TURBINE KHÍ
TURBINE KHÍ
Nguyên lý hoạt động turbin khí
Turbine khí là một loại động cơ nhiệt, biến nhiệt năng thành cơ năng. Theo ứng dụng của chu trình nhiệt động (Brayton).
Về cấu trúc: hệ thống turbine khí gồm ba bộ phận chính sau đây:
Máy nén không khí dùng để nén dòng không khí lên áp suất cao cung cấp Oxy cho quá trình đốt cháy nhiên liệu trong buồng đốt.
Buồng đốt là nơi đốt cháy nhiên liệu tạo nên sản phẩm cháy có áp suất và nhiệt độ rất cao. Turbine khí: đây là nơi mà sản phẩm cháy từ buồng đốt vào ống tăng tốc của turbine (cánh tĩnh gắn trên thân turbine), qua ống tăng tốc nhiệt độ và áp suất dòng khí giảm xuống, tốc độ và động năng dòng khí tăng lên, sau đó dòng khí được thổi vào hệ thống cánh gắn trên đĩa quay của turbine (cánh động) ở đây động năng của dòng khí biến đổi thành cơ năng và làm quay trục turbine.
Hình 18.1: Chu trình chuyển đổi năng lượng của động cơ turbine
Quá trình nén:
Không khí được máy nén của turbine hút và nén lên áp suất có thể tới 30 bar (tuỳ loại) để phục vụ cho việc đốt cháy hơi nhiên liệu, làm mát, điều khiển và làm kín. Trên đồ thị hình 18.2, quá trình này được biểu diễn bằng đường 1-2.
Quá trình đốt:
Khí nhiên liệu được hòa trộn đều bởi lượng không khí nạp được tính toán theo chế độ hoạt động của động cơ với lượng nhiên liệu được phun vào theo tỷ lệ nhất định rồi đốt cháy trong buồng đốt của turbine. Đây là quá trình cháy đẳng áp. Trên đồ thị hình 18.2, quá trình này được biểu diễn bằng đường 2-3.
Quá trình giãn nở:
Hỗn hợp khí cháy giãn nở qua các cánh hướng dòng (giống như các miệng phun - xem hình 18.3) rồi qua các tầng cánh của turbine lực. Trong qúa trình giãn nở vận tốc dòng hỗn hợp khí kéo theo động năng dòng khí tăng lên. Khi tác động lên bề mặt của các cánh turbine động năng này sẽ chuyển hóa thành cơ năng (cụ thể là mô men quay). Trên đồ thị hình 18.2, quá trình này tương ứng với đường 3-4.
Quá trình xả:
Hỗn hợp khí cháy sau khi đã giãn nở qua các tầng cánh của turbine theo ống xả đi ra ngoài. Tương ứng với đường 4-1 trên hình 18.2.
Hình 18.2: Chu trình nhiệt động Brayton
- Tại đầu vào của máy nén: không khí có nhiệt độ và áp suất tương đương với nhiệt độ và áp suất của môi trường.
- Nhiệt độ và áp suất của không khí tăng dần (gần như tuyến tính) khi đi qua các tầng cánh của máy nén và nó đạt giá trị cực đại tại buồng nén.
- Khi đi vào trong buồng đốt, khí nén được hòa trộn với hơi nhiên liệu và đốt cháy. Tại đây nhiệt độ của hỗn hợp khí tăng nhanh sau đó giảm dần khi giãn nở dọc theo buồng đốt. Nhiệt độ giảm nhanh hơn khi hỗn hợp khí cháy giãn nở qua các tầng cánh của turbine. Ở đây diễn ra sự chuyển hóa năng lượng (từ động năng và áp suất cháy của dòng khí biến thành cơ năng cụ thể là mômen quay của rôto turbine).
Hình 18.3: Tác dụng cánh hướng dòng (nozzle) turbine
- Quá trình giãn nở của dòng khí trong buồng đốt là quá trình đẳng áp. Nên áp suất gần như không đổi từ khi bắt đầu đốt cho đến khi bắt đầu đi vào các cánh của turbine. Aùp suất này sẽ giảm đột ngột khi dòng khí giãn nở qua các tầng cánh của turbine.
Hình 18.5: Cấu tạo động cơ turbine khí
CHU TRÌNH TURBINE KHÍ CẤP NHIỆT ĐẲNG ÁP: Sơ đồ nguyên lý:
Hình 18.6 : Chu trình cấp nhiệt đẳng áp trong turbine khí
Từ sơ đồ nguyên lý ta thấy: máy nén không khí làm nhiệm vụ cung cấp không khí cho buồng đốt 2, nhiên liệu gas được phun trực tiếp vào buồng đốt. Quá trình cháy trong buồng đốt 2 là quá trình đẳng áp (P = const). Lượng không khí do máy nén không khí cung cấp để cấp Oxy cho quá trình cháy, một phần để làm giảm nhiệt độ của sản phẩm cháy trước khi vào turbine còn khoảng 600~800oC.
