác lẫn nhau giữa các bộ phận khác nhau cũng như tua bin - máy phát

I.3 Lý thuyết cơ bản về tua bin.

Những trình bày trên là sự mô tả một cách đơn giản về một quá trình thực sự xảy ra trong một nhà máy điện Khi hơi vào tua bin có một nhiệt năng lớn do có nhiệt độ và áp suất cao Sự chuyển đổi năng lượng trong tua bin thực sự xảy ra ở hai bước.Bước một, nhiệt năng chuyển sang động năng của tia hơi bởi các nozzles (ống phun) Các tia hơi này sẽ thổi vào các cánh

trên rotor Lực của các tia hơi này sẽ đập vào các cánh tua bin tạo ra cơ năng để quay rotor Sự hiểu biết cơ bản này sẽ bổ ích

và giúp cho vận hành viên hiểu về sự vận hành của tua bin -

máy phát

Hình 1-3b :Thiết kế cơ bản của một tua bin hơi.

a) Nozzles (ống phun)

Nozzle là một bộ phận chuyển đổi nhiệt năng của lưu chất (khí hoặc chất lỏng) sang động năng do giản nở của lưu chất đó Loại nozzle hội tụ điển hình (xem hình 1-4a).

Giả sử hơi ở nhiệt độ T1 và áp suất P1 đi vào nozzle hội tụ Đối với hơi thì áp suất và nhiệt độ càng cao thì nhiệt năng càng cao Hơi chuyển động với tốc độ V1 trước khi vào nozzle Hơi ra khỏi nozzle với nhiệt độ T2 và

áp suất P2 thấp hơn nhưng với tốc độ V2 lớn hơn vì một số nhiệt năng đã chuyển thành động năng Động năng tỷ lệ với bình phương tốc độ, vì vậy khi tốc độ tăng thì động năng cũng tăng theo.

Hình 1.4a: Vòi phun hội tụ

Tỷ lệ giữa áp suất đầu vào và đầu ra của

nozzle là một giới hạn sao cho việc vận hành

nozzle hiệu qủa Giới hạn này để thiết kế cho vận hành với một tỷ lệ áp suất là một hằng số

để cho việc chuyển đổi năng lượng có hiệu quả nhất Nếu các điều kiện của tua bin làm thay

đổi tỷ số áp suất thì sẽ giảm hiệu quả Sự cố

thường xảy ra trong vận hành đối với nozzle là

sự ăn mòn do cặn bã trong hơi.

Hình 1-4b : Sự chuyển đổi

năng lượng V) trong vòi phun.

(P-b) Các loại tua bin cơ bản.

Động năng của hơi thì không hữu ích và tự nozzle không thể chuyển năng lượng từ hơi sang cơ năng hữu ích được Có 2 loại tua bin cơ bản là tua bin xung lực và tua bin phản lực Cả hai đều sử dụng nozzle và cánh

rotor (rotor buckets) theo các cách khác nhau.

c) Tua bin xung lực (impulse tuabine).

(Hình 1-5a) mô tả nguyên lý vận hành của tuabin xung lực Hơi đi vào tuabin xung lực đi qua một nozzle tĩnh (stationary nozzle) sau đó giãn nở và tạo ra tia hơi, tia hơi này đập vào các cánh rotor

Trong một tua bin xung lực lý tưởng, hơi giãn nở khi qua nozzle tĩnh, và các cánh chỉ làm thay đổi tốc độ hơi Sau này chúng ta sẽ thấy các tua bin xung lực thuần túy,

lý tưởng thỉnh thoảng được ứng dụng trong thực tiễn.

Hình 1-5a : Tua bin xung lực cơ bản đơn giản.

Hình 1-5b :Sự chuyển đổi năng lượng trong tua bin xung lực (lưu lượng không thay đổi trong khi bánh xe công tác chuyển động).

Hình 1-6: Chiều của dòng hơi

trong cánh xung lực. Hình 1-7: Tầng cánh của một tua bin xung lực lý tưởng.

(Hình 1-7) tầng cánh của một tua bin xung lực lý tưởng

Từng bộ nozzles và cánh rotor gọi là một tầng cánh (stage) Sơ đồ trong hình 1-7 cho thấy tất cả áp suất rơi trong một tầng cánh xảy

ra tại nozzles, tốc độ và thể tích hơi tăng lên cũng tại nozzles

Hơi giãn nở ra sẽ đập vào các cánh làm cho cánh rotor quay đồng thời tốc độ hơi bị giảm Lực của hơi trên các cánh sẽ tạo ra

cơ năng cần thiết để quay máy phát Năng lượng này có từ hơi,

mà trong đó có một số nhiệt năng bị mất đi do áp suất, nhiệt độ và tốc độ đã bị giảm

