Tính toán công suất tổ máy Tuốc bin Solar Taurus60 để dẫn động hệ thống bơm ép vỉa trên giàn PPD30000CTK3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ GIÀN CÔNG NGHỆ TRUNG TÂM SỐ 3 1.1. Giới thiệu chung về giàn công nghệ trung tâm số 3. Giàn công nghệ trung tâm số 3 hoàn thiện và được đưa vào sử dụng từ tháng 2 năm 2004 đây là một trong những thành quả của sự lao động sáng tạo của tập thể đội ngũ cán bộ công nhân viên Xí nghiệp LDDK Vietsovpetro và là niềm tự hào của nền công nghiệp dầu khí Việt Nam. Giàn Công Nghệ Trung Tâm số 3 là một bộ phận của tổ hợp công nghệ trung tâm 3 (CTK3) được đặt ở phía Nam của mỏ Bạch Hổ với mục đích nhận dầu từ các giàn nhẹ (BK) và các giàn cố định mỏ Bạch Hổ về để xử lý dầu, khí, nước. Từ đây dầu thành phẩm được bơm đến các tàu chứa, khí tách ra được đưa về giàn nén khí trung tâm, nước tách ra được xử lý sạch đảm bảo tiêu chuẩn an toàn và bảo vệ môi trường sau đó xả biển. Giàn công nghệ trung tâm 3 (CPP3) được thiết kế với công suất thiết kế là 15.000 tấn dầungày đêm, 4.000 m3 nướcngày đêm (tối đa có thể xử lý được 12.000 m3 nướcngày) và lưu lượng khí tách là 3 triệu m3ngày đêm. Ngoài CPP3 ra, tổ hợp công nghệ trung tâm 3 còn có: Giàn bơm ép nước PPD 30.000. Giàn bơm ép nước PPD30.000 được thiết kế với 03 tổ máy với tổng công suất thiết kế là 30.000 m3ngày đêm với áp suất đầu ra của nước là 250 bar, hòa chung vào hệ thống bơm ép nước vào vỉa của mỏ Bạch Hổ. Khu nhà ở: Khu nhà ở được đặt ở giữa giàn ép vỉa PPD30.000 và giàn xử lý dầu trung tâm CPP3 với tổng sức chứa 140 người. 1.2. Hệ thống công nghệ trên giàn công nghệ trung tâm số3. 1.2.1 Riser block. Trên Riser block bao gồm các cụm thiết bị công nghệ: Skid 1: Cụm phân dòng hỗn hợp lưu chất các giàn nhẹ –M1, gồm 3 đường phân dòng 12” nối với các ống đứng dầu từ BK4, BK5, BK6, BK8, BK9, BK 14, BKCNV và giàn 2, xem hình 1. Trên các tuyến và các ống đứng có lắp đặt các van SDV. Hóa phẩm chống ăn mòn và hoá phẩm phá nhũ nước trong dầu được bơm vào 3 tuyến khai thác hỗn hợp dầunước. Skid 2: Cụm phân dòng khí M2, ống 8” nhận khí từ BK9. Hệ thống đường ống vận chuyển dầu đi tàu chứa VSP01 và tàu chứa Ba Vì. Skid 3: PigLauch trên đường vận chuyển dầu đến tàu chứa Ba Vì. Skid 4: Cụm thiết bị đo dầu đến giàn CNTT2, gồm 2 bộ đo trái chiều để đo dầu bơm sang Giàn CTP2 và ngược lại. 3 Skid 5: Hệ thống ống phóng (PigLaucher) trên đường vận chuyển khí đến giàn nén khí trung tâm. Skid 6: Bình dầu thải V15 và máy bơm P12AB. Bình nhận chất lỏng và hơi nước xả từ PL1, PL2, cụm phân dòng M1 được P12AB bơm về các bình tách thứ cấp

LỜI MỞ ĐẦU

Giàn Công nghệ Trung tâm số 3 được xây dựng và đưa vào vận hành từ tháng

2 năm 2004 Đây là một trong những thành quả của sự lao động sáng tạo của tập thể đội ngũ cán bộ công nhân viên Liên doanh Việt Nga - Vietsovpetro và là niềm tự hào của ngành công nghiệp dầu khí Việt Nam Giàn Công nghệ Trung tâm số 3 là một bộ phận của tổ hợp cụm công nghệ trung tâm CTK-3 bao gồm giàn Công nghệ xử lý dầu CPP-3 và giàn bơm ép vỉa WIP-30.000, được đặt ở phía Nam của mỏ Bạch Hổ với mục đích nhận dầu từ các giàn nhẹ BK và một số giàn cố định mỏ Bạch Hổ về để xử lý dầu, khí, nước và bơm ép nước để duy trì áp suất vỉa Giàn CPP-3 được thiết kế với công suất có thể xử lý tới 18.000 tấn sản phẩm dầu thô/ngày đêm và lưu lượng khí tách là 15 triệu m3 khí gas/ ngày đêm Tuy nhiên, mỏ Bạch Hổ đã trải qua quá trình khai thác hơn 30 năm làm cho áp suất vỉa bị suy giảm ảnh hưởng đến quá trình khai thác Một yêu cầu đặt ra là duy trì áp suất vỉa để nâng cao hiệu quả khai thác cũng như nâng cao hệ số thu hồi dầu Nhận thấy vai trò to lớn của công tác bơm ép vỉa trong quá trình khai thác, trong thời gian thực tập em đã chủ động tìm hiểu động cơ Turbine Solar Taurus-60 dẫn động bơm ép vỉa ở giàn PPD-30.000/CTK3 mỏ Bạch

Hổ

Với sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của thầy TS.Hoàng Anh Dũng cùng các thầy

cô trong bộ môn Thiết Bị Dầu Khí & Công Trình, em đã hoàn thành đề tài “Tính

toán công suất tổ máy Tuốc bin Solar Taurus-60 để dẫn động hệ thống bơm ép vỉa trên giàn PPD-30000/CTK3” Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do kiến thức thực tế,

kiến thức bản thân, thời gian thực tập và nguồn tài liệu còn hạn chế nên đồ án của em không thể tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy em rất mong nhận được những sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cùng các bạn để xây dựng cho bản đồ án này được hoàn thiện hơn

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn

Thiết Bị Dầu Khí & Công Trình, và đặc biệt là thầy TS.Hoàng Anh Dũng đã tận

tình giúp đỡ em hoàn thành cuốn đồ án này

Hà Nội ngày 25 tháng 05 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Trần Thanh Lâm

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ GIÀN CÔNG NGHỆ TRUNG TÂM SỐ 3 1.1 Giới thiệu chung về giàn công nghệ trung tâm số 3

Giàn công nghệ trung tâm số 3 hoàn thiện và được đưa vào sử dụng từ tháng

2 năm 2004 đây là một trong những thành quả của sự lao động sáng tạo của tập thể đội ngũ cán bộ công nhân viên Xí nghiệp LDDK Vietsovpetro và là niềm tự hào của nền công nghiệp dầu khí Việt Nam Giàn Công Nghệ Trung Tâm số 3 là một bộ phận của tổ hợp công nghệ trung tâm 3 (CTK3) được đặt ở phía Nam của mỏ Bạch Hổ với mục đích nhận dầu từ các giàn nhẹ (BK) và các giàn cố định mỏ Bạch Hổ về để xử lý dầu, khí, nước Từ đây dầu thành phẩm được bơm đến các tàu chứa, khí tách ra được đưa về giàn nén khí trung tâm, nước tách ra được xử lý sạch đảm bảo tiêu chuẩn an toàn

và bảo vệ môi trường sau đó xả biển

Giàn công nghệ trung tâm 3 (CPP3) được thiết kế với công suất thiết kế là 15.000 tấn dầu/ngày đêm, 4.000 m3 nước/ngày đêm (tối đa có thể xử lý được 12.000

m3 nước/ngày) và lưu lượng khí tách là 3 triệu m3/ngày đêm

Ngoài CPP-3 ra, tổ hợp công nghệ trung tâm 3 còn có:

- Giàn bơm ép nước PPD -30.000

Giàn bơm ép nước PPD-30.000 được thiết kế với 03 tổ máy với tổng công suất thiết kế là 30.000 m3/ngày đêm với áp suất đầu ra của nước là 250 bar, hòa chung vào

hệ thống bơm ép nước vào vỉa của mỏ Bạch Hổ

- Khu nhà ở: Khu nhà ở được đặt ở giữa giàn ép vỉa PPD-30.000 và giàn xử lý dầu trung tâm CPP3 với tổng sức chứa 140 người

