2.3.2.1. Giới thiệu về turbine khí
Turbine khí được sử dụng rộng rãi, khơng chỉ cho máy phát điện trên máy bay mà cịn được sử dụng trong các nhà máy cơng nghiệp cho các thiết bị cơ khí như bơm nước, máy nén, và những máy phát điện nhỏ trong dân dụng cũng như là các thiết bị cỡ trung bình và lớn.
Hiện nay người ta đang quan tâm đến việc sử dụng turbine khí trong các nhà máy cĩ chu trình kết hợp. Những nhà máy kết hợp sử dụng turbine khí và turbine hơi nước trong sự đa dạng về kết cấu của các turbine, nồi hơi và các bộ hâm.
Việc sử dụng turbine khí cĩ nhiều ưu điểm. So với nhà máy điện turbine hơi, turbine khí cĩ các ưu điểm:
Kết cấu nhỏ gọn, mặt bằng lắp đặt nhỏ, tiêu hao nguyên vật liệu ít. Vận hành đơn giản, khởi động nhanh và cĩ tốc độ thay đổi tải lớn. Vốn đầu tư cho một đơn vị cơng suất thấp.
Vận hành khơng cần nước hoặc chỉ cần rất ít nước. Một số nhược điểm của turbine khí là:
Trang 47
Cơng suất giới hạn nhỏ hơn so với turbine hơi. Hiệu suất nhiệt thấp.
Yêu cầu nhiên liệu đắt tiền (dầu hay khí đốt), khơng thích hợp với nhiên liệu rắn.
Tiếng ồn cao hơn.
Thực ra, tiếng ồn do thiết bị turbine khí tĩnh tại gây ra khơng cịn là điều cần phải lo lắng nữa vì chúng thường được đặt trong một buồng riêng, cách âm rất tốt. Do vậy, khi nguồn khí đốt cĩ sẵn và nhu cầu cơng suất khơng lớn thì rõ ràng ưu điểm của thiết bị là chủ yếu.
Cải thiện hiệu suất chu trình turbine khí cĩ thể thực hiện được bằng cách tăng nhiệt độ khí cháy ở ngõ vào. Sử dụng turbine khí trong chu trình kết hợp là một giải pháp để khắc phục hiệu suất chu trình thấp của nĩ, đồng thời tận dụng những ưu điểm turbine khí là khởi động nhanh và hoạt động linh hoạt qua giới hạn rộng của tải.
Cĩ 2 loại turbine khí: một trục và hai trục (hình 2.3). Turbine khí loại hai trục cĩ hai trục xoay ở hai tốc độ khác nhau.
Một trục gắn với máy nén khí và turbine, trục cịn lại gắn với turbine cơng suất mà được nối với tải ngồi. Hoặc là một trục gắn với phần áp suất cao của turbine và máy nén trong khi trục cịn lại gắn với phần áp suất thấp của turbine và tải. Trong cả hai trường hợp, phần hệ thống chứa máy nén khí, buồng đốt và turbine áp suất cao đơi khi được gọi là máy phát khí. Kết cấu hai trục cho phép thay đổi tốc độ của tải, phù hợp với nhiều ứng dụng cơng nghiệp. Turbine đơn trục cĩ máy nén khí, turbine và tải nằm trên một trục xoay tại tốc độ khơng đổi.
Chu trình turbine khí
Khí nĩng đi ra từ buồng đốt hoặc lị phản ứng hạt nhân cĩ thể được sử dụng như là mơi chất làm việc sơ cấp, nghĩa là bằng cách giãn nở trực tiếp qua turbine khí, hoặc một cách gián tiếp hâm nĩng lưu chất thứ cấp hoạt động như mơi chất làm việc. Đối với mỗi trường hợp (chu trình trực tiếp hoặc gián tiếp), chúng ta cĩ chu trình hở hoặc chu trình kín.
Trang 48
Chu trình hở trực tiếp
Chu trình hở trực tiếp được biểu diễn trên hình 2.3. Khí đi vào máy nén tại điểm 1, nơi mà nĩ được nén thành điểm 2. Sau đĩ khí đi vào buồng đốt hoặc là phản ứng, nơi mà nĩ nhận nhiệt tại áp suất khơng đổi (lý tưởng) và đi ra tại 3. Từ đĩ nĩ giãn nở qua turbine tới điểm 4. Khí nĩng thải ra sẽ hịa lẫn với khí quyển bên ngồi chu trình, và khí mới được đưa vào tại điểm 1. Turbine cung cấp mơmen quay cho máy nén. Cơng suất hiệu dụng được cung cấp bởi turbine.
Hình 2.3. Chu trình turbine khí hở trực tiếp: (a) đơn trục và (b) hai trục
Hình 2.4. Chu trình turbine khí hở gián tiếp
Chu trình hở gián tiếp
Các bộ phận của chu trình hở gián tiếp (hình 2.4) tương tự như các bộ phận trong chu trình hở trực tiếp, ngoại trừ khơng khí là mơi chất thứ cấp nhận nhiệt từ mơi chất làm mát sơ cấp trong bộ trao đổi nhiệt. Chu trình này phù hợp với những nơi mà những vấn đề liên quan đến mơi trường khơng cho phép khơng khí nhận nhiệt trực tiếp, như là sự thải hoạt động phĩng xạ từ lị phản ứng hạt nhân cĩ thể bay vào khí
Trang 49
quyển. Tuy nhiên, sử dụng lị phản ứng hạt nhân là cách tốt nhất cho chu trình kín (xem hình 2.5).
Chu trình kín trực tiếp
Trong chu trình (hình 2.5) mơi chất làm mát được hâm nĩng trong lị phản ứng giãn nở qua turbine, được làm nguội trong bộ trao đổi nhiệt, và được nén trở về lị phản ứng. Trong chu trình này mơi chất khí được sử dụng ưu tiên hơn khơng khí. Trong điều kiện hoạt động bình thường khí phĩng xạ khơng thể đi vào khí quyển. Mơi chất làm việc phù hợp nhất trong trường hợp này là heli.
Hình 2.5. Chu trình turbine khí kín trực tiếp
Chu trình kín gián tiếp
Chu trình kín gián tiếp kết hợp chu trình hở gián tiếp và chu trình kín trực tiếp trong đĩ lị phản ứng bị cơ lập khỏi mơi chất làm việc bởi bộ trao đổi nhiệt (hình 2.6). Chất làm mát sơ cấp cĩ thể là nước, metal lỏng, hoặc khí ví dụ như heli.
Trang 50
Hình 2.6. Sơ đồ chu trình turbine khí kín gián tiếp