Tuabin khí và tuabin hơi: hiện tượng hoàn nhiệt

1. Hiện tượn hồn nhiệt của tuabin hơi nước nhiều tầng: - Sự hồn nhiệt là khả năng thu hồi lại một phần tổn thất năng lượng từ những tầng trước để sinh cơn có ích cho các tầng tiếp theo. Đây là ưu điểm quan trọng và là một trong những tính chất rất đặc trưng của tuabin nhiều tầng. - Thu hồi lại một phần tổn thất NL của những tầng trước để sinh công trong các tầng kế theo. TT trong tầng sẽ chuyển sang dạng nhiệt làm tăng entalpi của hơi. 2. Ý nghĩa của nó: Làm cho hiệu suất trong tươn đối cảu tuabin nhiều tầng lớn hơn hiệu suất trung bình của từng tầng riêng lẽ. Ưu nhược điểm của tuabin nhiều tầng So với T một tầng, T nhiều tầng có một số ưu điểm chính: a. Từng tầng có thể làm việc với NG thích hợp, bảo đảm được tỉ số tốc độ x tối ưu để HS của tầng đạt cực đại. b. Khi tăng số tầng, NG của tầng nhỏ giúp giảm được vận tốc vòng u của cánh. Nhờ vậy đường kính của tầng giảm và chiều cao cánh tăng lên; TT đầu cuối cánh cùng rò rỉ hơi qua khe hở đầu cánh giảm. Trong T nhỏ (dưới 6 MW) có PHTP, giảm d sẽ làm tăng độ phun hơi, tức là giảm bớt TT do PHTP. c. Động năng do tốc độ ra từ tầng trước được sử dụng trong tầng tiếp theo, hệ số „ 2 = 1. d.TT NL trong tầng trước được sử dụng có ích trong tầng tiếp theo nhờ hiện tượng hoàn nhiệt. e.Có thể thiết kế các cửa trích hơi gia nhiệt nước cấp và quá nhiệt hơi trung gian để tăng HS nhiệt của chu trình. Những nhược điểm chủ yếu: a. Cấu tạo phức tạp, giá thành chế tạo tăng. b.Xuất hiện thêm tổn thất phụ: rò rỉ hơi qua bộ chèn bánh tónh, rò rỉ qua các bộ chèn trung gian giữa các phần thân T, rò rỉ theo khe hở hướng kính của cánh tầng FL. Trong những tầng cuối của T ngưng có TT do hơi ẩm và sự mài mòn cánh quạt. Đặc điểm của từng loại tầng công tác Ngoài tầng điều chỉnh người ta chia các tầng còn lại – theo áp suất – thành 3 nhóm: cao áp, trung áp và hạ áp. a.Tầng điều chỉnh Tiết diện chảy của TĐC thay đổi theo số nhóm OP (số van điều chỉnh) làm việc. Ở đây áp dụng PHTP. Nhiệt giáng trên TĐC lớn, chiếm 1/8 đến 1/3 NG toàn bộ: giảm được tổng số tầng T, làm AS và nhiệt độ hơi nước giảm nhanh, hạn chế TT do rò rỉ ra bên ngoài. Tầng Curtis có NG lớn nhưng HS thấp. Sử dụng tầng C giúp giảm giá thành T. Tầng ĐC kiểu XL được áp dụng ở những T đòi hỏi đạt HS cao, dù chấp nhận NG nhỏ hơn - khoảng (80 ÷ 120) kJ/kg. Lưu ý: TĐC chỉ được thiết kế cho những T có PP điều khiển CS bằng nhóm ống phun. Những T có CS được thay đổi bằng van tiết lưu thì không có TĐC; hơi nước được phun vào toàn phần. b. Tầng cao áp HS của các tầng CA không lớn bởi những lý do sau: - Thể tích riêng của hơi nước nhỏ nên cánh quạt khá ngắn. Hậu quả là TT đầu cánh rất lớn. - Lưu lượng thể tích của dòng nhỏ nên trò số NG tối ưu bé. c. Tầng trung áp. Hơi nước có AS thấp hơn nhưng vẫn là hơi QN. Các tầng TA có HS lớn nhất vì: - Lưu lượng thể tích của hơi đủ lớn để ζ dc nhỏ. - Cánh quạt chưa quá dài để có thể gây ra ζ r đáng kể. - Không xuất hiện tổn thất do hơi ẩm. d.Tầng hạ áp. Làm việc trong vùng hơi ẩm. HS thấp do: - Cánh quạt quá dài gây ra tổn thất do độ rẽ quạt. - Có TT do hơi ẩm, là thành phần TT có ảnh hưởng lớn. Tuổi thọ cánh quạt các tầng HA thấp do bò hơi ẩm mài mòn. Các tổn thất và HS tương đối của T b. Xét toàn bộ thiết bò T, ngoài những TT NL trong tầng, còn có: - TT vào ζ V , - TT ra ζ R , - TT do rò rỉ ngoài ζ vol , - TT cơ học ζ m - TT trong máy phát điện ζ g . Các tổn thất được chia thành hai nhóm: - TT trong, là những TT có liên hệ với thông số hơi (ζ V , ζ R và các TT trong tầng công tác). - TT ngoài, không có ảnh hưởng tới TSH (ζ vol , ζ m , ζ g ). c. Khái niệm hiệu suất tương đối sẽ khác biệt tùy vào việc ta tính vào nó những loại TT nào - HS riêng tương đối η o . Là HS của bản thân hệ thống các tầng công tác, chỉ xét tới những TT trong tầng. Eo * o 2 EE * o * o i o ii 2/cii H H − −− ==η (5.7) - HS trong tương đối η oi , có tính cả ζ V và ζ R : η oi = H i /H o = η o (1 – ζ V )(1 – ζ R ) (5.8) - HS hiệu dụng tương đối η o,hd : η o,hd = η oi (1 – ζ vol )(1 – ζ m ) (5.9) - HS điện tương đối η o,e : η o,e = η o,hd (1 – ζ g ) = η o,hd η g Tổn thất vào và tổn thất ra a.Tổn thất vào: xuất hiện trong các bộ phận dẫn hơi vào tuabin. Mức giảm áp suất hơi vào khi VĐC mở hoàn toàn: ∆p o = (0,02 ÷ 0,05)p o , tức là * o p = (0,95 ÷ 0,98)p o Nh/độ hơi vào giảm (1 ÷ 2)%, thường bỏ qua. Đồng thời * o i = i o . TT vào gây mất mát NG ∆ H V . Thường ∆H V = (4 ÷ 14) kJ/kg, ở các T cũ thì ∆ H V đến 25 kJ/kg. Giá trò tương đối: ζ V =∆H v /H o (5.11) b.Tổn thất ra : xuất hiện cùng với sự tồn tại tốc độ của dòng hơi sau dãy CĐ cuối cùng. Sức thổi của hơi nước rất mạnh (60 ÷ 280 m/s) tạo nên độ chênh áp lớn ∆ p R giữa mép ra dãy CĐ cuối cùng và không gian BN. Vì vậy QT giãn nở kết thúc tại điểm E với p E = p k + ∆p R , gây TT nhiệt giáng ∆ H R = (13 ÷ 30) kJ/kg. TT ra tương đối: ζ R = o R H H ∆ (5.12) Như vậy tổng NG lý thuyết trên các tầng công tác là: * 0 H = H o – ∆H V – ∆H R = H o (1 – ζ V – ζ R ) (5.13) BỘ CHÈN CỦA TUABIN HƠI NƯỚC để giảm lượng hơi rò qua khe hở giữa stator và rotor: BC trục trước, chèn trục sau, BC bánh tónh v.v . Ngày nay sử dụng rộng rãi bộ chèn lắt léo (labyrinth seal): không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa các chi tiết quay và bất động. 1. Giãn nở của hơi nước trong bộ chèn Hình 5-7: Bộ chèn lắt léo Hơi nước khi đi qua khe hở sẽ tăng tốc và đạt tốc độ c. Trong khoang chứa hơi (khoang chèn) động năng c 2 /2 bò mất đi do ma sát và xoáy nên biến thành nhiệt. QT ch/động của hơi qua BC chính là QT luân phiên tăng tốc và triệt tiêu ĐN của dòng. AS giảm liên tục, thể tích 2. Xác đònh lưu lượng hơi qua bộ chèn Công thức Stodola: giả thiết độ chênh áp ở mỗi bậc chèn là nhỏ. a. Nếu dòng chảy trong khe chèn cuối là dòng dưới âm. Đối với hơi quá nhiệt lúc đó ε > 25,1 82,0 + z G = Sµ zvp pp 11 2 2 2 1 − (5.14) Ở đây z là số răng chèn; µ là hệ số lưu lượng. Hệ số µ bao gồm cả ảnh hưởng cạnh sắc của răng chèn. Ta thấy G max qua lỗ phun cạnh sắc đạt khi ε = 0,13. Hệ số µ có thể lấy theo số liệu thực nghiệm. b.Nếu xảy ra dòng chảy tới hạn trong khe chèn cuối cùng. Đối với hơi quá nhiệt: ε ≤ 25,1 82,0 + z ; G = Sµ 1 1 25,1 1 v p z + (5.15) G không phụ thuộc vào p 2 phía sau. L/lượng hơi đi qua bộ chèn còn được xác đònh theo CT: Trạng thái của hơi trước mỗi khe chèn nằm trên đường i = const, còn trạng thái hơi giãn nở ngay sau khe chèn nằm trên đường Fann (S là diện tích của khe hở). G = βG max với G max = µSχ m 1 1 v p (5.16) H. 5-9: LL hơi qua lỗ phun cạnh sắc • Hệ số χ m = 0,667 Đối với hơi QN. • Hệ số β = G/G m phụ thuộc vào tỉ số AS p 2 /p 1 và số răng chèn z, được tra từ đồ thò H.5-11. 