1.2 Hệ thống công nghệ trên giàn công nghệ trung tâm số-3

1.2.1 Riser block

Trên Riser block bao gồm các cụm thiết bị công nghệ:

Skid 1: Cụm phân dòng hỗn hợp lưu chất các giàn nhẹ –M1, gồm 3 đường phân dòng 12” nối với các ống đứng dầu từ BK-4, BK-5, BK-6, BK-8, BK-9, BK-

14, BK-CNV và giàn 2, xem hình 1 Trên các tuyến và các ống đứng có lắp đặt các van SDV Hóa phẩm chống ăn mòn và hoá phẩm phá nhũ nước trong dầu được bơm vào 3 tuyến khai thác hỗn hợp dầu-nước

Skid 2: Cụm phân dòng khí - M2, ống 8” nhận khí từ BK-9

Hệ thống đường ống vận chuyển dầu đi tàu chứa VSP-01 và tàu chứa Ba Vì

Skid 3: Pig-Lauch trên đường vận chuyển dầu đến tàu chứa Ba Vì

Skid 4: Cụm thiết bị đo dầu đến giàn CNTT-2, gồm 2 bộ đo trái chiều để đo dầu bơm sang Giàn CTP-2 và ngược lại

Skid 5: Hệ thống ống phóng (Pig-Laucher) trên đường vận chuyển khí đến giàn nén khí trung tâm

Skid 6: Bình dầu thải V-15 và máy bơm P-12-A/B Bình nhận chất lỏng và hơi nước xả từ PL-1, PL-2, cụm phân dòng M-1 được P-12-A/B bơm về các bình tách thứ cấp

Hình 1.1: Cụm phân dòng trên Riser Block

1.2.2 Hệ thống xử lý dầu - khí

1.2.2.1 Hệ thống xử lý dầu

Hỗn hợp dầu - khí - nước của BK-2, 4, 5, 6, 8, 9, 14, CNV và một phần dầu

đã tách khí của các MSP vòm Bắc được đưa về giàn ống đứng (Riser Block) của CTK-3 Từ đây hỗn hợp dầu khí nước được đưa đến cụm phân dòng M1 và chia vào

3 đường thu gom chính A/B/C rồi đến các phin lọc F-1-A/B/C tương ứng (phin lọc F-1-D dự phòng khi sửa chữa hoặc sự cố trên các phin F-1-A/B/C) Hỗn hợp dầu từ F-1-A/B/C được đưa đến bình tách cấp 1 (V-1-A/B/C) tương ứng Tại đây hỗn hợp được tách thành 3 pha dầu, khí, nước theo nguyên lý trọng lực

Dầu sau khi tách ra ở giai đoạn này vẫn chứa một hàm lượng 7-20% nước sẽ được đưa đến hệ thống gia nhiệt T-1-A/B/C (T-1-D dự phòng cho T-1-A/B/C khi sự

cố hoặc sửa chữa) sau đó sẽ được đưa đến các bình tách cấp 2 (V-2-A1/B1/C1), tại đây tách thành 2 pha khí và chất lỏng Chất lỏng chảy xuống bình (V-2-A2/B2/C2)

và tại đây sẽ tách nước trong dầu theo nguyên lý trọng lực cùng với tĩnh điện (hàm lượng nước trong dầu sau khi tách nhỏ hơn 0.5%) sẽ đi qua cụm phân dòng đến V-3-A/B, từ đây dầu được bơm đi các tàu chứa bằng hệ thống máy bơm cao áp (P-1-A/B/C/D/E) hoặc thấp áp (P-2-A/B/C/D/E) Trong trường hợp hàm lượng nước trong dầu cao hơn giới hạn cho phép, dầu sẽ đưa về bình V-3-C, từ đây dầu sẽ được bơm trở lại F-1 hoặc V-2-A1/B1/C1 để xử lý lại

Giàn CPP-3 được thiết kế xử lý tổng cộng 19.000 t/ngđ chất lỏng với hàm lượng nước lớn nhất vào khoảng 60-65 % Sơ đồ công nghệ xử lý dầu trên CPP-3 được trình bày trên hình1.2

1.2.2.2 Hệ thống thu gom khí đồng hành

*Hệ thống thu gom khí áp suất cao

Khí áp cao được tách ra các bình tách ba pha V-1-A/B/C và khí từ máy nén khí K-1 đi qua cụm phân dòng và đo lưu lượng khí (Skid-38), một phần dùng làm khí nhiên liệu trên giàn, phần lớn được vận chuyển về giàn nén khí trung tâm

*Hệ thống nén khí áp suất thấp

Khí thấp áp từ bình V-3-A/B/C được làm mát bằng quạt AC-1-A, sau đó vào bình V-6 để tách condensate và được nén lên tới áp suất khoảng 3,5 barg, tương đương áp suất khí tách bậc 2, bằng hệ thống máy nén khí K-1A-A/B/C, sau đó được làm mát bằng các quạt AC-2-A/B/C Khí này được hòa chung với khí bậc 2 tách ra

từ bìnhV-2-A1/B1/C1 (đã được làm mát bằng quạt AC-1-B) đi vào bình V-8 để tách thành phần lỏng, rồi đi vào máy nén khí K-1B-A/B/C để nén lên bằng áp suất V-1-A/B/C, tiếp theo qua quạt làm mát AC-3-A/B/C đi vào bình V-9 tách condensate, rồi hòa chung với hệ thống khí cao áp ở Skid-38 sang giàn nén khí lớn (xem hình 1.3)

*Hệ thống khí nhiên liệu

Một phần khí cao áp được trích ra từ cụm đo khí Skid 38 đưa vào bình V-11 sau đó đến bộ gia nhiệt (T-3-A/B), khí từ T-3-A/B cung cấp cho bộ nồi hơi Boiler A/B/C

Một phần khí cao áp từ Skid-38 đến bình V-22, tới máy nén khí K-2-A/B/C được nén lên 21,5 barg qua bộ trao đổi nhiệt T-2-A/B/C qua hệ thống làm mát AC-4-A/B/C về bình V-23-A/B/C để tách condensate sau đó đi qua bộ trao đổi nhiệt T-2-A/B/C và về bình V-24 Khí từ bình V-24 sẽ cung cấp cho giàn ép vỉa WIP-30.000

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống thu gom và nén khí thấp áp trên CPP-3

1.2.3 Hệ thống xử lý nước vỉa

Nước vỉa được tách ra từ các bình tách ba pha V-1-A/B/C sẽ được đưa đến các thiết bị tách nước ly tâm hydrocyclone HC-1-A/B/C tương ứng để tách dầu, nước tách ra từ bình tách nước sử dụng điện trường cao V-2-A2/B2/C2 sẽ được đưa đến các thiết bị tách nước ly tâm hydrocyclone HC-2-A/B/C để tách dầu hạt Nước sau khi đi qua hệ thống hydrocyclone HC-1-A/B/C/D và HC-2-A/B/C/D được đưa đến bình V-10-A/B để tách khí trong nước và tách phần váng dầu còn lại, sau đó đưa xuống KS-1 (xem hình 1.2) Trên đường nước từ V-10 A/B đến KS-1 có lắp bộ đo AT-1501 A/B để kiểm soát hàm lượng dầu trong nước (tại đây nước đã đạt tiêu chuẩn

an toàn và bảo vệ môi trường) Tại KS-1 lượng váng dầu còn lại được tách lần cuối cùng, nước sau đó được xả xuống biển

1.2.4 Hệ thống đuốc áp suất cao và áp suất thấp áp (HP&LP Flare )

Trong trường hợp giàn nén khí trung tâm không nhận hoặc nhận không hết khí cao áp tách ra trên giàn, lượng khí cao áp từ các bình tách bậc 1, từ hệ thống nén khí

nhiên liệu và khí tách ra từ V-4 sẽ đi vào bình V-5, tại đây chất lỏng được tách ra còn khí sẽ đi ra fakel cao áp FT-1 để đốt

Tất cả khí tách bậc 2, bình chứa V-3A/B (trong trường hợp máy nén khí 1A-A/B/C, K-1B-A/B/C không làm việc), V-6, V-8, V-10-A/B và các bình dầu thải

K-sẽ đi vào bình V-7, tại đây chất lỏng được tách ra, khí K-sẽ ra đuốc thấp áp FT-2 Khí mồi đốt fakel: khí cao áp đưa vào FS-1-A/B tại đây khí được làm sạch phục vụ việc đánh lửa và duy trì ngọn lửa cho đuốc

