dieu khien toc do turbine pdf

292.8 Sự thay đổi của nhiệt giáng lý thuyết Ho tùy thuộc vào áp suất ban đầu khi nhiệt độ ban đầu to và áp suất cuối pk 302.9 Ảnh hưởng của áp suất ban đầu po đến nhiệt giáng lý thuyết H

HOÀNG TIẾN PHƯỢNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TURBINE HƠI TRONG DỰ ÁN TẬN DỤNG NHIỆT DƯ

TẠI NHÀ MÁY XI MĂNG SÔNG GIANH

Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn

Hoàng Tiến Phượng

LỜI CAM ĐOAN

đạt được Kcr va Pcr thời kỳ quan trọng (phương pháp thứ

824.6 Chức năng và nhiệm vụ của các thiết bị trong sơ đồ hình 4.7

Số hiệu

1.1 Sơ đồ khí thải ra môi trường của nhà máy sản xuất xi măng 41.2 Sơ đồ vận hành lò nung của nhà máy xi măng Sông Gianh 51.3 Mô hình thu hồi nhiệt kiểu không bù hơi đơn áp 91.4 Mô hình kiểu bù hơi sử dụng hơi thứ cấp hồi lưu 10

2.5 Sơ đồ nguyên lý đơn giản nhất của turbine hơi 242.6 Sơ đồ của turbine ngưng hơi có trích hơi điều chỉnh 262.7 So sánh các chu trình lý tưởng với áp suất ban đầu khác nhau

trên giản đồ t – s

292.8 Sự thay đổi của nhiệt giáng lý thuyết Ho tùy thuộc vào áp

suất ban đầu khi nhiệt độ ban đầu to và áp suất cuối pk 302.9 Ảnh hưởng của áp suất ban đầu po đến nhiệt giáng lý thuyết

Ho và hiệu suất tuyệt đối lý tưởng ηt với áp suất hơi thoát

2.10 So sánh các chu trình nhiệt lý tưởng có nhiệt độ hơi ban dầu

2.11 So sánh các chu trình nhiệt lý tưởng với các áp suất cuối

3.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ của turbine-máy phát điện 393.2 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều khiển tốc độ turbine 40

3.4 Sơ đồ mạch điều khiển cụm van servo – xylanh điều khiển

3.5 Sơ đồ khối biến đổi hàm truyền x(s)/E(s)

a – Sơ đồ dạng tổng quát; b – Sơ đồ dạng thu gọn 423.6 Sơ đồ khối của cụm van servo – xylanh điều khiển van hơi 433.7 Sơ đồ nguyên lý của cụm turbine – máy phát 43

3.12 Hàm nấc thang 49

3.14 Hệ thống chu trình kín với bộ điều khiển tỉ lệ 503.15 Bộ điều khiển PID điều khiển tốc độ turbine

513.16 Sơ đồ điều khiển PID

52

3.21 Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ điều khiển tốc độ turbine 59

3.25 Hàm liên thuộc của K’p, K’i v à K’d 623.26 Biểu diển luật điều khiển KP’, Ki’, Kd’ trong không gian 633.27 Mô hình hóa bộ điều khiển tốc độ trong Matlab-Simulink 633.28 Đáp ứng đầu ra với đầu vào là hàm nấc thang đơn vị 64

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Việt Nam hiện nay đang là nước đứng đầu Asian về sản xuất xi măng với sản lượng sản xuất trong năm 2010 đạt 63 triệu tấn và hơn 60 dây chuyền sản xuất xi măng lò khô đã được xây dựng Tuy nhiên, ngành công nghiệp xi măng Việt Nam nói chung và công ty xi măng COSEVCO Sông Gianh nói riêng hiện đang phải đối mặt với những thách thức lớn như giá điện, than dầu tăng liên tục làm ảnh hưởng tới hiệu quả sản xuất kinh doanh công ty Bên cạnh đó, tình trạng thiếu điện xẩy ra trong một thời gian dài cũng đã làm ảnh hưởng đến sản lượng sản xuất và tiêu thụ của nhà máy Đứng trước những thách thức lớn đó, việc tận dụng nhiệt dư thừa trong lò xi măng để phát điện là một việc làm thiết thực và có ý nghĩa rất lớn đối với nhà máy xi mang COSEVCO Sông Ganh, nhất là trong bối cảnh hiện nay khi

mà ngành điện trong nước chỉ đảm bảo được 80% năng lượng điện cho ngành xi măng từ nay đến năm 2020, còn lại 20% ngành xi măng phải tự lo Do đó, việc nghiên cứu, tính toán, thiết kế, đầu tư xây dựng dự án tận dụng nhiệt dư thừa của lò

xi măng để phát điện là việc làm bắt buộc đối với nhà máy xi măng COSEVCO Sông Gianh Các tính toán đã chỉ ra, khi lắp đặt hệ thống này trong nhà máy xi măng có thể tiết kiệm 20% chi phí điện năng hàng năm và giảm đáng kể khí CO2

thải ra môi trường ngoài Hiện tại các nhà máy xi măng trên thế giới đã đưa vào sử dụng hệ thống sử dụng nhiệt dư để phát điện, trong nước đã có một số nhà máy đưa vào khai thác như: Nhà máy xi măng Hà Tiên 2, nhà máy xi măng Công Thanh…Turbine hơi là thiết bị quan trọng trong dự án thu hồi nhiệt khí thải, việc điều chỉnh

ổn định tốc độ turbine hơi quyết định các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống phát điện, khả năng ổn định tần số của máy phát…Đề tài “Nghiên cứu thiết kế mô hình điều khiển turbine hơi trong dự án tận dụng nhiệt dư tại nhà máy xi măng Sông Gianh”

là bước nghiên cứu ban đầu để lập dự án cũng như nắm bắt sơ đồ công nghệ, làm chủ hệ thống khi đầu tư vào sản xuất

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý luận tổng quan, phương pháp thiết kế, xây dựng bộ điều tốc turbine hơi trên cơ sở đó ứng dụng cho dự án thu hồi nhiệt khí thải để phát điện phục vụ cho nhà máy xi măng COSEVCO Sông Gianh

3 PHẠM VI VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu nguyên lý thu hồi nhiệt tối ưu trong nhà máy sản xuất xi măng

- Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ turbine hơi

- Xây dựng sơ đồ công nghệ của hệ thống

- Tính toán, thiết lập các thông số hệ thống để điều khiển tốc độ turbine hơi

- Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống trên máy tính

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Tính toán lý thuyết và mô phỏng hệ thống trên máy tính

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỂN

- Thiết lập mô hình điều khiển tốc độ turbine hơi ứng dụng cho dự án thu hồi nhiệt khí thải để phát điện tại nhà máy xi măng COSEVCO Sông Gianh

6 DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC & KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

- Xây dựng mô hình điều khiển tốc độ turbine hơi

- Tối ưu hóa hệ thống điều khiển turbine hơi

- Mô phỏng hệ thống thu hồi nhiệt trên máy tính phục vụ chô công tác đào tạo trước khi đưa dây chuyền vào sử dụng

7 CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Ngoài phần mở đầu, kết luận và khả năng ứng dụng của đề tài, danh mục tài liệu tham khảo và các phụ lục, nội dung chính của luận văn được chia thành 4 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan

Giới thiệu các nguồn nhiệt dư thải ra môi trường của các nhà máy xi măng hiện nay Dựa vào những đặc tính công nghệ để xây dựng lên mô hình thu hồi nhiệt làm máy phát điện phục vụ cho nguồn điện sẽ thiếu hụt của nhà máy trong tương lai

Chương 2: Các thiết bị chính trong dây chuyền thu hồi nhiệt dư

Giới thiệu một số thiết bị chính trong dây chuyền Nguyên lý làm việc của các thiết bị và chu trình nhiệt hóa hơi

Chương 3: Thiết kế mô hình điều khiển tốc độ của turbine hơi

Trong phần này giới thiệu về mô hình toán học điều khiển tốc độ turbine hơi, xây dựng mô hình điều khiển tốc độ turbine bằng thuật toán PID cổ điển từ đó chỉnh định các tham số của bộ điều khiển PID bằng bộ điều khiển fuzzy mờ