1. Tại sao lại suất hiện lực dọc trục trên rotor tuabin: - Tại vì khi giãn nỡ trong phần truyền hơi, dòng hơi khơng chủ động tạo ra moment quay rotor vì do 1 phần lực vòng tác dụng lên cánh động mà còn cả lực dọc trục sinh cơng. Thành phần lực thứ hai đẩy roto dòng hơi sinh ra một sự xê dịch nhất định của rotor gọi là độ di trục, vì vậy tuabin phải có palie chấn để ngăn chặn lại. 2. Tác hại: - Lực dọc trục đẩy rotor theo hướng dòng hơi, gây ra độ di trục. Vì vậy T phải có paliê chắn (ổ chặn) để chặn lại. Lực dọc trục quá lớn sẽ phá paliê chắn, làm các chi tiết của R va chạm với S. 3. Biện pháp khắc phục: - Để palie chắn không quá lớn người ta tìm cách giảm lực dọc trục tổng bằng một số biện pháp sau: a . Dùng đóa cân bằng Đóa cân bằng (đóa giảm tải) được tạo ra bằng cách tăng đường kính phần đầu bộ chèn trục trước (hình 5-16). Trên diện tích bề mặt đóa S = 4 π ( 2 2 2 b dd − ) có chênh áp ở hai phía ∆p = (p r – p b ) nên giúp giảm lực dọc trục tổng một lượng: Hình 5-11: Đồ thò xác đònh hệ số β b a F ∆ = S p ∆ = 4 π ( 2 2 2 b dd − )(p r – p b ) (5.22) Hình 5-16: Đóa cân bằng lực dọc trục Độ lớn của lực vừa tính là đáng kể do p r >> p b . Tuy nhiên đường kính đóa d b lớn làm tăng lượng hơi đi qua bộ chèn của nó. Để tận dụng dòng hơi này: đưa nó tới BGN nước cấp hay dẫn vào một vò trí có áp suất phù hợp của T để tiếp tục giãn nở sinh công + giúp giảm được độ ẩm trong những tầng cuối. - b . Bố trí dòng hơi ngược chiều nhau trong các phần của T. Chẳng hạn dòng hơi trong thân CA và TA ngược hướng nhau, còn phần HA của T công suất lớn được chia thành hai dòng đối xứng. TUABIN HƠI BÃO HOÀ Tuabin hơi bão hoà có nhiều đặc điểm khác với T hơi quá nhiệt. 1. Nhiệt giáng H o nhỏ. Hầu hết QT giãn nở xảy ra trong vùng hơi ẩm. Ngoài ζ x , hiệu suất T còn bò tác động bởi ζ V và ζ R , TT do tốc độ ra, ma sát trong các ống dẫn, tách ẩm và BQNTG. 2. Thông số hơi mới thấp (chỉ đến 7,0 MPa) LL thể tích của dòng hơi đi vào T lớn gấp (4 ÷ 6) lần và của dòng hơi thoát gấp ~ 2 lần so với ở T-HQN cùng CS. Điều này dẫn đến việc tăng kích thước và làm phức tạp kết cấu. Các thân HA đều phải hai dòng, thậm chí thân CA của T từ 500 MW trở lên cũng phải bố trí hai dòng. Từ tầng đầu tiên cánh quạt đã khá dài và phải xoắn. 3. Hơi ẩm làm giảm HS và tuổi thọ T, cần áp dụng các biện pháp giảm ẩm của hơi như: Lắp bộ tách ẩm sau phần CA kết hợp với QN- TG để sấy hơi; Tách ẩm bên trong T. 4. Có các biện pháp hạn chế sự mài mòn cánh cũng như các bộ phận khác của tuabin. 5. Độ tin cậy của T cần rất cao. Nếu ngừng T sự cố, phải từ từ ngừng lò phản ứng R. Trong QT này cần giải nhiệt R liên tục, lượng hơi sinh ra được dẫn vòng phía ngoài T. Thời gian sửa chữa T-HBH cũng kéo dài, giá 1 kWh điện tăng lên. Thường dùng các vật liệu cao cấp để chế tạo T-HBH, chọn hệ số an toàn cao, làm cánh ngắn hơn so với những cánh quạt dài nhất của T-HQN. Nhiều hãng chế tạo T quay chậm (1500 vòng/phút) nhằm giảm ứng suất trên các chi tiết của rotor, tăng độ cứng rotor, giảm mài mòn cánh. 6. Ở T NMĐ hạt nhân theo sơ đồ một vòng tuần hoàn hơi nước giãn nở trong T chính là môi chất trực tiếp giải nhiệt R, có tính phóng xạ mạnh. Phải có các biện pháp đặc biệt để môi chất không bò rò rỉ ra ngoài. Kết cấu T NMĐ hạt nhân rất đa dạng tuỳ thuộc vào loại lò PƯ, sơ đồ nhiệt, thông số hơi mới và cả truyền thống chế tạo. Chú giải hình vẽ: CA: thân cao áp; HA: thân hạ áp; SP: bộ tách ẩm ngoài; QNTG: quá nhiệt trung gian; ∆p 1 : tổn thất áp suất vào tuabin; ∆p 2 : tổn thất áp suất trong bộ tách ẩm và QNTG; ∆p 3 : chênh lệch áp suất giữa hai bình ngưng.