1.2.5 Hệ thống thu gom condensate

Lượng dầu tách ra từ hệ thống tách nước ly tâm HC-1 & HC-2 cùng với condensate tách ra các bình V-4, V-6, V-8, V-9, V-22, V-23, V-24 sẽ được gom về bình V-14 và được bơm ngược trở lại F-1-A/B/C hoặc V2 A1 -A-B-C bằng bơm P-7-A/B

1.2.6 Hệ thống thu gom dầu thải

Toàn bộ đường xả kín các bình tách và các thiết bị công nghệ trên giàn, được chảy về bình xả kín V-12, sau đó được bơm ngược lại hệ thống các bình tách hoặc bình V-21 bằng bơm P-6-A/B

Toàn bộ đường xả hở từ các bình tách và các thiết bị công nghệ trên giàn được chảy về bình xả hở V-13, sau đó được bơm vòng lại hệ thống các bình tách hoặc bình V-21 bằng bơm P-8-A/B

Toàn bộ dầu thải ở Riser Block chảy về bìnhV-15, sau đó được bơm về bình V-2 bằng bơm P-12-A/B

Bình V-21 chứa các chất thải dạng bùn Dầu ở đây được tách ra và được bơm trở lại bình xả kín V-12 bằng bơm P-4-A/B, còn chất bẩn được xả vào thùng chứa chất thải gửi về bờ xử lý

1.2.7 Hệ thống hóa phẩm

*Hệ thống bơm hoá phẩm trên giàn có 4 hệ thống chính

Hóa phẩm giảm nhiệt độ đông đặc (depressant), các thùng chứa hóa phẩm được bơm bằng P-11-D đến V-19 từ đây bơm đến V-3-A/B bằng bơm P-16-

A/B/C/D/E

Hóa phẩm phá nhũ tương dầu trong nước (deoiler), các thùng chứa hóa phẩm bơm bằng P-11-A đến V-16, từ đây bơm đến đường nước tách ra từ V-1-A/B/C & V-2-A2/B2/C2 và bình hớt váng V-10-A/B bằng bơm P-13-1-A/B &P-13-2-A/B

Hóa phẩm phá nhũ tương nước trong dầu (demulsifier) Các thùng chứa hóa phẩm bơm bằng P-11-B đến V-17, từ đây bơm đến đường hỗn hợp dầu khí nước trước phin lọc F-1-A/B/C/D bằng bơm P-14-A/B

Hóa phẩm chống ăn mòn (corrosion inhibitor) các thùng chứa hóa phẩm bơm bằng P-11-C đến V-18, từ đây bơm đến đường hỗn hợp dầu khí nước trước phin lọc F-1-A/B/C/D bằng bơm P-15-A/B

1.2.8 Hệ thống tạo hơi nước

Gồm có 3 Boiler A/B/C trong đó Boiler A đun nóng bằng dầu diezen và khí nhiên liệu, Boiler B/C đun nóng bằng khí nhiên liệu

Nước biển lấy từ hệ thống cứu hoả đưa vào hệ thống tách muối, sau đó đưa vào bình chứa FWT (feed water tank) rồi đến các Boiler bằng bơm WP-3-A/B, nước được đun nóng và hoá hơi với áp suất 7 barg, nhiệt độ 1700C dùng để gia nhiệt cho dầu ở cụm gia nhiệt T-1-A/B/C/D và các bình chứa dầu thải ở các block

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TUỐC BIN KHÍ

2.1 Giới thiệu chung - Nguyên lý hoạt động của tuốc bin khí:

2.1.1 Giới thiệu chung

Tuốc bin khí (TBK) là mô ̣t loa ̣i đô ̣ng cơ nhiê ̣t biến nhiê ̣t năng thành cơ năng theo ứng du ̣ng của chu trình “ Brayton” (hình 2.1) Chu trình nhiê ̣t đô ̣ng diễn ra trong tuốc bin là chu trình gồm có các giai đo ̣an sau:

Nén: (Đoạn 1-2) Không khí được hút và nén tới một áp suất nhất định

Đốt cháy: (Đoạn 2-3) Nhiên liệu được phun vào, hòa trộn với khí nén thành hỗn hợp

nhiên liệu-khí và được đốt cháy

Giãn nở-sinh công: (Đoạn 3-5-7) Khí cháy giãn nở và chuyển hóa năng lượng

Xả: (Đoạn 7-1) Khí thải được xả ra ngoài khí quyển

Hình 2.1: Chu trình nhiệt động Brayton

* So sánh TBK với động cơ diesel:

Bảng 2.1: So sánh TBK với động cơ diesel

+ Chu trình làm việc có 4 giai đoạn + Chu trình làm việc có 4 giai đoạn – 4 kì + Quá trình hút và nén chung + Quá trình hút và nén riêng rẽ

+ Quá trình đốt cháy và giãn nở sinh công

Hình 2.2: Chu trình nhiệt động trong động cơ diesel

Ưu điểm và nhược điểm của TBK với động cơ diesel:

*Ưu điểm:

+ Máy gọn, nhỏ, có công suất lớn

+ Không có cơ cấu biến chuyển động thẳng thành chuyển động quay

+ Số vòng quay đạt được lớn, mô-men quay đều, liên tục

+ Điều khiển đơn giản

*Nhược điểm:

+ Phải có máy nén với công suất lớn

+ Chỉ làm việc được với nhiên liệu lỏng hoặc khí

* Các bộ phận cơ bản của TBK: gồm có 3 bộ phận chính

- Máy nén: hút không khí vào và nén lên tới một áp suất nhất định Khí nén sau

đó được đẩy vào buồng đốt

- Buồng đốt: Nhiên liệu được phun vào buồng đốt, hòa trộn cùng với khí nén để tạo ra hỗn hợp cháy Trong buồng đốt xảy ra quá trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu-khí, nhiệt độ tăng cao, trong khi áp suất hầu như không đổi Khí nóng sau

đó được đưa qua tuốc bin

- Tuốc bin: trong tuốc bin dòng khí nóng sẽ giãn nở sinh công, nghĩa là truyền năng lượng nhiệt thành cơ năng làm quay trục Dòng khí sau tuốc bin được xả

ra ngoài khí quyển

Hình 2.3: Sơ đồ các bộ phận chính của tuốc bin khí

2.1.2 Các nguyên lý cho máy công tác thủy lực:

* Có 4 nguyên lý cho máy công tác thủy lực:

- Nguyên lý thể tích: áp dụng trong các máy bơm, máy nén pis-tôn, động cơ diesel

- Nguyên lý ly tâm: áp dụng trong các máy bơm, máy nén, tuốc-bin ly tâm

- Nguyên lý phun tia: áp dụng trong các máy bơm phun tia

- Nguyên lý cánh nâng: áp dụng trong các loại quạt, máy bơm cánh nâng, hướng trục, máy nén, tuốc-bin hướng trục, cánh máy bay

* Máy nén và tuốc bin hoạt động dựa theo nguyên lý cánh nâng Ta xét hai trường hợp áp dụng nguyên lý này:

2.1.2.1 Sơ đồ cánh máy bay:

Hình 2.4: Sơ đồ mô tả sự làm việc của cánh máy bay

Dòng khí chuyển động từ xa với tốc độ W8 đến trùm lên cánh Do cánh đặt nghiêng so với dòng khí một góc d, nên phía trên lưng cánh tạo ra các “dòng xoáy” Nếu ta xét đến sự phân bố áp suất của dòng khí xung quanh cánh: áp suất tại mặt bụng

sẽ lớn hơn trên mặt lưng Chính vì vậy mà dòng khí tác động lên cánh một lực R – là tổng lực của tất cả những lực nhỏ tác dụng lên mỗi điểm trên bề mặt cánh Ta có thể phân tích lực R thành Ry - lực nâng (theo hướng thẳng đứng) và Rx - lực cản (theo hướng nằm ngang) Do đó, chỉ cần gắn động cơ có lực đẩy lớn hơn Rx là máy bay bay được Lực R tỉ lệ thuận với diện tích bề mặt cánh S và bình phương của tốc độ W8

2.1.2.2 Cánh máy nén:

Hình 2.5: Sơ đồ mô tả sự làm việc của cánh máy nén

Tương tự như trên, khi dòng khí chuyển động với tốc độ W8 đến trùm lên cánh máy nén Dòng khí sẽ tác động lên đĩa rô to một lực R, bao gồm: Rz - tác dụng lên bạc chặn (theo hướng dọc trục), và Rx - lực tạo mô-men cản (hướng theo phương tiếp tuyến với chuyển động của cánh máy nén) có xu hướng bắt đĩa rô to quay ngược lại Theo định luật Niu-tơn III, đĩa rô to tác dụng lên dòng chất lỏng một phản lực R’= R, nhưng ngược chiều Nhưng vì đĩa rô to quay là do ngoại lực tác dụng lên trục, nên cánh máy nén truyền động năng của mình cho dòng khí, đẩy dòng khí di chuyển dọc theo trục máy nén