Trong những nhà máy điện hiện đại có công suất lớn, hơi có nhiệt năng lớn cung cấp vào tua bin Sẽ không thực tế và giảm

hiệu suất nếu như thiết kế tua bin với một nozzle cùng với rotor lớn đủ để chuyển toàn bộ năng lượng hơi sang năng lượng hữu

dụng Vì vậy, các loại tua bin hiện đại có công suất lớn thường

thiết kế nhiều tầng cánh, mỗi tầng cánh chuyển đổi một phần

nhiệt năng của hơi sang cơ năng Trong một tua bin nhiều tầng

cánh cơ bản, hơi đi vào tầng cánh rotor thứ nhất, sau đó vào tầng thứ hai Sau đó một số nhiệt năng còn lại sẽ chuyển sang động

năng Luồng hơi khi thoát khỏi nozzle tầng hai sẽ đẩy cánh tầng hai quay

Các loại tua bin xung lực có thể thiết kế nhiều tầng cánh theo hai loại :

- Loại thứ nhất là tầng cánh Curtis (hoặc gọi là tốc độ

kép) trong hình (1-8)

Loại này có một bộ nozzles cùng với hai hàng cánh động trở lên Có những cánh tĩnh giữa những hàng cánh động Một bộ

nozzles và các cánh cấu tạo nên một tầng, khi hơi từ nozzle đi

qua một bộ cánh, tốc độ hơi sẽ giảm do đã tác động vào các

cánh Sau đó hơi sẽ qua một hàng cánh tĩnh và thay đổi chiều mà không đổi áp suất và tốc độ Chiều mới của hơi này gần như

song song với chiều ban đầu khi ra khỏi nozzles

Sau đó hơi sẽ đẩy vào hàng cánh thứ hai (đồng trục với hàng thứ nhất) Quá trình này có thể lặp lại qua nhiều hàng cũng như qua bốn hàng cánh động của một tầng cánh Tuy nhiên, hầu hết các loại tầng cánh Curtis giới hạn đến hai hàng cánh động

(Hình 1-8): Trình bày tầng cánh tốc độ kép, toàn bộ áp suất hơi xảy ra khi qua nozzle, và áp suất còn lại không đổi khi qua các cánh (buckets) Đây là đặc tính của tua bin xung lực Mặt

khác, tốc độ giảm dần khi qua các cánh động

Hình 1-8 : Loại tuabin tầng cánh Curtis đơn giản

- Loại thứ hai là các tầng cánh tua bin xung

lực: có thể bố trí theo cách tầng cánh Rateau (hoặc

gọi là áp suất kép) Một tua bin Rateau có một loạt

nozzles và buckets Mỗi bộ nozzles và buckets là

một tầng (Hình 1-9) là loại 3 tầng cánh, áp suất kép, tua bin xung lực Lưu ý rằng áp suất giảm dần qua

1-Hình 1-9 : Tầng cánh tuabin

loại Rateau đơn giản Hình 1-10 : Tầng cánh tuabin loại Rateau và Curtis đơn

giản.

d)Tua bin phản lực (reaction turbine).

(Hình 1-11) trình bày nguyên lý vận hành cơ bản của một tua bin phản lực lý tưởng Lực làm cho rotor quay là phản lực của hơi thoát khỏi nozzle.

Đối với một tua bin phản lực lý tưởng, các cánh động chỉ là các nozzles Vì vậy, tất cả việc hơi giãn nở xảy ra tại các cánh động Điều này không thể áp dụng được đối với các tua bin lớn vì khó nhận hơi vào các nozzles

động Cho nên các tua bin lớn phải sử dụng nozzles cố định để nhận hơi vào các nozzles động Do đó, các tua bin phản lực có công suất lớn phải kết hợp cả hai nguyên

lý xung lực và phản lực.

Hình 1-11: Tuabin phản lực

cơ bản đơn giản.

Hình 1-12a : Chiều của dòng hơi trong cánh tua bin phản lực.

Hình 1-12b : Sự chuyển đổi năng lượng trong tua bin phản lực

nozzles tĩnh và động và trên cơ sở

áp suất kép với phản lực Mỗi cặp

nozzles tĩnh và nozzles động thiết

lập nên một tầng cánh

- Trong một thời gian rất dài,

các loại tua bin phản lực có một

tầng cánh xung lực Curtis và coi

như đó là tầng thứ nhất của tua

bin.

- Vì tầng cánh Curtis có hiệu

quả cao hơn trong việc sử dụng

năng lượng cao của hơi vào

Hình 1-13 : Tầng cánh của tua bin phản lực đơn giản.

Hình 1-14 : Tua bin phản lực đơn giản với tầng cánh Curtis

- (Hình 1-14) Bố trí điển hình của tua bin

phản lực với tầng cánh Curtis Tua bin phản lực

có thể phân loại phụ thuộc vào phần trăm của

việc chuyển đổi năng lượng xảy ra trong các

MÔ TẢ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA TURBINE HƠI

QUA CÁC GIAI ĐOẠN

1. Sức nóng là một dòng năng lượng nhiệt, năng lượng nhiệt có thể chuyển đổi thành năng lượng cơ học Một tua bin hơi nước là phương tiện

để tiến hành sự chuyển đổi này

năng lượng hơn nước lỏng Gia nhiệt cho nước trong một bình kín sẽ làm tăng áp suất hơi của nó.

vậy hơi nước có xu hướng giãn nở và thoát ra ngoài qua vòi phun.

chuyển.

của hơi nước từ dạng tiềm ẩn áp suất về dạng cơ học.

năng của vòi phun là chuyển đổi áp suất của luồng hơi thành vận tốc của nó.

và do vậy sinh ra công cơ học.