Chương 4: Mô phỏng hệ thống bằng WINCC phục vụ cho công tác đào tạo

Mô phỏng quá trình thu hồi nhiệt bằng wincc, quá trình thiết kế và giới thiệu chức năng của các thiết bị trên mô hình điều khiển

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN1.1 CÁC NGUỒN NHIỆT DƯ TẠI CÁC NHÀ MÁY SẢN XUẤT XI MĂNG

Ở các nhà máy xi măng thế hệ thứ hai hiện nay trên thế giới có hai nguồn nhiệt dư được thải ra môi trường đó là nhiệt sau tháp trao đổi nhiệt và nhiệt thải ở sàn làm nguội clanhke như hình 1.1 Tùy theo công suất của từng nhà mà ta có các thông số nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, nồng độ bụi… khác nhau

1.1.1 Nhiệt dư thải ra môi trường của nhà máy xi măng Sông Gianh

Hình 1.1 Sơ đồ khí thải ra môi trường của nhà máy sản xuất xi măng

Hệ thống van điều chỉnh

Tháp trao đổi nhiệt

Quạt ID

Giàn làm lạnh

Lọc bụi điện

Khí thải T=80-1000CKhí thải T=300-3500C

Lò nung

Ở nhà máy xi măng Sông Gianh cũng có hai nguồn nhiệt dư thải ra môi trường là nhiệt dư sau tháp trao đổi nhiệt và nhiệt dư sau giàn làm lạnh clanhke như hình 1.2.

1.1.2 Nhiệt dư thải ra môi trường sau tháp trao đổi nhiệt

- Lưu lượng khí nóng thải ra môi trường: 230.000 m3/h

- Nhiệt độ khí và bụi: 3350C

- Áp suất trước quạt ID: -57 mbar

1.1.3 Nhiệt dư thải ra môi trường sau giàn làm lạnh clanhke

- Lưu lượng khí nóng thải ra môi trường: 290.000 m3/h

- Nhiệt độ khí và bụi thải ra môi trường: 1000C

- Áp suất trước quạt khí thải: -10 mbar

Hình 1.2 Sơ đồ vận hành lò nung của nhà máy xi măng Sông Gianh

1.2 VẤN ĐỀ THIẾU HỤT NĂNG LƯỢNG, Ô NHIỂM MÔI TRƯỜNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG XỬ LÝ

Trong quá trình sản xuất, một lượng khí thải và bụi khá lớn với nhiệt độ cao (khoảng 300 độ C) chủ yếu ở tháp sấy sơ bộ PH và ghi làm nguội clanhke thải ra làm ô nhiểm môi trường, lãng phí năng lượng, nguồn tài nguyên và giảm hiệu quả sản xuất kinh doanh

Để tận dụng lượng khí thải ra môi trường và tái tạo thành nguồn năng lượng cung cấp cho sản xuất Đến năm 2011, ngành sản xuất xi măng có sản lượng clinker

là 120.000 tấn/ngày Điều đó có nghĩa là, sẽ có nguồn nhiệt khí thải lãng phí trong một ngày tương đương với 4.100.000 kWh Nếu như tất cả các dây chuyền xi măng

lò quay hệ khô của Việt Nam được trang bị hệ thống phát điện tận dụng nhiệt khí thải thì công suất tổng các trạm phát điện khoảng 200 MW, tức là phát ra một lượng điện chiếm 25% lượng điện tiêu thụ từ lưới điện Đây là một sự lãng phí đáng quan tâm, trong lúc nền kinh tế còn khó khăn, nguồn năng lượng thiếu thốn, tình trạng ô nhiễm môi trường đang diễn ra ngày một phức tạp

Đứng trước thực tế đó, Đảng và Nhà nước đã có những đường lối chính sách rất cụ thể và chỉ đạo mạnh mẽ thực hiện chính sách tiết kiệm, sử dụng hiệu quả năng lượng, khai thác hợp lý các nguồn tài nguyên, quan tâm đầu tư cho lĩnh vực môi trường, nhất là các hoạt động thu gom, tái chế, sử dụng lại nguồn nhiệt thải Chính vì vậy, việc nghiên cứu và áp dụng các giải pháp kỹ thuật sử dụng nguồn nhiệt thải để phát điện trong ngành xi măng là việc làm cần thiết, hiệu quả hơn bao giờ hết Chính phủ cùng các bộ, ngành và Tổng công ty Công nghiệp xi măng Việt Nam đã có các văn bản chỉ đạo về chương trình tận dụng nhiệt khí thải phát điện trong các nhà máy xi măng

Thực tế trên thế giới đã có nhiều nước lắp đặt trạm phát điện khí thải vào dây chuyền xi măng Ở châu Á, Nhật Bản đã nghiên cứu và chế tạo các lò hơi tận dụng nhiệt khí thải và các tuốc bin sử dụng hơi nước Năm 2000, Tổ chức phát triển nguồn năng lượng mới NEDO của Nhật đã tặng cho Việt Nam một hệ thống thiết bị trạm phát điện nhiệt khí thải công suất 2.950 kW lắp vào dây chuyền xi măng hệ

khô lò quay công suất clinker 3.000 tấn/ngày tại Nhà máy xi măng Hà Tiên 2 Sau 7 năm hoạt động, trạm phát điện nhiệt khí thải tại Nhà máy xi măng Hà Tiên 2 đã phát ra 105 triệu kWh, mang lại lợi ích rõ rệt trên các phương diện kinh tế xã hội, tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường, làm giảm đáng kể giá thành sản xuất xi măng, hệ thống thiết bị của trạm phát điện làm việc ổn định, không ảnh hưởng tới sản xuất xi măng.

Từ chủ trương của Nhà nước và các kết quả nghiên cứu và thực nghiệm trên,

có thể nói, việc phải thiết lập hệ thống nhà máy tận dụng nhiệt khí thải để phát điện, nhằm phục vụ cho việc tái sản xuất trong ngành công nghiệp đang gặp khó khăn về vấn đề nguồn điện năng là cần thiết Vừa qua, trong khuôn khổ của Chương trình mục tiêu quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, Công ty TNHH ABB Thụy Sỹ đã phối hợp với Văn phòng Tiết kiệm Năng lượng - Bộ Công Thương, Ngân hàng phát triển Việt Nam, Công ty cổ phần Năng lượng Môi trường RCEE cùng với đại diện cơ quan các Bộ và Chính phủ đã tổ chức Hội thảo về việc xây dựng một nhà máy thu hồi nhiệt thải trong ngành sản xuất xi măng Công ty ABB giới thiệu một mô hình nhà máy nhỏ tận dụng nguồn nhiệt thừa thải ra trong quá trình sản xuất xi măng Các tính toán đã chỉ ra, khi lắp đặt hệ thống này trong nhà máy xi măng có thể tiết kiệm 20% chi phí điện năng hàng năm và giảm đáng kể khí CO2 thải ra ngoài môi trường

Với công nghệ ORC (Organic Rankine Cycle) có thể sử dụng nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp để phát điện và thiết kế theo kiểu module tiêu chuẩn, hệ thống thu hồi nhiệt thải của ABB có thể tích hợp vào gần như tất cả các dây chuyền sản xuất công nghiệp Phương án này được đánh giá là thích hợp và dễ tiến hành đối với các nhà máy xi măng ở Việt Nam

Kinh tế nước ta đang phát triển rất mạnh mẽ, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày một cao hơn, nhiều hơn, trong khi đó điện lại thiếu trầm trọng, tốc độ phát triển các nhà máy điện chưa đáp ứng yêu cầu, thường chậm tiến độ, các nguồn nhiên liệu hóa thạch trở nên đắt đỏ, một số nguồn năng lượng đang bị bỏ phí hoặc

sử dụng không hiệu quả Việc xây dựng một tổ hợp, bộ phận bên cạnh nhà máy thu

hồi nhiệt thải công nghiệp nói chung và trong ngành xi măng nói riêng là một lựa chọn mang tính kinh tế và góp phần bảo vệ môi trường trong sạch Đưa vào thực tế

mô hình này là một thành tựu về khoa học công nghệ đột phá về tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường, đưa năng suất xanh vào ngành công nghiệp sản xuất xi măng, giúp ngành xi măng phát triển theo hướng bền vững, an toàn và hiệu quả