Hai quá trình xảy ra trong các tầng cánh máy nén và tuốc bin về bản chất đều dựa theo nguyên lý cánh nâng, nhưng chúng xảy ra ngược nhau:

- Trong máy nén: cơ năng của các cánh quay truyền cho dòng khí, chuyển thành

áp năng, động năng và nhiệt năng của dòng khí (cơ năng  áp năng + động năng + nhiệt năng)

- Trong tuốc bin: nhiệt năng (tăng cao sau khi dòng khí đi qua buồng đốt), áp năng và động năng của dòng khí truyền cho các cánh tuốc-bin, chuyển thành

cơ năng làm quay cánh (nhiệt năng + áp năng + động năng  cơ năng)

2.1.3 Phân loại tuốc bin khí:

*Phân loại theo môi chất công tác:

- Tuốc bin hơi nước: Sử dụng năng lượng của hơi nước để làm quay trục tuốc bin

- Tuốc bin khí: Môi chất công tác là khí cháy

*Phân loại theo chu trình làm việc

- Đơn giản, dạng hở

- Phức hợp: có chu trình hoàn nhiệt; cấu trúc nhiều tầng; hỗn hợp hơi nước;

*Phân loại theo ứng dụng:

- Dẫn động máy phát điện

- Dẫn động máy nén khí, bơm các loại

- Động cơ phản lực cho máy bay

*Phân loại theo chức năng phát điện:

- Máy phát chính

- Máy phát dự phòng

*Phân loại theo công suất:

- Công suất nhỏ (các ứng dụng công nghiệp)

- Công suất trung bình (các trạm điện địa phương)

- Công suất lớn (các nhà máy nhiệt điện lớn)

*Phân loại theo cấu tạo rô to:

- Loại một trục

- Loại hai hoặc nhiều trục

*Phân loại theo nhiên liệu sử dụng:

- Dẫn động máy nén khí, loại hai trục, nhiên liệu khí: Mars-100 trên giàn CKP

- Dẫn động bơm ép vỉa, loại hai trục: Taurus-60 Pump Set trên giàn PPD-40000 (nhiên liệu khí), TB-5000 trên giàn MSP-8 và 9 (hai nhiên liệu)

2.2 Cấu tạo các bộ phận chính của tuốc bin khí

2.2.1 Đặc điểm cấu tạo của máy nén và tuốc bin:

Bảng 2.2: So sánh đặc điểm cấu tạo của máy nén khí và tuốc bin

+ Tầng cánh máy nén gồm một tầng cánh

động được nối tiếp bởi một tầng cánh tĩnh

+ Tầng cánh tuốc bin gồm một tầng cánh tĩnh được nối tiếp bởi một tầng cánh động + Cánh động: tiết diện ngang lớn dần dọc

theo trục (gọi là ống tăng tốc), có tác dụng

tăng vận tốc và áp suất của dòng khí

+ Cánh động: tiết diện ngang giảm dần dọc theo trục, có tác dụng chuyển đổi năng lượng của dòng khí thành cơ năng quay trục + Cánh tĩnh: tiết diện ngang giảm dần, biến

động năng của dòng khí thành áp suất và

hướng dòng khí vào cánh động với một góc

tối ưu

+ Cánh tĩnh: tiết diện ngang giảm dần, biến động năng của dòng khí thành áp suất và hướng dòng khí vào cánh động với một góc tối ưu

Quá trình nén trong máy nén:

+ Áp suất P tăng dần

+Tốc độ dòng khí  tăng khi đi qua cánh

động; giảm - khi đi qua cánh tĩnh

Quá trình giãn nở trong tuốc-bin:

+ Áp suất P giảm dần

+Tốc độ dòng khí  tăng khi đi qua cánh tĩnh; giảm - khi đi qua cánh động

Hình 2.6: Biểu đồ biền thiên áp suất và vận tốc trong máy nén và tuốc bin

2.2.2 Mô tả cấu tạo và hoạt động của tuốc bin khí

2.2.2.1 Tuốc bin khí loại một trục

*Sơ đồ nguyên lý TBK loại 1 trục:

*Nguyên lý hoạt động TBK loại một trục:

Không khí được hút, nén qua các tầng cánh của máy nén (1) và tới buồng đốt (2) Ta ̣i buồng đốt, nhiên liê ̣u (nhiên liê ̣u ga hoă ̣c diesel) sẽ được phun vào qua các vòi phun để hòa trô ̣n với khí nén ta ̣o ra mô ̣t hỗn hợp nhiên liê ̣u/không khí theo mô ̣t tỷ lê ̣ nhất đi ̣nh Hỗn hợp nhiên liê ̣u/không khí cháy, làm cho nhiê ̣t đô ̣ tăng nhanh, kéo theo thể tích và tốc đô ̣ lưu thông của khí cháy cũng tăng lên Lượng không khí nén từ máy nén tới buồng đốt được phân chia như sau:

- 1/4 lượng khí nén sẽ hòa trộn với nhiên liê ̣u để ta ̣o ra sự cháy

- 3/4 lượng khí nén còn la ̣i để làm mát buồng đốt và các tầng cánh của tuốc bin Sau đó lượng khí này sẽ hoà chung với khí cháy để đi vào tuốc bin

Khí cháy giãn nở qua các tầng cánh của tuốc bin (3), nhiê ̣t năng và áp năng chuyển thành đô ̣ng năng làm quay roto tuốc bin

Năng lựơng của khí cháy qua phần tuốc bin đựơc phân bổ như sau:

- 2/3 năng lựơng để dẫn đô ̣ng máy nén và các thiết bi ̣ phụ trợ của tuốc bin

- 1/3 năng lựơng còn la ̣i dùng để dẫn động máy công tác

Trong chu trình khởi đô ̣ng, ro to của máy nén tuốc bin được quay nhờ hê ̣ thống khởi đô ̣ng và nhờ đó không khí được hút vào máy nén tuốc bin (1)

Mô ̣t đường nhiên liê ̣u riêng rẽ được cấp tới bô ̣ mồi lắp trên buồng đốt Ta ̣i mô ̣t tốc đô ̣ nhất đi ̣nh trong chu trình khởi đô ̣ng, bugi ở bô ̣ mồi được đánh lửa để ta ̣o ra sự cháy ban đầu và hê ̣ thống điều khiển sẽ tăng lượng nhiên liê ̣u để tỷ số nhiên liê ̣u/ không khí đa ̣t tới giá tri ̣ thuận lợi nhất để sự cháy được lan tràn toàn bô ̣ buồng đốt Nhiê ̣t đô ̣ khí cháy tăng và bugi mồi ngừng đánh lửa khi thời gian đánh lửa đã hết

(thông thường thời gian đánh lửa từ 10-15s tùy loa ̣i nhiên liê ̣u) hoă ̣c sự cháy trong buồng đốt đã ổn đi ̣nh

Do phần tuốc bin cùng tru ̣c với phần máy nén tuốc bin nên khi tuốc bin quay phần máy nén (1) có cùng tốc đô ̣ với ro to tuốc bin Ngừơi ta quy ứơc tốc đô ̣ này là Ngp (N - Gas Producer)

Hê ̣ thống điều khiển tiếp tu ̣c điều khiển để tăng lựơng nhiên liê ̣u cho Ngp đa ̣t tới tốc đô ̣ vâ ̣n hành đã đă ̣t trứơc Hê ̣ thống khởi đô ̣ng đựơc dừng la ̣i khi Ngp đa ̣t tới

mô ̣t giá tri ̣ nhất đi ̣nh

Trong quá trình tăng tốc hoă ̣c giảm tốc, lựơng khí nén dư ở các tầng cánh cuối cùng của phần máy nén có thể gây ra sự xung đô ̣ng làm hỏng các cánh máy nén hoă ̣c cả tuốc bin (hiê ̣n tựơng SURGE) Để tránh hiê ̣n tựơng này, cơ cấu các cánh hướng gió sta-to đầu hút (VIGV) lắp ở các tầng đầu máy nén và van xả khí nén (Bleed Valve) lắp trên phần máy nén hoă ̣c buồng đốt để xả bớt lựơng khí nén dư thừa này IGV đóng (góc mở nhỏ) khi tốc đô ̣ tuốc bin thấp và mở (góc mở lớn) khi Ngp > 90% Bleed Valve mở (xả khí nén thẳng ra ống xả) khi tuốc bin ở tải thấp và đóng la ̣i khi tuốc bin ở tra ̣ng thái ho ̣at đô ̣ng bình thường