Sản phẩm từ buồng đốt được giãn nở đoạn nhiệt qua ống tăng tốc (tầng cánh tĩnh) dòng khí sau khi qua ống tăng tốc có tốc độ cao được thổi vào tầng cánh động gắn liền trục, ở đây động năng biến thành cơ năng làm quay turbine
Các quá trình nhiệt động của chu trình: (hình 18.2)
1-2: quá trình nén khí đoạn nhiệt (s= const) trong máy nén không khí, T1/T2 = (P1/P2)m với m = (k-1)/k
2-3: quá trình cấp nhiệt đẳng áp (P = const) xảy ra trong buồng đốt. Nhiệt lượng cấp vào q1 = cp(T3-T2)
3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt trong tuabine khí. T4/T3 = (P4/P3)m
do P2 = P3, P1 = P4 nên T4/T3 = (P1/P2)m => T1/T2 = T4/T3
4-1: quá trình thải nhiệt đẳng áp ra môi trường xung quanh. Nhiệt lượng thải ra q2 = cp(T4-T1) Hiệu suất nhiệt lý thuyết của chu trình:
Etheor = (q1-q2)/q1 = 1-(T1/T2) = 1- (T4/T3) =1- [1/(P2/P1)m] T: nhiệt độ (oK)
P: áp suất tuyệt đối (kpa)
Như vậy hiệu suất nhiệt sẽ tăng khi tỉ số nén không khí P2/P1 tăng, hoặc khi nhiệt độ môi trường không khí T1 cao cũng làm giảm đáng kể hiệu suất.
Hiệu suất nhiệt thực tế của chu trình:
Ethermal = Wact/(mfLHV) Wact là công thực sinh ra trên trục turbine lực (kW)
mf lưu lượng khối lượng của khí gas nhiên liệu (kg/s) LHV: nhiệt cháy thấp (kJ/kg)
Ví dụ: chu trình cấp nhiệt đẳng áp lý tưởng cho turbine Mars 100 có các thông số sau: không khí vào máy nén có áp suất 1 bar, t1 = 27oC, áp suất sau khi ra khỏi máy nén 16 bar, nhiệt độ cực đại buồng đốt Tmax = 1120oC. xác định nhiệt độ và áp suất tại các điểm đặc trưng của chu trình, công tiêu hao cho máy nén không khí và hiệu suất của chu trình:
Giải: Giản đồ T-s P1 = P4 = 1 bar P2 = P3 = 16 bar T1 = 300oK T3 = 1393oK
Không khí được xem là khí lý tưởng loại có hai nguyên tử nên k = 1,4 có CP = 1,0035kJ/kg độ Công thức tính h = CPT
k = 1,4 => m = 0,2857
Công tiêu hao cho máy nén không khí Wcomp_air = h2 – h1 = cP(T2-T1)
Quá trình nén không khí được xem là quá trình đoạn nhiệt lý tưởng s1 = s2 nên
T1/T2 = (P1/P2)m = (1/16)m = 0,45288 (có thể xem công thức tính nhiệt độ đầu ra phần máy nén khí)
cP = 1,0035kJ/kg độ
Wcomp_air = h2 – h1 = cP(T2-T1) = 1,0035(662 – 300) = 363 kJ/kg Đối với turbine khí thì Wturbine = h3 – h4 = cP(T3-T4)
T4/T3 = (P4/P3)m = 0,45288 = > T4 = T3x0,45288 = 631oK Wturbine = h3 – h4 = cP(T3-T4) = 1,0035(1393 – 631) = 765kJ/kg
Công sinh ra của chu trình (cho turbine lực) W = Wturbine - Wcomp_air = 765 – 363 = 402 kJ/kg Hệ số công suất tự dùng: bwr = Wcomp_air / Wtuabine = 363/765 = 0,47 (47%) như vậy phần nhiều công suất được dùng cho máy nén không khí.