1.3 CÔNG NGHỆ PHÁT ĐIỆN TẬN DỤNG NHIỆT DƯ NHIỆT ĐỘ THẤP THẾ HỆ THỨ NHẤT CHO LÒ QUAY XI MĂNG TRÊN THẾ GIỚI

1.3.1 Định nghĩa và đặc điểm cơ bản

1.3.1.1 Định nghĩa

Là công nghệ chuyển đổi nhiệt dư sinh ra từ khí thải từ hệ thống tiền trao đổi nhiệt và phần làm mát clinker của lò quay xi măng kiểu mới (ở đây gọi là lò quay ngắn) thành điện, trong hệ thống sử dụng hơi áp suất 0,69 - 1,27MPa, nhiệt độ 280 -

330 0C, việc phát điện tận dụng nhiệt dư không làm ảnh hưởng tới công suất, chất lượng clinker, không hạ thấp hiệu suất hoạt động của lò, không phải thay đổi thiết

bị và quá trình công nghệ sản xuất xi măng, không tăng suất tiêu hao năng lượng điện và nhiệt của sản xuất clinker

1.3.1.2 Đặc điểm cơ bản

Công nghệ phát điện tận dụng nhiệt dư nhiệt độ thấp thế hệ thứ nhất cho là quay xi măng có 2 hoặc nhiều đặc điểm cơ bản ngoài định nghĩa trên như sau:

- Chỉ có một đường ống rút khí thải cho phát điện tại phần làm mát clinker

- Nhiệt độ của hơi sơ cấp cấp tới tua bin là không điều chỉnh và nó chỉ thay đổi bởi ảnh hưởng nhiệt độ khí rút ra từ lò quay

- Hệ thống cấp nước cho nồi hơi AQC và SP là hệ thống nối tiếp

- Hệ thống khử ôxy của nước cấp cho nồi hơi sử dụng hóa chất tiêu hao ngoài hoặc điện năng

1.3.2 Các điểm trọng yếu của công nghệ và cấu trúc hệ thống nhiệt động

1.3.2.1 Các điểm trọng yếu của công nghệ

Đặt một nồi hơi sử dụng nhiệt dư của khí thải ra tại hệ thống tiền trao đổi nhiệt của lò quay xi măng (Gọi tắt là nồi hơi SP) và đặt một nồi hơi tại phần làm

Lß nung Giµn lµm l¹nh

o

T=80-100 C Läc bôi

Nåi h¬i AQC

M¸y ph¸t ®iÖn

Nåi h¬i SP

o

T=190-220 C Läc bôi Qôat ID

o

T=500-550 C HÖ thèng khö Oxi cÊp nuíc cho nåi h¬i

Tua bin h¬i nuíc

o

H¬i nuíc T=330-435 C

HÖ thèng van ®iÒu chØnh KhÝ th¶i T=300-350 C o

ThiÕt bÞ ngung tô

mát clinker sử dụng toàn bộ khí thải sinh ra từ bộ làm mát clinker như hình 1.3

Nồi hơi này sẽ lấy khí tại phần giữa của sàn làm nguội với nhiệt độ của khí gần 400 0C và như vậy khí thải ra của phần đuôi sàn làm nguội sẽ là khoảng 120 0C

và sẽ thải trực tiếp ra ngoài không khí Trang bị một Tua bin hơi và hệ thống phát điện sử dụng hơi sinh ra từ nồi hơi sử dụng nhiệt dư WHR; thông số của hơi sơ cấp

là 0,69 - 1,27 MPa; 280 - 330 0C và công suất phát điện thực tế được tính toán với nhiệt năng tiêu hao 3140kJ/kg clinker cho tấn Clinker là 28 - 35 kwh

1.3.2.2 Cấu trúc hệ thống nhiệt động

Có ba loại mô hình nhiệt động cơ bản cho hệ thống phát điện tận dụng nhiệt

dư nhiệt độ thấp đã được áp dụng trên thế giới

- Mô hình cấu trúc hệ thống nhiệt động của công nghệ phát điện tận dụng nhiệt dư nhiệt độ thấp kiểu không bù hơi đơn áp như hình 1.3

Hình 1.3 Mô hình thu hồi nhiệt kiểu không bù hơi đơn áp

HÖ thèng khö Oxi cÊp nuíc cho nåi h¬i Giµn lµm l¹nh

Läc bôi o

Nåi h¬i AQC

T=80-100 C T=500-550 C

M¸y ph¸t

®iÖn Tua bin h¬i nuíc

H¬i nuíc T=330-435 C

Läc bôi T=190-220 C Nåi h¬i SP

HÖ thèng van ®iÒu chØnh

1.3.3 Các đặc trưng của công nghệ

Hình 1.4 Mô hình kiểu bù hơi sử dụng hơi thứ cấp hồi lưu

Hình 1.5 Mô hình tận dụng nhiệt dư bù hơi đa áp

T=80-100 C Läc bôi

o

o

T=500-550 C Läc bôi Qôat ID T=190-220 C Nåi h¬i SP

HÖ thèng van ®iÒu chØnh

o

KhÝ th¶i T=300-350 C

HÖ thèng khö Oxi cÊp nuíc cho nåi h¬i H¬i nuíc

o

M¸y ph¸t

®iÖn Tua bin h¬i nuíc

ThiÕt bÞ ngung tô

Ba mô hình trên của phát điện tận dụng nhiệt dư nhiệt độ thấp thế hệ thứ nhất có một số đặc trưng chung như sau:

- Rút toàn bộ khí từ sàn làm nguội và sàn làm nguội được chia thành hai phần, trong đó một điểm lấy khí từ phần giữa sàn làm nguội với nhiệt độ khí thải khoảng 4000C và thông qua nồi hơi AQC sinh ra hơi nước và nước nóng để cấp cho tua bin phát điện, và điểm khác là tại đuôi sàn làm nguội với nhiệt độ khoảng 1200C thải trực tiếp ra môi trường

- Nhiệt dư từ khí thải của hệ thông tiền trao đổi nhiệt sẽ được sử dụng cho nồi hơi SP để sinh ra hơi Hơi nước sinh ra từ nồi hơi SP sẽ pha trộn với hơi nước

và nước nóng sinh ra từ nồi hơi AQC sẽ cấp cho tua bin để phát điện Nhiệt độ của khí thải sau nồi hơi SP là không điều chỉnh được và không thảo mãn yêu cầu của việc sấy của máy nghiền liệu do vậy khí thải sinh ra từ hệ thống tiền trao đổi nhiệt trước hết sẽ được sử dụng cho việc sấy liệu máy nghiền liệu, phần còn lại mới sử dụng cho hệ thông phát điện tận dụng nhiệt dư

- Một đặc tính quan trọng nhất của ba mô hình là hơi sơ cấp của hệ thống phát điện nằm trong dải là 0,69 - 1,27 MPa; 280 - 3300C

Các đặc điểm khác nhau của ba mô hình trên là:

- Trong khi AQC sinh ra hơi nhiệt độ thấp và áp suất thấp tại áp suất 0,69 - 1,27 MPa, nhiệt độ 280 - 3300C, thì tùy thuộc vào từng mô hình nó sẽ được tái sinh thành hơi bão hòa áp suất, nhiệt độ thấp tại 0,1 - 1,27MPa, nhiệt độ khoảng 1600C hoặc nước nóng tại nhiệt độ 105 - 1800C

- Tua bin hơi là loại có sử dụng hay không sử dụng hơi thứ cấp

- Vì cùng tham số của khí thải do vậy trong mô hình thứ nhất công suất phát điện là 100% thì mô hình 1.2 là 101,5 - 102% và mô hình thứ ba là 102 - 103%

- Với mô hình 1.1 vị trí lắp đặt Turbine không quan trọng nhưng với mô hình thứ hai thì turbine lắp cách xa sàn làm nguội, còn mô hình thứ ba turbine hơi càng gần sàn làm nguội càng tốt