2.2.2.1 Tuốc bin khí loại hai trục

*Sơ đồ nguyên lý TBK loại hai trục:

*Nguyên lý hoạt động TBK loại hai trục:

Nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng của tuốc bin khí loa ̣i 2 tru ̣c tương tự như nguyên lý ho ̣at

đô ̣ng của tuốc bin khí lo ̣ai 1 tru ̣c, nhưng có khác ở phần tuốc bin Phần tuốc bin đựơc chia làm 2 phần riêng biê ̣t

Phần tuốc bin máy nén (3) đựơc nối cùng tru ̣c với phần máy nén (1) Tốc đô ̣ của tru ̣c này ký hiê ̣u là Ngp (N - Gas Producer)

Phần tuốc bin lực (4) đựơc nối với hô ̣p giảm tốc để dẫn đô ̣ng máy công tác Tốc đô ̣ tru ̣c này ký hiê ̣u là Npt ( N-Power Turbine)

Khí cháy từ buồng đốt giãn nở qua các tầng cánh của tuốc bin máy nén để dẫn

đô ̣ng máy nén và các thiết bi ̣ phu ̣ trợ cho tuốc bin Phần năng lựơng còn la ̣i sẽ giãn nở tiếp qua các tầng cánh của tuốc bin lực (4) để dẫn đô ̣ng máy công tác Sự phân bố năng lựơng tương tự như TBK lo ̣ai 1 tru ̣c:

- 2/3 dùng dẫn động máy nén và thiết bi ̣ phụ trợ

- 1/3 dùng cho tuốc bin lực để dẫn động máy công tác

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của TBK

2.3.1 Hiện tượng Stall và Surge trong máy nén

Máy nén được thiết kế để đạt chế độ làm việc tối ưu ở 100% tốc độ

Trong quá trình khởi động (hoặc dừng máy), tức là khi tốc độ của máy nén nhỏ hơn tốc độ tối ưu, các tầng cánh đầu hút làm việc hiệu quả hơn các tầng cánh đầu đẩy Do đó, lưu lượng qua các tầng cánh đầu hút nhiều hơn trong khi các tầng cuối lại không có khả năng cho qua Từ đó gây ra hiện tượng STALL tại mỗi cánh và hiện tượng SURGE chung cho cả máy nén - chế độ làm việc mất ổn định

Để khắc phục các hiện tượng trên, người ta thiết kế các tầng cánh dẫn hướng

đầu hút là loại biến thiên (gọi tắt là IGV - Variable Inlet Guide Vanes) và lắp thêm các van xả khí (Bleed Valves hoặc Blow-Off Valves) Nhiệm vụ của IGV: thay đổi

góc tới của dòng khí đến các tầng cánh động để đạt chế độ làm việc tối ưu ứng với mỗi tốc độ Nhiệm vụ của Bleed Valves: xả bớt khí thừa từ các tầng cánh đầu, bảo vệ cho các tầng cánh sau và cả máy nén

2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất của TBK:

*Các ký hiệu:

+ Ne - công suất phát ra + hs - hiệu suất của hộp số

+ N - công suất lý thuyết +  = (P2 / P1) - tỉ số nén của quá trình nhiệt trong

TBK + nh - hiệu suất nhiệt + P1 – Ap suất đầu hút; P2 – áp suất đầu đẩy

+ ch - hiệu suất cơ học + k - hệ số đặc trưng cho khí công tác trong TBK

*Các công thức liên hệ:

nh = 1 - ( 1 / (k-1)/k )

Ne = N nh ch hs

*Công suất lý thuyết N: phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như các thông số của quá trình

nhiệt (áp suất, nhiệt độ cao nhất), lưu lượng môi chất công tác, tốc độ quay, kích thước của TBK, đặc tính của môi chất công tác

*Hiệu suất nhiệt nh : đối với một môi chất nhất định, phụ thuộc vào hệ số nén - tỉ số

giữa áp suất đầu ra máy nén và áp suất nạp Hệ số nén càng cao, hiệu suất càng cao

*Công suất thực tế N e : theo công thức trên

CHƯƠNG III: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA GAS

TURBINE SOLAR TAURUS-60

Động cơ Solar turbine có rất nhiều loại, được cải tiến và hoàn thiện qua nhiều thế hệ Có loại động cơ một trục, loại hai trục, loại dùng nhiên liệu kép (khí và lỏng), loại chỉ dùng nhiên liệu khí, loại có tận dụng năng lượng nhiệt khí thải sấy nóng khí nạp…

Hình 3.1: Cấu tạo động cơ Solar turbines

Động cơ TBK Taurus-60 dẫn động bơm là máy động lực tự hoạt động, được trang bị hoàn chỉnh các hệ thống phụ trợ, là loại 2 trục và có dòng chảy hướng trục Động cơ bao gồm những bộ phận chính sau:

 Hộp giảm tốc

 Khoang hút gió

 Máy nén khí hướng trục

 Buồng đốt hình vành khuyên có gắn các vòi phun

 Tuốc bin máy nén được nối với MNK, tuốc bin lực được nối với hộp giảm tốc

để dẫn động máy công tác

 Ống xả và ống giảm chấn

Bảng 3.1: Một số thông số cơ bản của tuốc bin khí dẫn động bơm ép

TÊN ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT PPD-30000

Thiết bi ̣ dẫn đô ̣ng Bơm nước

Công suất đi ̣nh mức ở ISO DRY, kW 5347

Số tru ̣c rô to tuốc bin 2

Tốc đô ̣ tru ̣c máy nén tuốc bin, v/ph 15.000

Tốc đô ̣ tru ̣c tốc bin lực, v/ph 14.300

Số tầng cánh máy nén 12

Số tầng cánh tuốc bin máy nén 2

Số tầng cánh tuốc bin lực 2

Số vòi phun nhiên liê ̣u 12

Số ba ̣c đỡ của đô ̣ng cơ tuốc bin 5

Tốc đô ̣ tru ̣c ra hô ̣p giảm tốc, v/ph 6.000

Loa ̣i nhớt bôi trơn đang sử du ̣ng Shell Turbo T-46

Số lươ ̣ng nhớt bôi trơn trong hê ̣ thống, lít 2400

Hê ̣ thống khởi đô ̣ng Điê ̣n, biến tần

Các bộ phận chính của động cơ được định vị đồng tâm chính xác với nhau nhờ các mặt bích lắp ghép có bề mặt dẫn hướng phụ và bắt chặt với nhau bằng bu lông để tạo thành một khối cứng vững

Động cơ phát ra công suất bằng cách chuyển năng lượng của khí cháy giãn nở thành năng lượng quay cơ khí của trục Năng lượng của khí cháy giãn nở làm quay

các tầng cánh và trục tuốc bin Trục tuốc bin quay trục máy nén và trục cụm dẫn động phụ Cụm dẫn động phụ lắp ráp với khoang hút gió, gồm có trục ra dẫn động chính, bánh răng dẫn động bơm nhớt và truyền động bánh răng từ động cơ khởi động Máy bơm được nối với trục ra dẫn động chính thông qua khớp nối Bơm nhớt chính và động cơ khởi động đựơc lắp trực tiếp với bộ truyền động của chúng Trong quá trình khởi động, cụm dẫn động phụ sẽ được quay bởi hệ thống khởi động Đặc tính kỹ thuật của động cơ TBK trong bảng

Đầu đo tốc độ loại nam châm được gắn trên hộp giảm tốc sẽ đếm tốc độ quay của bánh răng và truyền tín hiệu về hộp kiểm soát tốc độ ở tủ điều khiển Một đầu đo tốc độ nam châm khác truyền tín hiệu về bộ điều tốc để điều khiển tốc độ tuốc bin

Dãy bánh răng của hộp giảm tốc có dạng hành tinh với 3 bánh răng bố trí cách đều xung quanh trục bánh răng trung tâm Công suất được truyền từ bánh răng chủ động (bánh răng “mặt trời”) sang 3 bánh răng tầng I (bánh răng “hành tinh”) (6), qua