Nhiệt lượng cấp vào: q1 = cp(T3-T2) = 1,0035(1393 – 662) = 733 kJ/kg Nhiệt lượng thải ra: q2 = cp(T4-T1) = 1,0035(631 – 300) = 332 kJ/kg. Hiệu suất nhiệt lý thuyết của chu trình:
Etheor = (q1-q2)/q1 = (733 - 332)/733 = 0,55 Hay Etheor = 1- (T1/T2) = 1- 300/662 = 0,55
Hay Etheor = W/q1 = 402 / 733 = 0,55 (hiệu suất này bao gồm công chạy máy nén không khí và công sinh ra trên trục turbine lực)
LVH: 1142 Btu/scf 1BTU = 1.055056 kJ 1 scf = 0.02831685 scm
1142 Btu/scf = 1142x1,055056/ 0.02831685 = 42550 kJ/scm Power(site) mất 11% còn 9935 kW (tính toán bên dưới) lưu lượng khí nhiên liệu 1,3 m3/phút
Ethermal = Wact/(mfLHV)
= 9935/(1,3x42550) = 0,18 (18%) (18 % nhiệt lượng cháy để sinh công trên trục turbine lực) Một số loại turbine trên thế giới:
Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất turbine:
Khi nói đến công suất turbine người ta thường nói tới công suất hữu ích trên trục của turbine lực, thông số công suất mà nhà chế tạo đưa ra là công suất max ở điều kiện chuẩn ISO
(international standards organization) như sau: Nhiệt độ xung quanh: 15oC
Aùp suất xung quanh: 101,325 kpa (abs) Độ ẩm tương đối: 0 %
Chất lượng nhiên liệu.
Trong một điều kiện thực tế thì công suất hữu ích thực tế trên trục phải hiệu chỉnh theo các hệ số nhân như sau: (hình 18.7 )
Ví dụ: tính công suất hữu ích tối đa của turbine Mars 100 ở điều kiện làm việc như sau: Nhiệt độ xung quanh: 27oC
Độ cao so với mặt biển: 50 m Chênh áp khí vào: 100 mm nước Độ ẩm tương đối: 0%
Chênh áp ống sả : 50mm nước Công suất ISO 11185 kW Giải:
Tra đồ thị hiệu chỉnh cho độ cao 50m hệ số nhân là 0,99 Chênh áp ống sả : 50mm nước thì hệ số nhân là 0,9965 Chênh áp khí vào: 100 mm nước thì hệ số nhân là 0,984 Nhiệt độ xung quanh: 27oC thì hệ số nhân là 0,915
Do đó Power (site max) là 11185x0,99x0,9965x0,984x0,915 = 9935 kW (mất 11%)
Hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển điện tử nhằm tự động hoá các hoạt động của turbine theo yêu cầu người sử dụng. Nó cho phép khởi động, dừng máy, vào tải, nhả tải cho máy theo chế độ bằng tay hoặc tự động từ các vị trí tại chỗ hoặc từ xa. Hệ thống điều khiển bao gồm thiết bị tự động, các phần tử điều khiển được lắp đặt trong các hệ thống có cả hệ thống điện. Các phần tử điều khiển là các thiết bị điện, cơ - điện tử và cơ – điện - thuỷ lực cơ bản. Cấu thành chính của hệ thống điều khiển gồm: - Cảm biến (sensor) các loại như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và mức của chất lỏng và chất khí. Cảm biến vị trí, tốc độ, độ rung, nhiệt độ của kết cấu kim loại. Các tín hiệu vào (input) ở mức tương tự (analog) hoặc tín hiệu số (digital). Tín hiệu ra được chuyển đổi và truyền đến bộ điều khiển trung tâm PLC hoặc thiết bị điều khiển với sự hỗ trợ của các bộ truyền (Transmitter, Proximiter), thiết bị bảo vệ cơ cấu chấp hành (safety barrier) hoặc các thiết bị tín hiệu khác.
Hình 18.9: Sơ đồ hệ thống điều khiển và bảo vệ turbine
Hệ thống điều khiển lưu lượng gas nhiên liệu
Các cảm biến Ngp, Npt, T5, T1, bộ so sánh CJ và Ngp setpoint cung cấp tín hiệu đến bộ điều khiển. Bộ điều khiển xử lý các tín hiệu và đưa ra lệnh yêu cầu bằng tín hiệu điện (4 - 20 mA) đến cơ cấu chấp hành (actuator). Actuator điều khiển van tiết lưu cung cấp gas nhiên liệu phù hợp cho quá trình.
Bộ điều khiển này gồm các chức năng tiếp nhận tín hiệu đầu vào, chọn chế độ (mode) giới hạn điều khiển đúng, xác định mức độ yêu cầu, tính toán tín hiệu ra với giá trị đúng truyền đến cơ cấu chấp hành. Phân chia đến đầu ra cơ cấu chấp hành, mode điều khiển, lượng nhiên liệu yêu cầu, Ngp, Npt và khối điều khiển có hồi tiếp của T5.