1.4 CÔNG NGHỆ PHÁT ĐIỆN TẬN DỤNG NHIỆT DƯ NHIỆT ĐỘ THẤP CHO LÒ QUAY XI MĂNG THẾ HỆ THỨ HAI TRÊN THẾ GIỚI

1.4.1 Định nghĩa và đặc trưng

1.4.1.1 Định nghĩa

Là công nghệ chuyển đổi nhiệt dư sinh ra từ khí thải từ hệ thống tiền trao đổi nhiệt và phần làm mát clinker của lò quay xi măng kiểu mới (ở đây gọi là lò quay ngắn) thành điện, tua bin sử dụng hơi áp suất 1,27 - 3,43 MPa, nhiệt độ 340 - 4350C, việc phát điện không làm ảnh hưởng tới công suất, chất lượng clinker, không hạ thấp hiệu suất hoạt động của lò, không phải thay đổi thiết bị và quá trình công nghệ sản xuất xi măng, không tăng suất tiêu hao điện và nhiệt của sản xuất clinker

- Một nồi hơi quá nhiệt là được đặt gần nồi hơi AQC, với giải pháp này nhiệt

độ của hơi sơ cấp sẽ được điều chỉnh nhưng không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ khí ra

từ lò quay

- Một nồi hơi quá nhiệt độc lập sẽ được đặt trong C1 (Tầng cuối cùng của

hệ thống tiền trao đổi nhiệt) để tăng thêm hiệu suất vận hành, tính ổn định của nhà máy điện

- Hệ thống nước cấp cho nồi hơi AQC và SP là song song không ảnh hưởng lẫn nhau và hoàn toàn độc lập

- Hệ thống khử ôxy của nước cấp nồi hơi sử dụng nhiệt dư nhiệt độ thấp dưới

1450C, không cần tiêu hao hóa chất và năng lượng điện ngoài

`- Có một bộ điều chỉnh lắp tại đầu ra của nồi hơi SP để điều chỉnh nhiệt độ khí đầu ra để thỏa mãn các yêu cầu sấy khác nhau trong các điều kiện độ ẩm môi trường khác nhau tại các mùa khác nhau

- Khí làm mát từ sàn làm nguội sẽ được tuần hoàn

1.4.2 Các điểm trọng yếu của công nghệ

Lắp một nồi hơi tại hệ thống tiền trao đổi nhiệt Tại sàn làm nguội sẽ thay đổi việc thoát khí thải thành ba phần: Mở một đường rút khí với nhiệt độ khoảng

5000C tại điểm thuộc nữa trên gần giữa sàn làm nguội để làm nguồn nhiệt cho nồi hơi quá nhiệt (gọi là ASH) Mở một đường rút khí ở đoạn giữa sàn làm nguội với nhiệt độ khí khoảng 3600C để cấp nhiệt cho nồi hơi có đặc tính làm lạnh nhanh khí nóng (Gọi là AQC) Một đường khác của khí thải tại sàn làm nguội là phía đuôi với nhiệt độ khí khoảng 1200C và sẽ đưa ra môi trường trực tiếp Lắp Tua bin hơi có tuần hoàn hơi thứ cấp đến nồi hơi AQC, SP, và ASH, tham số hơi cho máy phát đạt 1,27 - 3,43 MPa, nhiệt độ 340 - 435 và hơi thứ cấp bão hòa là 0 - 0,2 MPa, nhiệt độ

1600C và với nhiệt năng tiêu hao của sản xuất clinker là 3140 kj/kg thì sẽ sinh ra lượng điện khoảng 38-45kWh/tấn clinker

1.4.3 Đặc trưng của công nghệ

Về phương thức lấy nhiệt từ sàn làm nguội clinker và cấu trúc hệ thống nhiệt động của công nghệ phát điện tận dụng nhiệt dư nhiệt độ thấp thế hệ thứ hai cho lò quay xi măng kiểu mới không chỉ thừa hưởng các đặc tính công nghệ của hệ thống thế hệ trước mà còn có một số đặc tính riêng như sau:

- Có nhiều điểm lấy nhiệt tại sàn làm nguội dẫn tới tăng được nhiệt độ và áp suất của hơi sơ cấp của nhà máy điện, việc lấy nhiệt này được nhận biết là lấy nhiệt

dư phân tầng theo nhiệt độ khí

- Có lắp một nồi hơi quá nhiệt ASH độc lập tại sàn làm nguội để tạo ra điều kiện để điều chỉnh, điều khiển tham số hơi (Nhiệt độ và áp suất)

- Nhà máy điện có tham số hơi sơ cấp là 1,27 - 3,43 MPa, nhiệt độ 340 -

4350C để đảm bảo tăng công suất phát

- Tua bin sử dụng hơi hỗn hợp nhiều trạng thái (Nghĩa là có tuần hoàn hơi thứ cấp), nồi hơi AQC sử dụng hơi áp suất cao trong khoảng 1,47 - 3,43 MPa, và hơi áp suất thấp trong khoảng 0,15 - 0,5 MPa và nước nóng nhiệt độ 100 - 1200C Nồi hơi này cũng phát ra khí nhiệt độ khoảng 1900C, và qua một thiết bị sẽ tạo nước nóng 100 - 1200C cho hệ thống cấp nước, và khí nhiệt dư 1450C cấp cho hệ thống khử ôxy

- Hệ thống cấp nước cho nồi hơi AQC và SP là độc lập tạo ra điều kiện vận hành tốt nhất cho từng nồi hơi.

- Hệ thống khử ôxy nước cấp cho nồi hơi sử dụng nhiệt dư nhiệt độ thấp khoảng 1450C cho nên không cần tiêu hao hóa chất và năng lượng điện ngoài Có một bộ điều chỉnh lắp tại đầu ra nồi hơi SP để điều chỉnh nhiệt độ khí đầu ra theo thay đổi nhiệt độ yêu cầu của việc sấy của máy nghiền liệu và tối ưu việc biến đổi nhiệt dư thành điện năng

1.5 NHẬN XÉT

Trong chương này, giới thiệu các nguồn nhiệt thải ra môi trường của các nhà máy xi măng trên thế giới nói chung và xi măng Sông Gianh nói riêng Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiểm môi trường mà các nhà máy đang gặp phải Giới thiệu

sự phát triển của hệ thống thu hồi nhiệt thế hệ thứ nhất và thế hệ thứ hai cho lò quay

xi măng, các hệ thống thu hồi nhiệt trên thế giới đã được áp dụng Phân tích ưu nhược điểm của từng mô hình thu hồi nhiệt và các điểm trọng yếu của công nghệ thu hồi nhiệt dư nhiệt độ thấp lò quay xi măng

CHƯƠNG 2 CÁC THIẾT BỊ CHÍNH TRONG DÂY CHUYỀN

THU HỒI NHIỆT DƯ2.1 NỒI HƠI

2.1.1 Khái niệm cơ bản

Nồi hơi là một thiết bị giúp đưa nhiệt của quá trình đốt cháy cho nước cho đến khi nước được đun nóng hoặc thành hơi Nước nóng hoặc hơi dưới tác động của

áp suất sẽ truyền nhiệt sang một quy trình Nước là tác nhân trung gian rẻ tiền và hữu dụng giúp truyền nhiệt sang một quy trình Khi nước được chuyển thành hơi, thể tích sẽ tăng lên khoảng 1.600 lần, tạo ra một lực mạnh như là thuốc súng Vì vậy nồi hơi là thiết bị phải được vận hành với tinh thần cẩn trọng cao

Hệ thống nồi hơi bao gồm: Một hệ thống nước cấp, hệ thống hơi và hệ thống nhiên liệu Hệ thống nước cấp, cấp nước cho nồi hơi và tự động điều chỉnh nhằm đáp ứng nhu cầu hơi Sử dụng nhiều van nên cần bảo trì và sửa chữa Hệ thống hơi thu gom và kiểm soát hơi do nồi hơi sản xuất ra Một hệ thống đường ống dẫn hơi tới vị trí cần sử dụng Qua hệ thống này áp suất hơi được điều chỉnh bằng các van

và kiểm tra bằng máy đo áp suất hơi Hệ thống nhiên liệu bao gồm tất cả các thiết bị được sử dụng để tạo ra nhiệt cần thiết Các thiết bị cần dùng trong hệ thống nhiên liệu phụ thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng trong hệ thống nhiên liệu

Nước đưa vào lò hơi được chuyển thành hơi được gọi là nước cấp Nước cấp

có hai nguồn chính là: Nước ngưng hay hơi ngưng tuần hoàn từ các quy trình và

nước đã qua xử lý (nước thô đã qua xử lý) từ bên ngoài bộ phận lò hơi và các quy trình của nhà máy Để nâng cao hiệu quả sử dụng lò hơi, một thiết bị trao đổi nhiệt đun nóng sơ bộ nước cấp sử dụng nhiệt thải từ khí lò