3 bánh răng chủ động tầng II đến vành răng tầng II gắn trên trục ra

Trục – bánh răng chủ động được đỡ một đầu bởi ổ bạc (ramp bearing) gắn

trong bệ mang bánh răng; đầu kia được đỡ bởi 3 bánh răng “hành tinh” Các lực dọc

trục của bánh răng chủ động được triệt tiêu bằng ổ bi chặn dạng côn (taperdland

thrust bearing) Các bánh răng “hành tinh” có 2 ống lót lắp trong lỗ của chúng Bạc

đỡ đứng yên và lắp trong bệ mang để đỡ các bánh răng “hành tinh”

Vành răng tầng II lắp trên 1 moay-ơ có mối ghép then hoa lỏng cho phép vành răng tự lựa đồng tâm với trục ra

Khớp khởi động một chiều lắp trên trục của bánh răng khởi động Động cơ khởi động quay trục tuốc bin thông qua khớp 1 chiều Khi động cơ khởi động ngắt

điện, các bi chêm (sprags) nhả trục ra và khớp 1 chiều chạy trơn

Các mối ăn khớp bánh răng tầng I trong dãy truyền động bánh răng được làm mát và bôi trơn nhờ 3 bộ (mỗi bộ 2 cái) đầu phun nhớt hướng về bánh răng chủ động (“mặt trời”) giữa mỗi cặp răng ăn khớp Mỗi bánh răng dẫn động tầng II được làm mát và bôi trơn bằng 2 đầu phun nhớt ở phía trong Lực ly tâm sẽ dẫn nhớt này đến bôi trơn các răng của vành răng Nhớt sau đó trào ra ở đầu hở của vành răng và qua các lỗ của đầu phía trong Các đầu phun nhớt phụ làm mát và bôi trơn cụm bánh răng phụ trợ, ổ bi đầu ra và khớp một chiều trên trục khởi động Tất cả các bánh răng phụ

và ổ bi khác được bôi trơn bằng bụi nhớt – không khí tạo ra bên trong thân hộp giảm tốc bởi các bánh răng tốc độ cao

Ổ bi và ổ chặn (hydrodynamic ramp bearing and thrust bearing) trên trục bánh

răng chủ động và các bạc trượt trên các trục ăn khớp ngược chiều (bánh răng “hành tinh”) được cấp nhớt từ bơm nhớt chính

3.1.1.2 Khoang hút gió

Cụm hút gió gồm cả khoang hút gió lắp sau cụm dẫn động phụ Nó lắp ráp với thân hộp giảm tốc và thân máy nén

Không khí được hút vào đi qua các phin lọc khí, qua ống dẫn đến cụm hút gió Khoang hút gió dẫn dòng khí hướng tâm đi vào cụm máy nén Trên khoang hút gió

có các đầu nối để lắp các vòi phun nước rửa, đầu đo nhiệt độ và lỗ xả đáy

Họng hút dạng vành khuyên của khoang hút gió chuyển dòng khí hướng tâm thành hướng trục Họng hút được bảo vệ bằng lưới chắn để ngăn ngừa vật rắn lạ rơi vào khoang hút của máy nén Lưới chắn này không phải là phin lọc khí Khoang hút gió còn có các bát chống hướng tâm để đỡ cụm ổ bạc phía trước gồm ổ bạc dạng guốc trượt và các bộ làm kín dích dắc

3.1.1.3 Cụm máy nén của tuốc bin

Máy nén là loại hướng trục, có 12 tầng cánh, tích hợp cánh hướng gió, cụm thân máy nén, cụm tăng áp, thân đỡ ổ bạc máy nén và cụm rôto

Hình 3.3: Cấu tạo máy nén của turbine

Mỗi tầng cánh được phân bố kết hợp gồm nhiều cánh được gắn trên đĩa (hub)

và lắp chặt với trục được gọi là phần động (rôto) Các cánh của stator gọi là phần tĩnh

Cả hai phần có cấu tạo như hình 3.3

Tầng cánh cuối cùng được gắn các cánh nắn dòng có tác dụng làm giảm dòng xoáy và giảm tổn thất đầu ra Ở máy nén turbine nói trên sau tầng cánh cuối có bộ khuếch tán (diffuser) làm nhiệm vụ tăng áp suất khí nén trước khi vào buồng đốt và dẫn khí đi làm mát Các cánh của cánh rôto có hình dạng như các cánh máy bay Khi rôto máy nén bắt đầu quay do được khởi động và sau đó tự quay, hoạt động của cánh sinh ra vùng thấp áp tại họng hút Độ chênh áp tạo nên giữa áp suất đầu vào và áp suất khí quyển làm cho khí được hút vào qua hệ thống bầu lọc và bộ dẫn hướng đầu vào Để thay đổi lưu lượng khí vào máy nén, năm tầng cánh đầu tiên được bố trí các cánh dẫn hướng được điều khiển với góc nghiêng phù hợp cho việc dẫn khí vào rôto máy nén Cánh rôto quay cung cấp năng lượng cho dòng khí làm tăng vận tốc dòng khí đến stator, ở đó động năng được chuyển thành áp năng Các khoảng trống giữa các cánh kế tiếp và các lối dẫn stator làm cho vận tốc dòng khí giảm và như vậy là áp suất được tăng lên Cứ như thế áp suất khí được tăng dần đến tầng cuối cùng

Với máy nén hướng trục loại này thường gặp những vấn đề với việc điều khiển cánh hướng dòng phù hợp với các chế độ hoạt động động cơ Hiện tượng mất ổn định lưu lượng không khí gây tổn thất đến hiệu suất và làm ảnh hưởng xấu đến quá trình cháy

*Tỉ lệ khí nén (Compression Ratio): Sau khi qua 12 tầng cánh (Rotor và Stator), khí được nén có áp suất gấp 12 lần áp suất khí đầu vào Thực tế là 11.5 lần (ở điều kiện

lý tưởng và không thất thoát)

*Hộp khuếch tán (Diffuser section): Là phần nằm giữa phần cuối của máy nén khí và phần đầu của buồng đốt, dùng để khuếch tán không khí trước khi vào buồng đốt Do

nó khuếch tán lưu lượng nên một lần nữa làm giảm vận tốc và nâng áp suất khí nén lên (khí Pcd) trước khi vào buồng đốt

Hình 3.4: Hộp khuếch tán

3.1.1.4 Cụm buồng trộn và tuốc bin máy nén

Phần buồng đốt và tuốc bin máy nén bao gồm cụm buồng đốt, các ống góp nhiên liệu, các vòi phun nhiên liệu, cụm van trích khí, các đầu đo T5 và cụm tuốc bin máy nén

Cụm buồng đốt gồm có thân ngoài được lắp với phía sau của cụm tăng áp máy nén Ống lửa dạng vành khuyên được đỡ trong thân buồng đốt bằng 6 chốt định vị nằm giữa 12 vòi phun Bộ mồi có đường nhiên liệu riêng biệt cấp đến, có bu gi, đường

xả đáy Van trích khí lắp với mặt bích trên thân buồng đốt Thân buồng đốt được cách nhiệt bằng các vỏ bọc chịu nhiệt nằm phía sau các vòi phun

Có 6 lỗ nội soi nằm gần phần đầu thân buồng đốt dùng để khám nghiệm các vòi phun, ống lửa và phần tuốc bin 1 lỗ nội soi gần phần sau của buồng đốt dẫn vào vành thổi tầng 2 và có tác dụng khám nghiệm rôto tuốc bin tầng 1 và tầng 2, vành thổi tầng 2 Các lỗ lắp đầu đo T5 dùng để khám nghiệm cánh tuốc bin tầng 2 và tầng

3 và vành thổi tầng 3

Các ống góp nhiên liệu gồm có các vòi phun, ống góp nhiên liệu lỏng và ga, khí phụ trợ, và các đoạn nối Vòi phun lắp có đầu bên trong buồng đốt nằm hướng trục, các đầu vòi phun áp vào các họng của ống lửa

*Buồng đốt (Combuster)

Mục đích của buồng đốt là thêm nhiệt cho các phần tử khí nén sau cho chúng

nở ra, di chuyển thật nhanh về phía các cánh turbine làm quay các cánh turbine Tất

cả các khí (hổn hộp nhiên liệu) đưa vào trong máy, khoảng 25% dùng để đốt cháy, 75% còn lại dùng để quay và làm mát các cánh turbine

- 25% khí được gọi là “Primary Air”, chúng đi vào qua những lổ phần trước của buồng đốt hoặc qua những van hổn hợp ở 12 vòi phun nhiên liệu Khí này có nhiệm vụ trộn với nhiên liệu và cháy