2.1.2 Các loại nồi hơi

Phần này giới thiệu các loại nồi hơi khác nhau: Nồi hơi ống lửa, nồi hơi ống nước, nồi hơi trọn bộ, nồi hơi buồng lửa tầng sôi, nồi hơi buồng lửa tầng sôi không khí, nồi hơi buồng lửa tầng sôi điều áp, nồi hơi buồng lửa tầng sôi tuần hoàn, nồi hơi đốt lò, nồi hơi sử dụng nhiên liệu phun, nồi hơi sử dụng nhiên liệu thải và thiết

bị gia nhiệt

+ Nồi hơi ống lửa (Fire Tube Boiler)

Với loại lò hơi này, khí nóng đi qua các ống và nước cấp cho lò hơi ở phía trên sẽ được chuyển thành hơi Lò hơi ống lửa thường được sử dụng với công suất hơi tương đối thấp cho đến áp suất hơi trung bình Do đó, sử dụng lò hơi dạng này

là ưu thế với tỷ lệ hơi lên tới 12.000 kg/giờ và áp suất lên tới 18 kg/cm2 Các lò hơi này có thểsử dụng với dầu, ga hoặc các nhiên liệu lỏng Vì các lý do kinh tế, các lò hơi ống lửa nằm trong hạng mục lắp đặt “trọn gói” (tức là nhà sản xuất sẽ lắp đặt) đối với tất cả các loại nhiên liệu

+ Nồi hơi ống nước (Water Tube Boiler)

Phần lớn các thiết kế lò hơi ống nước hiện đại có công suất nằm trong

Hình 2.1 Nồi hơi ống nước

khoảng 4.500 – 120.000 kg/giờ hơi, ở áp suất rất cao Rất nhiều lò hơi dạng này nằm trong hạng mục lắp đặt “trọn gói” nếu nhà máy sử dụng dầu và/hoặc ga làm nhiên liệu Hiện cũng có loại thiết kế lò hơi ống nước sử dụng nhiên liệu rắn nhưng với loại này, thiết kế trọn gói không thông dụng bằng.

Lò hơi ống nước có các đặc điểm sau:

Sự thông gió cưỡng bức, cảm ứng, và cân bằng sẽ giúp nâng cao hiệu suất cháy

Yêu cầu chất lượng nước cao và cần phải có hệ thống xử lý nước

Phù hợp với công suất nhiệt cao

+ Nồi hơi trọn bộ (Package Boiler)

Loại lò hơi này có tên gọi như vậy vì nó là một hệ thống trọn bộ Khi được lắp đặt tại nhà máy, hệ thống này chỉ cần hơi, ống nước, cung cấp nhiên liệu và nối điện để có thể đi vào hoạt động

Lò hơi trọn bộ thường có dạng vỏ sò với các ống lửa được thiết kế sao cho đạt được tốc độ truyền nhiệt bức xạ và đối lưu cao nhất

Lò hơi trọn bộ có những đặc điểm sau:

Buồng đốt nhỏ, tốc độ truyền nhiệt cao dẫn đến quá trình hoá hơi nhanh hơn.Quá trình truyền nhiệt do đối lưu tốt hơn do được lắp một số lượng lớn các ống truyền, nhiệt có đường kính nhỏ giúp truyền nhiệt đối lưu tốt Hiệu suất cháy cao do có sử dụng hệ thống thông gió cưỡng bức Quá trình truyền nhiệt tốt hơn nhờ

số lần khí đi qua lò hơi Hiệu suất nhiệt cao hơn so với các loại lò hơi khác

Những lò hơi này được phân loại dựa trên số lần số lần khí đốt nóng đi qua

lò hơi Buồng đốt sẽ là lần đi qua thức nhất, sau đó có thể là hai hoặc ba bộ ống lửa

Loại lò hơi phổ biến nhất của loại này là lò hơi bậc 3 (3 lần khí đi qua lò hơi) với hai bộ ống đốt và với khí thải đi qua bộ phận phía sau lò hơi

+ Nồi hơi buồng lửa tầng sôi (FBC)

Lò hơi buồng lửa tầng sôi (FBC) gần đây nổi lên như là một lựa chọn khả thi

và có rất nhiều ưu điểm so với hệ thống đốt truyền thống, nó mang lại rất nhiều lợi ích-thiết kế lò hơi gọn nhẹ, nhiên liệu linh hoạt, hiệu suất cháy cao hơn và giảm thải

các chất gây ô nhiễm độc hại như SOx và NOx Nhiên liệu đốt của những lò hơi loại này gồm có than, vỏ trấu, bã mía, và các chất thải nông nghiệp khác Lò hơi buồng lửa tầng sôi có các mức công suất rất khác nhau từ 0,5 T/h cho tới hơn100 T/h.

Khi không khí hoặc ga được phân bố đều, đi qua lớp hạt rắn minh, những hạt này sẽ không bị ảnh hưởng ở vận tốc thấp Khi vận tốc không khí tăng dần, dẫn đến trạng thái các hạt đơn bị treo lơ lửng trong không khí này gọi là “tầng sôi”

Khi vận tốc không khí tăng thêm sẽ tạo ra bong bóng, chuyển động mạnh, pha trộn nhanh và tạo ra bề mặt nhiên liệu đặc Lớp vật liệu với những hạt rắn này được xem như là dung dịch đun sôi sẽ tạo ra lớp chất lỏng-“tầng sôi”

Nếu các hạt cát ở trạng thái sôi được đun tới nhiệt độ than có thể bốc cháy,

và than được cấp liên tục vào, khi đến lớp nhiên liệu, than sẽ bốc cháy tức thì, và lớp nhiên liệu đạt được nhiệt độ đồng đều Quá trình đốt cháy tầng sôi (FBC) diễn

ra ở mức nhiệt độ 840OC đến 950OC Vì nhiệt độ này thấp hơn nhiệt độ tan chảy của xỉ rất nhiều, nên có thể tránh được vấn đề xỉ nóng chảy và các vấn đề khác có liên quan

Nhiệt độ cháy thấp hơn đạt được là do hệ số truyền nhiệt cao nhờ sự pha trộn nhanh ở tầng sôi và sự thoát nhiệt hiệu quả từ lớp nhiên liệu qua những ống truyền nhiệt trong lớp nhiên liệu và thành của tầng nhiên liệu Vận tốc khí được duy trì ở giữa khoảng vận tốc sôi tối thiểu và vận tốc các hạt nhiên liệu bị cuốn theo Điều này giúp đảm bảo sự vận hành ổn định của lớp nhiên liệu và tránh việc các hạt bị cuốn theo vào dòng khí

+ Nồi hơi buồng lửa tầng sôi không khí (AFBC)

Phần lớn các lò hơi vận hành dạng này là theo Quá trình Cháy tầng sôi không khí (AFBC) Quá trình này phức tạp hơn là bổ sung một buồng đốt tầng sôi vào lò hơi vỏ sò truyền thống Những hệ thống như thế này được lắp đặt tương tự như lò hơi ống nước

Than được đập theo cỡ 1-10 mm phụ thuộc vào loại than, loại nhiên liệu cấp cho buồng đốt Không khí khí quyển, đóng vai trò là cả khí đốt và khí tầng sôi,

được cấp vào ở một mức áp suất, sau khi được đun nóng sơ bộ bằng khí thải Những ống trong tầng nhiên liệu mang nước đóng vai trò là thiết bị bay hơi Những sản phẩm khí của quá trình đốt đi qua bộ phận quá nhiệt của lò hơi, qua bộ phận tiết kiệm, thiết bị thu hồi bụi và thiết bị đun nóng khí sơ bộ trước khi ra không khí.

+ Nồi hơi buồng lửa tầng sôi điều áp (PFBC)

Ở loại lò hơi này, một máy nén khí sẽ cung cấp khí sơ cấp cưỡng bức (FD)

và buồng đốt là một nồi áp suất Tốc độ thoát nhiệt trong tầng sôi tỷ lệ với áp suất của tầng sôi và do dó, tầng sâu sẽ giúp thoát nhiệt nhiều Nhờ vậy, hiệu suất cháy và

sự hấp thụ S2 trong tầng nhiên liệu.Hơi được tạo ra trong hai ống, một nằm trong tầng sôi và một nằm trên Khí lò nóng có thể chạy tua bin sử dụng gas phát điện Hệ thống PFBC có thể được sử dụng trong đồng phát (hơi và điện) hoặc phát điện chu trình kết hợp Việc vận hành chu trình kết hợp (tua bin dùng gas và tua bin chạy bằng hơi nước) sẽ cải tiện hiệu suất chuyển đổi toàn phần từ 5 đến 8 %

+ Nồi hơi buồng lửa tầng sôi tuần hoàn khí (CFBC)

Với hệ thống tuần hoàn, các thông số của tầng nhiên liệu được duy trì để thúc đẩy việc loại sạch những hạt rắn trong tầng nhiên liệu Chúng nâng lên, pha trộn trong dàn ống lên và hạ xuống theo cyclon phân li và quay trở lại Trong tầng nhiên liệu, không có ống sinh hơi Việc sinh hơi và làm quá nhiệt hơi diễn ra ở bộ phận đối lưu, thành ống nước và ở đầu ra của dàn ống nâng lên

Các lò hơi buồng lửa tầng sôi tuần hoàn khí thường kinh tế hơn so với lò hơi buồng lửa tầng sôi không khí khi áp dụng trong các doanh nghiệp công nghiệp cần

sử dụng lượng hơi lớn hơn 75 – 100 T/h Với các nhà máy có nhu cầu lớn hơn, nhờ đặc điểm lò đốt cao của hệ thống lò hơi buồng lửa tầng sôi tuần hoàn khí sẽ cung cấp khoảng trống lớn hơn để sử dụng, các hạt nhiên liệu lớn hơn, và thời gian lưu hấp thụ để đạt hiệu suất cháy và mức SO2 cao hơn, việc áp dụng các công nghệ để kiểm soát mức NOx cũng dễ dàng hơn so với lò hơi buồng lửa tầng sôi không khí

+ Nồi hơi đốt ghi

Buồng lửa được chia tuỳ theo phương pháp cấp nhiên liệu cho lò và kiểu ghi lò Các loại chính bao gồm buồng lửa ghi cố định và buồng lửa ghi xích hoặc

ghi di động.

+ Nồi hơi sử dụng nhiên liệu phun

Hầu hết các nhà máy nhiệt điện (than) đều sử dụng lò hơi dùng nhiên liệu phun, và rất nhiều lò hơi ống nước công nghiệp cũng sử dụng loại nhiên liệu phun này Công nghệ này được nhân rộng rất nhanh và hiện có hàng nghìn nhà máy áp dụng, chiếm hơn 90% công suất đốt than

Than được nghiền (pulverized) thành bột mịn sao cho dưới 2% có đường kính +300 micrometer (μm) và 70-75 % nhỏ hơn 75 microns, đối với than bitum

Cũng cần lưu ý rằng, bột quá mịn sẽ gây lãng phí điện sử dụng cho máy nghiền

Mặt khác, bột to quá sẽ không cháy hết trong buồng đốt và dẫn tới tổn thất

nhiệt độ từ 1300-1700 °C, phụ thuộc nhiều vào loại than Thời gian lưu của các than trong lò điển hình từ khoảng 2 đến 5 giây, và kích thước hạt phải nhỏ vừa để hoàn tất quá trình đốt, diễn ra trong khoảng thời gian này.

Hệ thống kiểu này có rất nhiều ưu điểm như khả năng cháy với các loại than chất lượng khác nhau, phản ứng nhanh với các thay đổi mức tải, sử dụng nhiệt độ khí đun nóng sơ bộ cao, vv

Một trong những hệ thống phổ biến nhất để đốt than nghiền là đốt theo phương tiếp tuyến sử dụng 4 góc để tạo ra quả bóng lửa ở giữa lò

+ Nồi hơi sử dụng nhiệt thải

Bất cứ nơi nào có sẵn nhiệt thải ở nhiệt độ cao hoặc trung bình đều có thể lắp đặt lò hơi sử dụng nhiệt thải một cách kinh tế Khi nhu cầu hơi cao hơn lượng hơi tạo ra từ nhiệt thải, có thể sử dụng lò đốt nhiên liệu phụ trợ Nếu không cần sử dụng hơi trực tiếp có thể sử dụng hơi cho máy phát tua bin chạy bằng hơi để phát điện

Lò hơi loại này được sử dụng rộng rãi với nhiệt thu hồi từ khí thải của tua bin chạy bằng gas hoặc các động cơ diezen

Hình 2.3 Nồi hơi sử dụng nhiệt thải

Bình thu hồi nhiệt

khí thải

2.2 TURBINE HƠI

2.2.1 Lịch sử phát triển

Tuabin hơi nước đầu tiên xuất hiện đầu thế kỉ XIX Những người đầu tiên chế tạo ra tuabin hơi nước là Gútav Laval (người Thuỵ Sỹ) và Charles Parsons (Anh)

Năm 1883 Laval đã chế tạo ra tuabin xung lực một tầng với những ống phun

to dần, công suất của loại tuabin này nhỏ Tuabin này được chế tạo theo nguyên lý này tức là trong tuabin quá trình bành trương hơi chỉ xảy ra trong dãy cánh tĩnh được gọi là tuabib xung lực

Vào năm 1884 kỹ sư người Anh Chalé Parsons đã chể tạo ra tuabin nhiều tầng Mỗi tầng gồm một dãy ống phun và một dãy cánh động , trong đò hơi bành trướng từ tầng này tới tầng khác Tuabin loại này hơi không chỉ bành trướng trong dãy cánh động mà còn bành trướng trong dãy cánh tĩnh gọi là tuabin phản lực

Năm 1912 tuabin hướng trục đầu tiên do hai anh em người Thụy Điển chế tạo

Vào thế kỷ XIX nghành chế tạo tuabin phát triển với nhịp độ cao: 1924 người ta chế tạo ra tuabin ngưng hơi với công suất 200MW và thông số hơi ban đầu 1,1MPa, 300oC Năm 1928 sản xuất được tuabin 200MW, 12,8Mpa, 565oC Vào thập niên 70-80 cho ra đời loại tuabin sử dụng trong nhà máy điện nguyên tử với công suất 70MW, 225MW, 500MW, 1030 MW, với tần số 25 vòng.s-1, 50 vòng.s-1

Trong nền công nghiệp hóa hiện đại hóa hiện nay nhu cầu sử dụng năng lượng ngày một quan trọng và không thể thiếu trong cuộc sống cũng như trong quá trình sản xuất

Trong những năm gần đây, các nhà máy thủy điện ở nước ta đã và đang được phát triển một cách nhanh chóng như: nhiệt điện Phả Lại II, Uông Bí, Phú Mỹ…

Nước ta hiện nay các khu công nghiệp đang phát triển mạnh và nhằm phục

vụ cho đời sống nhân dân ngày càng tốt hơn Vì thế nươc ta đang phát triển nhiều nhà máy nhiệt điện có công suất ngày càng lớn hơn,công nghệ ngày càng tiên tiến hơn

2.2.2 Khái niệm

Tuabin hơi nước hay còn gọi là động cơ hơi nước, trong đó thế năng của hơi ban đầu sẽ chuyển hóa thành động năng, sau đó chuyển thành cơ năng làm quay bánh công tác

Hình 2.4 Mặt cắt của turbine hơi

Turbine áp suất cao

Hơi vào

Turbine áp suất trung bìnhDòng hơi

Dòng hơi

Hơi thoát ra

Bộ ống hút gồm có một thiết bị nạp khí, một ống khuỷu, và một ống hình nón Thiết bị nạp khí được lắp giữa vòng đai đáy và ống khuỷu Để giảm độ rung thuỷ lực và ảnh hưởng đến khí xâm thực, cần phải có thiết bị nạp khí và khí bổ sung

tự nhiên ở ngoài vùng định danh của thiết bị

+ Nguyên lý hoạt động

1 Bình khử khí; 2 Bơm nước cấp; 3 Bình gia nhiệt cao áp; 4 Lò hơi; 5 Bộ quá nhiệt;

6 Turbine hơi nước; 7 Máy phát điện; 8 Bình ngưng; 9 Bơm nước ngưng;

- Tuabin một tầng (Single- stage turbines) Công suất đạt nhỏ Thường dùng

để cho máy nén ly tâm, bơm, quạt…

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý đơn giản nhất của turbine hơi

1

3

5 4

6

8

7

- Tuabin nhiều tầng (Multistage turbines) Có nhiều tầng công tác (xung lực hay phản lực) nối tiếp nhau, công suất lớn.