- 75% khí còn lại gọi là “Secondary Air” có nhiệm vụ làm mát thành của buồng đốt và cánh turbine và trộn (kết hợp ) với khí cháy có tốc độ cao làm quay turbine, sản sinh năng lượng

bị bẩn và không đủ khí vào máy hoặc vào những ngày nhiệt độ xung quanh cao, và mật độ của không khí đầu vào giảm Kết quả là giảm lực quay sinh ra và máy vận hành ở nhiệt độ cao

Một lượng lớn lực quay có thể tạo ra khi nhiệt độ ban ngày thấp vì nhiệt độ lạnh làm mật độ không khí trở nên dày hơn, dẫn đến có nhiều phần tử khí sẵn sàng dùng để quay cánh turbine

Buồng đốt có nhiều lỗ có thể thay đổi vị trí dọc theo thành ống trong và ngoài Những lỗ có kỹ thuật đặc biệt này rất hữu ích cho những mái hắt làm thay đổi hướng

bên trong không cho lửa tác động trực tiếp vào thành buồng đốt, bảo vệ thành ống khỏi nguy hiểm từ nhiệt

Ngoài ra “Secondary air” đi về phía cuối buồng đốt trộn với gas cháy làm giảm nhiệt độ bên trong tới giới hạn chấpuồng đốt có nhiều lổ có thể nhận được cho các tầng cánh turbine

*Vòi phun (injectors)

Gồm có 12 vòi phun lắp xung quanh buồng đốt với khoảng cách bằng nhau Nhiên liệu gas sau khi qua van điều khiển EGF344 tới ống góp gas (Manifold) Tại đây nhiên liệu được chia đều cho 12 vòi phun Qua các lổ tia phun, và bộ tạo xoáy nhiên liệu được xé tơi hoà trộn với áp suất khí đã được nén với áp suất xác định trong buồng đốt

Hình 3.6: Cụm vòi phun nhiên liệu Hình 3.7: Vòi phun

Cấu tạo của đầu vòi phun gồm: Bộ tạo xoáy bên trong và các lỗ tia phun Bộ tạo xoáy có kết cấu dạng cánh nghiêng , các lổ tia phun được bố trí quanh đầu vòi phun, các lổ này có góc nghiêng xác định, kết hợp với bộ tạo xoáy xé tơi nhiên liệu

3.1.1.5 Phần turbine lực và trục công suất

Là phần chính cung cấp năng lượng cho thiết bị được dẫn động, cũng như cho máy nén turbine hoạt động sau khi nhiệt năng của khí cháy được chuyển thành cơ năng Là loại turbine phản lực có bốn tầng cánh, hai tầng cánh cho máy nén turbine

và hai tầng cánh cho tải (máy nén ly tâm, máy phát điện…) Hai tầng cánh phía gần buồng đốt gắn trên trục cùng với máy nén có tốc độ (Ngp) lớn hơn tốc độ của trục công suất

Trục công suất gắn với hai tầng cánh phía ống xả nằm trên hai ổ đỡ và một ổ chặn có nhiệm vụ truyền công suất đến tải bằng khớp nối (hình 3.1)

Các cánh hướng dòng (nozzle) làm nhiệm vụ trung gian cho quá trình chuyển đổi năng lượng Dòng khí được hướng thẳng góc vào cánh rôto turbine lực tạo mô men quay trục rôto (xem hình 3.8)

Hình 3.8: Hoạt động của turbine

*Ống xả (Exhaust section): Ống góp khí xả của máy hướng khí đã sử dụng sau các

tầng turbine lực ra ngoài không khí Ống góp ống xả hình vành khăn lắp bằng đau kẹp với mặt bích sau của ống khuếch tán và được cách nhiệt bằng tấm phủ làm bằng

thép không gỉ

*Chân đỡ sau: Động cơ tuốc bin được căn chỉnh nhờ đầu phía trước lắp bu lông với

hộp giảm tốc chính, còn phía sau là bệ đỡ bằng thép gắn với mặt bích sau của buồng đốt Mặt dưới của bệ nằm trên một chân chống rung động gắn với kết cấu thép của sàn máy

Chân chống rung động có các lò xo nén, các bu lông điều chỉnh và thanh nối Ngoài chức năng chống rung, nó còn cho phép điều chỉnh tuốc bin theo chiều ngang

bằng động cơ diesel - thuỷ lực Đối với động cơ turbine Taurus-60 cũng như các động

cơ Solar turbines ở Việt Nam và các nước châu Á hiện nay sử dụng loại khởi động điện - thuỷ lực

Hệ thống khởi động điện - thuỷ lực sử dụng môtơ điện truyền động cho bơm thể tích Bơm cung cấp áp suất dầu thuỷ lực đến môtơ khởi động gắn ở cụm khí đầu vào

Khi tốc độ động cơ đạt 65% tốc độ trục quay phần máy nén (Ngp), nhờ vào khớp một chiều mà hệ thống khởi động được dừng còn động cơ tiếp tục tăng tốc đến tốc độ không tải

Khi bắt đầu khởi động máy, hệ thống nhiên liệu được kiểm tra và sau khi chu trình bôi trơn ban đầu kết thúc và tất cả các tín hiệu cho phép khởi động đã sẵn sàng, một tín hiệu được gửi từ hệ thống điều khiển tới VFD để bắt đầu test crank

Ban đầu VFD cung cấp dòng điện cao nhưng có tần số và điện áp thấp để khởi động động cơ đề Khi động cơ bắt đầu quay, khớp nối tự động già và khoá động cơ với turbine

Khi motor và turbine liên tục quay, VFD tăng đều đặn điện áp và tần số cho đến khi turbine đạt tốc độ 20% Ở tốc độ này VFD ổn định nguồn tới động cơ để duy trì nó để chu kỳ thổi khí làm sạch buồng đốt và ống xả bắt đầu

Việc thổi sạch khí tích tụ trong máy turbine là một phần rất quan trong của chu trình khởi động máy Nếu khí gas còn tích tụ trong các ống, bugi đánh lửa có thể làm cháy gas và có thể gây ra nổ Chu kỳ thổi đảm bảo rằng gas thừa trong các ống đã hoàn toàn bị thổi sạch trước khi đánh lửa Thời gian thổi được xác định tuỳ thuộc vào thể tích của ống xả

Thời gian thổi có thể lập trình và thay đổi nếu cần thiết Hệ thống điều khiển tiếp tục ra lệnh cho hệ thống nhiên liệu đưa thêm lượng nhiên liệu phù hợp và đánh lửa Khi PLC cảm nhận nhiệt độ tăng và nhiên liệu đã được cháy, nó gửi tín hiệu tới VFD tiếp tục chu kỳ khởi động và hàm ram của VFD tăng điện áp và tần số tới động

cơ

Khi turbine ở tốc độ thấp, nhiên liệu được đưa vào nhưng không đủ năng lượng

để máy tách rời động cơ khởi động Do đó turbine và động cơ đề làm việc với nhau liên tục, tốc độ máy giai đoạn này chủ yếu dựa vào động cơ đề

Máy tiếp tục tăng tốc độ, hệ thống nhiên liệu cung cấp nhiều nhiên liệu hơn Một lượng nhiên được điều khiển bởI PLC sau cho nhiệt độ máy vẫn ở mức cao nhất cho phép được gọi là nhiệt độ đỉnh

Sau vài giây, nhiên liệu tiếp tục tăng, lúc này năng lượng (do nhiên liệu tạo ra) của turbine bắt đầu thay thế động cơ khởi động

Sau khi tiếp tục tăng tốc và gia tăng nhiên liệu, turbine bắt đầu tách rời khởi động cơ khởi động, khớp nối bắt đầu nới lỏng

Turbine tiếp tục chạy và khớp nối tự động nhả ra

Hình 3.9: Mô tả quá trình khởi động tuốc bin

Ở thời điểm tốc độ turbine lên đến 60%, động cơ đề tách tốc độ, máy tự vận hành Hệ thống điều khiển ra lệnh cho VFD cắt nguồn và dừng động cơ khởi động Sau khi đạt được tốc độ ổn định, máy sẵn sàng mang tải

Hệ thống nhiên liệu chịu trách nhiệm cho những chức năng quan trọng để đảm bảo cho turbine vận hành đúng Năng lượng được hình thành từ nhiên liệu đưa vào trong máy đòi hỏi phải chuyển thành nhiệt tạo ra khí có tốc độ cao làm quay các cánh turbine Nhiên liệu phải được điều khiển nghiêm ngặt (chặt chẽ) trong khi máy khởi động, tăng tốc, vận hành và dừng

3.1.2.2 Hệ thống khí nén tuốc bin

Nhiệm vụ chính của hệ thống không khí là cung cấp oxy cho quá trình cháy Ngoài ra còn dùng cho các chức năng khác như khí chèn trục (làm kín chống sự xâm nhập của dầu bôi trơn vào động cơ), khí làm mát, khí điều khiển, khí cân bằng

Không khí cung cấp vào buồng đốt được bắt đầu từ lúc quay trục động cơ, tức

là khi máy nén làm việc, không khí được nén và phân chia cho các nhánh Quá trình cháy bắt đầu khi bu-gi mồi lửa hoạt động, nhiên liệu hoà trộn với không khí tại buồng

đốt và tiến hành quá trình cháy theo sự kiểm soát của hệ thống điều khiển Lượng không khí của máy nén dùng cho quá trình cháy chiếm khoảng 25% thể tích Ap lực không khí cung cấp cho hệ thống làm kín được trích từ các vị trí khác nhau tuỳ vào các ổ đỡ trục

Khí chèn đến các vòng làm kín giữa ổ đỡ và động cơ, máy nén, các vòng làm kín quay cùng trục động cơ tạo áp lực đệm ngăn không cho dầu bôi trơn xâm nhập vào bên trong Lượng khí này có xu hướng cùng với dầu sau khi bôi trơn đổ về thùng,

vì vậy cần giữ áp lực nhỏ nhất có thể cho khí chèn để chống tổn hao dầu trong quá trình bay hơi và ngưng tụ

Không khí dùng làm mát cho động cơ chiếm 75% lượng khí nén từ máy nén Khí nén trực tiếp đi dọc theo động cơ qua làm mát các cấu thành của buồng đốt, turbine và sau đó thoát ra cùng khí cháy ở ống xả Nó sẽ đốt nốt phần khí nhiên liệu chưa cháy kịp và vì vậy động cơ turbine có khí xả ít độc hại

Khí nén sau 12 tầng cánh qua bộ khuếch tán (Pcd) được dùng điều khiển van nhiên liệu, là một quá trình điều khiển có hồi tiếp

Hình 3.10: Sơ đồ dòng chảy không khí trong động cơ turbine

Trong quá trình động cơ hoạt động ở tốc độ thấp hoặc khi quá tốc hệ thống không khí nén được thoát ra ống xả qua van điều khiển (Bleed valve-BV) gắn ở phần buồng đốt và cụm xả

Quá trình điều khiển van xả (BV) kiểm soát được lưu lượng khí xả ra hệ thống thải không qua buồng đốt turbine Lượng khí này được điều chỉnh bởi vị trí đóng mở của van xả (BV) Cơ cấu chấp hành (actuator) điện - thuỷ lực, với áp suất dầu của hệ thống bơm phụ trợ thực hiện việc điều chỉnh van này

Việc điều khiển đóng mở van xả khí nén có tác dụng tránh gây áp suất ngược cho máy nén trong quá trình khởi động và tăng tốc, chống turbine lực vượt tốc (overspeed) khi mất tải và tránh được hiện tượng mất lửa cho động cơ lúc giảm tốc nhanh

3.1.2.3 Hệ thống cung cấp nhiên liệu

*Yêu cầu về nhiên liệu cho tuốc bin:

Bảng 3.2: Yêu cầu về nhiên liệu gas [3]

- Kích thước hạt cặn không quá m 10

- Lượng lưu huỳnh (S) kể cả Sulfide

không quá

Bảng 3.3:Yêu cầu về nhiên liệu diesel [3]

Bảng 3.4: Yêu cầu về nhiên liệu diesel [3]

- Nhiệt trị thấp nhỏ nhất Btu/lb 18000 ASTM D240

- Tổng số tạp chất, cặn theo trọng

lượng

- Kích thước hạt cặn không quá m 5

- Lượng tro theo trọng lượng % 0.005 ASTM D482

- Lượng lưu huỳnh (S) kể cả Sulfide

không quá

Nhiên liệu khí được cung cấp trong trạng thái sạch với áp suất và lưu lượng phù hợp tới các vòi phun rồi phun đều vào buồng đốt của turbine để hòa trộn với không khí với tỷ lệ thích hợp cho việc thực hiện quá trình cháy

Thông thường hệ thống cung cấp khí nhiên liệu của turbine khí gồm có các thiết bị chính sau: Van ngắt nhiên liệu sơ cấp (Primary), van ngắt nhiên liệu thứ cấp (Secondary), van tải (Loader), van tiết lưu (Throttle) Bộ tác động điện - thủy lực (hay

cơ cấu chấp hành - Actuator), Bu-gi mồi (Torch Ignitor), vòi phun nhiên liệu (Injector) Các van điện từ, van điều khiển khí nén

Khí được cung cấp cho quá trình cháy của động cơ turbine với áp suất trong khoảng cho phép tương ứng với công suất động cơ Khí qua hai van sơ cấp và thứ cấp bộ điều chỉnh khí (cụm van tải, van thứ cấp và cụm bộ tác động điện - thủy lực, van tiết lưu) sẽ điều chỉnh lượng khí cung cấp vào buồng đốt thông qua vòi phun tùy theo áp suất không khí nén (Pcd) để được hỗn hợp khí chuẩn bị cho quá trình cháy

Hỗn hợp khí cháy được đốt ban đầu nhờ một bộ mồi có bu-gi đánh lửa Sau khi đã xuất hiện sự cháy và màng lửa tràn vào toàn bộ buồng đốt thì nhiên liệu khí tới bộ mồi bị ngắt, và bu-gi ngừng đánh lửa

Trong quá trình mang tải thì bộ điều chỉnh nhiên liệu (bộ điều tốc) sẽ điều chỉnh lượng khí nhiên liệu vào turbine phù hợp với từng chế độ tải Khi có bất cứ hư hỏng nào từ các hệ thống hoặc trong chu trình dừng động cơ thì van cắt nhiên liệu sơ cấp và thứ cấp ngắt nhiên liệu đến vòi phun

*Các bộ phận của hệ thống cung cấp nhiên liệu và tính năng hoạt động:

Lưới lọc đầu vào: Có đường kính lỗ 0,033 inch để ngăn không cho những tạp chất cơ học lớn tiếp tục đi vào trong hệ thống Lưới này đặt trong hốc có kết cấu hình

chữ Y ở phía trước van ngắt nhiên liệu sơ cấp

Bộ truyền áp suất nhiên liệu: Làm nhiệm vụ nhận và gửi tín hiệu áp suất nhiên

liệu từ 0 - 700 psi về hệ thống điều khiển thông qua tín hiệu điện từ 4 - 20 mA

Bầu lọc: Có khả năng giữ lại các tạp chất cơ học có kích thước 35m, làm nhiệm vụ lọc sạch khí đi vào cụm điều khiển đóng mở 2 van ngắt nhiên liệu sơ cấp,

thứ cấp và lọc sạch khí mồi

Van điều áp: Hạ áp suất khí nhiên liệu xuống còn 90 psi trưóc khi đi thực hiện

việc đóng hay mở van ngắt nhiên liệu sơ cấp Nó làm việc trên cơ sở cân bằng giữa

lực nén của lò xo với áp lực của khí

Van xả: Hay còn gọi là van an toàn luôn giữ cho cụm điều khiển cho van ngắt nhiên liệu không bị chịu áp suất quá 125 psi nhờ van tự động mở xả khí ra nơi an toàn

Van điện từ: Bình thường luôn đóng nhờ sức căng của lò xo, trong quá trình khởi động khi thử van và chuẩn bị đánh lửa hệ thống điều khiển cấp lệnh mở van điện

từ (nhờ nguồn 24 Vdc) mở cho khí đi làm nhiệm vụ mở van ngắt nhiên liệu sơ cấp

Về cấu tạo nó là van 2 cửa gắn liền với lõi từ và có vị trí đóng hay mở tùy thuộc vào dòng điện qua cuộn dây cuốn quanh lõi từ đóng hay ngắt

Van điều khiển bằng khí nén: Về thực chất nó là bộ tác động bằng khí nén trực tiếp làm nhiệm vụ đóng hay mở van ngắt nhiên liệu sơ cấp Đây là van thường đóng nhờ sức căng của lò xo Khi có áp suất khí điều khiển (khoảng 620 Kpa) được cấp, trước tiên lá sập trên van xả nhanh sẽ đóng kín đường khí xả ra đường thoát rồi khí trực tiếp đi vào khoang nén đẩy piston chuyển động kéo theo trục van sơ cấp xoay về