Theo hướng chuyển động của dòng hơi

- Tuabin dọc trục (Axial turbines ) Dòng hơi chuyển gần như song song với trục

- Tuabin hướng kính (Radial turbines) Dòng có hướng vuông góc với trục,

có thể là ly tâm hay hướng tâm

Theo nguyên lý tác dụng của dòng hơi

- Tuabin xung lực (Impulse turbines) Hơi nước chỉ giản nở để tăng tốc trong ống phun hay trong rãnh cánh tĩnh, nhiệt năng của hơi chuyển thành động năng của dòng, trong dãy cánh tĩnh chỉ xảy ra sự biến đổi động năng thành cơ năng Ngày nay người ta chế tạo tầng xing lực có độ phản lực nhất định để tăng hiệu suất của nó

- Tuabin phản lực (Reaction turbines) Sự giản nở của hơi nước xảy ra trong rảnh cánh tĩnh và rãnh cánh động với mức gần như nhau

Theo đặc điểm của quá trình nhiệt

- Tuabin ngưng hơi:

Trong đó toàn bộ lưu lượng hơi mới, lưu lượng hơi trích gia nhiệt, đều đi qua phần chuyền hơi, bành trướng đến áp suất bé hơn áp suất khí quyển, rồi vào bình ngưng Trong đó nhiệt của hơi thoát ra truyền cho nước làm mát và mất đi một cách vô ích

Dùng để kéo máy phát điện và sản xuất điện năng Hiệu suất nhiệt tương đối thấp

- Tuabin đối áp:

Trong loại tua bin này hơi bành trướng tới áp suất dưới áp suất khí quyển, còn nhiệt của nước làm mát bình ngưng thì được dùng cho các nhu cầu sinh hoạt, cho ngành nông nghiệp,…

Trong loại tuabin này, áp suất hơi sau tấng cuối cũng thường lớn hơn áp suất khí quyển

- Tuabin ngưng hơi có trích hơi điều chỉnh:

Loại tuabin này ngoài việc trích hơi gia nhiệt hồi nhiệt (không điều chỉnh) còn bố trí một hoặc hai cửa trích hơi có điều chỉnh áp suất theo nhu cầu để dùng cho mục đích công nghệ và sưởi ấm.

Hơi trích được điều chỉnh có lưu lượng lớn hơn so với loại chỉ có trích hơi gia nhiệt và không phụ thuộc vào phụ tải của tuabin, còn áp suất trong cửa trích hơi thì giữ không đổi Lưu lượng hơi còn lại sẽ đi vào phần hạ áp rồi thoát về bình ngưng hơi

Hiệu suất tại gian máy có thể đạt tới 42 – 45 %.Tuabin hơi có trích hơi điều chỉnh rất phù hợp với việc phối hợp sản suất điện năng và nhiệt năng

- Tuabin ngưng hơi có cữa trích điều chỉnh trung gian:

Trong tuabin này hơi trích từ tầng trung gian được dẫn về hộp tiêu thụ nhiệt, lượng hơi còn lại tiếp tục làm việc trong các tầng khác và đi vào bình ngưng Áp suất hơi trích được tự động duy trí ở mức không đổi

- Tuabin có cửa trích hơi điều chỉnh và đối áp:

Hình 2.6 Sơ đồ của turbine ngưng hơi có trích hơi điều chỉnh

Hơi mới

Xupap hơi

Bình ngưng hơi

Bơm

Máy phát điện

Bình gia nhiệt

Hộ dùng nhiệt

Trích hơi hồi nhiệt

Rút hơi hồi nhiệt

Xupap điều chỉnhTurbine cao áp

Turbine hạ áp

Để phục vụ các hộ tiêu thụ nhiệt có nhu cầu với áp suất khác nhau, có thể dùng tuabin có cửa trích hơi điều chỉnh và đối áp, trong đó một phần hơi với áp suất không đổi được trích từ tầng trung gian Phần hơi còn lại, sau khi đi qua các tầng tiếp theo sẽ dẫn về hộ tiêu thụ nhiệt với áp suất thấp hơn

Tuỳ thuộc vào áp suất của hơi dẫn vào tuabin mà chia ra:

- Tuabin thấp áp, với áp suất hơi mới từ 1,2 đến 2 bar

- Tuabin trung áp, với ap suất hơi mới không quá 40 bar

- Tuabin cao áp với áp suất hơi mới từ 60 đến 140 bar

- Tuabin trên cao áp, vói áp suất trên 140 bar

2.2.4 Cách nâng cao hiệu suất của chu trình

- Hiệu suất của chu trình

η=W/p = 1-(q2/q1) (2.1)Trong đó: W: Công sinh ra của chu trình, kJ/kg

q1: Nhiệt lượng cấp vào chu trình, kJ/kg Q2: Nhiệt lượng thải ra, kJ/kg

Công sinh ra của tuabin

Wt =i1-i2, kJ/kg (2.2)Công tiêu hao của trong quá trình nén của bơm WP:

WP=i3, - i3 = v*(p3, -p3) = v*(p1-p3 ) (2.3)Công sinh ra của chu trình W

W=Wt-Wp =i1-i2-(i3-i3) (2.4)Nhiệt lượng cấp vào của chu trình

Thay chu trình Rankin bằng chu trình Cacno tương ứng để thấy rõ hơn khi thay nhiệt độ thay đổi T trên đoạn cấp nhiệt bằng nhiệt độ tương đương không đổi Ttd:

ηt =ηc =(Ttd –Tk) / Tt (2.7)Với nhiệt độ hơi thoát Tk và nhiệt độ hơi nước T0 =const, nếu tăng áp suất ban đầu p0 thì nhiệt độ hơi bảo hoà tăng, Td tăng đến Ttd1

Theo (2.7) thì ηt tăng

Nhiệt giáng lý thuyết của tuabin H0 sẽ tăng với p0 cho đến lúc đường tiep1 tuyến ab với đường đẳng nhiệt t0=const song song đoạn đẳng áp pk =const Nếu tiếp tục tăng p0 nhiệt giáng sẽ bắt đầu giảm

Khi nâng áp suất ban đầu p0 với t0 đã cho và áp suất cuối pk =const thì làm tăng độ ẩm cuối Sẽ giảm hiệu suất tương đối ηoi của tuabin làm cho quạt bị mòn, độ

Khi Tk=const tương ứng ηt tăng

- Ảnh hưởng của áp suất cuối

Nếu giảm áp suất hơi thoát khi các thông số ban đầu p0 và t0 =const sẽ làm nhiệt độ ngưng tụ của hơi, tức Tk T td sẽ giảm không đàng kể Cho nên khi giảm pk

thì tăng hiệu nhiệt độ trung bình của nhiệt cấp và thải ra, tăng nhiệt giáng lý thuyết

và tăng ηt của chu trình

=> Nâng cao hiệu suất:

- Nâng cao hiệu suất thông qua hơi mới:

Với nhiệt độ hơi thoát Tk và nhiệt độ hơi mới To không đổi, nếu tăng áp suất hơi ban đầu po thì nhiệt độ hơi bão hoà sẽ tăng, do đó nhiệt độ tương đương cấp nhiệt sẽ tăng từ Tdh đến Ttd1 (hình1) Theo công thức sau thì hiệu xuất của chu trình

sẽ tăng lên

Nhưng càng tăng áp xuất ban đầu nhiệt độ tương đương của chu trìnhTtd lúc đầu tăng, sau đó, do tăng phần nhiệt dùng để đun nước tới nhiệt độ bão hoà, nhịp độ tăng ấy chậm dần, và nếu tiếp tục tăng áp suất lên nữa thì sẽ làm giảm Ttd và hiệu quả kinh tế của chu trình

Nhiệt giáng lý thuyết của tuabin Ho sẽ cùng tăng với po cho đến lúc đường tiếp tuyến ab với đường đẳng nhiệt (trên giản đồ i-s) to=const song song với đoạn đẳng áp Pk =const hình 2.8 Nếu tiếp tục tăng po nữa thì nhiệt giáng sẽ bắt đầu giảm hình 2.7 Từ giản đồ i-s hình 2.7 rõ ràng là entanpi io của hơi mới với to = const điều đó cũng lý giải được tại sao đạt hiệu suất ηo cực đại khi có áp suất hơi po cao hơn so với lúc có nhiệt giáng cực đại Ho.

Khi nâng áp suất ban đầu po với nhiệt độ to đã cho và áp suất cuối pk không đổi thì sẽ làm tăng độ ẩm cuối của hơi Như vậy sẽ làm giảm hiệu suất trong tương đối µoi của tuốc bin, làm cho cánh quạt bị mài mòn Độ ẩm cuối không được vượt quá 14% Cho nên khi tăng áp suất ban đầu cũng cần tăng nhiệt độ ban đầu hay là

Hình 2.7 So sánh các chu trình lý tưởng với áp suất ban đầu khác nhau trên giản

đồ t – s.

S T

áp dụng quá trình nhiệt trung gian Ví dụ đối với tua bin ngưng hơi không có quá nhiệt trung gian, với áp suất hơi mới po = 3.5÷4 MPa không được dưới 500oC

Nói chung là không thể xét việc nâng cao hiệu suất hơi mới tới hiệu quả kinh

tế của chu trình tách rời việc nâng cao nhiệt độ hơi mới

Hình 2.8 Sự thay đổi của nhiệt giáng lý thuyết Ho tùy thuộc vào áp suất ban đầu khi nhiệt độ ban đầu to và áp suất cuối pk, không đổi (ab- đường tiếp tuyến với đường đẳng nhiệt to và song song với đường đẳng áp pk.

- Nâng cao hiệu suất thông qua của nhiệt độ hơi mới

Ảnh hưởng của nhiệt độ hơi mới ban đầu tới hiệu suất nhiệtđược thấy rõ trên giản đồ T-S Tăng nhiệt độ hơi ban đầu từ To đến T01 sẽ làm tăng nhiệt độ cấp nhiệt trung bình từ Ttd đến Ttd1 hình2.9 Khi nhiệt độ hơi thoát Tk giữ không đổi, tương ứng hiệu suất nhiệt của chu trình tăng lên

Vì trong chu trình đầu nhiệt độ cấp nhiệt trung bình Ttd thấp hơn nhiệt độ trung bình Ttd1 của chu trình sau , còn nhiệt độ hơi thoát ra của hai chu trình thi bằng nhau, nên hiệu suất của chu trình sau cao hơn chu trình đầu

Nếu quá trình bành trướng kết thúc ở vùng hơi ẩm thì khi nâng nhiệt độ ban đầu lên độ ẩm của hơi trong các tầng tuốc bin cuối sẽ giảm Do đó khi nâng cao nhiệt độ ban đầu không những tăng hiệu suất nhiệt mà hiệu suất trong tương đối cũng tăng lên

Hình 2.10 So sánh các chu trình nhiệt lý tưởng có nhiệt độ hơi ban dầu khác nhau

trên giãn đồ T-S

Hình 2.9 Ảnh hưởng của áp suất ban đầu po đến nhiệt giáng lý thuyết Ho và

(H.K.P.H- hơi bão hòa khô )

T

S

Nếu tiếp tục nâng nhiệt độ ban đầu lên nữa , quá trình bành trướng có lẽ kết thúc ở vùng hơi quá nhiệt Trong trường hợp này nhiệt độ của nhiệt thải trung bình tăng lên chút ít Nhưng vì các đường đẳng áp ở vùng hơi quá nhiệt phân kỳ theo hình quạt về phía trên và phía phải, nên nhiệt độ cấp nhiệt trung bình tăng nhanh hơn nhiẹt độ của nhiệt thải, cho nên hiệu suất nhiệt của chu trình cũng tăng lên Như vậy là, khi tăng nhiệt độ ban đầu của hơi sẽ làm tăng hiệu suất tuyệt đối của chu trình.

- Nâng cao hiệu suất thông qua áp suất cuối

Độ ngưng nếu giảm áp suất hơi thoát pk khi các thông số hơi ban đầu po và to

không đổi sẽ làm giảm nhiệt tụ của hơi, tức là làm giảm nhiệt độ hơi thoát Tk Nhiệt

độ cấp nhiệt trung bình Ttd sẽ giảm không đáng kể Cho nên khi giảm áp suất cuối bao giờ cũng làm tăng hiệu nhiệt độ trung bình của nhiệt cấp và nhiệt thải ra, tăng nhiệt giáng lý thuyết và tăng hiệu suất nhiệt của chu trình

Hình 2.11 So sánh các chu trình nhiệt lý tưởng với các áp

suất cuối khác nhau trên giãn đồ T-S

T

S

Điều đó có thể khẳng định khi ta nghiên cứu hai chu trình nhiệt chỉ có áp suất cuối khác nhau trên giãn đồ T-S như hình 2.11 Diện tích abcdea (ứng với chu trình thứ nhất) lớn hơn diện tích a’bcde’a’ của chu trình thứ hai với áp suất cuối cao hơn một đại lượng bằng diện tích gạch chéo aa’e’ea Vậy là nhiệt giáng lý thuyết của chu trình thứ nhất cao hơn chu trình thứ hai.

- Nâng cao hệ suất nhiệt của chu trình bằng cách tăng hiệu suất nhiệt độ giữa

nguồn nóng (nhiệt cấp cho lò hơi) và nguồn lạnh (nhiệt trao cho nước tuần hoàn)

Ví dụ:

o Tăng áp suất, nhiệt độ hơi ban đầu

o Giảm áp suất cuối (tăng chân không trong bình ngưng)

o Áp dụng gia nhiệt nước cấp

o Áp dụng quá nhiệt trung gian

- Nâng cao hiệu suất tương đối của thiết bị bằng cách hoàn thiện cấu tạo của tuabin và máy phát, chủ yếu là giảm bớt các tổn thất trong phân chuyền hơi của tuabin và giảm bớt tổn thất cơ cũng như tổn thất trong máy phát

2.3 DÒNG CHẢY TRONG CÁC LOẠI ỐNG

2.3.1 Dòng chảy trong ống phun lý tưởng

Phương trình bảo toàn năng lượng viết cho một phân tố của dòng:

0 1

(

2 i −i +c (2.10)Nếu chất công tác là khí lý tưởng:

0

1 0

1

2

c p

v k

(

2 i −i +ω (2.12) Đối với ống tăng tốc ,thông thường ω1 rất bé so với ω2

ω2= 2(i1−i2) (2.13) Người ta cũng chứng minh được

p

p v

p k

1

2 1

(1

2

(2.14)

Trong trường hợp môi chất là hơi nước hay một loại khí nào thì:

k = 1,3: nếu là hơ quá nhiệt

k = 1,135: nếu là hơi bão hoà khô

k = 1,035 + 0,1x

Tốc độ ở cửa ra ω2 chịu ảnh hưởng của tính chất của chất môi giới, các thông số ban đầu ở cửa vào, và phụ thuộc rất lớn vào mức độ giản nở p2/p1 Nếu ω2càng tăng thì p2 càng giảm co nghĩa là tỉ số p2/p1 phải càng nhỏ

- Lưu lượng qua ống tăng tốc nhỏ dần

Theo điều kiện lưu động liên tục và ổn định, tại bất kỳ tiết diện nào của ống thì lưu lượng khối lượng của dòng chất môi giới đều bằng nhau và không thay đổi theo thời gian

2

2 2

v

(2.15)Trong trường hợp tổng quát:

p

p p

p v

p k

1 2 2 1

2 1

12

- Ống tăng tốc Laval

Để làm cho chất môi giới tăng tốc từ giá trị ban đầu ω1 < a, ω2 > a thì người

ta dùng một ống hỗn hợp, ống này bao gồm đoạn đầu có hình dạng nhỏ dần và đoạn sau có hình dạng lớn dần Tiết diện ma tại đó có giá trị nhỏ nhất trong toàn bộ ống gọi là cổ ống

Lưu lượng qua ống: